铸态铁素体球墨铸铁的应用研究与工艺实践

1前言 近些年来，铸态铁素体球墨铸铁的研究是球铁生产中热门研究课题。而对于一些地方小厂来说，不用进行热处理而能大批生产出合格的高韧性球铁，确实需要去实践、去努力攻关。2003年始，我在一个机械厂参加了铸态铁素球铁的应用研究与工艺实践，使濒临倒闭的小厂起死回生。该厂在1978年前曾短期试生产过柴油机曲轴、连杆、凸轮轴等，均需进行退火或正火处理。此后二十余年中一直未批量生产过球铁。2002年底，试生产为千斤顶总厂配套的从1.6T至16T的各系列液压千斤顶底座与顶帽。要求牌号为QT450-10，球化等级不低于4级，铁素体含量在75%以上，不允许有明显的气孔、夹渣、缩松。该厂炉子为1.5t/h酸性冷风大间距冲天炉，原材料来源是：生铁是云阳钢厂的18#—22#生铁，焦炭是平顶山或临汝地方焦，稀土镁合金和硅铁均是在市场上随机购买的。铁水出炉温度1380°～1430°。产品品种及牌号较多，因而生产球铁难度较大。该厂缺乏铸造专业技术人员，生产球铁无经验，曾出现几次批量报废事故。特别是球铁质量不稳，极易出现白口，不能直接投入机加工，故不得不炉炉退火，大大加大了成本。2003年起，我们从原材料、工艺等多方面攻关，实行全面质量管理，终于生产出质量稳定的铸态铁素体球铁，顺利地出口创汇。 2严把原材料、辅料进厂质量关，控制好各元素含量。 为生产铁素体球铁的需要，进厂生铁由原云钢的18#-22#生铁改为定点采购信阳明港钢厂生产的Q12生铁（锰含量较低≤0.05%）；焦炭要求固定碳高（≥75%）；含硅量低（≤0.5%），灰分低、强度高、块度大（50-100mm）而均匀，定点使用平项山的基焦；硅铁就近使用本市浙川铁合金产品；稀土镁合金也定点使用鲁山县的铁素体球铁用稀土镁合金。其他材料辅料如废钢（排除有害元素干扰）、煤粉、陶土、型砂、合脂油、石灰石、耐火材料等，也都本着质量好、价格合理、路途近的原则定点采购。重要的是化学成份的选择。 2.1碳和硅是影响球铁机械性能和铸造性能很大的元素，是促进石墨化的元素。提高碳当量（C总+1/3si）可增加石墨球数，改善铁水流动性，减少缩孔体积和白口倾向，提高塑性和韧性[1].但碳当量过高，易出现石墨漂浮导致性能下降，故元素含量应选择：C：3.6-3.9%；S：2.2-3.0%；碳当量应在4.4-4.8%之间。 2.2锰是阻碍石墨化并稳定碳化物的元素，稳定和增加基体中珠光体含量，但易形成晶间偏析，降低球铁塑性和韧性；含量高时会增加缩松倾向，故在生产铸态铁素体球铁中，因铁素体含量要求大于75%，不允许出现缩松和不再经过热处理，故锰的含量不能高而应低，应控制在0.3-0.4%范围内。我们不再用云钢生铁而用信钢Q12即是此道理。 2.3磷（P）和硫（S）均为有害元素，磷对球铁的韧性、塑性和内在质量有很大影响，硫含量高使铸件产生夹渣、皮下气孔等缺陷。所以都应严格控制。故磷一般不得超过0.06%；硫应在0.03%以下。特别是硫，同时受生铁和焦碳的影响，有时铁水增硫过高，此时就必须进行脱硫处理，我们的做法是将适量脱硫剂从出铁槽随铁水加入包内，使铁水与脱硫剂先行接触，发生脱硫反应后再进行球化处理。 2.4控制球化剂的残留量，减少游离渗碳体增加和白口倾向，对生产铸态铁素全球铁十分必要。故应控制：Re残为0.02-0.04%；Mg残0.03-0.06%.3强化熔化及球化孕育工艺，引进和推广包外孕育工艺。 3.1冲天炉在熔炼之前，必须要根据铸件要求进行配料计算，而配料计算的基础是必须先知道铸件所需的化学成份以及原材料（生铁、回炉铁、废钢、铁合金等）的化学成份，同时要根据以往的熔炼经验得出各元素的烧损率。一般是碳、硫增加，硅锰烧损。根据烧损率初步确定烧损方案，反复试验，确定最佳方案。在此过程前后，必须要工艺管理严格，各种原材料辅料严格称重计量，及时做好化学成份及金相的检验，提供准确的各项数据。 3.2球化剂采用鲁山生产的铁素体球铁专用稀土镁合金，加入量为1.1-1.3%，用茶壶式浇包，在底部一侧预先砌一隔墙，将球体化剂破碎成小块放入其内，表面覆盖一层硅铁粉，再盖草木灰。出铁水时先出2/3待反应翻动平稳后扒渣，再补其余铁水，同时在出铁槽加入0.5%左右的75siFe硅铁，进行孕育处理，迅速搅拌扒渣，复草灰后可浇注。 