1、成分调整和工艺选择在球墨铸铁生产中的运用实践高连国（湖北荆州，434000 ） 【摘要】在铁水球化质量得到保证的前提下，要确保球墨铸铁铸件机械性能和内在质量，调整成分，选择工艺，只要方法得当，是能够取得预期效果的。对不同的产品、不同的生产工艺要区别对待；冷铁的运用，造型工艺方法的选择也很重要。【关键词】碳当量； 球墨铸铁； 冷铁； 石墨漂浮一、 概述限于篇幅，本文所立论的前提是球化质量都是得到保证的合格铁水，对保证铁水的球化质量不做论述，由于铁水球化质量的原因对产品产生的影响也不述及。1.1 生产球墨铸铁的一般性原则球墨铸铁流动性差以糊状方式凝固，铸件容易形成缩孔、缩松；镁基球化剂的加入导致铸
2、件夹渣倾向增加、气孔倾向增加、 “白口化”倾向增加；石墨要成球状铸型容易受挤压胀大，导致缩孔、缩松倾向增加；提高铁水温度导致铁水收缩性增加，缩孔、缩松倾向增加，铁水高温吸气增加，铸件气孔倾向增加；另外球墨铸铁还固有球化衰退、石墨漂浮等缺陷。为了解决球墨铸铁生产过程中上述种种问题，在生产时我们一般采取提高碳当量选择高碳量和高硅量，取碳当量在共晶点附近，尽量减少“糊状凝固”温度区间；控制温度，高温出炉、静置除气、降温浇注、加强孕育；增加铸型刚度；增加铁水冷却速度；控制浇注速度厚大件慢浇、薄小件快浇等等措施。1.2 几种典型的球墨铸铁的化学成分不是铸造工作者的大多数人可能不了解，GB1348-88/
3、09 规定了我国几个常用的球墨铸铁牌号，而考虑到生产具体情况：工艺方法、铸件大小、炉料特性等却没有规定相应的化学成分，也就是说在我国只要满足机械性能要求的球墨铸铁件其化学成分是不做要求的，美国国家标准（ASTM）中对球墨铸铁也只规定了机械性能和仅供参考的化学成分，并且特别提到只是在军方以及有特殊要求的订单中可以由供需双方商定化学成分。通常情况下，我们在实际生产中根据基体组织要求，确定几种典型的球墨铸铁的化学成分如下：QT400-18/QT420-15/QT450-10 是以铁素体为基体的球墨铸铁，要求铁素体含量85%，而硅能促进铁素体形成，一般化学成分范围：Cw3.2%3.80%、Siw2.6
4、%3.20%、0.4%Mn w0.6%、Pw0.05%、Sw 0.02%;QT500-7/QT500-5/QT600-3 是混合基体类型的球墨铸铁，珠光体或者铁素体可以分别在 55%左右，所以典型的化学成分范围：Cw3.4%3.85%、Siw2.2%2.60%、Mnw0.4%、Pw0.05%、Sw 0.02%;QT700-2/QT800-2/QT900-2 是以珠光体为基体的球墨铸铁，要求珠光体量75% ，这时候就要控制硅的含量，选择的典型化学成分范围：Cw3.5%3.85%、Siw1.8%2.20%、Mnw0.3-0.7%、Pw0.05%、Sw 0.02%;这样就将所有的球墨铸铁按基体组织组
5、成分成：以铁素体为基体的高延伸率的所谓高韧性类球墨铸铁；以铁素体珠光体混合基体为基体的普通类球墨铸铁；以珠光体基体为主的所谓高牌号高强度类球墨铸铁等等三大类。生产过程中高韧性类和高强度类球铁都是较难生产的，特别是铸态下要获得这两类球铁难度都相当大，一般都是采用合金化或专业化的方法在铸态下才能获得。从上述分类的几种典型的球墨铸铁成分变化中也可以看出：碳、硅含量的微小变化辅之锰的成分微小变化和合金化，球墨铸铁基体组织由铁素体变化到混合基体再到珠光体，强度由低到高，延伸率则由高到低，充分体现了材料的组织决定性能原则。1.3 生产球墨铸铁的几种典型技术工艺1.3.1 熔炼工艺单纯用冲天炉熔炼高质量的球
