厚壁等溫淬火球墨鑄鐵毛坯生產(chǎn)工藝探討

吳友坤，程兆虎，孫成濤，羅 磊，周紹雷

（合肥鑄鍛廠，安徽 合肥 230022）

等溫淬火球墨鑄鐵（Austempered Ductile Iron）簡(jiǎn)稱(chēng)ADI，具有較高的綜合力學(xué)性能：如以屈服強(qiáng)度成本計(jì)算，其成本最低；還具有密度比鋼低、斷口敏感性小、吸音性能好、吸震性好等優(yōu)點(diǎn)[1，2]。國(guó)內(nèi)雖對(duì)ADI 等溫淬火處理進(jìn)行了一系列的研究，但對(duì)ADI毛坯質(zhì)量的生產(chǎn)控制介紹不多。本文從生產(chǎn)實(shí)踐出發(fā)，著重介紹ADI 毛坯的穩(wěn)定生產(chǎn)過(guò)程。

1 某ADI 毛坯技術(shù)要求

圖1 所示為某ADI 毛坯結(jié)構(gòu)，鑄件壁厚變化大（最小壁厚6.5 mm，最大壁厚86 mm），球化率≥85%，石墨球數(shù)≥100 個(gè)/mm2，加工后工件表面不允許有聚集的開(kāi)花狀/片狀石墨，尺寸精度要求高（尺寸公差要求達(dá)到CT9，關(guān)鍵尺寸要達(dá)到CT8），碳化物、夾雜、疏松等鑄造缺陷要小于1.5%.

2 爐料配比與熔煉工藝選擇

2.1 生鐵選擇

圖1 某ADI 毛坯

為減少因生鐵遺傳性及微量元素的影響，應(yīng)選擇合適的優(yōu)質(zhì)生鐵進(jìn)行熔煉，建議其中ω（P）≤0.04%，ω（S）≤0.02%.

2.2 廢鋼選擇

避免使用合金鋼帶入微量元素對(duì)組織的影響，同時(shí)，要求廢鋼無(wú)銹、無(wú)油污、干燥，且品種固定便于了解成分。隨著我國(guó)冶煉技術(shù)的提升，鋼材中微量元素的控制也大有提升，條件允許前提下，優(yōu)先選用低P 低S 碳素廢鋼：ω（P）≤0.035%，ω（S）≤0.025%.此處，選擇具有一定資質(zhì)的廢鋼供應(yīng)商是保證廢鋼質(zhì)量的前提條件。

2.3 冒口選擇

為避免現(xiàn)有常規(guī)產(chǎn)品冒口因爐料配比殘留微量元素對(duì)原鐵液質(zhì)量的影響，對(duì)ADI 澆冒口進(jìn)行單獨(dú)存放，批量生產(chǎn)后循環(huán)投入使用。

2.4 增碳劑選擇

經(jīng)高溫煅燒的石墨型增碳劑增碳速度快，并具有一定石墨化能力。對(duì)于1t～3t 電爐熔煉建議粒度1mm～5mm，若用于包內(nèi)，建議粒度控制在0.5 mm～1mm.石墨型增碳劑的各成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制為：固定碳≥98.5%，灰分≤0.5%，揮發(fā)分≤0.5%，硫≤0.05%，水分≤0.5%，氮≤0.03%，切忌僅關(guān)注固定碳含量而忽略其余技術(shù)指標(biāo)。

2.5 預(yù)處理劑使用

常用的預(yù)處理劑為冶金SiC，與增碳劑類(lèi)似，SiC 亦是通過(guò)溶解方式進(jìn)入鐵水中，在溶解過(guò)程中，小部分的C 與空氣中氧發(fā)生反應(yīng)被氧化，其余SiC微粒進(jìn)入鐵水，凝固時(shí)起核心基底作用，微粒越細(xì)越多，形核能力越強(qiáng)。若電爐熔煉使用可選用SiC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)在90%左右的冶金SiC，若用于包內(nèi)建議使用SiC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于98.5%的高品質(zhì)SiC.粒度選擇同增碳劑粒度。

3 化學(xué)成分選擇

3.1 CE 的選擇[2-5]

CE 的選擇，原則上依據(jù)鑄件不同壁厚進(jìn)行合理選擇，但因各企業(yè)所使用原材料及現(xiàn)場(chǎng)工藝的不同，導(dǎo)致實(shí)際共晶點(diǎn)亦存在差異，因此，在CE 選擇上應(yīng)在不出現(xiàn)石墨漂浮前提下，可以適當(dāng)提高CE，一般在4.3%～4.6%之間。

3.2 主要元素選擇

C、Si 的控制應(yīng)同CE 相結(jié)合，但Si 含量過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致厚壁處形成碎塊狀石墨，故在條件允許情況下，一般厚壁ADI 的Si 質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過(guò)2.6%.

