鑄態(tài)QT400—18球墨鑄鐵生產(chǎn)工藝的應(yīng)用

陳佳輝

[摘 要]文章主要針對(duì)廢鋼增碳、增硅生產(chǎn)QT400-18球墨鑄鐵工藝的應(yīng)用展開了探討，詳細(xì)闡述了化學(xué)元素的影響及選擇，并對(duì)球墨鑄鐵的生產(chǎn)工藝作了系統(tǒng)的分析研究。

[關(guān)鍵詞]鑄態(tài)球墨鑄鐵；生產(chǎn)工藝；化學(xué)元素

[DOI]10. 13939/j. cnki. zgsc. 2016. 06. 060

所謂的球墨鑄鐵，是指通過球化和孕育處理得到球狀石墨，其可以有效地提高鑄鐵的機(jī)械性能，特別是提高塑性和韌性，從而得到比碳鋼還高的強(qiáng)度。它在如今的工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用。因此，我們需要保證球墨鑄鐵的生產(chǎn)質(zhì)量，以為相關(guān)的工業(yè)生產(chǎn)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。基于此，文章就廢鋼增碳、增硅生產(chǎn)球墨鑄鐵工藝的應(yīng)用進(jìn)行了探討。

1 化學(xué)元素的影響及選擇

化學(xué)成分對(duì)球墨鑄鐵的性能有較大影響。合理的化學(xué)成分是鑄件力學(xué)性能和金相組織合格的前提。對(duì)高韌性球墨鑄鐵來說，在高碳當(dāng)量的前提下，應(yīng)滿足高碳、低錳、低磷、低硫的原則。

1. 1 碳

碳是強(qiáng)石墨形成元素，促進(jìn)石墨化。一般來說含碳量高，易保證球化，獲得球形石墨，且增加石墨數(shù)量。若石墨球形態(tài)好，數(shù)量多，直徑小，則對(duì)基體的斷裂就越小，力學(xué)性能也就越高。因此，應(yīng)選擇較高的碳量，碳含量不夠的話可以采用增碳的方法實(shí)現(xiàn)。但含碳量也不能過高，否則容易產(chǎn)生石墨漂浮、石墨破碎等缺陷。一般碳的含量為：3. 5%～3. 8%。

1. 2 硅

硅是強(qiáng)促進(jìn)石墨化元素，硅若以孕育方式加入其作用更顯著。硅含量不夠的話可以采用增硅的方法實(shí)現(xiàn)。含硅量增加，白口傾向減少，細(xì)化石墨，提高石墨球的圓整度。但硅量過高，會(huì)提高韌性-脆性轉(zhuǎn)變溫度，引發(fā)鑄件脆性。含硅量控制在2. 3%～2. 8%。

1. 3 錳

錳是阻礙石墨化元素，具有穩(wěn)定滲碳體，提高強(qiáng)度，降低塑性和韌性，所以盡量降低錳含量，控制在0. 5%以下，尤其是高韌性球墨鑄鐵。

1. 4 磷

磷是有害元素，極易偏析，含量較高會(huì)形成硬而脆的磷共晶，降低塑性和韌性。應(yīng)盡可能降低磷元素的含量，控制在0. 04%以下。

1. 5 硫

硫也是有害元素，硫與稀土的親和力很強(qiáng)，消耗球化劑，對(duì)球化效果和韌性、沖擊性能影響較大，因此將硫控制在0. 02%以下。

1. 6 鎳

鎳是一種面心方晶體結(jié)構(gòu)石墨化元素，富于韌性、滑穩(wěn)面多、易于發(fā)生滑移變型的方面多，對(duì)塑性、韌性的貢獻(xiàn)較大。在低溫高韌性球墨鑄鐵中加入適量的鎳可以強(qiáng)化鐵素體基體，含量控制在0. 3%以下。

1. 7 殘留鎂和稀土

球墨鑄鐵的石墨球數(shù)隨著殘留鎂的增加而增加，但殘留鎂量超過一定數(shù)值后石墨球數(shù)會(huì)不增反減。較高的殘留鎂量還會(huì)影響到石墨的圓整度，增加縮松、縮孔等。在確保石墨球化的前提下，把殘留鎂量控制在越低越好，因此，殘留鎂量應(yīng)控制在0. 025～0. 05。