6、墨铸铁即使是 1.5 吨/小时的小功率冲天炉，选用低硫、低磷、低锰的生铁；控制回炉料和废钢中硬质合金的含量绝不能有 Cr、Mo、W 、V 等，选用低硫且固定碳高的焦碳，在正确的理论指导下，量力而行的硬件投资，严格的过程控制与过程管理是完全可以实现的。随着环保和节能减排的要求越来越高以及中频电炉熔炼技术的日臻成熟，电炉熔炼铸铁或电炉与冲天炉“双联熔炼”铸铁的运用已越来越广泛，特别是单纯用电炉熔炼铸铁时，废钢即使是模具钢， （含铬1.0%、含钨、钼、钒等硬质合金都存在的情况下）都能得到符合要求的合格的铸铁并且铸件的基体组织得到强化，延伸率不会变差、屈服强度也得到了提高，不会像冲天炉那样产生渗碳体，
7、大大地扩大了回炉料、废钢的使用量和选用范围。在中频电炉中，我们已生产出含铬 2.43%，基体硬度达到 HB297-320 的没有渗碳体的球墨铸铁。当产量很大时，用连续式水冷无炉衬冲天炉化铁，辅之以中频电炉升温和调整化学成分的“双联熔炼”是提高生产效率、降低生产成本经济实用的首要选择。其它如：电弧炉、反射炉、油汽炉等等都能够熔炼球墨铸铁但会因为环保和能耗的要求而逐步被淘汰。1.3.2 造型工艺1.3.2.1 大批量适用的由超过 0.7MPa 的压缩空气或液压油做动力的潮模砂中、高压造型方法，比较有代表性的有水平分型的或垂直分型的挤压造型生产方式、气冲静压造型生产方式、气动微振压实造型方法等，生产
8、节奏快、型砂可以反复回用，适合机械化作业，制造成本低；1.3.2.2 可以生产一定批量的铁模覆砂造型方法和消失模造型方法；因为铸型刚度高，这两种造型方法生产的铸件尺寸精度都比较高；铁模覆砂生产可以做到“少无冒口” ，而且因为铸型传热快，铁水冷却也快，特别适合生产混合基体和珠光体类的球铁，同样因为冷却快的原因，用铁模覆砂生产的铸件球化级别要比用潮模砂生产的铸件高出 0.51 级、表面硬度高出HB20 左右，这两种类型铸件的延伸率也比潮模砂生产的同类型铸件高；该方法的缺点是要形成大规模生产比较难，目前国内没有这方面自动化程度比较高的设备，该工艺所用的型砂是热固化类砂，成型固化需要一定的时间制约了它
9、的发展；消失模生产球铁在解决了排气、除渣、集碳等等问题后也是比较好的能规模化生产的造型工艺之一；1.3.2.3 适合小批量厚大件的冷自硬树脂砂球墨铸铁造型工艺：配合使用冷铁，在生产球墨铸铁时可以做到“少、无冒口铸造” ，因为铸型刚度高铸件尺寸精度好，特别是生产大件时优势相当明显；但缺点是生产成本较高、生产周期长、不适合大批量产品的生产、如果是呋喃树脂砂其砂型表面还要进行抗球化干扰处理；其它如：红砂、壳型、水玻璃砂等造型方法根据产品的特性和批量来选择也能生产出符合要求的球墨铸铁件。1.4 生产球墨铸铁用到的经验公式1.4.1 球墨铸铁中石墨成球后是能够引起铸件体积膨胀的，通常石墨球引起的体积膨胀
10、量是：每析出 1%的碳，铸件体积约增加 2%，而析出的碳量由公式 C 石墨 =C 总C 奥氏体给出，总含碳量高，析出的石墨就多，因此，通过提高碳含量利用其石墨化时析出碳形成石墨球的体积膨胀来解决铸件的缩松若同时提高硅含量则可能引起球铁的石墨漂浮缺陷；和绝大多数物质一样，球墨铸铁也遵循热胀冷缩特性；球铁的液态收缩约为1%/100，凝固收缩一般为 3%；所以，铁水温度越高时铸件的收缩越大、大型铸件其收缩也大，因此，生产上只是熔炼时要求高温以便把铁水中的杂质和所含废气尽可能排净，而铁水浇注到铸型时不一定要太高的高温，能保持好的流动性和充型性，不产生冷隔、冷夹就行；1.4.2 碳当量计算公式和碳、硅、
