推土機(jī)用球墨鑄鐵孕育處理的改善

薛玉峰++謝觀福++王秀紅++安久戰(zhàn)++輝相男

文章編號(hào)：2095-6835（2016）13-0159-02

摘 要：研究了球墨鑄鐵孕育處理的工藝，針對(duì)推土機(jī)使用球墨鑄鐵件時(shí)存在的質(zhì)量問(wèn)題，分析了球墨鑄鐵孕育處理的目的和孕育處理熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)條件，并闡述了孕育處理溫度控制機(jī)理，以便于正確選擇孕育劑，采用后孕育技術(shù)改進(jìn)鑄件質(zhì)量。后孕育處理技術(shù)的特點(diǎn)是減少了孕育劑量，節(jié)約了成本，操作簡(jiǎn)單、易行，避免發(fā)生衰退問(wèn)題，以提高鑄件的質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：球墨鑄鐵；孕育劑；后孕育技術(shù)；鑄件質(zhì)量

中圖分類號(hào)：TG255 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.13.159

推土機(jī)使用球墨鑄鐵件時(shí)主要存在2個(gè)方面的質(zhì)量問(wèn)題：①軸承殼（14部件零件）（材質(zhì)QT700-2）的廢品率高達(dá)30%.當(dāng)工件加工到密封槽時(shí)發(fā)現(xiàn)，槽內(nèi)部疏松孔眼嚴(yán)重，打壓漏封不住油，導(dǎo)致鑄件報(bào)廢。②油封座圈（27部件零件）（材質(zhì)QT500-7）的廢品率高達(dá)20%.當(dāng)工件加工到密封槽時(shí)發(fā)現(xiàn)，槽內(nèi)部疏松孔眼嚴(yán)重，打壓漏封不住油，導(dǎo)致鑄件報(bào)廢。

如果鑄件的質(zhì)量不好，就會(huì)導(dǎo)致廢品率提高，退賠率高，成本高，獲利少或得失相當(dāng)。鑄件性能和組織均勻性差會(huì)增加刀具的損耗，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率，阻礙生產(chǎn)計(jì)劃的順利進(jìn)行。

孕育處理是鑄鐵件生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)之一，它簡(jiǎn)單、易行，實(shí)用效果好。下面，本文將簡(jiǎn)要分析鑄件孕育機(jī)理、孕育環(huán)境、孕育溫度、孕育劑的選擇、后孕育的運(yùn)用等內(nèi)容，以期為日后的相關(guān)工作提供參考。

1 孕育處理的目的

在使用鑄造鐵液澆注之前，在一定條件下（一定的過(guò)熱溫度、一定的化學(xué)成分、合適的加入方法等），向鑄造鐵液中加入一定量的物質(zhì)（孕育劑），以改變鐵液的凝固過(guò)程，改善鑄態(tài)組織，提高鑄件的性能。目前，孕育處理被廣泛應(yīng)用于灰鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵、可鍛鑄鐵甚至特種鑄鐵的生產(chǎn)過(guò)程中。

孕育處理是球墨鑄鐵生產(chǎn)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，使用這項(xiàng)技術(shù)可以達(dá)到以下3個(gè)目的。

1.1 消除結(jié)晶過(guò)冷傾向

球墨鑄鐵（QT）鐵液結(jié)晶過(guò)冷傾向比灰鑄鐵（HT）鐵液的大。隨著球墨鑄鐵鐵液中碳（C）、硅（Si）含量的變化，球墨鑄鐵（QT）的結(jié)晶過(guò)冷傾向不變化。雖然球墨鑄鐵中（QT）碳（C）、硅（Si）的含量比灰鑄鐵（HT）高，但是，有較大的白口傾向。而球墨鑄鐵（QT）金相組織中有片狀碳化物（共晶團(tuán)邊界上析出），在快速冷卻的條件下，會(huì)出現(xiàn)部分或全部白口的現(xiàn)象。

