孕育處理對大斷面球鐵件力學性能和石墨形態的影響

周惦武，邵 斌，劉金水，蘇 華，李冬珍，代德利，胡國良，張 元

（1.武漢武重鑄鍛有限公司,湖北武漢 430205；2.湖南大學，湖南長沙 410082）

高檔數控機床產業是發展國家制造業的基礎，高檔數控機床裝備對鑄件有很高的要求，鑄鐵件的好壞，直接影響機床的質量、壽命和精度保持性[1]。大斷面球鐵件是制造高檔數控機床關鍵零部件的常用鑄件，由于成形性能好、成本低，替代大型鑄鋼件具有明顯優勢，但生產重復性差，爐前控制困難，鑄件金相組織、力學性能不能穩定達到設計要求，鑄件內部易產生變異石墨、縮孔、縮松等缺陷。大斷面球鐵件縮孔、縮松缺陷的形成，其直接原因在于石墨化提供的膨脹量不足以補償液態和凝固收縮的總和量，提高碳含量、降低澆注溫度、改進球化和孕育處理等均是利于減少鑄件縮孔、縮松缺陷的重要措施[2-6]，如鐵液中的碳以石墨形式析出，變異石墨少，且石墨球細小、均勻分散，則石墨的膨脹作用明顯，可有效補償液態和凝固收縮。由于孕育處理能引導熔融鐵液中石墨成形，改善石墨的形態和分布，是解決鑄件縮孔、縮松缺陷的技術關鍵，為此本文以實際生產高檔數控機床某一關鍵零部件為例，基于金相組織、力學性能、拉伸斷口特征、石墨結晶核心及變異石墨形態的分析，研究了孕育處理對大斷面球鐵件力學性能和石墨形態的影響，期望為制定大斷面球鐵件鑄造工藝控制其組織和性能提供依據，為提高數控機床關鍵零部件產品的鑄造技術水平奠定技術基礎。

1 孕育處理工藝分析

大斷面球鐵件冷卻速度緩慢，凝固時間長，易產生球化和孕育衰退，其中孕育衰退占主導地位，實際生產需采用多次孕育。由于小劑量隨流瞬時孕育時，低溫鐵液溶解吸收孕育劑的能力有限，而瞬時孕育劑的用量少，大斷面鑄件所需鐵液多，實際操作時，隨流加入難以均勻分散，往往在澆注的前半期就全部加入；提高澆注溫度，雖能促進孕育劑吸收，但易造成液態收縮量增大，導致熔體中析出石墨易長大、破碎和漂浮。因此小劑量隨流瞬時孕育需針對鑄件充型、凝固，尤其鐵液充填速度的模擬計算，來合理匹配孕育劑的給料重量、顆粒度大小、給料速度、澆注溫度和鐵液充填速度之間的相互關系；將隨流瞬時孕育取消，生產中可帶來操作上的方便，但為達到隨流瞬時孕育效果，需采取鑄件所需鐵液石墨結晶核心減少的補救措施，如將隨流瞬時孕育條件下作為爐料的Si-Fe放到爐外加入，希望以爐外增Si方式發揮Si-Fe自身孕育作用；此外澆注時由于沒有瞬時孕育劑的加入，澆注溫度可適當調低，充分利用石墨化的膨脹進行自補縮，預防或減輕鑄件縮孔、縮松等缺陷，但降低澆注溫度，生產操作上易造成球化處理溫度降低，如采用珍珠巖集渣，由于降溫造成球化孕育處理不充分，實際鑄件易出現渣孔缺陷，為此合理制定孕育處理工藝是生產大斷面球鐵件的技術關鍵。

2 生產試驗與結果討論

2.1 試驗條件與方法

試驗爐料選用Q10生鐵和專用碳素廢鋼，選用江西龍釔生產的重稀土ZY-7和湖北楚峰生產的輕稀土3-7組成的混合稀土作球化劑，采用江西龍釔生產的YFY-1、YFY-8和湖北楚峰生產的SPI、BaSi組成含RE、Ba、Sb、Ca等元素的長效復合孕育劑，原材料的化學成分如表1所示。球化處理采用沖入法，球化劑用量1.5%；為對比研究孕育處理對球鐵件力學性能和石墨形態影響，采用了兩種孕育處理。隨流瞬時孕育條件下，球化處理溫度1460℃～1480℃，澆注溫度1330℃～1350℃；取消隨流瞬時孕育條件下，球化處理溫度1430℃～1440℃，澆注溫度1320℃～1330℃。兩種孕育處理方式，孕育劑的加入總量均為1.2%～1.3%。

