合成球墨鑄鐵金相組織缺陷產(chǎn)生原因及解決辦法

曹琨，胡克潮，趙子文，蘇義祥

1.蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司 甘肅蘭州 730314

2.甘肅省高端鑄鍛件工程技術(shù)研究中心 甘肅蘭州 730314

3.蘭州理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 甘肅蘭州 730050

1 序言

球墨鑄鐵件具備中高強(qiáng)度和韌性、優(yōu)異的耐磨性和減振性以及良好的鑄造工藝性能等特點(diǎn)，是目前最具發(fā)展?jié)摿Φ摹耙澡F代鋼”的鑄造材料[1，2]。目前，許多鑄造企業(yè)開(kāi)始采用廢鋼增碳技術(shù)（即合成鑄鐵）替代鑄造生鐵生產(chǎn)球墨鑄鐵件的方法來(lái)降低成本。用該方法熔煉的球墨鑄鐵力學(xué)性能十分優(yōu)異，鑄態(tài)下力學(xué)性能可達(dá)到QT700-2級(jí)別材料要求，無(wú)需進(jìn)行正火處理（只進(jìn)行去應(yīng)力退火），能夠減少一火次能源消耗，符合國(guó)家倡導(dǎo)的綠色可持續(xù)發(fā)展理念[3]。與傳統(tǒng)生鐵熔煉方式不同，合成球墨鑄鐵熔煉過(guò)程中原鐵液化學(xué)成分發(fā)生改變，生產(chǎn)過(guò)程中如果控制不當(dāng)容易出現(xiàn)較多鑄造缺陷。目前，應(yīng)用合成球墨鑄鐵技術(shù)的報(bào)道較多[4-12]，但是對(duì)于合成球墨鑄鐵在生產(chǎn)過(guò)程中的自身特性、容易出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題及關(guān)鍵控制要點(diǎn)的報(bào)道甚少。本研究主要從金相組織角度出發(fā)，針對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中常見(jiàn)的金相組織缺陷進(jìn)行分析并提出解決方案。

2 石墨漂浮

合成球墨鑄鐵的核心是將廢鋼中的碳含量（wC為0.2%左右）增至工藝要求范圍（wC為3.6%～3.9%），如果碳含量超標(biāo)（wC≥4.0%），則會(huì)出現(xiàn)石墨漂浮現(xiàn)象，如圖1所示。從圖中可以看出石墨呈開(kāi)花狀、爆裂狀，這種組織降低了球墨鑄鐵力學(xué)性能和表面質(zhì)量。腐蝕態(tài)金相照片顯示，石墨周圍鐵素體組織呈破碎狀，使珠光體含量達(dá)到95%，抗拉強(qiáng)度453～532MPa，屈服強(qiáng)度431～477MPa，伸長(zhǎng)率1.5%～3%，硬度208～214HBW，表明開(kāi)花、爆裂狀石墨對(duì)基體組織產(chǎn)生明顯割裂作用，降低了產(chǎn)品力學(xué)性能。

圖1 石墨漂浮時(shí)石墨大小與形貌

合成球墨鑄鐵容易出現(xiàn)石墨漂浮的原因有：

1）配料計(jì)算時(shí)石墨增碳劑吸收率小于實(shí)際值，導(dǎo)致碳含量超標(biāo)，我廠目前使用的增碳劑吸收率為80%左右。

2）未準(zhǔn)確按照配料稱量，爐料中如有廢鋼、生鐵、回爐料時(shí)必須準(zhǔn)確稱量，生鐵和回爐料加入過(guò)多會(huì)導(dǎo)致碳當(dāng)量超標(biāo)，只有采用全廢鋼冶煉時(shí)可不用準(zhǔn)確稱量，通過(guò)觀察爐內(nèi)鐵液高度的方法根據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)估鐵液量。如果發(fā)現(xiàn)碳當(dāng)量超標(biāo)應(yīng)及時(shí)采取有效措施，如傾倒部分鐵液、加入廢鋼等方法降碳。

3 球化不良

合成球墨鑄鐵熔煉時(shí)，出現(xiàn)球化不良現(xiàn)象的金相照片如圖2所示。由圖可以看出，石墨呈團(tuán)塊、枝晶狀、蠕蟲(chóng)狀等不規(guī)則形狀，球化級(jí)別為4～5級(jí)，石墨球數(shù)量較少，石墨大小為5級(jí)。從腐蝕后金相照片可以看出，珠光體含量為90%以上，鐵素體包圍在石墨周圍，無(wú)碳化物、磷共晶。抗拉強(qiáng)度600～750MPa，屈服強(qiáng)度466～541MPa，伸長(zhǎng)率3%～5%，硬度239～257HBW，此時(shí)產(chǎn)品力學(xué)性能只能達(dá)到QT600-3牌號(hào)性能要求。

圖2 球化不良時(shí)石墨大小與形貌

球化不良的產(chǎn)生原因很多，與球化劑中稀土元素種類、球化劑加入量、孕育劑、球化孕育操作方法、澆注溫度及澆注時(shí)間等因素密切相關(guān)。此外必須選擇合適增碳劑，高溫石墨化增碳劑晶體組織呈有方向?qū)悠瑺睿芙庥阼F液中圍繞形核質(zhì)點(diǎn)規(guī)則生長(zhǎng)為球形，而非石墨化增碳劑雖然含量能夠滿足內(nèi)控要求，但球化效果較差，球化級(jí)別低，也影響產(chǎn)品綜合力學(xué)性能。