球墨鑄鐵與灰鑄鐵在結(jié)晶過(guò)冷方面的區(qū)別是：由于鐵液中硫、氧的含量不同，灰鑄鐵鐵液中含有較多的硫和氧，所以，很容易形成大量的異質(zhì)石墨晶核，促進(jìn)灰口凝固。經(jīng)過(guò)比較，球墨鑄鐵鐵液徹底地脫硫和脫氧，大大提高了鐵液的純凈度，再加上球化元素的存在，石墨形核比較困難。孕育處理的作用是向鐵液中引入外來(lái)的異質(zhì)晶核，并在鐵液中引起較大的硅濃度的起伏，從而促進(jìn)石墨晶核的形成。

鎂（Mg）、鈰（Ce）降低球墨鑄鐵共晶轉(zhuǎn)變溫度是球墨鑄鐵結(jié)晶過(guò)冷度大的另一個(gè)原因，它導(dǎo)致球墨鑄鐵出現(xiàn)白口現(xiàn)象。因?yàn)榍蚰T鐵的結(jié)晶過(guò)冷度大，所以，球墨鑄鐵鐵液經(jīng)過(guò)球化處理后，必須進(jìn)行有效的孕育處理，不然會(huì)出現(xiàn)薄壁、中等壁厚球墨鑄鐵白口的現(xiàn)象。

1.2 促進(jìn)石墨球化

孕育處理能提高球狀石墨生長(zhǎng)的穩(wěn)定性，細(xì)化球狀石墨，增加球狀石墨核心，保證石墨球的圈整度。

1.3 減少晶間偏析

正偏析的元素（Mn、P等）、共晶團(tuán)的生長(zhǎng)過(guò)程都是在結(jié)晶前富集的。在凝固前，晶間產(chǎn)生脆性相，降低了球墨鑄鐵的塑性、韌性。而使用孕育處理技術(shù)能夠細(xì)化共晶團(tuán)，減小共晶團(tuán)間的偏析程度，提高鑄鐵的塑性和韌性。

2 孕育處理的熱力學(xué)條件、動(dòng)力學(xué)條件

球墨鑄鐵的孕育處理過(guò)程主要包含了熱力學(xué)行為和動(dòng)力學(xué)行為，要想達(dá)到預(yù)期的孕育效果，必須滿足熱力學(xué)條件和動(dòng)力學(xué)條件的要求，具體包括以下幾點(diǎn)：①保證鑄造鐵液化學(xué)成分的準(zhǔn)確性，基本元素（C、Si、Mn、S、P）的波動(dòng)要?。虎诒ＷC鐵液中充足的過(guò)飽和氧〔O〕含量，孕育處理離不開(kāi)〔O〕，孕育處理過(guò)程就是脫氧的過(guò)程；③正確使用孕育劑，確保加入量的合理性；④在鐵液中加入與氧有較強(qiáng)親和力的元素（Nb、Ti、Mn、Al等），創(chuàng)造必要的條件，以便于析出SiO2；⑤孕育處理溫度略高于SiO2的平衡溫度；⑥為了確保SiO2有足夠的析出時(shí)間，要有效控制鐵液的冷卻速度和降溫幅度；⑦為了避免SiO2被破壞，要嚴(yán)格控制孕育劑的添加時(shí)間點(diǎn)，保證孕育劑加入到鐵液中的凝固時(shí)間間隔最短。

3 控制孕育處理的溫度

控制孕育處理溫度是孕育處理的關(guān)鍵。經(jīng)過(guò)孕育處理能夠得到大量、有效的SiO2微粒，降低SiO2成渣、老化和被破壞的概率。由化學(xué)反應(yīng)式SiO2+2〔C〕≒〔Si〕+CO↑可得：①當(dāng)鐵液的孕育處理溫度高于SiO2平衡溫度時(shí)，反應(yīng)式向右進(jìn)行，碳（C）被氧化；②當(dāng)鐵液的孕育處理溫度低于SiO2平衡溫度時(shí)，反應(yīng)式向左進(jìn)行，硅（Si）被氧化。