2 高韌性球墨鑄鐵的熔煉工藝

2. 1 原、輔材料選擇

熔煉高韌性球墨鑄鐵的主要材料是廢鋼（低碳鋼）、增碳劑、硅鐵、回爐料、球化劑、孕育劑等。原材料應(yīng)無油、無銹、低錳、低硫、成分明確。

2. 2 配料

高韌性球墨鑄鐵的熔煉配料單見表1。

表1 QT400-18球墨鐵配料單單位：%

材料[]廢鋼[]回爐料[]增碳劑[]硅鐵[]球化劑[]孕育劑

比例[]≤85[]≥15[]3. 5～6. 0[]1. 5～2. 5[]1. 1～1. 5[]0. 8～1. 0[BG）F][HT]

2. 3 熔煉操作

按比例稱料，然后按順序向中頻電爐內(nèi)加料，加料順序?yàn)椋夯貭t料→廢鋼→增碳劑→硅鐵→回爐料→廢鋼。送電開始熔煉。全部爐料添加完畢，升溫至1480℃～1500℃，化碳時(shí)間5～10分鐘，扒渣取樣進(jìn)行光譜分析。若成分符合原鐵液成分要求，調(diào)至1430℃～1470℃的工藝溫度，開始出鐵球化孕育處理。若成分不滿足要求，按比例調(diào)整成分，取樣化驗(yàn)，直至滿足要求為止，升溫至工藝要求的球化孕育溫度出鐵。

2. 4 球化、孕育工藝

球化處理是生產(chǎn)合格球墨鑄鐵的關(guān)鍵，只有球化良好，孕育方法得當(dāng)，才能得到石墨球圓整、均勻、晶粒細(xì)小、致密的球墨鑄鐵。所以生產(chǎn)球墨鑄鐵球化、孕育處理是關(guān)鍵。球化采用的鋼包為球鐵包，修筑能盛放所需球化劑、覆蓋孕育劑的堤壩。球化方式采用沖入法球化。具體操作為：①球鐵包烘烤至暗紅色。②將鐵液量1. 4%～1. 5%、粒度為10～25mm、預(yù)熱溫度100℃～150℃的球化劑顆粒放至堤壩包的一側(cè)，沖實(shí)，上面均勻覆蓋鐵液量0. 2%～0. 3%、粒度15～20mm的75SiFe孕育劑，鋪平、沖實(shí)，表面用珍珠巖覆蓋，最后在孕育硅鐵上加蓋和包壩一側(cè)形狀類似的球鐵板，主要作用是放緩前期球化劑反應(yīng)速度，減少球化劑燒損，達(dá)到良好球化的目的。③出鐵1/3左右時(shí)開始采用隨流孕育，操作方法是制作工裝，采用滑槽的形式從爐臺(tái)上隨著鐵水均勻的將孕育劑添加至球化包，鐵水出完，孕育劑也同時(shí)添加完畢。孕育劑采用3～5mm的硅鐵顆粒，使用量鐵液量0. 4%～0. 6%。④反應(yīng)完結(jié)束，待鋼包中鐵液平靜后反復(fù)扒渣，扒去所有浮渣，鑄件澆注前加入鐵液量0. 1%～0. 15%粒度再小一些的75SiFe孕育劑，放至液面上，反復(fù)攪拌，進(jìn)行瞬時(shí)孕育。本孕育工藝采用3次孕育：第一次為覆蓋在球化劑上的孕育劑，第二次是隨流孕育，第三次是澆注前的瞬時(shí)孕育。以上的球化和孕育工藝是我們企業(yè)生產(chǎn)高韌性球墨鑄鐵的關(guān)鍵操作過程。

3 檢 驗(yàn)

檢驗(yàn)包括化學(xué)成分檢驗(yàn)、金相檢驗(yàn)、機(jī)械性能檢驗(yàn)、沖擊性能檢驗(yàn)，通過檢驗(yàn)驗(yàn)證配料的合理性、工藝的可行性，得出材料是否滿足技術(shù)要求的結(jié)論。