4 球化失敗

球化失敗的金相組織如圖3所示，可見(jiàn)大部分石墨呈條、線、蠕蟲(chóng)狀，只有少量石墨呈圓形，近似于蠕墨鑄鐵金相組織，蠕蟲(chóng)狀石墨周圍析出少量鐵素體，呈菊花狀，雖然珠光體含量為85%，但是球化效果極差，抗拉強(qiáng)度只有382～447MPa，屈服強(qiáng)度345～412MPa，伸長(zhǎng)率2.5%～3%，硬度209～210HBW，力學(xué)性能大幅降低。

由于廢鋼中硅含量低（wSi＝0.35%～0.5%），所以原鐵液必須進(jìn)行增硅。如果增硅量不足，原鐵液硅含量過(guò)低（wSi≤0.8%，w終硅量≤1.7%）會(huì)造成球化失敗。因此鐵液化清后應(yīng)根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，加入大塊硅鐵、SiC粉等調(diào)整鐵液Si含量。最好使用SiC粉，既能起到增碳作用，也能起到增硅作用。

圖3 球化失敗時(shí)石墨大小與形貌

5 碳化物超標(biāo)

鐵液冷卻速度過(guò)快時(shí)容易出現(xiàn)碳化物，金相照片如圖4所示。從圖中可以看出球化級(jí)別為4級(jí)，石墨大小為5級(jí)，石墨數(shù)量很少。腐蝕后發(fā)現(xiàn)塊狀、魚(yú)骨狀碳化物含量為10%，珠光體含量為90%，鐵素體呈游離狀?？估瓘?qiáng)度443～530MPa，無(wú)屈服強(qiáng)度，伸長(zhǎng)率1%～1.5%，硬度275～345HBW，脆性大，硬度高，機(jī)械加工性能差，必須使用線切割才能加工試樣。

圖4 碳化物超標(biāo)時(shí)石墨大小與形貌

合成球墨鑄鐵熔煉時(shí)由于原鐵液Si含量低，因此如果為盡快出鐵，將增硅和孕育過(guò)程合二為一，鐵液包內(nèi)加入大量硅鐵和孕育劑，采用鐵液沖入方法熔化，會(huì)導(dǎo)致鐵液冷卻速度過(guò)快，無(wú)法起到消除白口、細(xì)化石墨的作用，反而出現(xiàn)大量碳化物。采用高溫石墨化退火后，部分碳化物消除，鑄件硬度顯著降低，但是仍然有部分硬而脆的共晶碳化物無(wú)法消除，對(duì)基體組織產(chǎn)生明顯的負(fù)面作用，力學(xué)性能仍然很低，因此在生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)盡量避免產(chǎn)生此類問(wèn)題。

6 縮松及縮孔

大量廢鋼的加入增大了鑄造收縮率，易出現(xiàn)縮松、縮孔、裂紋等鑄造缺陷。為分析其出現(xiàn)缺陷的機(jī)理，采用掃描電鏡和能譜儀對(duì)縮松、縮孔位置的微觀形貌進(jìn)行分析（見(jiàn)圖5），可以看到明顯的樹(shù)枝狀組織和基體組織。對(duì)圖5中兩個(gè)位置進(jìn)行能譜分析，其中圖譜1處結(jié)果：wC為84.51%，wFe為15.49%，總量100%；圖譜2處結(jié)果：wC為18.24%，wFe為80.38%，wSi為1.38%，總量100%。結(jié)果表明，黑色樹(shù)枝狀物相為石墨，周圍大塊銀灰色區(qū)域主要元素為Fe、Si、C，應(yīng)該為鐵液凝固后形成的鐵基體組織。枝晶間可明顯看到存在大量空隙，應(yīng)該為典型的縮松缺陷，這是由于在二次收縮過(guò)程中，析出的球狀石墨體積膨脹無(wú)法完全補(bǔ)償鐵液收縮而導(dǎo)致的。

一般認(rèn)為當(dāng)碳當(dāng)量越高時(shí)鑄件越致密，此外，較低的澆注溫度可以減少液態(tài)收縮量，因此澆注過(guò)程必須嚴(yán)格控制澆注溫度，盡量采用低溫澆注，澆注時(shí)間不宜超過(guò)15min，以免產(chǎn)生球化衰退。為此，必須設(shè)計(jì)合理的鑄造工藝，凝固過(guò)程中要不斷補(bǔ)充鐵液，保證金屬液順序凝固，必要時(shí)可采用冷鐵來(lái)改變鑄件溫度分布。

圖5 鑄件縮松部位SEM圖像（50×）

7 結(jié)束語(yǔ)

與傳統(tǒng)生鐵熔煉方式不同，合成球墨鑄鐵熔煉過(guò)程原鐵液化學(xué)成分發(fā)生改變，生產(chǎn)過(guò)程中如果控制不當(dāng)容易出現(xiàn)石墨漂浮、球化不良甚至球化失敗、碳化物超標(biāo)、縮松、縮孔等質(zhì)量問(wèn)題，因此必須嚴(yán)格按照工藝進(jìn)行控制。此外，廢鋼的大量加入增大了鐵液收縮率，在澆注過(guò)程中必須嚴(yán)格控制澆注溫度，設(shè)計(jì)合理的鑄造工藝，避免出現(xiàn)縮松、縮孔、裂紋等鑄造缺陷。