控制鐵液共晶度和再輝度提高球墨鑄鐵球化等級(jí)

呂 猛，王玉國(guó)

（太重集團(tuán)榆次液壓工業(yè)有限公司，山西 榆次 030600）

近年來(lái)，隨著制造業(yè)的飛速發(fā)展，鑄造行業(yè)的發(fā)展也得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步。隨著行業(yè)的進(jìn)步，球墨鑄鐵件在制造業(yè)中的使用占比也逐步提高。球墨鑄鐵是一種斷面呈銀灰色，通過(guò)球化處理使石墨形態(tài)呈球狀或團(tuán)絮狀的鑄鐵合金，其具有一定的強(qiáng)度的同時(shí)還具有一定的塑性的材料，在液壓、工程機(jī)械、汽車(chē)零部件領(lǐng)域均得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[1-3]。

對(duì)球墨鑄鐵來(lái)說(shuō)，球化等級(jí)是衡量球鐵件質(zhì)量一個(gè)最關(guān)鍵的指標(biāo)。國(guó)內(nèi)的球鐵件球化等級(jí)大部分在3 級(jí)以上，而國(guó)外的球鐵件要求球化等級(jí)往往要達(dá)到2 級(jí)以上。為進(jìn)一步提高球鐵件球化率，依托兩個(gè)球墨鑄鐵產(chǎn)品，通過(guò)研究采用不同的孕育處理工藝，來(lái)控制鐵液共晶度及再輝度，提高球墨鑄鐵球化等級(jí)，生產(chǎn)球化等級(jí)達(dá)到2 級(jí)的高質(zhì)量的球墨鑄鐵件。

1 生產(chǎn)現(xiàn)狀

1.1 產(chǎn)品參數(shù)

圖1 和圖2 為兩種產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)圖。其中產(chǎn)品A 的材質(zhì)為QT450-10，單重42 kg；產(chǎn)品B 的材質(zhì)為QT600-3，單重23 kg.兩種產(chǎn)品均采用水平靜壓造型。

圖1 產(chǎn)品A

圖2 產(chǎn)品B

1.2 生產(chǎn)現(xiàn)狀

兩種球墨鑄鐵件均采用潮膜砂造型，熔煉采用中頻感應(yīng)電爐，喂絲球化法，一次孕育加隨流孕育進(jìn)行生產(chǎn)。產(chǎn)品A 及產(chǎn)品B 化學(xué)成分見(jiàn)表1、表2，配料比例均為生鐵57%+廢鋼13%+回爐料30%，喂絲球化后進(jìn)行倒包孕育，孕育劑加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%，澆注時(shí)隨流孕育質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%.

表1 產(chǎn)品A 化學(xué)成分要求（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

表2 產(chǎn)品B 化學(xué)成分要求（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

對(duì)鑄件機(jī)械性能及金相組織進(jìn)行檢測(cè)，鑄件機(jī)械性能均達(dá)標(biāo)，但球化等級(jí)基本在3 級(jí)，未達(dá)到2級(jí)，石墨存在部分團(tuán)絮狀石墨和蠕蟲(chóng)狀石墨，且石墨數(shù)量偏少；其原因在于鐵液為過(guò)共晶，在凝固過(guò)程中初生石墨提前析出并長(zhǎng)大，凝固后期缺少形核質(zhì)點(diǎn)，同時(shí)殘留鎂偏高，孕育效果不佳，導(dǎo)致石墨畸形，從而球化等級(jí)偏低。在形核過(guò)程中為要想提升球化等級(jí)，需控制好鐵液質(zhì)量，而共晶度及再輝度是兩個(gè)不可忽視的核心指標(biāo)，鐵水的共晶度決定了枝晶生成量和漂浮堆積狀石墨的生成量，共晶鐵液較亞共晶及過(guò)共晶鐵液在凝固初期生成更少的初生奧氏體枝晶及初生石墨，在凝固中后期能析出更多的細(xì)小石墨；再輝度是在共晶凝固期間石墨集中析出伴隨的放熱反應(yīng)的體現(xiàn)，其與鐵液中的形核物質(zhì)的量成反比，反映鐵水的孕育效果。再輝度越高，鐵液形核物質(zhì)越少，其孕育效果也越差，球化等級(jí)也越低；再輝度越低，鐵液形核物質(zhì)越多，其孕育效果也越好，球化等級(jí)也越高。下面重點(diǎn)圍繞鐵液共晶度及再輝度做一些工藝改進(jìn)并驗(yàn)證效果。

2 工藝改進(jìn)及試驗(yàn)結(jié)果

2.1 改進(jìn)目標(biāo)

根據(jù)共晶度及再輝度原理并結(jié)合實(shí)際，我們通過(guò)改進(jìn)一些處理工藝來(lái)控制鐵液共晶度及再輝度，力求控制鐵液共晶度接近于1（共晶鐵液），再輝度＜3，提高鐵液質(zhì)量，達(dá)到提升鑄件球化等級(jí)的效果。

2.2 產(chǎn)品A 球化孕育處理工藝改進(jìn)

2.2.1 產(chǎn)品A 球化工藝改進(jìn)

球化處理采用喂絲法，為了提升球化質(zhì)量，試驗(yàn)時(shí)嚴(yán)格控制出鐵量、出鐵溫度、球化喂絲速度和喂絲量，殘留鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)嚴(yán)控在0.04%～0.05%的水平，做到既球化良好且又不至于殘留鎂太高。

2.2.2 產(chǎn)品A 孕育處理工藝改進(jìn)