熔煉設備為20t/h、8000kW中頻無芯感應電爐。采用光譜和ICP等手段分析25mm的Y型單鑄和本體試塊的化學成分；采用光學金相顯微鏡觀察石墨形態、石墨球大小，對照圖譜分析球化率、F和P含量；利用電子掃描顯微鏡（SEM）觀察球鐵試樣的顯微組織特征、破碎狀石墨表面形貌，并用EDX能譜儀進行微區成分分析；利用微機控制電子萬能試驗機測試試樣抗拉強度與伸長率等力學性能。

2.2 試驗結果及分析

2.2.1 金相組織與力學性能分析

表1 原材料的化學成分（%）

不同爐次球鐵試塊的化學成分、金相組織與力學性能分別如表2和表3所示。從試驗結果來看，取消隨流瞬時孕育，采用電爐熔煉工藝生產大斷面球鐵件，球化等級與化學成分穩定控制有關，抗拉強度、伸長率等力學性能與化學成分、基體組織相關。而隨流瞬時孕育條件下，本體試塊球化等級2～3級，個別4級，石墨大小穩定控制在6級水平。與取消隨流瞬時孕育相比較，石墨大小穩定控制在6級水平，表明隨流瞬時孕育條件下，孕育衰退作用減慢。進一步分析（表3）發現隨流孕育條件下，球鐵本體試塊的抗拉強度和伸長率得到提高。

表2 球鐵的化學成分（%）

表3 球鐵試塊的金相組織與力學性能

2.2.2 拉伸斷口分析

取消隨流瞬時孕育條件下，試樣拉伸斷口存在脫落石墨球留下的孔洞及白色異性相，如圖1。對白色異性相進行EDX分析，結果分別如圖2和表4。從表4顯示的成分分析來看，白色異性相Fe含量低，O 含量高，還含有少量的 Mg、Si、Ca、Y、Ce 等元素。可認為白色異性相為含有Y、Ce等稀土元素的氧化物夾雜。

圖1 試樣拉伸斷口形貌

圖2 試樣EDX圖譜

表4 白色異性相的化學成分（原子分數，%）

隨流瞬時孕育條件下，試樣拉伸斷口存在很多凸凹不平的圓球和韌窩，沒有發現白色異性相（圖3）。通常解離臺階的形成是由于在解理的中間部位存在某種雜質，在雜質的尖角處形成微裂紋源，微裂紋尖端的應力集中使該裂紋源迅速擴展，從而造成局部穿晶斷裂。在取消隨流瞬時孕育條件下，可能含Y、Ce等稀土的氧化物夾雜的存在造成了穿晶斷裂，而隨流瞬時孕育條件下，Y、Ce等稀土的氧化物夾雜含量減少，對試樣造成穿晶斷裂傾向小，因而本體試塊的力學性能提高。

圖3 試樣拉伸斷口形貌

2.2.3 本體試塊石墨核心分析

圖4 試樣41的EDX圖譜

圖4為隨流瞬時孕育條件下石墨球化等級2級試樣的SEM照片。發現石墨中心存在很多白亮物質，對白亮物質取不同位置進行EDX分析，結果分別如圖 4.b、4.d、4.f 和表 5。

表5 白亮物質的化學成分（原子分數，%）

圖5為隨流瞬時孕育條件下石墨球化等級3級試樣的SEM照片，發現石墨中心存在白亮物質，對其進行EDX分析，結果如圖5和表6。

圖5 試樣4911的EDX圖譜

表6 白亮物質的化學成分（原子分數，%）

圖6為隨流瞬時孕育條件下石墨球化等級4級試樣的SEM照片。發現石墨中心存在白亮物質，對白亮物質不同位置進行EDX分析，結果如圖6.b、6.d和表7。

分析表5～表7的檢測結果，如表8。發現隨流瞬時孕育條件下，與采用SPI作瞬時孕育劑相比，采用YFY-1A，試樣Y的平均含量高，Sb的平均含量少，由于Sb是反球化元素，而Y氧化生成氧化釔，石墨以Y2O3為核心進行形核和生長，在鐵液中殘存時間長，起到有效核心作用。因此，采用YFY-1A作瞬時孕育劑，獲得良好石墨形態，石墨衰退能力強，試樣球化等級高，石墨球大小穩定。

