江苏九州传动股份有限公司的球墨铸铁技术(2-5-6)

球墨铸铁核心技术球墨铸铁是一种具有优良机械性能的铸铁。它是通过铸造在浇注之前，在专用球生铁液中加入球化剂和孕育剂，使铁液凝固后形成球状石墨。此种铸铁的强度和韧性等机械性能比其他铸铁要好的多，可代替铸钢和可锻铸铁，在机械制造业中得到了广泛应用。铸钢含碳量少于 0.3%，而灰铸铁和球墨铸铁含炭量量则至少为 3%。铸钢中的低含碳量使得作为游离石墨存在的碳不会形成结构薄片。灰铸铁内的碳天然形式是游离石墨薄片形式。在球墨铸铁内，这种石墨薄片通过特殊的处理方法变化成微小的球体。这种改进后的球体使得使得球墨铸铁比灰铸铁和钢相比具有更加优异的物理性能。正是这种碳的球状微观结构，使得球墨铸铁具有更加良好的展延性和抗冲击性，而灰铸铁内部的薄片形式导致铸铁没有展延性。通过铁素体基体可获得最佳的展延性。球墨铸铁内部的球状结构也能够消除铸铁内部的薄片石墨容易产生的裂缝现象。 球墨铸铁被称为“两个世界里最好的”金属，意思是球墨铸铁具有铸钢的强度，也有灰铸铁优异的抗腐蚀性。生产中的难点 球墨铸件大都断面较厚大，因此冷却缓慢，金属液体凝固时间较长，内部很容易产生缩松。 一般生产铁素体球墨铸铁时，为了获得较高的抗拉强度、屈服强度和延伸率，以往均要进行铁素体化热处理，但生产成本高，工艺复杂，生产周期长，给生产组织以及交货期带来非常大的困难。这就要求必须在铸态下获得铁素体基体。因此生产铁素体球墨铸铁的难点主要有： 1、如何解决铸件的内部缩松； 2、如何保证在铸态下获得铁素体基体 90%以上； 3、如何使材料有足够的抗拉强度和屈服强度； 4、如何获得足够的延伸率（>18%），在合金化处理后,获得规定的延伸率； 铸态铁素体球墨铸铁件的质量控制技术 1化学成份的控制 1）C、Si、CE 的选择 由于球状石墨对基体的削弱作用很小，故球墨铸铁中石墨数量的多少，对力学性能的影响不显著，当含碳量在 3.2-3.8%范围内变化时，对力学性能无明显的影响。所以过程中确定碳硅含量时，主要考虑保证铸造性能，将碳当量选择在共晶成分左右。具有共晶成分的铁液流动性能最好，形成集中缩孔的倾向大，铸件组织的致密度高。但碳含量过高时，容易产生石墨漂浮的同时，一定程度上对球化有影响，主要表现在要求的残余镁合金量高。使铸铁中夹杂物的数量增多，降低铸件性能。 硅在球墨铸铁中对性能的影响很大，主要表现在硅对基体的固溶强化作用的同时，硅能细化石墨，提高石墨球的圆整度。所以球铁中的硅含量提高，很大程度上提高了强度指标，却降低了韧性。球墨铸铁经过球化处理过的铁液有较大的结晶过冷，有形成白口倾向，硅能够减少这种倾向。但是硅量控制过高，大断面球铁中促使碎块状石墨的生成，降低铸件的力学性能。我们将硅以孕育的方式加入，一定程度上提高性能。 因此，从改善铸造性能的角度出发，铁水的碳当量选在共晶点附近最好，此时铁水的流动性最好，集中缩孔倾向较大，易于补缩。碳当量上下限的控制以上限不出现石墨漂浮为原则，下限以不出现渗碳体，保证完全球化为准，在这样的前提下，应尽可能提高碳当量以便获得致密的铸件。2)锰 锰在球墨铸铁中起的作用与灰铸铁不同。灰铸铁中，锰除了强化铁素体和稳定珠光体外，还能减少硫的危害作用。球墨铸铁中，球化元素具有很强的脱硫能力，锰不再具有这种作用。由于锰具有严重的正偏析倾向，往往富集于共晶团晶界处，促使形成晶间碳化物，显著降低球墨铸铁的韧性。对厚大断面球铁来说，锰的偏析倾向 更严重。同时锰含量的提高，基体中的珠光体含量提高，所以提高了强度指标的同时，降低韧性。对高韧性球墨铸铁中锰含量控制应更严格。 因此，在原材料可能的情况下 Mn 越低越好。对与大型铸件锰的控制上限为Mn<0.3%。 3）磷： 磷在球墨铸铁中有严重的偏析倾向，易在晶界处形成磷共晶，严重降低球墨铸铁的韧性。磷还增大球墨铸铁的缩松倾向。