高韌性球墨鑄鐵閥體鑄件材料性能的優化

李 波 劉 波

玫德集團有限公司產品研發中心 山東 濟南 250400

閥體在閥門組成中占據重要地位，是不可或缺的零件，其功能就是對流體方向、流量以及壓力進行控制。球墨鑄鐵材料憑借其良好性能優勢，對鑄鋼與鍛鋼材料進行了替代，并被廣泛應用于機械制造行業。球墨鑄鐵性能和石墨形態存在直接關聯，球形石墨可使其割裂機體的作用明顯改善，在優化力學性能的基礎上凸顯減震性與耐磨性，而且價格不高，可生產出形狀復雜的閥門鑄件，推廣可行性顯著。為此，細紋將以為例，重點闡述優化其性能的方式，希望有所幫助。

一、閥體鑄件材料技術要求闡釋

生產閥體鑄件需以要求進行，此材料技術抗拉強度不低于400兆帕，屈服強度不低于250兆帕，硬度控制在120－180范圍內，球化率不低于90%，基體采用鐵素體[1]。與此同時，內部組織要具有致密性，且不應存在對使用性能產生影響的缺陷。壓力測試結果不應出現滲漏與裂紋的問題。另外，在外觀方面要求閥體的尺寸大且最大的長度是1150毫米、最大的厚度是350毫米、最大的外徑是1080毫米。在此基礎上，鑄件的壁厚差大，且壁厚控制于20－125毫米范圍內，存在大量的熱節部位。受以上特點的影響，使產品材質均勻性面臨嚴峻挑戰。

二、既有技術方案分析

使用原有的技術方案生產閥體逐漸，并使用澆注剩余鐵水對相同爐次單鑄Y型試塊進行澆注，針對其化學成分、金相以及力學性能展開深入分析[2]。經統計發現，材質技術要求達標，但是球化率與伸長率測試的結果尚未滿足標準要求，而基體內珠光體含量與臨界值接近。在金相組織中，珠光體的含量多，所以抗拉強度也更高。在化學成分中，所含S元素與Mn元素偏高。在對同一爐次金相試塊檢測后了解到，石墨大小是5級，而石墨量不多，珠光體占比為15%左右，致使伸長率偏低。

三、技術方案的優化

(一)優化后的化學成分。在重要的化學元素中，碳能夠加快石墨化的速度，使白口傾向減少而鐵素體增多，實際的硬度下降，加工性顯著改善。與此同時，碳還能夠提升鎂的吸收率，球化現狀改善。為此，應適當提升含碳量。另外，硅在石墨化方面也發揮著積極的影響，當所占比重為2.7%的情況下，抗拉強度與屈服輕度會增強，而伸長率也將實現最大化[3]。因而，也可適當地增加硅含量。在此基礎上，錳可保證珠光體的穩定性，使強度與硬度提升并降低其塑性與韌性。因球鐵激冷傾向本身偏高，有必要對錳含量進行控制，保證其不超過0.4%。稀土、硫、鎂均具有較強的親和力，而且鐵液消耗的球化元素，即鎂與稀土，能夠生成，減少了有效參與球化元素的含量，球化率也隨即下降。如果含硫量偏高，會直接增加硫化物的夾渣，球化衰退速度加快而影響力學性能，甚至容易產生皮下氣孔與夾渣等多種缺陷，因而需適當降低硫含量。在球化元素中，鎂與稀土殘留量可偏低，以免促進球化衰退。為此，在調整化學成分的基礎上，可將合理增加，并將S含量、Mn含量減少。

(二)合理選擇原材料與牌號。原材料的類別并未改變，僅將廢鋼替型號進行替換，即，主要的目的就是使硫元素含量降低。對于生鐵的牌號也轉變成，使Mn元素含量減少。另外，球化劑也從之前的型號變成型號，使球化元素中的含量增加。

(三)爐料與熔煉參數。不改變廢鋼的加入量，將生鐵量增加至20%，而回爐料降低至30%。由于球化劑牌號已經發生改變，所以實際使用量也需進行調整，即1－1.2%之間[4]。而孕育劑始終平均分成兩次加入，然而需要將0.1%的瞬時孕育劑加入其中，以保證共晶團的數量得以增多，基體組織可以細化，加快球狀石墨形成速度。剩余容量參數無需改變。

(四)優化結果。通過對優化技術方案的應用生產閥體鑄件，并使用鑄件澆注剩余鐵水對同爐單鑄Y型試樣進行澆注處理。在對此試樣加工的過程中，選擇粉末開展化學成分檢測工作。需要注意的是，取樣時不允許在樣品中混入雜物。

選擇Y型試樣底面下端取樣，并根據具體要求對圓柱試棒進行加工，尺寸為。隨后，選擇試棒一端加工尺寸為硬度與金相試塊。在對其展開相關參數試驗后發現，化學成分當中C元素、Si元素的增加，以及S元素、Mn元素的降低，使金相基體所含珠光體降低[5]。在將瞬時孕育劑加入后，球化率得以提升。受多種因素的綜合影響，降低了材料抗拉強度，且優化其伸長率，球化效果突出。

結束語

綜上所述，化學成分會對材料性能產生直接影響，鑄件材料中的C元素、Mn元素、Si元素含量的調整，可使基體內所含珠光體含量下降，而且反球化元素的硫含量不超過0.015%，即可增強球化的效果。而球化劑的使用則要綜合衡量鑄件的大小、壁厚以及結構等多種因素。如果鑄件的壁厚落差相對較大，則要選用球化劑，實際的加入劑量在1－1.2%之間即可。另外，也可適當加入0.1%瞬時孕育劑，也能夠改善球化的效果。