Mn 在ADI 中能擴(kuò)大γ 區(qū)，降低過(guò)冷奧氏體的分解，提高淬透性，但Mn 易偏析到共晶團(tuán)晶界，使材料塑性降低，一般Mn 質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.4%以下。

P 是球鐵中有害元素，鐵液中P 含量過(guò)高，易在晶界聚集磷共晶，使鑄件性能下降，故P 越低越好，一般要求ω（P）≤0.04%.

S 是反球化元素，在球化處理時(shí)消耗殘留Mg含量，增加縮孔縮松、夾渣缺陷發(fā)生的幾率。

另外，應(yīng)強(qiáng)調(diào)元素檢測(cè)準(zhǔn)確的重要性，特別是C、Si、P、S 的檢測(cè)，如果檢測(cè)誤差不可控或失效，必然導(dǎo)致鑄件成分控制的不穩(wěn)定，從而為鑄件毛坯的穩(wěn)定生產(chǎn)帶來(lái)控制的不確定性。建議使用紅外碳硫分析儀檢測(cè)C、S，光譜檢測(cè)Si、P，并定期利用手工分析方式檢驗(yàn)校正光譜所檢測(cè)的Si、P 偏差。

3.3 合金元素

對(duì)厚大斷面有淬透性要求的ADI 鑄件，一般需要通過(guò)添加一定量的Cu、Mo、Ni 來(lái)增加淬透性，所添加合金量與常規(guī)化學(xué)成分、鑄件結(jié)構(gòu)和等溫淬火工藝有關(guān)，鑄造廠應(yīng)與熱處理廠積極合作，在保證淬透性的前提下，盡可能降低這些合金元素的使用量，降低生產(chǎn)成本。針對(duì)圖1 所示產(chǎn)品添加Cu 質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.6%～0.9%、Mo 質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%～0.3%即可保證良好淬透性。

3.4 微量或雜質(zhì)元素

微量或雜質(zhì)元素的控制主要通過(guò)原材料控制來(lái)降低這些元素對(duì)ADI 鑄件性能的影響，一般要求各微量元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均維持在0.01%以下且反球化元素總質(zhì)量分?jǐn)?shù)＜1%.

4 溫度控制

4.1 靜置處理的重要性

爐內(nèi)鐵水的高溫靜置時(shí)間和溫度的控制對(duì)提高鐵水冶金質(zhì)量、減輕爐料遺傳性等有著重要意義，建議將爐內(nèi)鐵水熔煉至1 510 ℃～1 530 ℃靜置10 min～15 min 后再進(jìn)行后續(xù)作業(yè)。

4.2 澆注溫度的選擇

澆注溫度應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和工藝布局進(jìn)行綜合考慮。澆注溫度高，由于凝固時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)于復(fù)雜鑄件易產(chǎn)生縮孔縮松石墨漂浮缺陷；而澆注溫度低，對(duì)于使用大劑量孕育劑則不利于其充分熔化，形成渣類(lèi)缺陷。

4.3 澆注

考慮到澆包降溫及澆注首末件性能差異，不建議使用無(wú)保溫功能的澆包進(jìn)行澆注，且單包鐵水從球化結(jié)束到澆注結(jié)束總時(shí)長(zhǎng)不超過(guò)10 min，目的是避免澆注后期溫度損失和球化孕育衰退對(duì)鑄件組織的影響。

5 球化及孕育處理

為避免鑄件局部過(guò)熱或厚壁處出現(xiàn)不良石墨現(xiàn)象，除在工藝設(shè)計(jì)和型砂配比時(shí)考慮加強(qiáng)鑄型冷卻外，選用低含量輕稀土或低含量輕重混合稀土球化劑進(jìn)行球化處理，如輕稀土或輕重混合稀土質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1%左右，鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%～6%的球化劑。

孕育處理使用硅鋇、硅鋯等長(zhǎng)效孕育劑，孕育方式可以采取出水隨流、轉(zhuǎn)包隨流、澆注隨流、型內(nèi)孕育等多重組合方式進(jìn)行，如本產(chǎn)品采用包內(nèi)一次硅鋇鈣孕育+澆注隨流孕育方式進(jìn)行。

6 結(jié)論

通過(guò)選用優(yōu)質(zhì)原材料控制微量元素總質(zhì)量分?jǐn)?shù)＜1%及較低的P、S 含量，穩(wěn)定CE、Mn 及加入適量的合金元素提高淬透性，并對(duì)在1 510 ℃～1 530 ℃靜置處理10 min～15 min，利用紅外碳硫儀和光譜儀正確檢測(cè)化學(xué)成分，輔以低稀土球化劑和抗衰退強(qiáng)效孕育劑，同時(shí)控制澆注時(shí)間和溫降，便能穩(wěn)定生產(chǎn)厚壁等溫淬火球墨鑄鐵毛坯。