3.3引进先进孕育剂：原材料是基础，孕育是关键。球铁件最终性能的好坏，在很大程度上取决于孕育效果的好坏，生产铁素体球铁更是关键。但传统的包内孕育方法容易产生铸态碳化物和反白口，即使热处理也难以完全消除。直到引进了包外孕育新工艺，采用了湖北内燃机配件厂球铁研究所研制出的适应包外孕育工艺使用的SRCB高效孕育剂，才可使铸态铁素体球铁这一材料铸造获得真正成功。 3.4包外孕育是在浇注时，将一特制漏斗安装在浇包茶壶嘴上方，用一定量小铁勺将占型腔所需铁水重量的0.10-0.15%的SRCB孕育剂加入斗中，在自重作用下，使孕育剂均匀地随铁水进入型腔，从而达到孕育的目的。或是将孕育剂定量后倒入型腔，然后倒铁水。实验表明该孕育量达到0.15%就能达到最佳效果。 4试样组织及性能检测浇注数根Ф25×120试棒，带回试验室进行力学性能检测及金相分析。 4.1浇铸试样的显微组织基体中F%>80%，石墨球圆整、细小、分布均匀。 4.2试样力学性能：σb1=460MPa，δ1=12%，HB1=170σb2=465MPa，δ2=11%，HB2=177σb3=469MPa，δ3=11%，HB3=180σb4=461MPa，δ4=11%，HB4=1784.3包外孕育使石墨球圆整、细小、分布均匀，改善磷共晶的分布形态，减少了它的数量和尺寸，对消除铸态碳化物尤见成效，能提高铸件的机械性能和疲劳强度，抗衰退能力强，能有效地促进铁素体的形成，也能有效地消除皮下气孔。 5总结 综上所述，在控制好各元素含量的前题下，采用SRCB高效复合孕育剂可用于生产铸态铁素体球墨铸铁，与热处理相比，可降低成本200元/吨左右。同时可有效地消除皮下气孔，消除碳化物，基本上不存在内部缩松现象。经过半年多的摸索实践，特别是采用了包内孕育和包外瞬时孕育相结合的方法，该厂终于生产出了合格产品，其性能特点为：塑性和韧性较高，强度较低，用于制造受力较大而又承受震动和冲击的零件，千斤顶底座和顶帽系列配套产品和其他汽车配件产品，每月生产量达到了100吨以上，质量稳定，不需热处理，无出现批量报废和退货现象，创造了较好的经济效益和社会效益。1前言 近些年来，铸态铁素体球墨铸铁的研究是球铁生产中热门研究课题。而对于一些地方小厂来说，不用进行热处理而能大批生产出合格的高韧性球铁，确实需要去实践、去努力攻关。2003年始，我在一个机械厂参加了铸态铁素球铁的应用研究与工艺实践，使濒临倒闭的小厂起死回生。该厂在1978年前曾短期试生产过柴油机曲轴、连杆、凸轮轴等，均需进行退火或正火处理。此后二十余年中一直未批量生产过球铁。2002年底，试生产为千斤顶总厂配套的从1.6T至16T的各系列液压千斤顶底座与顶帽。要求牌号为QT450-10，球化等级不低于4级，铁素体含量在75%以上，不允许有明显的气孔、夹渣、缩松。该厂炉子为1.5t/h酸性冷风大间距冲天炉，原材料来源是：生铁是云阳钢厂的18#—22#生铁，焦炭是平顶山或临汝地方焦，稀土镁合金和硅铁均是在市场上随机购买的。铁水出炉温度1380°～1430°。产品品种及牌号较多，因而生产球铁难度较大。该厂缺乏铸造专业技术人员，生产球铁无经验，曾出现几次批量报废事故。特别是球铁质量不稳，极易出现白口，不能直接投入机加工，故不得不炉炉退火，大大加大了成本。2003年起，我们从原材料、工艺等多方面攻关，实行全面质量管理，终于生产出质量稳定的铸态铁素体球铁，顺利地出口创汇。 2严把原材料、辅料进厂质量关，控制好各元素含量。 为生产铁素体球铁的需要，进厂生铁由原云钢的18#-22#生铁改为定点采购信阳明港钢厂生产的Q12生铁（锰含量较低≤0.05%）；焦炭要求固定碳高（≥75%）；含硅量低（≤0.5%），灰分低、强度高、块度大（50-100mm）而均匀，定点使用平项山的基焦；硅铁就近使用本市浙川铁合金产品；稀土镁合金也定点使用鲁山县的铁素体球铁用稀土镁合金。其他材料辅料如废钢（排除有害元素干扰）、煤粉、陶土、型砂、合脂油、石灰石、耐火材料等，也都本着质量好、价格合理、路途近的原则定点采购。重要的是化学成份的选择。 2.1碳和硅是影响球铁机械性能和铸造性能很大的元素，是促进石墨化的元素。提高碳当量（C总+1/3si）可增加石墨球数，改善铁水流动性，减少缩孔体积和白口倾向，提高塑性和韧性[1].