高硅固溶強化鐵素體球墨鑄鐵的工藝研究

高博，張濤，楊霄峰，陳園社

(1.海軍駐興平地區軍事代表室，陜西興平 713 100；2.陜西柴油機重工有限公司，陜西興平 713 100）

高硅固溶強化鐵素體球墨鑄鐵的工藝研究

高博1，張濤2，楊霄峰2，陳園社2

(1.海軍駐興平地區軍事代表室，陜西興平 713 100；2.陜西柴油機重工有限公司，陜西興平 713 100）

針對E N 156 3:2012標準中提出的牌號為E N-G J S-50 0-14和E N-G J S-60 0-10的材料性能要求，本文從化學成分的選擇、鐵水球化及孕育處理等方面進行了工藝研究。通過多次的試驗研究標明：本文所設計的工藝不僅滿足E N 156 3:2012中機械性能和金相組織的要求，而且可有效提高回爐料的加入量，節約生產成本，為高效化生產提供一定依據。

固溶強化；球墨鑄鐵；工藝

D O I：10.39 69/j.i s s n.100 6-96 58.2017.05.00 5

隨著科技的進步，在工程應用中對球墨鑄鐵的性能有了更高的要求。在EN1563：2012中提出了EN-GJS-500-14，EN-GJS-600-10兩種新材料牌號，材料力學性能見表1，在高抗拉強度的前提下，還必須保證高的屈服強度、高的延伸率，傳統生產工藝難以完成。

通過固溶強化作用來提高材料的抗拉強度、屈服強度、延伸率是目前最有效的一種工藝方法。

固溶強化是指通過融入某種溶質元素形成固溶體而使金屬強化，融入固溶體中的溶質原子造成晶格的畸變，晶格畸變增大了位錯運動的阻力，使滑移難以進行，從而使合金固溶體的強度增加[1]。相對于傳統球墨鑄鐵，可利用硅的固溶強化作用，實現EN-GJS-500-14，EN-GJS-600-10的生產。本文將從化學成分的選擇、鐵液球化及孕育處理等方面進行工藝研究的闡述。

1 研究內容

1.1 化學成分的選擇

CE值：碳當量對球墨鑄鐵的流動性和補縮性影響性很大，合理碳當量的選擇可以有利于澆注成形和補縮。在碳當量的質量分數為4.4%～4.6%時鐵液的流動性最好，有利于澆注成形、補縮[2]。我們將碳當量的控制在4.4%～4.5%。

碳：碳是構成石墨的元素，強烈促進石墨化。含碳量在一定程度上影響球化效果，是由于碳含量高，在球鐵生產中促進鎂吸收率提高。碳改善流動性，增加凝固時的體積膨脹，可有效進行補縮。但含碳量過高則引起石墨漂浮、產生開花狀石墨，致使力學性能急速下降[3]。碳含量控制在3.0%～3.4%。

硅：硅是強烈促進石墨化元素。硅可提高球墨鑄鐵的抗拉強度、屈服強度和硬度，但當硅的質量分數超過5%以上時，抗拉強度和屈服強度急速下降，延伸率也下降[2]。因此將硅的含量控制在3.5%～4.4%。

錳：錳是強烈穩定奧氏體元素，延遲奧氏體轉變并降低奧氏體向珠光體的轉變溫度，促進珠光體形成，易在共晶團邊界形成碳化物。因為是靠硅的固溶強化來提高強度，因此將錳的含量控制在0.2%以下。

磷：磷是隨金屬爐料進入球墨鑄鐵中的，磷不影響球化，卻是有害元素，它可以溶解在鐵液中，降低鐵碳合金的共晶含碳量。磷易偏析產生磷共晶，分布在共晶團邊界處，會急速惡化鑄鐵力學性能，磷越低越好。但由于受原材料的制約，故磷的含量控制在0.04%以下[4]。

硫：硫是反石墨化元素，屬于有害雜質。硫與鎂、稀土親和力

很強，易消耗鐵液中的球化元素鎂和稀土形成MgS、ReS渣，從而影響鑄鐵的球化效果[3]。因此將硫的質量分數控制在0.02%以下。

鎂和稀土：鎂是生產球墨鑄鐵的必須元素，其含量直接影響鑄鐵的球化效果。在稀土鎂球墨鑄鐵中，鎂起主要球化作用，稀土起輔助球化作用，并起到凈化鐵液、抗球化干擾元素的作用[3]。控制范圍如下：w(Mg殘)：0.04%～0.06%，w(Re殘)：0.01%～0.02%。

根據以上分析及化學元素對球鐵機械性能的影響，和生產高牌號球墨鑄鐵的成功經驗，經過多次工藝試驗，確定爐前鐵液化學成分控制如下，如表2所示。

表2 爐前鐵液成分范圍 w%

1.2 熔煉工藝

為了減少有害元素并符合工藝設計要求，所選用的原材料應較為純凈，因此采用低鈦生鐵和優質廢鋼、回爐料進行熔化。爐料按照生鐵、回爐料、廢鋼的加入順序，保證爐料的緊實以提高熔化效率。