為了使石墨得到充分孕育，對(duì)孕育工藝進(jìn)行了多次改進(jìn)，具體方案如下：

方案A：加大倒包孕育量，球化后倒包時(shí)加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.8%硅鋇孕育劑+0.1%隨流孕育；為控制終硅量，降低原鐵液的含Si 量。

方案B：澆注前兩次孕育，即球化前在包底加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.4%硅鋇孕育劑，球化處理后加入0.4%硅鋇孕育劑+0.1%隨流硫氧孕育劑。

方案C：出鐵后在鐵液表面加0.4%的尺寸為30 mm～40 mm 的大塊75 硅鐵（大粒度硅鐵熔化增氧），球化處理后倒包時(shí)加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.4%硅鋇孕育劑+0.1%隨流硫氧孕育劑。

2.2.3 增加共晶度、再輝度在線監(jiān)測(cè)

生產(chǎn)過(guò)程中使用高精度的熱分析儀器監(jiān)測(cè)球化處理后每包鐵液的共晶度及再輝度。

2.2.4 試驗(yàn)結(jié)果

工藝改進(jìn)前后原鐵水化學(xué)成分見(jiàn)表3.球化處理后鐵水成分見(jiàn)表4.由表可以看出，改進(jìn)方案中殘留鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)都控制在0.05%以下。

表3 產(chǎn)品A 原鐵水化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

表4 球化處理后鐵水化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

工藝改進(jìn)前后鐵水共晶度、再輝度見(jiàn)表5.由表可以看出，改進(jìn)方案中，B 方案和C 方案共晶度均接近于1，再輝度小于3，達(dá)到預(yù)定目標(biāo)，A 方案再輝度偏高。

表5 鐵水共晶度和再輝度

工藝改進(jìn)前后產(chǎn)品A 力學(xué)性能見(jiàn)表6.由表可知，在改變?cè)杏幚砉に嚭?，試樣的抗拉?qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、硬度基本不變，滿足客戶要求。

表6 產(chǎn)品A 鑄件力學(xué)性能（單鑄試棒）

工藝改進(jìn)前后產(chǎn)品A 金相組織、球化等級(jí)，見(jiàn)表7 和圖3 和圖4，B 方案和C 方案球化等級(jí)均達(dá)到2 級(jí)，A 方案球化級(jí)別為3 級(jí)。

圖3 產(chǎn)品A 石墨形態(tài)（×100）

圖4 產(chǎn)品A 基體組織（×100）

表7 產(chǎn)品A 金相組織、球化等級(jí)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，單純的加大孕育量可以在一定程度上提高球化率，增加石墨數(shù)量，并不能有效降低鐵液再輝度。而從根源上增加形核所需的[O]（方案B 采用硫氧孕育劑，方案C 通過(guò)球化處理時(shí)加入大粒度75 硅鐵增氧）不僅能有效提高球化率，增加石墨數(shù)量，還能有效降低鐵液再輝度，使得生成更多的再生石墨，從而提高球化等級(jí)。改變?cè)杏幚砉に嚭蟮那蚰T鐵的基體組織中的鐵素體量穩(wěn)定在90%以上，鐵素體晶粒的平均尺寸減小。

2.3 產(chǎn)品B 球化孕育處理工藝改進(jìn)

2.3.1 球化孕育處理工藝改進(jìn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證效果，針對(duì)產(chǎn)品B 采用上述同樣的技術(shù)路線，依舊降低殘留鎂含量，控制在0.04%～0.05%的水平，增加鐵液共晶度及再輝度檢測(cè)，控制共晶度接近1.

2.3.2 試驗(yàn)結(jié)果

工藝改進(jìn)前后原原鐵水化學(xué)成分，見(jiàn)表8.球化處理后鐵水成分，見(jiàn)表9.由表看出，改進(jìn)方案中，殘留鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)都在0.05%以下。

表8 產(chǎn)品B 原鐵水化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

表9 產(chǎn)品B 球化處理后鐵水化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

工藝改進(jìn)前后鐵水共晶度、再輝度，見(jiàn)表10.從表10 可以看出方案A 再輝度偏高。

表10 產(chǎn)品B 鐵水共晶度和再輝度

工藝改進(jìn)前后產(chǎn)品B 鑄件力學(xué)性能見(jiàn)表11.由表可知，在改變?cè)杏幚砉に嚭?，試樣的抗拉?qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、硬度基本不變，滿足客戶要求。

表11 產(chǎn)品B 鑄件力學(xué)性能

工藝改進(jìn)前后產(chǎn)品B 金相組織見(jiàn)表12 和圖5、圖6.從表12 可以看出方案A 球化級(jí)別與石墨數(shù)都較方案B、C 低。

圖5 產(chǎn)品B 石墨形態(tài)（×100）

圖6 產(chǎn)品B 基體組織（×100）

表12 QT600-3 離合器殼體金相組織、球化等級(jí)

產(chǎn)品B 的試驗(yàn)結(jié)果表明：改進(jìn)方案A 共晶度接近于1，再輝度＞3，球化等級(jí)為3 級(jí)，B 方案和C 方案，鐵液共晶度接近于1，再輝度＜3，球化等級(jí)同樣達(dá)到了2 級(jí)。

4 結(jié)論

適當(dāng)降低殘留鎂，從根源上增加石墨形核所需的[O]，可以有效控制鐵液共晶度，降低再輝度，生成更多的再生石墨，細(xì)化共晶組織，提高球化等級(jí)。