獲得穩(wěn)定蠕墨鑄鐵的生產(chǎn)工藝研究

熊小龍，陳園社，張　濤，賈北北

（1.海軍駐興平地區(qū)軍事代表室，陜西興平 713105；2.陜西柴油機重工有限公司，陜西興平 713105）

蠕墨鑄鐵是一種新型工程材料，有類似于灰鑄鐵的減振、導熱及鑄造性能，但其強度、塑性、韌性均高于灰鑄鐵，同時具有優(yōu)良的耐熱疲勞性能和導熱性能以及優(yōu)于球墨鑄鐵的鑄造性能。柴油機氣缸蓋結(jié)構(gòu)復雜、壁厚不均勻，要在交變機械負荷和熱負荷條件下工作，必須具有良好的導熱性和抗熱疲勞性以及足夠的剛度和致密性。而用蠕墨鑄鐵代替球墨鑄鐵或合金鑄鐵來生產(chǎn)柴油機氣缸蓋，可顯著提高其使用性能，降低成本[1,2]。

1　試驗方法

本文介紹了某大功率艦船用柴油機蠕墨鑄鐵缸蓋的生產(chǎn)研制過程。該型缸蓋的輪廓尺寸為670mm×650mm×300mm的八面體結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為GCV400-2，澆注液重470kg，要求鑄件抗拉強度大于400MPa，蠕化率在50%以上。我們采用3t中頻感應(yīng)爐，以60%生鐵、10%廢鋼和30%回爐料為基本原料，加入稀土Mg合金蠕化劑，75SiFe孕育劑進行生產(chǎn)工藝試驗。

2　工藝研究

2.1　原鐵水化學成分控制

2.1.1含C量、含Si量和碳當量

蠕墨鑄鐵的碳當量可以在一個比較寬的范圍內(nèi)變化：從亞共晶（碳當量為3.7%）到過共晶（碳當量為4.7%）。為了使鐵液具有良好的鑄造性能，一般采用接近共晶或過共晶的碳當量，即碳當量為 4.3%～4.6%、ω（C）為 3.6%～3.8%、ω（Si終）為2.0%～3.0%。在碳、硅量的配比上同球墨鑄鐵一樣采用“高碳、低硅、大孕育量”的原則。

2.1.2含Mn量

Mn在蠕墨鑄鐵中起穩(wěn)定珠光體的作用，不像在灰鑄鐵中需要抵消硫的作用，錳的脫硫作用會被鎂和稀土所取代，因此，把Mn控制在0.9%以下。一般生產(chǎn)鑄態(tài)鐵素體蠕墨鑄鐵時，ω（Mn）宜低于0.4%；而生產(chǎn)高強度、高硬度蠕墨鑄鐵時，ω（Mn）可為 0.6%～1.0%。對耐磨性有要求時，ω（Mn）可高至2.7%。

2.1.3含P量

與灰鑄鐵及球墨鑄鐵相同，P在蠕墨鑄鐵中過量時會降低韌性，少量且呈均勻分布時，能提高蠕墨鑄鐵的耐磨性、脆性轉(zhuǎn)變溫度，因此，ω（P）應(yīng)控制在0.07%以下。

2.1.4含S量

S在蠕墨鑄鐵中會大量消耗蠕化元素，造成硫化夾雜。原鐵液中含S量對蠕化處理的效果、蠕化劑的消耗與最終蠕化率的大小有著決定性的影響，當批量生產(chǎn)時，難以經(jīng)常變動合金加入量，原鐵液S含量的穩(wěn)定顯得尤為重要。當ω（S終）高于0.03%時，蠕化效果差，原鐵液含S量越低越有利于穩(wěn)定蠕鐵生產(chǎn)。從表面看，似乎當原鐵液S含量高時，蠕化劑加入量所允許的差值要比原鐵液S含量低時大，數(shù)值高達數(shù)倍之多，可是實際上蠕化劑的允許加入量范圍是相同的。因此，當S含量低時，利于穩(wěn)定蠕化劑的吸收，而且原鐵液S含量越低對減少鐵液渣量，提高鐵液的流動性，降低鑄件夾渣、冷隔、漏水等缺陷越有利[3]。與此同時，由于加入量的減少，還明顯降低了生產(chǎn)成本。

2.2　蠕化處理

2.2.1蠕化劑

蠕化劑的加入量是影響蠕化率的直接因素。應(yīng)根據(jù)其化學組成、鐵液狀態(tài)、冷卻條件和處理方法來確定[4]。如圖1a所示，當蠕化劑加入量偏少時，基體組織中石墨形態(tài)呈現(xiàn)蠕蟲狀石墨與片狀石墨的混合形態(tài)，基體組織將變?yōu)榛诣F；如圖1b所示，當蠕化劑加入量偏多時，基體組織呈現(xiàn)球狀石墨與蠕蟲狀石墨的混合形態(tài)，且球狀石墨占大部分比例。這是因為當蠕化劑加入量不足和裝填覆蓋不好，容易造成蠕化不良，蠕化早期衰退；蠕化劑加入過量則易使鑄件中產(chǎn)生大量滲碳體，形成白口，蠕化率降低。因此，蠕化劑的加入量應(yīng)適當。

2.2.2蠕化處理方法

蠕化處理方法主要取決于蠕化劑的種類。對于有自爆能力的蠕化劑（含鎂、鋅等低沸點元素），用包底沖入法（類似于球鐵的處理）；對于無自爆能力的蠕化劑（如稀土硅等），則用隨流沖入法、包內(nèi)沖入法或中間包處理法。在國內(nèi)，普遍采用稀土鎂硅鐵合金作為蠕化劑，這是因為Mg有利于石墨球化，RE容易使石墨畸變，在RE-Mg合金中，促使石墨蠕化的是RE，而鎂僅起攪拌作用，故Mg殘留在鐵液中起變質(zhì)作用的量越低越好。因此，在該類合金中，Mg含量在保持起引爆攪拌作用的前提下越低越好，RE則越高越好。