11、锰三元素的调节：CE=C%+1/3Si%+1/5Mn%,因此可以看出碳、硅、锰三元素增加都能提高碳当量，但各自对碳当量的影响是不一样的，而这三元素对铸铁组织的影响也是有很大区别的，也就是说“C、 Si、Mn”三元素各自对产品的性能影响是不一样的。生产上一定要根据产品要求的组织性能来做调整：硅具有强烈的石墨化倾向，是能促进铁素体化的元素，硅高石墨球数量多，铁素体含量增加，铸件的延伸率增加，但当硅量超过 3.4%后，厚大铸件容易发生“冷脆” ，铸件的低温冲击性能变差，要求在低温环境下工作的铸件其含硅量不宜超过 2.5%；锰在球墨铸铁中能中和硫，增强镁的球化作用，是促进珠光体形成的元素，能提高铸件的
12、珠光体量、增加强度、增加硬度，但锰的最大问题是容易在晶界组织中形成偏析，显著降低铸件韧性、降低延伸率，使产品的综合性能变差；所以，生产厚大铸件时特别要考虑硅、锰含量对产品的影响。一般情况下控制锰的含量后铸件的综合性能能得到较好的控制，即使是高牌号的珠光体类球铁把锰量控制在 0.6%以下也是有好处的。二、几种典型的球墨铸铁生产实例1、 铸态高韧性铁素体球铁的生产2.1.1 潮模砂生产纺机铸件，铸件壁厚 3-8化学成分：Cw3.65% 3.8%、Siw2.6%2.8%、Mnw0.4%、Pw0.07%、Sw 0.02%;砂型含水量 5-6%、湿压强度 0.07MPa、表面硬度85 普通 148 造型
13、机造型；铁水由 5吨/小时冲天炉熔炼，出水温度 1450-1480,浇注温度1380，用 1.5%的 7-8ReMg 球化剂球化处理。机械性能：b=450480 MPa，d=12.5%，生产中用 1%的 75SiFe 锤成小颗粒压在球化剂上面，然后用铁素体孕育剂在浇注时随铁水流进行随流孕育，4 小时后出铸件，批量生产；纺机铸件一般要求薄壁、韧性好，运动过程中相互不干涉，受冲击力后不破坏，因此选择铁素体基体的 QT450-10 材质，铸态生产时控制铁水硅含量偏高限，对薄壁件加强孕育也很有必要。2.1.2 红砂手工造型生产 QT450-10 电力配件日本旭电机株式会社电缆隔离体。化学成分：Cw3.
14、65%3.8%、Siw2.6%2.8%、Mnw0.4%、Pw0.07%、Sw 0.02%;砂型含水量 6-8%、手工造型；铁水由 5 吨/小时冲天炉熔炼，出水温度 1450-1480,浇注温度1380，用 1.5%的 7-8ReMg 球化剂球化处理。机械性能：b=440470 MPa，d=15%，生产中用 1%的 75SiFe 锤成小颗粒压在球化剂上面，然后用铁素体孕育剂在浇注大包转小手包时进行转包孕育，手工浇注，4 小时后出铸件，批量生产；该产品不加工，外形是四方形，且在四个角上有垂直于分型面的穿孔通过下坭芯完成的。因为是铁素体球铁，同样道理，控制终锰量、选择高硅含量、加强孕育，促进铁水向铁
15、素体基体转化；因为是手工造型，适当增加型砂水分便于起模。2.1.3 铁模覆砂生产 QT450-10 日本东野载重工程车轴承毂、动力转向器壳体。铸件壁厚 10-18。化学成分：Cw3.70% 3.85%、Siw2.6%2.8%、Mnw0.3%、Pw0.05%、Sw 0.02%;铁水由 2 吨中频电炉熔炼，出水温度 1550-1520,浇注温度1480，用 1.0%的 3-8ReMg 球化剂球化处理。本体机械性能：b=450490 MPa，d=12-18%，生产中用 1%的 75SiFe 碎成小颗粒压在球化剂上面，然后用铁素体孕育剂在浇注时随铁水流进行随流孕育，10 分钟后开箱出铸件，批量生产；电
