球墨鑄鐵球化不良的預(yù)防及改進(jìn)措施

孟德鳳

沈陽(yáng)亞特重型裝備制造有限公司 遼寧沈陽(yáng) 110135

為了生產(chǎn)出高質(zhì)量的球墨鑄鐵件，其球化率必須在90%以上，若球化率達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)或球化不良，先要區(qū)分是何種原因?qū)е碌那蚧涣?。冬季采用樹脂砂造型時(shí)，必須經(jīng)常檢測(cè)原鐵液的硫含量，以此防止硫含量高影響球化率。

1 球墨鑄鐵的發(fā)展歷史

球墨鑄鐵是20 世紀(jì)50 年代發(fā)展起來(lái)的一種高強(qiáng)度鑄鐵材料，其綜合性能接近于鋼，正是基于其優(yōu)異的性能，已成功用于鑄造一些受力復(fù)雜，強(qiáng)度、韌性、耐磨性要求高的零件。球墨鑄鐵已迅速發(fā)展為僅次于灰鑄鐵、應(yīng)用廣泛的鑄鐵材料。

法國(guó)的雷奧姆爾（Reaumur）于1722 年制成了白心可鍛鑄鐵。后來(lái),美國(guó)的塞斯·包伊登（Seth·Boyden）于1826 年發(fā)明了黑心可鍛鑄鐵。

到20 世紀(jì)20 代,由于對(duì)鑄鐵中碳、硅等主要成分及加入其他合金元素的影響、熔化方法、孕育效果等方面的研究并有了進(jìn)展，出現(xiàn)了高級(jí)鑄鐵。因此，材質(zhì)有了相當(dāng)可觀的改善，并在一定程度上擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。但由于存在著韌性低的缺點(diǎn)，未能迅速擴(kuò)大其應(yīng)用范圍[1]。

1947 年，煙的莫羅（Morrogh）發(fā)現(xiàn)了鑄態(tài)下存在球狀石墨的鑄鐵。

1948 年，通過(guò)在高碳，低硫、低磷的灰鑄鐵中加入Ce，并使其殘留量保持在0．02%以上，制得了球墨鑄鐵。同時(shí)，美國(guó)國(guó)際鎳公司（INCO）加格奈賓（Gagnebin）等通過(guò)在鑄鐵中加Mg，并使其殘留量保持在0．04%以上，獲得了相同的球墨鑄鐵。

2 球墨鑄鐵生產(chǎn)現(xiàn)狀

在球墨鑄鐵件生產(chǎn)中，為保證其產(chǎn)品質(zhì)量，要求同爐產(chǎn)品附鑄試塊的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率和球化率必須在材質(zhì)牌號(hào)要求范圍內(nèi)，這一要求必須在理化檢驗(yàn)規(guī)范中嚴(yán)格控制，特別是試塊球化率不合格時(shí)，要看鑄件本體的金相，若鑄件本體金相球化率低于90%，則鑄件必須報(bào)廢，這將造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。

某公司理化室在常規(guī)隨爐附鑄試塊拉伸試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)球墨鑄鐵試塊的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率存在不合格現(xiàn)象，從試樣上截取的金相塊球化率也僅為65-80%,這是不合格的。立即檢測(cè)本體金相，結(jié)果一部分鑄件本體金相球化率僅為70-85%。因此，對(duì)性能不合格的鑄件必須報(bào)廢[2]。

3 球墨鑄鐵球化不良的分析

出現(xiàn)不良球化現(xiàn)象后，需加強(qiáng)原鐵液及球化處理后的鐵液中的硫檢測(cè)，以及對(duì)回爐料使用的控制，防止此類問(wèn)題的發(fā)生。要想生產(chǎn)高質(zhì)量球墨鑄鐵件，球化率必須達(dá)到90%以上。通過(guò)總結(jié)長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐和查閱相關(guān)文獻(xiàn)，影響球化率的主要因素包括以下方面。

3.1 爐料中含有反球化元素

在鐵液中含有某些雜質(zhì)元素，會(huì)破壞球化效果，得到的是片狀石墨而不是球狀石墨。常見(jiàn)的反球化元素有銻（sh）、錫（sn）、鉍（Bi）、碲（Te）、鉛（Pb）、砷（As）、鈦（Ti）等。這些元素通過(guò)消耗鎂的含量或富集在共晶團(tuán)邊界，形成畸形石墨。球鐵鑄件使用的油漆通常加入金屬元素，常見(jiàn)的加入元素有鉛、鎘、錫，這些元素都有反球化作用。另外，廢鋼中可能含有電鍍件、鉛料等雜件，應(yīng)予以避免。

