打樁機汽缸鑄件的熔煉工藝及過程控制

陳鵬輝，柯志敏

（1.廣東中天創(chuàng)展球鐵有限公司，廣東英德 513000；2.廣東高性能大型鑄件制造及模擬工程技術(shù)研究中心，廣東英德 513000）

1 打樁機汽缸鑄件的技術(shù)要求

打樁機汽缸的材質(zhì)牌號為QT500-7A，要求附鑄試塊抗拉強度≥450 N/mm2，延伸率≥7%，硬度（HB）190～240，碳化物及磷共晶質(zhì)量分數(shù)分別＜1%，基體組織為鐵素體+珠光體的混合基體，金相組織上球化級別不低于2級，即球化率大于90%，球徑大小6級，并且要求對鑄件本體進行化驗驗收，要求本體珠光體含量不能低于50%且不得高于70%.由于汽缸惡劣的工作環(huán)境，還必須要保證汽缸內(nèi)腔壁的耐磨性能。鑄件的主要壁厚為35 mm，打樁機汽缸結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 打樁機汽缸鑄件毛坯

2 打樁機汽缸生產(chǎn)技術(shù)難點分析

根據(jù)技術(shù)要求，打樁機汽缸屬于強度較高的球墨鑄鐵件，具有較高的硬度和高的珠光體比例，而且珠光體含量還需要穩(wěn)定在一個相對狹小的范圍內(nèi)，同時還需要保證一定的延伸率；并且該產(chǎn)品金相組織驗收按本體實際組織為驗收標(biāo)準(zhǔn)，并規(guī)定金相分析為汽缸內(nèi)腔非冷鐵位置。由于汽缸使用樹脂砂造型，保溫性能好，加之拆箱后內(nèi)腔紅熱的砂芯無法及時倒出，導(dǎo)致內(nèi)腔冷切條件較差，容易造成珠光體的分解，導(dǎo)致本體珠光體含量低以及力學(xué)性能的降低，尤其是本體硬度的不足，然而熱處理價格高，所以希望鑄件在鑄態(tài)下就能得到合格的力學(xué)性能和金相組織。根據(jù)打樁機汽缸的金相、硬度以及耐磨的要求，在汽缸熔煉時必須合金化，不然是很難達到技術(shù)要求的。

圖2 終硅質(zhì)量分數(shù)與抗拉強度、硬度和延伸率的關(guān)系

3 打樁機汽缸試驗生產(chǎn)

3.1 化學(xué)成分的選擇

選擇適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)成分是保證鑄鐵鑄態(tài)下獲得良好的組織狀態(tài)和高性能的基本條件，也是控制基體中珠光體含量的必要途徑。結(jié)合打樁機汽缸的結(jié)構(gòu)特點、性能要求來確定化學(xué)成分。

3.1.1 碳

含碳量對球墨鑄鐵力學(xué)性能的影響主要是通過其對基體的影響起作用的，對鑄態(tài)球墨鑄鐵來說，增加含碳量可以減少滲碳體，在鑄態(tài)球鐵中碳的質(zhì)量分數(shù)接近3%時，滲碳體消失，超過3%時，開始出現(xiàn)鐵素體。碳又能促進共析石墨化，增加石墨球數(shù)，從而增加鐵素體含量，導(dǎo)致珠光體含量減少，也在一定程度上減小縮松、縮孔的體積和面積；但碳量過高不僅有出現(xiàn)石墨漂浮的可能，對降低縮松、縮孔傾向也不明顯。故選擇碳質(zhì)量分數(shù)在3.6%～3.8%之間。