2.2.3蠕化處理溫度

鐵液溫度的高低對蠕化率也有一定的影響。鐵液溫度會影響蠕化劑的吸收率，也將涉及合金的加入量，適宜的處理溫度對穩(wěn)定蠕化劑吸收率和鑄件質(zhì)量是非常重要的。鐵液的出爐溫度（蠕化處理溫度）過高，會對合金造成燒損，蠕化反應(yīng)加快，導致處理失效；過低則鐵液與蠕化劑的反應(yīng)遲緩，蠕化反應(yīng)往往不均勻，因而不易得到好的蠕化效果。蠕化處理溫度不可過高亦不可過低，可選在1470～1530℃之間。

圖1　不同蠕化劑含量的蠕墨鑄鐵組織形貌

2.3　孕育劑

孕育劑對蠕鐵的穩(wěn)定平臺也很敏感，鐵水孕育量高，產(chǎn)生晶核多，有利于形成球狀石墨。這就使蠕鐵平臺向球化率高的方向抬起，而低的孕育量則使平臺向下移動。同時孕育劑種類和孕育量，都會影響蠕鐵的平臺位置。

2.4　澆注時間控制

從處理結(jié)束到澆注的時間間隔長短，對蠕墨鑄鐵的蠕化率影響非常大。大量的生產(chǎn)實踐證明，蠕化率是隨著蠕化反應(yīng)后的時間延長而呈拋物線變化[5]。從蠕化劑反應(yīng)開始，蠕化率隨著時間的推移呈上升趨勢，在17～18min時，蠕化率達到峰值，隨后向下開始衰退，在22～23min后衰退加速。因此，我們規(guī)定澆注時間為12～20min，最佳澆注時間為15～19min。

通過對生產(chǎn)工藝的研究，蠕化率不穩(wěn)定在蠕鐵調(diào)試生產(chǎn)初期較為突出，蠕墨鑄鐵的石墨呈蠕蟲狀，其形態(tài)介于片狀石墨和球狀石墨之間，因而蠕鐵的穩(wěn)定區(qū)很小，要想獲得穩(wěn)定的蠕化效果，就必須在生產(chǎn)過程中嚴格控制各種影響蠕化率的因素。

生產(chǎn)中我們采用將蠕化處理前原鐵液ω(S)穩(wěn)定控制在在0.018%～0.027%之間，蠕化處理工藝采用鐵液包內(nèi)引爆法，即將蠕化劑放在鐵液包底部一側(cè)的凹坑或“堤壩”內(nèi)，上面覆蓋孕育劑（孕育劑用普通75FeSi）和蠕鐵鐵屑，其上再覆蓋厚度為5mm的鋼板，然后將鐵液沖入包內(nèi)另一側(cè)，待鐵液沖入量達2/3時，蠕化反應(yīng)完全結(jié)束后，再加入其余1/3鐵液，與此同時加入隨流孕育劑進行孕育處理。蠕化處理溫度控制在1480～1500℃，從處理結(jié)束到澆注結(jié)束的時間控制在17～19min。通過此生產(chǎn)工藝鐵水蠕化率可穩(wěn)定在50%以上，滿足鑄件技術(shù)質(zhì)量要求。

3　結(jié)論

通過對蠕墨鑄鐵生產(chǎn)過程中影響蠕鐵穩(wěn)定性因素的分析，獲得穩(wěn)定的蠕墨鑄鐵，必須在工藝操作的細節(jié)上嚴格控制，鐵水成分、重量嚴格控制、蠕化劑要嚴格檢查、鐵液溫度要嚴格保持，并保持穩(wěn)定的孕育過程和澆注時間，鑄鐵蠕化率可穩(wěn)定控制在60%～90%之間。

（1）原鐵水含S量控制在較低水平時，既利于蠕化劑穩(wěn)定吸收，又可減少蠕化劑加入量，可節(jié)約成本。

（2）蠕化劑加入量的多少主要取決于鐵液中含S量的高低。當鐵液中ω（S）為0.018%～0.022%時，蠕化劑加入量為鐵液量的0.31%；當鐵液中的ω（S）為0.023%～0.027%時，蠕化劑加入量為鐵液量的0.34%。依據(jù)ω（S）調(diào)整蠕化劑加入量可顯著調(diào)高原鐵水蠕化穩(wěn)定性。

（3）經(jīng)蠕化、孕育處理后的鐵液停留時間不宜超過20min，澆注過程時間宜穩(wěn)定在15～19min，蠕化效果最佳。

參考文獻：

[1] 姜愛龍,房奪,許景峰,等.大型蠕墨鑄鐵氣缸體材料工藝開發(fā)及應(yīng)用[J].中國鑄造裝備與技術(shù),2017（1）:54-57.

[2] 暴趙鴻,劉建民,賀建科,等.蠕墨鑄鐵NE840V8柴油機缸體鑄造工藝研究與試制[J].鑄造設(shè)備與工藝,2016（5）:20-23.

[3]張惟德,蔣智慧.蠕墨鑄鐵缸蓋的生產(chǎn)及應(yīng)用[J].現(xiàn)代鑄鐵,2006（1）:60-64.

[4]張文和,丁俊,聶富榮.蠕墨鑄鐵的生產(chǎn)[J].現(xiàn)代鑄造,2006（2）:54-58.

[5] 王文江,袁明忠,吳剛.蠕墨鑄鐵生產(chǎn)中蠕化率的控制[J].現(xiàn)代鑄造,2006（2）:50-53.