3.2 孕育效果不強(qiáng)或衰退

孕育衰退的原因主要與孕育劑加入量低或孕育工藝不完善有關(guān)。因鎂的存在是球化的必要條件，充分的孕育處理是促進(jìn)石墨化的保證，因此只講球化處理而不重視孕育處理，是生產(chǎn)不出高質(zhì)量球墨鑄鐵的。因而孕育劑的選用及添加量應(yīng)適當(dāng)，應(yīng)采用含鋇、鈣的長(zhǎng)效孕育劑，并采取二次孕育和隨流孕育的復(fù)合措施。

3.3 球化劑加入量過(guò)少

鐵水中加入球化劑，使石墨結(jié)晶成為球狀。在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，主要的球化劑是鎂和稀土合金。Mg 的密度為1．7389/cm3，熔點(diǎn)為651℃，沸點(diǎn)為1107℃，其化學(xué)性質(zhì)活潑，脫氧脫硫能力很強(qiáng)，與S 結(jié)合生成的MgS 由于密度小，極易上浮，通過(guò)除渣的方式去除。由于鎂的密度小、沸點(diǎn)低，加入鐵液中的Mg 一部分變成鎂光汽化，一部分去硫去氧，剩余的部分才在鐵液中進(jìn)行球化反應(yīng)。球化劑的加入量主要取決于原鐵液中的含硫量、鐵液的出爐溫度、出鐵沖入方式（是否蓋包），一般加入量是處理鐵水質(zhì)量的1．0%-1．6%。

3.4 干擾元素含量過(guò)高

（1）原鐵水的含硫量偏高。硫是主要的反球化元素，含硫量越高，球化反應(yīng)的效果就越不好，因此需控制原鐵液中的含硫量。當(dāng)原鐵液中的含硫量偏高時(shí)，相應(yīng)的球化劑加入量應(yīng)增多。球化劑脫硫的化學(xué)反應(yīng)原理為：

Mg+S=MgS

2Ce+3S=Ce2S3

需注意的是，要及時(shí)將鐵液上的浮渣清除，否則浮在鐵液表面的MgS、Ce2S3夾雜物與空氣中的氧會(huì)發(fā)生下列反應(yīng)：

2MgS+02=2MgO+2S

2Ce2S3+302=2Ce2S3+6S

此時(shí)生成的硫又從浮渣中進(jìn)入鐵液，與鎂和稀土發(fā)生作用，反復(fù)消耗球化劑，形成“回硫現(xiàn)象”，致使球化效果不好。

（2）反球化元素過(guò)量。嚴(yán)格控制反球化元素含量，特別是鈦與鉛?？蛇x用高純生鐵，控制廢鋼及生鐵中的反球化元素。

（3）鐵液溫度過(guò)高或過(guò)低。當(dāng)球化鐵液溫度過(guò)高時(shí)，覆蓋劑無(wú)法壓實(shí)，導(dǎo)致球化劑熔化速度過(guò)快，致使其燒損過(guò)多。但當(dāng)球化鐵液溫度低于1390℃時(shí)，合金不易熔化，球化反應(yīng)不完全，球化水平難以滿足要求。另外，在球化劑上浮過(guò)程中，由于鐵液溫度低，球化劑不能迅速熔化吸收，導(dǎo)致球化劑上浮到鐵液面熔化燃燒。因此，鐵液溫度應(yīng)控制在工藝要求范圍內(nèi)。

4 整改措施與效果

①規(guī)范操作規(guī)程，控制澆注時(shí)間。②球化包結(jié)構(gòu)不合理，控制高徑比。③控制原鐵液的硫含量及回爐料使用量。④鐵液中反球化元素含量超標(biāo)，因此需控制鉛、鈦、錫等微量元素。

采取上述整改措施后，試塊和本體的金相球化率在80%左右，仍不合格。同時(shí)檢測(cè)到原鐵液中wS 為0．025%-0．026%，超出了本廠規(guī)定的≤0．020%。在生產(chǎn)高質(zhì)量球墨鑄鐵時(shí)，國(guó)外一般將原鐵液的硫含量控制在0．020%以內(nèi)，高于該含量都要進(jìn)行脫硫處理。在冬季，樹脂砂造型用固化劑中總酸及游離硫酸的含量高于其他季節(jié)，即硫含量較高，因此滲透到澆道及鑄件表面會(huì)造成回爐料中硫的偏高。硫是一種反球化元素，它與鎂有很強(qiáng)的親和力，與鎂反應(yīng)生成MgS，消耗了有效鎂量，導(dǎo)致鐵液中游離鎂含量不足，致使球化不良，此時(shí)需更多的球化劑來(lái)保證球化效果[3]。因此，球化劑的加入量從原來(lái)的1%增加到1．1%，經(jīng)生產(chǎn)跟蹤檢測(cè)，附鑄試塊和本體球化率均達(dá)到90%以上，球化不良現(xiàn)象消失。