当要求球墨铸铁有高的韧性时，磷要控制在 0.06%以下。 4）硫： 球墨铸铁中的硫与球化元素有很强的化合能力，生成硫化物和硫氧化物，不仅消耗球化剂，造成球化不稳定，而且还使夹杂物数量增多，球化衰退速度加快。熔炼中尽可能降低原材料中硫含量的同时，还要采取炉前脱硫措施，即需要加大球化剂加入量。 5）镁和稀土的含量 镁是主要的球化元素，稀土具有脱硫，中和反球化元素，对镁具有保护作用，提高铁水的抗衰退能力。但是稀土元素是碳化物形成元素，因此在保证球化良好的情况下尽可能控制稀土的残留量。 根据上述分析计算，最终确定化学成份如下： C：3.5-3.9%；Si：2.5-3.0%；Mn：<0.30%；P:<0.07;S<0.02%；Re=0.020.04%；Mg=0.030.06%，Mo：0.30.7% 熔炼控制 1、原材料的选择 选择高纯的原材料是非常必要的，原材料中的 Si、Mn、S、P 含量要少（Si<1.0%, Mn<0.3% S<0.03%, P<0.03%），对 Cu、Cr、Mo 等一些合金元素要严格控制含量。由于很多微量元素对球化衰退最为敏感，如，钨、锑、锡、钛、钒等。钛对球化影响很大应加以控制，但钛高是我国生铁的特点,这主要与生铁的冶金工艺有关。 2、脱硫 原铁液含硫量决定球化剂的加入量，原铁液中的含硫量越高，则 球化剂的加入量越多，否则不能获得球化良好的铸件。球化处理前原铁液中的 S 含量控制在 0.02%以下。对球化处理前原铁液的含硫量高时，必须进行脱硫处理。3、球化剂和球化处理 为了提高抗衰退能力，在球化剂中加入一定比例的重稀土，这样既可以保证起球化作用的镁的含量，同时也可以增加具有较高抗衰退能力的重稀土元素，如，钇等。根据试验和生产实践，采用 ReMg 与钇基重稀土的复合球化剂作为厚大断面球铁件生产的球化剂是非常理想的，在实际生产应用过程中取得了很好的效果。在球化处理时，为了提高镁的吸收率，控制反应速度及提高球化效果，采用特有的球化工艺。对球化处理的控制，主要是在反应速度上进行控制，控制球化反应时间在 2 分钟左右。 球化衰退防止措施：A、铁液中保持有足够的球化元素含量；C、降低原铁液的含硫量，并防止铁液氧化；C、缩短铁液经球化处理后的停留时间；D、铁液经球化处理并扒渣后，为防止 Mg、RE 元素逃逸，可用覆盖剂将铁液表面覆盖严，隔绝空气以减少元素的逃逸。 4、孕育剂和孕育处理 球化处理是球铁生产的基础，孕育处理是球铁生产的关键，孕育效果决定了石墨球的直径、石墨球数和石墨球的园整度，为了保证孕育效果，孕育处理采用多级孕育处理。孕育处理越接近浇注，孕育效果越好。从孕育到浇注需要一定的时间，该时间越长，孕育衰退就越严重。为了防止或减少孕育衰退，采用以下措施：A、使用长效孕育剂（含有一定量的钡、锶、锆或锰的硅基孕育剂）；B、采用多级孕育处理（包内孕育、孕育槽孕育、水口瞬时孕育等）；C、尽量缩短孕育到浇注时间。孕育剂的加入量控制在 0.61.4%，孕育剂加入量过少，直接造成孕育效果差，孕育量过大，导致铸件夹杂。 5、浇注工艺控制 浇注应采用快浇，平稳注入的原则。为了提高瞬时孕育的均匀性及防止熔渣进入型腔，水口盆的总容量应与铸件的毛重相当，浇注时将孕育剂放入水口盆中，将铁水一次全部注入水口，使铁水与孕育剂充分混合，扒去表面浮渣，提出水口堵浇注。 铸造工艺的控制原则 1）合理的铸造工艺是至关重要的因素， 2）通过铸造工艺对凝固时间加以控制，其原则是在厚大断面处放置冷铁来调节温度场加速铁水凝固。3）为获得铁素体，基体开箱温度要控制在 560以下。根据上述工艺方法，在生产实践中完全可以在铸态下获得顾客标准要求。通过对影响铸铁铁素体球铁的各个因素进行分析，对其进行控制，各项性能指标完全满足要求；在获得高的抗拉强度和屈服强度的前提下，得到高的延伸率；合理控制球化孕育工艺，铸态下得到全面铁素体组织，避免后续的热处理工序。