16、炉熔炼有两大突出优势：一是成分可以调整、控制，二是温度可以控制；对球铁生产来说还可以减少硫的危害，少用球化剂，减少铁水杂质量。铁模覆砂生产的铸件尺寸精度高、组织致密，铸型冷却快，要求浇注温度高。生产中控制铁水锰量、增加硅量、延长开箱时间让铸件缓慢冷却等都有利于铸件形成铁素体基体增加延伸率。2.1.4 冷自硬树脂砂生产 QT400-15 MAN B铁水由 2 吨中频电炉熔炼，出水温度 1550-1520,浇注温度1480，用 1.1%的 3-8ReMg 球化剂球化处理。本体机械性能：b=420450 MPa，d=16-21%，生产中用 1%的 75SiFe 碎成小颗粒压在球化剂上面，然后用铁素体
17、孕育剂在浇注时随铁水流进行随流孕育，8 小时后开箱出铸件；该铸件壁厚 200，是厚大铸件，此种情况下要特别注意的是铁水的石墨漂浮缺陷，若发生石墨漂浮，铸件的强度降低、硬度降低、耐磨性变差，漂浮层的性能比灰铸铁还差！在熔炼选择化学成分时，不必考虑铁水的流动性，选择碳当量在亚共晶范围，而硅有促进铁素体形成的作用，必须维持在一定值，因此选择较低的含碳量，锰是不利于铁素体形成的元素，仍然要控制锰的含量，但若铁水锰含量太低则不利于铸件保持基本的强度、含锰低的炉料也不好组织；在进行球化处理时，为了防止球化衰退问题，适当增加了球化剂用量；为了克服铁水碳当量低补缩量不够、容易发生缩松、缩孔缺陷等毛病，在造型方
18、面，在上箱加上厚1/3 本体的大明冷铁，加排气孔和补缩冒口，用专用砂箱增加铸型刚度；实现批量生产；2.1.5 冷自硬树脂砂生产 QT400-18 JOST 公司载重车支架。铸件壁厚 18-22。化学成分：Cw3.75% 3.85%、Siw2.6%2.8%、Mnw0.3%、Pw0.05%、Sw 0.02%;铁水由 2 吨中频电炉熔炼，出水温度 1550-1520,浇注温度1480，用 1.0%的 3-8ReMg 球化剂球化处理。本体机械性能：b=420450 MPa，d=18-22%，生产中用 1%的 75SiFe 锤成小颗粒压在球化剂上面，然后用铁素体孕育剂在浇注时随铁水流进行随流孕育，10
19、小时后开箱出铸件；批量生产；该铸件壁厚比较均匀，所有的铸件壁上都可以取本体试样，熔炼铁水时，适当提高硅含量使其倾向形成铁素体基体，锰量也控制在低限；造型时注意冷自硬树脂砂对球铁的影响，布置分型面时使铸件尽量在下箱，为了确保得到高延伸率的铸件，尽量利用余热延迟开箱时间，批量生产效果挺好。2、 铸态混合基体球铁的生产2.2.1 冲天炉熔炼、潮模砂生产 QT500-7/QT500-5/QT600-3 曲轴。化学成分：Cw3.65% 3.80%、Siw2.2%2.5%、0.4%Mn w0.6%、Pw0.07%、Sw 0.02%;砂型含水量 5-6%、湿压强度 0.07MPa、表面硬度85 普通 148
20、 造型机造型；铁水由 5 吨/小时冲天炉熔炼，出水温度 1450-1480,浇注温度1380，用 1.5%的 7-8ReMg 球化剂球化处理。机械性能：b=480650 MPa，d=5-8%，生产中用 0.3%的 75SiFe 与0.2%65MnFe 锤成小颗粒压在球化剂上面，然后进行随流孕育，1-2 小时后出铸件，批量生产；混合基体的铸件既要求一定的强度又要求一定的延伸率，选择化学成分时硅、锰含量要“搭配”通常情况下，为了得到铁素体基体铸件时就增加硅的含量，为了得到珠光体基体铸件时增加锰的含量，为了提高铁水的自补缩能力一般都是选择高碳当量高的碳量或高的硅量；2.2.2 电炉熔炼、铁模覆砂生产
21、 QT500-7/QT500-5/QT600-3 飞轮。化学成分：Cw3.65% 3.85%、Siw2.2%2.6%、0.4%Mn w0.6%、Pw0.07%、Sw 0.02%;铁水由 2 吨/小时中频电炉熔炼，出水温度 1520-1550,浇注温度1480，用1.0%的 3-8ReMg 球化剂球化处理。机械性能：b=510720 MPa，d=5-8%，生产中用 0.3%的 75SiFe 与0.2%65MnFe 锤成小颗粒压在球化剂上面，然后进行随流孕育，12 分钟后出铸件，批量生产；混合基体类球铁，只要成分选择得当，注意硅、锰含量的调整搭配，控制单方面促进基体生长的化学元素含量，完全能够实现