1.2.1 爐料配比

由于采用高硅固溶球墨鑄鐵生產工藝，可提高回爐料的加入量以節約生產成本，爐料的配比按表3的比例確定。

表3 爐料配比

1.2.2 球化處理

球化劑選用SiMgRe球化劑，其主要成分為w(Si):44%～47%,w(Mg):5.5%～6.5%,w(Re):1.8%～2.4%，加入量為1.2%～1.4%，加入量主要與原鐵液中S含量有關。采用沖入法進行球化處理，將球化劑預先埋入澆包內，并覆蓋一定量的球鐵鐵屑和球化鋼板，確保出鐵2/3以上時開始球化反應，避免球化反應過早造成球化不良。出爐溫度控制在1500 ℃以下，避免鐵液溫度過高對球化劑造成燒損。

1.2.3 孕育處理

孕育劑選用BaSi孕育劑，其主要成分為w(Si):70%～75%、w(Ba):2.0%～3.0%，加入量為0.8%。采用隨流孕育的方式進行加入，待鐵液球化反應結束后，將孕育劑隨剩余鐵液一起加入鐵液包內，并進行攪拌，保證孕育鐵液均勻且充分。

2 試驗結果及分析

2.1 試驗結果

按照以上工藝熔化鐵液并進行球化、孕育，分別澆注Y25、Y50、Y75單鑄試塊，在砂型內經過自然冷卻到100 ℃以下取出試塊，在試樣上按要求取出拉伸試樣和金相試樣進行檢測。對ENGJS-500-14和EN-GJS-600-10分別進行三次澆注，試驗結果如表4、表5所示。

表4 E N-G J S-50 0-14的試驗數據

2.2 結果分析

從實驗結果分析，硅質量分數控制在3.5%～4.4%時，在基體組織為鐵素體的前提下，通過硅的固溶強化作用，強化基體抗邊形能力，從而試樣提高抗拉強度，并顯著提高了延伸率。所設計的工藝可有效提高回爐料的加入量，節約生產成本，為高效化生產提供一定依據。通過實驗數據來看達，球化率和機械性能均穩定，達到了EN 1563：2012標準要求，說明此工藝方案能夠生產鐵素體基體的EN-GJS-500-14和EN-GJS-600-10鑄鐵材料。

表5 E N-G J S-50 0-14的試驗數據

3 結語

（1）在碳當量4.4%～4.5%下，控制w(Si)在3.5%～4.4%，采用SiMgRe球化劑進行沖入法球化，BaSi孕育劑進行隨流孕育，可生產出滿足EN 1563：2012標準要求的高硅固溶強化鐵素體球墨鑄鐵。

（2）通過高硅固溶強化鐵素體球墨鑄鐵的生產，可有效提高回爐料的加入量，節約生產成本。

[1] 楊萬虎, 周文軍, 張守全, 等. QT50 0-14、QT60 0-10高硅球墨鑄鐵研究[J]. 鑄造, 2014,63 (12):83 1-83 5.

[2] 張伯明. 鑄造手冊 [M]. 北京: 機械工業出版社,200 2: 96-100.

[3] 李蒙. 鑄態QT60 0-10球鐵的試制件[A].200 9 中國鑄造活動論文集[C].沈陽:全國鑄造學會,200 9.

[4] 周建祥, 鄧國山,潘密, 等.鑄鐵厚大斷面QT70 0-3鑄件的生產實踐 [J].現代鑄鐵，2012,1:28-30.

Technology study of high silica solution strengthening of ferrite and nodular cast iron

GAO Bo1，ZHANG Tao2，YANG XiaoFeng2，CHEN YuanShe2
（1. Military Representative Off i ce of the Navy stationed in Xingping，Xingping 713100,Shaanxi,China；2. Shaanxi diesel engine Heavy Industry Co Ltd，Xingping 713100,Shanxi,China）

According to the material property requirements of EN-GJS-500-14 and EN-GJS-600-10 based on EN1563:2012, in this paper, the selection of chemical composition, spheroidization of molten iron and inoculation were studied. Marked by repeated experimental studies: the technology designed by this paper not only meets the requirements of mechanical properties and metallurgical structure in EN1563:2012, it can effectively improve the amount of scrap, saving the cost of production, to provide a basis for eff i cient production.

Solution strengthening; Nodular cast iron; Technology

T G 255+.1；

A；

100 6-96 58（2017）05-00 15-03

2017-04-01

稿件編號:170 4-1729

高博（198 1—），工程師，主要從事艦船柴油機質量監督與驗收工作.