球化劑及孕育工藝對球墨鑄鐵組織及低溫沖擊性能的影響

■ 陳孝先，周文軍，納小明

現代球墨鑄鐵自20世紀40年代研制成功以來，以其優異的綜合性能備受人們青睞。特別是高寒地區裝配的球墨鑄鐵件設備，都要求有一定的低溫韌性，以免低溫脆斷造成事故。尤其是最近幾年，我國新能源戰略把大力發展風力發電設為重點，而鑄件是風力發電設備的重要部件，都是要求很高的鐵素體基體球墨鑄鐵。風電鑄件運行環境惡劣，有的鑄件要求在–20℃甚至–40℃環境下服役20年。因此，除了常規性能指標外，還有低溫沖擊性能的要求。我公司結合歐洲標準，已成功為國內外多家風力發電企業生產出合格的球墨鑄鐵輪轂、底座和軸類零件。

1. 試驗方法

（1）工藝方案 鐵液采用感應電爐熔煉，球化工藝采用沖入法，具體的變質工藝見表1。

（2）合金的熔煉及試樣的制備 所用爐料主要為生鐵、廢鋼與回爐料，用增碳劑與75SiFe調整C、Si含量，應用表1中的工藝方案各澆注了28件鑄件，開箱后把附鑄試塊收集進行理化檢測。鐵液的化學成分控制見表2。

從70mm厚的U形附鑄試塊上制取抗拉、金相與V型缺口沖擊試樣，沖擊試樣在–20℃與–30℃的液氮中冷卻10min，然后在擺錘沖擊試驗機上進行沖擊試驗。

2. 試驗結果及分析

（1）金相結果及分析 在金相顯微鏡下觀察試樣的金相組織。通過對試樣的微觀結構進行比較、分析，發現工藝2、工藝3能顯著提高球化率，特別是工藝3石墨球的圓整度及球徑均勻性都有明顯的提高，如附圖所示。

通過分析各工藝的化學成分，發現工藝2的爐后wS為0.009%，工藝3的爐后wS為0.0085%，而工藝1的爐后wS為0.0069%。硫是一種反石墨化元素，屬于有害元素，鐵液中硫若與鎂反應，則導致球化衰退，因此我公司一直采用高純生鐵熔煉球墨鑄鐵。但通過生產實踐發現，硫的數量對球化效果影響很大，適當的硫含量可獲得石墨球數多、石墨球形好、碳化物減少、縮孔傾向減弱的鑄件。在爐前鐵液S含量相同的情況下，各工藝爐后鐵液S含量卻有這樣的差別，有可能是變質劑中帶入的S不同導致的。

表1 工藝方案

表2 主要成分（質量分數） （%）

各工藝的平均金相參數見表3。

從表3可知，工藝2、工藝3能顯著提高球化率，這是因為這兩個工藝采用的是含鎂量較低的稀土球化劑，相比較工藝1的硅鎂合金球化劑的優點是球化反應平穩，鎂的吸收率較高，另外6RE稀土球化劑所含的稀土元素也可以中和鐵液中的有害元素，因此球化率顯著提高。但工藝2、工藝3的石墨球數明顯減少。通過研究發現，兩個工藝孕育量加大，使鐵液在凝固期間向已有核心析出容易，長大速度快，使石墨球數相對減少，且工藝2、工藝3球化反應較工藝1的平穩，反應時攪拌力較小，致使石墨有充足的時間長大，改善了石墨球的圓整度。

（2）力學性能結果及分析 鑄件附鑄試塊的平均性能結果見表4。其中屈服強度與伸長率指標合格率達到100%，在此不做表述。

從表3中的數據可見，性能合格率略有降低，沖擊韌度大幅提高，一是因為工藝2、工藝3的球化反應較工藝1延后，能更大限度地發揮球化劑的作用，且工藝2、工藝3的孕育采用多層次孕育，特別是工藝3還在球化劑上面埋入325孕育劑，使孕育過程更接近于澆注，可最大限度地防止孕育衰退。二是因為鐵液終硅含量（質量分數）由工藝1的2.09%降到工藝2的2.02%，再到現在的1.90%，所以導致抗拉強度略有下降，沖擊韌度上升。

各工藝金相組織圖（×100）

表3 金相檢驗結果

表4 力學性能檢測平均結果

3. 結語

（1）工藝3由于采用高品質的球化劑+多層次孕育工藝，因此能顯著提高球化率，保證抗低溫沖擊球墨鑄鐵的生產。

（2）工藝3的抗拉強度合格率較低，在后續生產中應該適當提高硅含量。

（3）工藝3的石墨球數較少，還應做必要的工藝改進，以增加石墨球數。