3.1.2 硅

硅是石墨化元素，是Fe-C合金中能夠封閉奧氏體區(qū)的元素，使鐵碳合金能在較高的溫度下進行共晶和共析轉(zhuǎn)變，有利于碳原子和鐵原子的擴散，也有利于滲碳體的分解，促進石墨化，從而使基體中珠光體含量降低，鐵素體增加并且強化鐵素體。據(jù)資料在w（Si）≥2.6%即使正火也很難得到完全珠光體，所以硅能降低強度、硬度提高塑形，降低耐磨性，所以終硅質(zhì)量分數(shù)需控制在2.4%～2.5%范圍。圖2所示終硅與抗拉強度、硬度和延伸率的關(guān)系。

3.1.3 錳

錳少量固溶于鐵素體，大部分溶入共析碳化物和滲碳體中，以復(fù)合碳化物的形態(tài)存在，加強了碳化物的形成，因此是阻礙石墨化的元素，故增加錳量會增大和穩(wěn)定基體組織中的珠光體數(shù)量，也可以增加鑄件的耐磨性能。但錳是偏析傾向特別顯著的元素，對球墨鑄鐵的韌性影響很大，錳也會提高鐵素體球墨鑄鐵的韌脆性轉(zhuǎn)變溫度。因此，汽缸中控制錳質(zhì)量分數(shù)在0.3%～0.5%之間.

3.1.4 銅

銅是促進共晶階段石墨化的元素，石墨化能力相當(dāng)于硅的1/10～1/5.銅能使組織致密，并細化和改善石墨的均勻分布，既能降低鑄鐵的白口傾向，也可以增加鑄件的強度和硬度，加之富Cu液相包圍在石墨球周圍，阻礙了C原子通過奧氏體的擴散，其促進珠光體的能力為Mn的3倍，會產(chǎn)生更多的珠光體，而且銅可以提高耐磨性能。但由于銅加入會增加成本，并據(jù)有關(guān)資料顯示銅質(zhì)量分數(shù)在0.5%～2%之間對強度的增加效果不明顯，所以汽缸選取銅的質(zhì)量分數(shù)一般為0.4%～0.5%.

3.1.5 磷、硫

硫是反球化的有害元素，據(jù)有關(guān)資料，原鐵水硫含量高會導(dǎo)石墨提前析出，還消耗球化劑，并且使球化衰退速度加快。而且，球化后留下來的硫會增加夾渣缺陷，使鐵液變稠，并影響流動性。所以球鐵中一般將原鐵水的硫質(zhì)量分數(shù)控制在0.02%之內(nèi)。

磷在混合基體球墨鑄鐵中也有嚴重的偏析傾向，易在晶界處形成磷共晶，嚴重降低球墨鑄鐵的韌性。雖然磷是微弱的石墨化元素，作用程度與硅相當(dāng)，但磷高會增大球墨鑄鐵的縮松傾向，所以在混合基體中磷質(zhì)量分數(shù)控制在0.05%以下。

3.1.6 鉬

由于鉻、錫、銻等合金雖然都具有顯著增加或穩(wěn)定珠光體及強化力學(xué)性能的作用，但鉻在一定程度上降低塑形和韌性，錫、銻都是干擾石墨化的元素，會使石墨惡化，出現(xiàn)蠕蟲狀或塊狀石墨，而鉬合金，在增加珠光體的同時還增加鑄件的耐磨性能，所以在汽缸中加入鉬的質(zhì)量分數(shù)在0.2%～0.3%之間。

綜上分析所得汽缸技術(shù)要求的化學(xué)成分如表1所示。

表1 打樁機汽缸技術(shù)要求的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)，%）

3.2 球化及孕育處理

3.2.1 球化處理

選擇堤壩式球化包，用沖入法球化處理方式，選用鑭系輕稀土球化劑，加入質(zhì)量分數(shù)為1.2%～1.4%，使用爐前碳硅分析儀檢測原鐵水碳硅成分，并根據(jù)分析儀所測結(jié)果將原鐵液碳、硅質(zhì)量分數(shù)分別調(diào)整成3.8%～3.85%，1.4%～1.5%，并將鐵水溫度升溫至1 44 0℃～1 460℃左右時出水球化。