3. 1 成分檢驗(yàn)

成分檢驗(yàn)就是采用直讀光譜儀對(duì)澆注的爐前和球化后的光譜檢驗(yàn)試塊進(jìn)行成分檢驗(yàn)，本試驗(yàn)材料的化學(xué)成分見表2。

3. 2 金相檢驗(yàn)

本試驗(yàn)通過對(duì)鑄態(tài)金相照片分析，得出球化等級(jí)2級(jí)，石墨大小6級(jí)，晶粒細(xì)小，鐵素體含量大于95%，滿足QT400-18高韌性球墨鑄鐵對(duì)組織的要求。

3. 3 機(jī)械性能檢驗(yàn)

機(jī)械性能檢驗(yàn)是通過機(jī)械拉伸隨爐澆注的Y型單鑄試塊加工的試棒來確定材料的機(jī)械性能。本試驗(yàn)采用該工藝熔煉了2爐，試棒編號(hào)1#機(jī)械性能：強(qiáng)度/MPa438、延伸率23. 2%；試棒編號(hào)2#機(jī)械性能：強(qiáng)度/MPa442、延伸率21. 8%。抗拉強(qiáng)度和延伸率是球墨鑄鐵檢驗(yàn)的最終指標(biāo)，通過對(duì)隨爐澆注的Y型單鑄試塊試棒的拉力試驗(yàn)，達(dá)到QT400-18高韌性球墨鑄鐵對(duì)機(jī)械性能的要求。

3. 4 低溫抗沖擊性能檢驗(yàn)

低溫沖擊性能主要是指材料在低溫工作、有沖擊載荷存在情況下的抗沖擊性能。

①試驗(yàn)設(shè)備：CSL-B沖擊試樣缺口電動(dòng)拉床、DWC-60A沖擊試驗(yàn)低溫槽、JB-30B沖擊試驗(yàn)機(jī)；②沖擊試樣制備：沖擊試樣從拉伸試棒的端頭加工，沖擊試樣按GBZ106-80《金屬夏比（V型缺口）沖擊試驗(yàn)方法》的標(biāo)準(zhǔn)加工；③試驗(yàn)方法：將加工好的夏比沖擊試塊放入DWC-60A沖擊試驗(yàn)低溫槽中冷卻→-20℃保溫20min→快速取出并在JB-30B沖擊試驗(yàn)機(jī)沖擊→記下數(shù)據(jù)，每試樣做3個(gè)沖擊試塊，取平均值作為該方案的結(jié)果；④試驗(yàn)結(jié)果：1#試樣-20℃沖擊值16. 5J/mm2；2#試樣-20℃沖擊值15. 0J/mm2。沖擊值超過12J/mm2的要求數(shù)值，滿足材料對(duì)低溫抗沖擊的要求；⑤結(jié)果分析：從斷口可以看出，斷口表面凸凹不平，部分石墨球在沖擊過程中脫落，斷口上留下一些空洞，部分石墨球仍留在斷面上，形成凸出的石墨圓球。石墨球及石墨球剝落后留下的凹坑周圍，由于鐵素體基體的塑性變形，形成網(wǎng)狀連接的“撕裂楞”，在“撕裂楞”上出現(xiàn)韌窩，由于韌窩大而深，說明試樣在斷裂之前，基體發(fā)生了很大的塑性變形，直至在石墨球周圍的基體上形成主裂紋，才發(fā)生斷裂，該斷口屬于韌性斷裂在斷。

4 結(jié) 論

綜上所述，低溫高韌性球墨鑄鐵憑借自身擁有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，在礦工設(shè)備、風(fēng)電設(shè)備中的一些關(guān)鍵零部件，如輪轂、底座、齒輪箱體、支鉅支撐等眾多方面得到廣泛的應(yīng)用。因此，為了工業(yè)的生產(chǎn)，我們必須保障球墨鑄鐵的生產(chǎn)質(zhì)量，采取先進(jìn)有效的生產(chǎn)工藝，確保球墨鑄鐵的產(chǎn)出能有質(zhì)的保證。

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