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；
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，GB1348-88/09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%～3.20%、0.4%≤Mnw≤0.6%、Pw≤0.05%、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%、Mnw≤0.4%、Pw≤0.05%、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%、Mnw≤0.3-0.7%、Pw≤0.05%、Sw≤0.02%;
这样就将所有的球墨铸铁按基体组织组成分成：①以铁素体为基体的高延伸率的所谓高韧性类球墨铸铁；②以铁素体＋珠光体混合基体为基体的普通类球墨铸铁；③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，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0.5～铁水温度1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%；⑴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、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⑵。
发布评论