3.2.2 孕育處理

因為球化處理后鐵液的過冷度大，加之以廢鋼+增碳的熔煉工藝所產(chǎn)生的自發(fā)晶核少、鐵液過冷度大、石墨化能力差等，所以孕育的質(zhì)量和效果很重要。

打樁機汽缸采用含Ba、Ca的長效孕育劑（其中ω（Si）70%～75%，ω（Ba）1.5%～2.5%，ω（Ca）1.0%～2.0%），確定孕育處理工藝為在包底加入質(zhì)量分數(shù)0.4%～0.5%的孕育劑（一次孕育），出水過程再加入0.2%～0.3%（二次孕育），在坐地包內(nèi)加入粒度為0.2 mm～0.7 mm的氧硫孕育劑0.1%～0.15%（三次孕育）。二次、三次孕育可以促進獲得細小、圓整度好的石墨球和起到延緩孕育衰退、提高證球化級別的作用。

出水球化時應(yīng)當(dāng)注意實際出水量與理論出水量偏差控制在±50 kg范圍。

表2 汽缸的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)，%）

表3 汽缸的力學(xué)性能和金相組織檢驗結(jié)果

3.3 打箱

汽缸壁厚相對均勻，其主要壁厚為35 mm，不屬于壁厚厚大型鑄件，加之汽缸對珠光體含量的要求，希望通過控制拆箱時間來實現(xiàn)冷卻速度快慢，達到提高力學(xué)性能和增加珠光體含量的目的。拆箱時間短，拆出的汽缸鑄件紅熱，冷切快，最終會導(dǎo)致鑄件本體珠光體含量、硬度過高，反之會增加鑄件本身的延伸率，導(dǎo)致硬度、本體珠光體不達標(biāo)，從而增加后續(xù)的熱處理成本，經(jīng)多次試驗測算，最終確定汽缸拆箱時間為24 h.

4 試驗結(jié)果

實際生產(chǎn)2個打樁機汽缸的鑄件，每個汽缸球化后倒一個光譜試塊，并采用德國SPECTRO MAXX光譜分析儀檢測化學(xué)成分，附鑄試塊需加工到符合國標(biāo)要求的形狀和尺寸并在電液式萬能試驗機上檢驗力學(xué)性能，并用大型顯微鏡取場觀察本體的金相組織。光譜檢測的化學(xué)成分如表2所示，力學(xué)性能和金相組織檢結(jié)果如表3，本體金相組織如圖3所示。

圖3 汽缸的本體金相組織

5 結(jié)論

1）控制鐵液的化學(xué)成分，尤其是對基體影響較大的硅、錳、鉬、銅的成分，可以為汽缸能獲得良好金相組織、力學(xué)性能以及耐磨性提供條件。打樁機汽缸本體要達到珠光體50%～70%的含量，需控制化學(xué)成份為 ω（Si）2.2%～2.3%，ω（Mn）0.3%～0.5%，ω（Cu）0.4%～0.5%，ω（Mo）0.2%～0.3%.

2）采用合理的孕育方式和孕育量，能獲得更好的石墨形態(tài)和更多的石墨球數(shù)，從而提高球化率和延伸率。確定孕育處理工藝為：在包底加入質(zhì)量分數(shù)0.4%～0.5%的孕育劑（一次孕育），出水過程再加入0.2%～0.3%（二次孕育），在坐地包內(nèi)加入粒度為0.2 mm～0.7 mm的氧硫孕育劑0.1%～0.15%（三次孕育）。

3）合理的拆箱時間可以保證鑄件力學(xué)性能和珠光體含量。提前拆箱其實質(zhì)就是控制打樁機汽缸鑄件的冷卻速度，當(dāng)汽缸拆箱時間為24 h時，可以獲得較高的硬度和基體中珠光體含量，滿足汽缸的生產(chǎn)技術(shù)要求。