但碳当量过高，易出现石墨漂浮导致性能下降，故元素含量应选择：C：3.6-3.9%；S：2.2-3.0%；碳当量应在4.4-4.8%之间。 2.2锰是阻碍石墨化并稳定碳化物的元素，稳定和增加基体中珠光体含量，但易形成晶间偏析，降低球铁塑性和韧性；含量高时会增加缩松倾向，故在生产铸态铁素体球铁中，因铁素体含量要求大于75%，不允许出现缩松和不再经过热处理，故锰的含量不能高而应低，应控制在0.3-0.4%范围内。我们不再用云钢生铁而用信钢Q12即是此道理。 2.3磷（P）和硫（S）均为有害元素，磷对球铁的韧性、塑性和内在质量有很大影响，硫含量高使铸件产生夹渣、皮下气孔等缺陷。所以都应严格控制。故磷一般不得超过0.06%；硫应在0.03%以下。特别是硫，同时受生铁和焦碳的影响，有时铁水增硫过高，此时就必须进行脱硫处理，我们的做法是将适量脱硫剂从出铁槽随铁水加入包内，使铁水与脱硫剂先行接触，发生脱硫反应后再进行球化处理。 2.4控制球化剂的残留量，减少游离渗碳体增加和白口倾向，对生产铸态铁素全球铁十分必要。故应控制：Re残为0.02-0.04%；Mg残0.03-0.06%.3强化熔化及球化孕育工艺，引进和推广包外孕育工艺。 3.1冲天炉在熔炼之前，必须要根据铸件要求进行配料计算，而配料计算的基础是必须先知道铸件所需的化学成份以及原材料（生铁、回炉铁、废钢、铁合金等）的化学成份，同时要根据以往的熔炼经验得出各元素的烧损率。一般是碳、硫增加，硅锰烧损。根据烧损率初步确定烧损方案，反复试验，确定最佳方案。在此过程前后，必须要工艺管理严格，各种原材料辅料严格称重计量，及时做好化学成份及金相的检验，提供准确的各项数据。 3.2球化剂采用鲁山生产的铁素体球铁专用稀土镁合金，加入量为1.1-1.3%，用茶壶式浇包，在底部一侧预先砌一隔墙，将球体化剂破碎成小块放入其内，表面覆盖一层硅铁粉，再盖草木灰。出铁水时先出2/3待反应翻动平稳后扒渣，再补其余铁水，同时在出铁槽加入0.5%左右的75siFe硅铁，进行孕育处理，迅速搅拌扒渣，复草灰后可浇注。 3.3引进先进孕育剂：原材料是基础，孕育是关键。球铁件最终性能的好坏，在很大程度上取决于孕育效果的好坏，生产铁素体球铁更是关键。但传统的包内孕育方法容易产生铸态碳化物和反白口，即使热处理也难以完全消除。直到引进了包外孕育新工艺，采用了湖北内燃机配件厂球铁研究所研制出的适应包外孕育工艺使用的SRCB高效孕育剂，才可使铸态铁素体球铁这一材料铸造获得真正成功。 3.4包外孕育是在浇注时，将一特制漏斗安装在浇包茶壶嘴上方，用一定量小铁勺将占型腔所需铁水重量的0.10-0.15%的SRCB孕育剂加入斗中，在自重作用下，使孕育剂均匀地随铁水进入型腔，从而达到孕育的目的。或是将孕育剂定量后倒入型腔，然后倒铁水。实验表明该孕育量达到0.15%就能达到最佳效果。 4试样组织及性能检测浇注数根Ф25×120试棒，带回试验室进行力学性能检测及金相分析。 4.1浇铸试样的显微组织基体中F%>80%，石墨球圆整、细小、分布均匀。 4.2试样力学性能：σb1=460MPa，δ1=12%，HB1=170σb2=465MPa，δ2=11%，HB2=177σb3=469MPa，δ3=11%，HB3=180σb4=461MPa，δ4=11%，HB4=1784.3包外孕育使石墨球圆整、细小、分布均匀，改善磷共晶的分布形态，减少了它的数量和尺寸，对消除铸态碳化物尤见成效，能提高铸件的机械性能和疲劳强度，抗衰退能力强，能有效地促进铁素体的形成，也能有效地消除皮下气孔。 5总结 综上所述，在控制好各元素含量的前题下，采用SRCB高效复合孕育剂可用于生产铸态铁素体球墨铸铁，与热处理相比，可降低成本200元/吨左右。同时可有效地消除皮下气孔，消除碳化物，基本上不存在内部缩松现象。经过半年多的摸索实践，特别是采用了包内孕育和包外瞬时孕育相结合的方法，该厂终于生产出了合格产品，其性能特点为：塑性和韧性较高，强度较低，用于制造受力较大而又承受震动和冲击的零件，千斤顶底座和顶帽系列配套产品和其他汽车配件产品，每月生产量达到了100吨以上，质量稳定，不需热处理，无出现批量报废和退货现象，创造了较好的经济效益和社会效益。