對(duì)于鑄造鐵液來(lái)說(shuō)，需要注意以下幾點(diǎn)：①鑄鐵鐵液的溫度是變化的，不確定的。②無(wú)論鑄鐵鐵液溫度在SiO2平衡溫度之下還是之上，鑄鐵鐵液中都存在過(guò)飽和氧〔O〕。③當(dāng)鐵液溫度高于SiO2的平衡溫度時(shí)，鑄鐵鐵液為溶解氧〔O〕和過(guò)飽和CO；當(dāng)鐵液溫度低于SiO2的平衡溫度時(shí)，鑄鐵鐵液為溶解過(guò)飽和氧〔O〕和析出SiO2微粒。鑄鐵鐵液溫度變化時(shí)，〔O〕量也隨之變化。④當(dāng)鑄鐵鐵液的溫度不變時(shí)，〔O〕量下降。鐵液溫度越高，〔O〕量下降越快。不是生成的SiO2微粒都是有效的，在孕育過(guò)程中，它可能被氧化成SiO2渣，或被老化、破壞，起不到孕育的作用。

綜上所述，鑄鐵鐵液的溫度需高于SiO2的平衡溫度，孕育處理溫度應(yīng)高于SiO2平衡溫度50 ℃以下。當(dāng)鐵液溫度降低時(shí)，反應(yīng)式SiO2+2〔C〕≒〔Si〕+CO↑向左進(jìn)行，得到大量有效的SiO2微粒。另外，孕育處理溫度不能太低，要保證孕育劑能充分熔化，澆注出完整的鑄件。

平衡溫度是有鐵液C、Si成分及其活度決定的。表1為幾種碳硅含量鐵液的平衡溫度。

4 孕育劑的選擇

到目前為止，孕育劑主要是以硅基為主，使用率最高的是FeSi75，如表2所示。多數(shù)情況下，主要添加以下幾種元素來(lái)滿足生產(chǎn)需求。添加元素的作用是：①活性元素（Al、Ce、Ca等）能推動(dòng)SiO2微粒析出基底（高熔點(diǎn)氧化物）的生產(chǎn)；②石墨化元素（Al、Ca、Sr、 Ba等）能增加碳（C）的活度，加快石墨的析出速度；③反石墨化元素（Mn、Cr等）能提高鐵液過(guò)冷度；④球化有害元素（Ti、Bi、Sb、Te等）主要針對(duì)體積大、壁厚厚鑄件的孕育處理。

以上幾種元素形成的高熔點(diǎn)氧化物都可以作為SiO2微粒析出的基底。

通常情況下，正常壁厚的球墨鑄鐵件使用孕育劑（FeSi75）后，孕育效果很好。但是，因?yàn)榛诣T鐵過(guò)冷度小，所以，孕育劑（FeSi75）的孕育效果不佳。如果采用復(fù)合孕育劑（活性元素+石墨化元素+反石墨化元素）孕育鑄鐵時(shí)，效果會(huì)更好。

孕育劑有很多，多達(dá)上千種，具體選用細(xì)則如下：①根據(jù)鑄件的種類、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和生產(chǎn)工藝條件選用；②首選工藝穩(wěn)定、管理嚴(yán)格、質(zhì)量有保證、數(shù)據(jù)齊全、可信賴的孕育劑廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品；③對(duì)于體積、質(zhì)量、壁厚差相差特別大的鑄件，應(yīng)該使用不同粒度的孕育劑；④經(jīng)過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐，要確定孕育劑采購(gòu)點(diǎn)，不要輕易改變。

5 采用后孕育技術(shù)改進(jìn)鑄件質(zhì)量

鑄件中的石墨球徑主要分為2類，即大球徑石墨和小球徑石墨。大球徑石墨的數(shù)量相對(duì)比較少，一般是孕育處理前由鑄鐵鐵液形成的；小球徑石墨的數(shù)量相對(duì)比較多，一般是孕育處理后由鑄鐵鐵液形成的。為了得到所需的球徑分布，要經(jīng)過(guò)多次孕育處理。實(shí)踐證明，越是后面的孕育處理，獲得的石墨球徑越小，數(shù)量越多。

