鑄態(tài)QT500-14 射臺前板鑄件熔煉工藝淺析

陳鵬輝，柯志敏

（1.廣東中天創(chuàng)展球鐵有限公司，廣東 英德 513042；2.廣東省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 513042）

射臺前板鑄件的技術(shù)要求：牌號為QT500-14，抗拉強度大于500 MPa，屈服強度大于360 MPa，延伸率大于12%；金相組織檢驗符合GB/T9441《球墨鑄鐵金相檢驗》的要求，鑄件本體和附鑄試塊的球化級別不低于3 級，并且射臺前板鑄件不允許出現(xiàn)冷隔、夾砂、氣孔、砂眼、縮孔、粗晶、疏松等缺陷，還需要珩磨處理，所以要求高。射臺前板鑄件（見圖1）主要壁厚為92 mm，重量2 150 kg.

對于QT500-14，一般的熔煉工藝是很難實現(xiàn)的，即便能獲得所需要的力學(xué)性能往往也要加入很多的合金和苛刻的球化孕育工藝，這樣的熔煉工藝的安全系數(shù)是比較低的，還增加了鑄件的生產(chǎn)成本。通過查閱固溶強化球鐵的相關(guān)理論知識以及經(jīng)過多次的試驗，最終確定應(yīng)用高硅固溶強化的生產(chǎn)工藝來生產(chǎn)QT500-14 牌號的射臺前板鑄件。

圖1 射臺前板鑄件

隨著對固溶強化球墨鑄鐵研究的不斷深入，加之高硅固溶球鐵具有較高抗拉強度、屈服強度以及較高的延伸率，同時，該類型球墨鑄鐵相較與其他普通球墨鑄鐵具有抗拉強度與硬度更均勻、切削性能更好、能減小產(chǎn)品壁厚，減輕鑄件重量，實現(xiàn)產(chǎn)品輕量化，節(jié)約成本等優(yōu)點，已經(jīng)受到了業(yè)界的廣泛關(guān)注，然而該工藝在國內(nèi)卻應(yīng)用的比較少。

1 鑄造工藝要求

1.1 造型方面

樹脂砂型選用高強度、發(fā)氣量低的呋喃樹脂，其主要指標(biāo)：含氮質(zhì)量分數(shù)低于2.0%，水分質(zhì)量分數(shù)8%以下；砂型（芯）強度σb≥10 kg/cm2；砂箱剛性好，鑄型吃砂量要夠大，保證鑄型整體剛性。

1.2 澆注系統(tǒng)

固溶強化球墨鑄鐵由于硅高的緣故，比較容易形成夾渣熔渣，形成夾渣缺陷的趨勢要高于普通的球鐵。為了減少夾渣熔渣缺陷優(yōu)先采用半封閉底注式澆注系統(tǒng)，工藝簡圖如圖2 所示，同時由于凝固階段的枝晶使得液體在內(nèi)部流動阻礙大，影響鑄件補縮，加上高硅固溶球墨鑄鐵中C 含量偏低，石墨化膨脹的總量也偏少，所以要適當(dāng)增加冒口和采用熱冒口工藝來增強鑄件液態(tài)補縮效果。

圖2 射臺前板鑄件工藝示意圖

2 熔煉工藝要求

2.1 爐料的選擇

高硅固溶強化球墨鑄鐵鐵液中Si 含量高，為此可以適當(dāng)放寬化學(xué)成分中穩(wěn)定碳化物和珠光體形成元素的含量，從原材料的角度來說，就是可以適當(dāng)增加優(yōu)質(zhì)廢鋼用量或使用全部優(yōu)質(zhì)廢鋼的合成鑄鐵熔煉工藝，減少生鐵用量，避免危害元素的含量，但由于該類型材料夾渣熔渣缺陷傾向很大，所以要確保原材料干燥無銹。

2.2 化學(xué)成分的選擇

2.2.1 硅（Si）

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，有利于碳原子的和鐵原子的擴散，也有利于滲碳體的分解，促進石墨化；硅含量增加，鑄鐵的抗拉強度、屈服強度、硬度呈上升趨勢，通過圖3 與圖4，綜合上述，將ω（Si）控制在3.5%～3.7%.

2.2.2 碳（C）與碳當(dāng)量（CE）

CE 值對鐵水流動性起著重要的作用，所以應(yīng)適當(dāng)增加CE 來提高鐵水的流動性。確定CE 值在4.4%～4.6%，因為ω（Si）選值在3.5%～3.7%，所以設(shè)定的ω（C）在3.25%～3.40%之間。

2.2.3 錳（Mn）

圖3 含Si 量與抗拉強度的關(guān)系

圖4 含Si 量與延伸率的關(guān)系

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，錳也是偏析傾向特別顯著的元素，對球墨鑄鐵的韌性影響很大，所以設(shè)定ω（Mn）低于0.25%.