22、大批量铸态连续生产。3、 铸态高强度珠光体球铁的生产2.3.1 电炉熔炼、冷自硬树脂砂手工生产高牌号 QT700-2/800-2 石油机械齿轮。化学成分：Cw3.70% 3.80%、Siw1.8%2.4%、0.4%Mn w0.6%、Pw0.05%、Sw 0.02%;铁水由 2 吨中频电炉熔炼，出水温度 1550-1520,浇注温度1480，用 1.0%的3-8ReMg 球化剂球化处理。本体机械性能：b=720850 MPa，d=2-5%，生产中用 0.3%左右的 75SiFe和电解铜锤成小颗粒压在球化剂上面，然后用珠光体孕育剂在浇注时随铁水流进行随流孕育，2 小时后开箱出铸件；造型过程中在齿轮
23、工作面安放成型冷铁，加强凝固批量生产；为了铸态得到以珠光体为基体的高牌号球铁，铁水熔炼过程中要对铁水进行微合金化处理，添加有利于珠光体形成的合金元素或强化基体的元素。冲天炉熔炼时，环境中有氧氛、有碳氛、有硫氛，合金元素易氧化、易形成碳化物渗碳体等；电炉克服了上述种种不利因素，像 Cr 这样的强碳化物形成元素也能完全溶解于铸铁中并增加基体强度提高铸件性能。大齿轮是石油机械中广泛运用的铸件，有时是外圆上铣传动齿、有时是内圆上铣传动齿，传动功率较大，既要求一定的强度又要求一定的硬度还要求一定的韧性，就是说要求铸件要有好的综合机械性能，上述生产方法较好地解决了生产难题。2.3.2 电炉熔炼、铁模覆砂生
24、产 QT800-5 康明斯 6BT/6CT 曲轴。化学成分：Cw3.70% 3.80%、Siw2.0%2.4%、0.4%Mn w0.6%、Pw0.05%、Sw 0.02%;铁水由 2 吨中频电炉熔炼，出水温度 1550-1520,浇注温度1480，用 1.0%的3-8ReMg 球化剂球化处理。本体机械性能：b=780850 MPa，d=5-7%，生产中用 0.3%左右的 75SiFe锤成小颗粒和 0.5%的电解铜压在球化剂上面对铁水进行球化，然后用珠光体孕育剂在浇注时随铁水流进行随流孕育，2 小时后开箱出铸件；批量生产；QT800-6 是国内某厂家的技术专利。用电炉熔炼的铁水，控制含锰量不超过
25、0.45%，加入一定的电解铜（0.5%左右）促进珠光体形成，但要控制珠光体在75%90%范围，用铁模覆砂工艺造型，做好随流孕育，能稳定生产出康明斯曲轴达到 QT800-5 要求，优化其性能 。三、 结束语在铁水球化质量得到保证的前提下，要确保球墨铸铁铸件机械性能和内在质量，调整成分，提高碳当量，利用合金化原则，选择工艺，生产铁素体球铁时向铁水中添加促进铁素体形成的合金元素，用铁素体专用的孕育剂；生产混合基体铸件时尽量避免促进铁素体或促进珠光体的合金元素突出，用混合基体专用孕育剂；生产珠光体铸件时在铁水中添加促进珠光体形成的元素并选用珠光体专用孕育剂，必要时要进行专业热处理，同时确保铸型刚度和铁水补缩能力，只要方法得当，是能够取得预期效果的。对不同的产品、不同的生产工艺要区别对待；冷铁的运用，造型工艺方法的选择也很重要。参考资料： 姜 志 超 主 编 球 墨 铸 铁 铸 造 新 工 艺 新 技 术 与 产 品 质 量 缺 陷 控 制 实 用 手 册 M 北 京 ： 北 方 工 业 出 版 社 出 版 2006梁 义 田 主 编 合 金 元 素 在 铸 铁 中 的 作 用 M 西 安 ： 西 北 工 业 大 学 出 版 社 出 版 1988