通常情況下，在鑄鐵鐵液中加入孕育劑后，當(dāng)鑄鐵鐵液的溫度降到SiO2平衡溫度以下時(shí)，能夠得到有效的SiO2晶質(zhì)微粒。由于鐵液溫度在凝固點(diǎn)以上，所以，不能都生成石墨晶核。從孕育處理到凝固這一階段，SiO2晶質(zhì)微粒會(huì)被氧化或與其他元素（比如錳）反應(yīng)變成SiO2渣，或被老化、破壞，起不到形核的作用。這個(gè)階段的時(shí)間越長(zhǎng)，SiO2晶質(zhì)微粒被破壞的可能性就越大。在凝固過(guò)程中，未被老化、氧化、渣化、破壞的SiO2晶質(zhì)微粒會(huì)在比較高的鐵液溫度下成核。

隨著沉積石墨的增加，石墨球徑越來(lái)越大，數(shù)量越來(lái)越少，達(dá)不到預(yù)期的效果。綜上所述，從孕育處理到凝固這一階段的時(shí)間越短越好。這表明，后孕育處理工藝有很好的孕育效果。

6 推土機(jī)用球墨鑄鐵改進(jìn)情況

使用球墨鑄鐵孕育處理工藝改進(jìn)推土機(jī)后，選用后孕育技術(shù)，以軸承殼（14部件零件）（材質(zhì)QT700-2）、油封座圈（27部件零件）（材質(zhì)QT500-7）為例，具體改進(jìn)情況如下。

對(duì)于軸承殼（14部件零件）（材質(zhì)QT700-2），材料的疲勞強(qiáng)度大于300 MPa。在生產(chǎn)性試驗(yàn)的150件軸承殼中，內(nèi)外廢之和低于3%，所用的孕育劑為FeSi75（粒度0.8～2 mm），使用量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%）是確定的，孕育過(guò)程是自動(dòng)化、機(jī)械化的，澆注溫度1 460 ℃。在此值得注意的是，孕育劑的使用量要恒定，澆注速度要穩(wěn)定，要嚴(yán)格控制澆注時(shí)間。

經(jīng)過(guò)實(shí)踐，解決了軸承殼（14部件零件）密封槽內(nèi)部疏松孔眼的質(zhì)量問(wèn)題，有效避免了打壓漏封不住油，導(dǎo)致鑄件報(bào)廢的現(xiàn)象，廢品率由以前的30%降到3%以下。

對(duì)于油封座圈（27部件零件）（材質(zhì)QT500-7），在生產(chǎn)性試驗(yàn)的200件油封座圈中，內(nèi)外廢之和低于3%，所用的孕育劑為FeSi75（粒度0.8～2 mm），使用量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%）是確定的，孕育過(guò)程是自動(dòng)化、機(jī)械化的，澆注溫度為1 460 ℃。在此值得注意的是，孕育劑使用量要恒定，澆注速度要穩(wěn)定，要嚴(yán)格控制澆注時(shí)間。

經(jīng)過(guò)實(shí)踐，解決了油封座圈（27部件零件）密封槽內(nèi)部疏松孔眼的質(zhì)量問(wèn)題，有效避免了打壓漏封不住油，導(dǎo)致鑄件報(bào)廢的現(xiàn)象，廢品率由以前的20%降到3%以下。

7 結(jié)束語(yǔ)

后孕育處理是孕育處理過(guò)程與澆注過(guò)程同時(shí)進(jìn)行的，主要包括型內(nèi)孕育和隨流孕育。型內(nèi)孕育不需要添加設(shè)備、車間，對(duì)環(huán)境的污染小，操作方法簡(jiǎn)單，能夠達(dá)到預(yù)期的效果。在此需要強(qiáng)調(diào)的是，鐵液孕育溫度必須保證孕育塊均勻、充分的溶解。隨流孕育的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)便，孕育均勻，效果顯著。

為了達(dá)到最佳的孕育效果，可采取以下措施：①采用可靠的、自動(dòng)給料進(jìn)度高的、功能齊全的自動(dòng)隨流孕育裝置，保證孕育劑給量的精確性和穩(wěn)定性；②嚴(yán)格控制澆注時(shí)間，保證澆注時(shí)間的精確度，采用扇形澆包。

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〔編輯：白潔〕