大型厚壁球墨鑄鐵組織性能優化分析

王臆皓++王燕

摘 要：球墨鑄鐵主要是以石墨形式呈球狀所析出的鑄鐵，由于球狀石墨可以減小應力集中對基體產生的割裂作用，所以可以將基體強度的利用率提高到70-90%，可見，球墨鑄鐵的力學性能顯著優于其他鑄鐵。但對球墨鑄鐵性能產生影響的因素也比較多，需要進一步優化。本文通過對合金元素及微量元素對大型厚壁球墨鑄鐵組織性能的影響進行分析，提出了相應的優化措施，以期進一步提高球墨鑄鐵的質量和利用率。

關鍵詞：大型厚壁球墨鑄鐵；組織性能；優化措施

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.07.211

0 引言

厚壁鑄鐵由于其冷卻速度較慢，致使其在凝固過程中所需要的共晶時間較長，由此也就導致石墨出現球數減少、畸變的可能性增加，不利于保證球鐵的鑄造質量。對此，需要根據球墨鑄鐵的含量對其組織性能進行優化。通過對球鐵的含量進行分析可知，其中的合金元素及微量元素對于球鐵組織性能的影響最為顯著，因此，本文主要分析這兩類元素對球鐵的組織性能的影響，并據此提出相應的優化組織性能的措施。

1 合金元素對大型厚壁球墨鑄鐵組織性能的影響

在厚壁球墨鑄鐵部件中，合金元素主要包括鎂、硅、錳、硫、磷及稀土元素，其中，鎂是球鐵球化的關鍵元素，如果鎂量不足，會導致球化不良，過高又會導致球墨畸變，且影響到綜合性能。要想保證厚壁球鐵質量，應將鎂的質量分數控制在0.04-0.06%之間。硅含量過高，會導致石墨異形，影響球鐵的化學性能，因此，硅含量應偏低，控制在2.0-2.2%之間。鑄鐵中含有適量的錳，可以提高珠光體的含量，對于基體組織起到強化作用，因此錳含量應控制在0.8-1.2%之間。硫和磷屬于球鐵中的表面活性物質，如果含量增加，會對球鐵的鑄造性能及力學性能產生惡劣影響，因此其含量應嚴格控制在0.03-0.05%之間。稀土元素在球鐵中主要有兩個作用，一是脫硫去氣，二是與微量元素形成高熔點化合物，以中和微量元素的不利作用。微量元素的含量應控制在0.3-0.5%之間。對于上述微量元素，如果含量控制不好，就會對球鐵的性能產生不利影響，因此，應當加強對合金元素在球鐵中含量的控制研究。

2 微量元素對大型后壁球墨鑄鐵組織性能的影響

厚壁球鐵中包含的微量元素有Sb、Sn、Cu、Ni、Bi等，Sb是一種非常強的珠光體穩定元素，合理的含量可以防止出現碎塊狀的石墨，因此，含量應控制在0.005-0.007%之間。Sn也是消除碎塊狀石墨的主要元素，含量為0.05%。Cu、Ni屬于反偏析元素，如果在高Ni的球墨鑄鐵中，Ni會與Mn在共晶晶粒周邊貧化處富集，由此導致球墨鑄鐵的韌性及強度降低。在厚壁球鐵中加入少量的Bi，可以減少和防止異形石墨形成，但對于此項元素的含量也應嚴格控制，不能過少，以免起不到防止石墨異形的作用。

3 大型厚壁球墨鑄鐵組織性能優化策略

3.1 加強合金元素及微量元素的含量控制

對于大型厚壁球墨鑄鐵中含有的合金元素及微量元素，其含量都應當控制在合理的范圍內，以將其對球鐵造成的影響降到最低。如其中對于Cu含量的分析可知，通過添加不同含量的Cu，球化率會發生較大的變化。隨著球化劑中Ce的含量增加，會導致石墨顆粒數增加，而每個石墨顆粒的面積較小，因此石墨球較為細小，并且呈現彌散分布狀態，這種現象的出現與稀土元素作為石墨中核心的因素有關。另外，由于Ce是一種反球化的元素，因此，只有將其在球鐵中的含量控制在某一范圍內，才能夠保證球鐵質量，如果超出這個范圍，就會導致石墨球的數量減少，顆粒變大。Bi在球鐵中的應用，可以對鐵水中硅元素濃度擴散產生阻礙作用，使得碳和硅元素的濃度發生起伏并加強，以形成石墨形核。Bi可以與稀土元素形成化合物，成為石墨異質核心。而且此種化合物還能夠一部分的硫化物相溶，從而增加大異質核心的尺寸，有效延長孕育劑的衰退時間。例如銅含量對球鐵力學性能的影響，如表1。

3.2 適當增加球鐵中的元素含量

通過已有的關于球墨鑄鐵的實驗分析可知，球鐵中所含的各種元素對于其組織性能都有顯著影響，因此需要把這些元素的含量控制在合理范圍內。如果能夠加入某些適當的元素，對球鐵的基體組織進行適當調整，以改變基體組織中的珠光體及鐵素體含量，從而改善球鐵的低溫性能及韌性，以實現其綜合力學性能的最優化。此外，還可以通過改變球鐵中成分的方法強化孕育，以提高石墨形態，減少變形石墨，這樣可以提高球墨的球化率和石墨球數，從而減少對基體組織的割裂作用，提高厚壁球鐵鑄件的力學性能。

4 結束語

在大型厚壁球墨鑄鐵工藝中，成分含量對于球鐵的鑄造質量有較大影響，不同含量的元素，會產生不同的影響，這就要求對于鑄鐵工藝，應當加強元素含量控制，實現組織性能的優化，以將石墨質量實現最優化，減少石墨變形的情況，提高利用率。

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