根據(jù)高硅固溶球墨鑄鐵的理論以及生產(chǎn)試驗，以及對球鐵件的質(zhì)量標(biāo)準要求，最終設(shè)定鑄態(tài)QT500-14 射臺前板鑄件化學(xué)成分如表1 所示。

表1 射臺前板鑄件化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)，%）

2.3 球化及孕育處理

2.3.1 球化處理

選擇堤壩式球化包，沖入法的球化處理方式，選用含鎂質(zhì)量分數(shù)5%～6%，稀土質(zhì)量分數(shù)0.4%～0.6%的混合稀土球化劑，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)果調(diào)整原鐵水碳、硅成分為ω（C）3.25%～3.40%，ω（Si）2.2%～2.5%，并將鐵水溫度升溫至1 440 ℃～1 460 ℃左右時出水球化。

2.3.2 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、石墨化能力差等不足，為了得到高的延伸率、細小、圓整度好的石墨球和延緩孕育衰退保證球化效果，確定孕育處理工藝為：在包底加入質(zhì)量分數(shù)為0.4%～0.6%的孕育劑（一次孕育），出水過程加入0.4%～0.6%的孕育劑（二次孕育），澆注過程使用專用漏斗加入粒度為0.2 mm～0.7 mm 的硫氧孕育劑質(zhì)量分數(shù)為0.1%～0.15%（三次孕育）。

3 試樣制備

生產(chǎn)3 件射臺前板鑄件，分別取3 塊附鑄試塊，3 塊附鑄試塊的編號分別為Y30-1、Y30-2、Y30-3，附鑄試塊尺寸為180 mm×70 mm×35 mm，將其加工成如圖5 的試棒尺寸，檢查力學(xué)性能和金相組織，并對試塊進行濕法分析，獲取各試塊的化學(xué)成分，力學(xué)性能采用WA-600KD 型電液式萬能試驗機測試；金相在XJG-05 大型顯微鏡檢查組織；用TH110 里氏硬度計測量鑄件本體硬度。

圖5 拉伸試棒尺寸

4 試驗結(jié)果及分析

經(jīng)檢測各單鑄試塊化學(xué)成分如表2 所示，各附鑄試塊力學(xué)性能如表3 所示，每個試驗各選取一組拉伸試棒，附鑄試塊Y30-1、Y30-2、Y30-3 上截取φ20 mm×15 mm 在XJG-05 大型顯微鏡檢查組織，金相組織圖片如圖6、圖7、圖8 所示，依照表4 歐洲標(biāo)準EN-GJS-500-14 中力學(xué)性能的要求和表5客戶對于QT500-14 的力學(xué)性能要求，具體試樣金相檢測結(jié)果見表6.

從附鑄試塊的力學(xué)性能來看，射臺前板鑄件的三塊單鑄試塊的力學(xué)性能均滿足QT500-14 的技術(shù)要求，抗拉強度均大于500 MPa、試塊硬度也符合鑄件的硬度要求，而且屈服強度也有相應(yīng)增加，在保證強度的前提下獲得大于14%的延伸率；從金相組織來判定，射臺前板鑄件的三塊附鑄試塊球化劑別均為2 級，石墨大小都是6 級，基體組織均為100%的鐵素體，鑄態(tài)下完全符合牌號為QT500-14 射臺前板鑄件的力學(xué)性能和金相基體組織要求。

表2 附鑄試塊主要元素的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)，%）

表3 附鑄試塊力學(xué)性能

表4 歐洲標(biāo)準EN-GJS-500-14 中力學(xué)性能的要求

表5 客戶對于QT500-14 的力學(xué)性能要求

圖6 附鑄試塊Y30-1 金相組織

圖7 附鑄試塊Y30-2 金相組織

圖8 附鑄試塊Y30-3 金相組織

表6 附鑄試塊金相基體組織評價結(jié)果

三件射臺前板鑄件機加工珩磨處理后沒有發(fā)現(xiàn)縮松縮孔、氣孔、夾渣等缺陷。

5 結(jié)論

射臺前板鑄件對力學(xué)性能、金相組織要求高，而且還需要機加工后珩磨處理，要在鑄態(tài)下實現(xiàn)牌號QT500-14 也是相當(dāng)困難的，即便在高合金強孕育情況下能實現(xiàn)，但也要大大增加生產(chǎn)成本，而且工藝穩(wěn)定性也較差。本文通過高硅固溶強化工藝，調(diào)整鐵水化學(xué)成分、加強孕育、保證球化效果等熔煉工藝來實現(xiàn)射臺前板鑄件QT500-14 高強度、高延伸率以及高硬度的要求，并在力學(xué)性能合格的基礎(chǔ)上實現(xiàn)金相組織合格，為高強度高延伸率鑄件的生產(chǎn)提供了新的工藝方法。