圖6 試樣302的EDX圖譜

表7 白亮物質的化學成分（原子分數，%）

表8 白亮物質的化學成分（原子分數，%）

2.2.4 本體試塊變異石墨分析

鑄件本體試樣82心部破碎石墨如圖7，發現破碎石墨邊界和周圍存在很多雜亂無章分布的夾雜物，對不同位置夾雜物進行EDX分析，結果分別如圖 7.b、7.d、7.f 和表 9。

鑄件本體試樣249心部破碎石墨如圖8，發現在破碎石墨邊界和周圍存在很多雜亂無章分布的夾雜物，對不同位置夾雜物進行EDX分析，結果分別如圖 8.b、8.d、8.f 和表 10。

圖7 試樣82的 EDX圖譜

表9 變異石墨邊界夾雜物的化學成分（原子分數，%）

鑄件本體試樣302心部破碎石墨如圖9，發現在破碎石墨邊界和周圍存在很多雜亂無章分布的夾雜物，對不同位置夾雜物進行EDX分析，結果分別如圖 9.b、9.d、9.f和表 11 所示。

分析表9～表11的檢測結果，如表12。發現隨流瞬時孕育條件下，采用YFY-1A作瞬時孕育劑，試樣含有 Mg、Ca、Ba、Y、La、Ce 等球化元素，Sb、Ti反球化元素以及Cu、Ti偏析元素。其中O平均含量高，O含量高易導致球化元素氧化，氧化物富集在晶界，破壞了奧氏體殼的穩定性，是石墨產生變異的主要原因。采用SPI作瞬時孕育劑，試樣同樣也含有Mg、Ca、Ba、Y、La、Ce 等球化元素，Sb、Ti反球化元素以及Cu、Ti偏析元素，但Sb、Ti反球化元素以及Cu、Ti偏析元素的含量高于YFY-1A作瞬時孕育劑處理的試樣。由于Sb、Ti元素在石墨與鐵液之間形成界面層，通過成分過冷方式影響球狀石墨的生長，Mg不能清除O、S（注：SPI作瞬時孕育劑，試樣S平均含量高），因此導致石墨形態發生了變異。

圖8 試樣249 EDX圖譜

表10 變異石墨邊界夾雜物的化學成分（原子分數，%）

圖9 試樣302的EDX圖譜

表11 變異石墨邊界夾雜物的化學成分（原子分數，%）

3 結論

（1）采用電爐熔煉工藝生產大斷面球鐵件，隨流瞬時孕育條件下，孕育衰退作用減慢，本體試塊球化等級2～3級，石墨大小穩定在6級水平，抗拉強度和伸長率提高；

表12 變異石墨夾雜物的化學成分（原子分數，%）

（2）隨流瞬時孕育條件下，與采用SPI作瞬時孕育劑相比，采用YFY-1A，試樣Y平均含量高，Sb平均含量少。由于Sb是反球化元素，而Y氧化生成氧化釔，石墨以Y2O3為核心進行形核和生長，在鐵液中的殘存時間長，起到有效核心作用，石墨形態良好，抗石墨衰退能力強，試樣球化等級高，石墨球大小穩定；

（3）隨流瞬時孕育條件下，YFY-1A作瞬時孕育劑，石墨發生變異的主要原因在于試樣O含量高，導致球化元素氧化，富集在晶界的氧化物破壞了奧氏體殼的穩定性；而SPI作瞬時孕育劑，試樣Sb、Ti反球化元素以及Cu、Ti偏析元素含量高，由于Sb、Ti元素在石墨與鐵液之間形成界面層，通過成分過冷方式影響球狀石墨生長，Mg不能清除O、S，因此導致石墨形態發生了變異。

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