球墨鑄鐵球化不良的預防及改進措施

孟德鳳

沈陽亞特重型裝備制造有限公司 遼寧沈陽 110135

為了生產出高質量的球墨鑄鐵件，其球化率必須在90%以上，若球化率達不到標準或球化不良，先要區分是何種原因導致的球化不良。冬季采用樹脂砂造型時，必須經常檢測原鐵液的硫含量，以此防止硫含量高影響球化率。

1 球墨鑄鐵的發展歷史

球墨鑄鐵是20 世紀50 年代發展起來的一種高強度鑄鐵材料，其綜合性能接近于鋼，正是基于其優異的性能，已成功用于鑄造一些受力復雜，強度、韌性、耐磨性要求高的零件。球墨鑄鐵已迅速發展為僅次于灰鑄鐵、應用廣泛的鑄鐵材料。

法國的雷奧姆爾（Reaumur）于1722 年制成了白心可鍛鑄鐵。后來,美國的塞斯·包伊登（Seth·Boyden）于1826 年發明了黑心可鍛鑄鐵。

到20 世紀20 代,由于對鑄鐵中碳、硅等主要成分及加入其他合金元素的影響、熔化方法、孕育效果等方面的研究并有了進展，出現了高級鑄鐵。因此，材質有了相當可觀的改善，并在一定程度上擴大了應用范圍。但由于存在著韌性低的缺點，未能迅速擴大其應用范圍[1]。

1947 年，煙的莫羅（Morrogh）發現了鑄態下存在球狀石墨的鑄鐵。

1948 年，通過在高碳，低硫、低磷的灰鑄鐵中加入Ce，并使其殘留量保持在0．02%以上，制得了球墨鑄鐵。同時，美國國際鎳公司（INCO）加格奈賓（Gagnebin）等通過在鑄鐵中加Mg，并使其殘留量保持在0．04%以上，獲得了相同的球墨鑄鐵。

2 球墨鑄鐵生產現狀

在球墨鑄鐵件生產中，為保證其產品質量，要求同爐產品附鑄試塊的抗拉強度、屈服強度、斷后伸長率和球化率必須在材質牌號要求范圍內，這一要求必須在理化檢驗規范中嚴格控制，特別是試塊球化率不合格時，要看鑄件本體的金相，若鑄件本體金相球化率低于90%，則鑄件必須報廢，這將造成一定的經濟損失。

某公司理化室在常規隨爐附鑄試塊拉伸試驗時，發現球墨鑄鐵試塊的抗拉強度、屈服強度和斷后伸長率存在不合格現象，從試樣上截取的金相塊球化率也僅為65-80%,這是不合格的。立即檢測本體金相，結果一部分鑄件本體金相球化率僅為70-85%。因此，對性能不合格的鑄件必須報廢[2]。

3 球墨鑄鐵球化不良的分析

出現不良球化現象后，需加強原鐵液及球化處理后的鐵液中的硫檢測，以及對回爐料使用的控制，防止此類問題的發生。要想生產高質量球墨鑄鐵件，球化率必須達到90%以上。通過總結長期生產實踐和查閱相關文獻，影響球化率的主要因素包括以下方面。

3.1 爐料中含有反球化元素

在鐵液中含有某些雜質元素，會破壞球化效果，得到的是片狀石墨而不是球狀石墨。常見的反球化元素有銻（sh）、錫（sn）、鉍（Bi）、碲（Te）、鉛（Pb）、砷（As）、鈦（Ti）等。這些元素通過消耗鎂的含量或富集在共晶團邊界，形成畸形石墨。球鐵鑄件使用的油漆通常加入金屬元素，常見的加入元素有鉛、鎘、錫，這些元素都有反球化作用。另外，廢鋼中可能含有電鍍件、鉛料等雜件，應予以避免。

3.2 孕育效果不強或衰退

孕育衰退的原因主要與孕育劑加入量低或孕育工藝不完善有關。因鎂的存在是球化的必要條件，充分的孕育處理是促進石墨化的保證，因此只講球化處理而不重視孕育處理，是生產不出高質量球墨鑄鐵的。因而孕育劑的選用及添加量應適當，應采用含鋇、鈣的長效孕育劑，并采取二次孕育和隨流孕育的復合措施。

3.3 球化劑加入量過少

鐵水中加入球化劑，使石墨結晶成為球狀。在工業生產領域，主要的球化劑是鎂和稀土合金。Mg 的密度為1．7389/cm3，熔點為651℃，沸點為1107℃，其化學性質活潑，脫氧脫硫能力很強，與S 結合生成的MgS 由于密度小，極易上浮，通過除渣的方式去除。由于鎂的密度小、沸點低，加入鐵液中的Mg 一部分變成鎂光汽化，一部分去硫去氧，剩余的部分才在鐵液中進行球化反應。球化劑的加入量主要取決于原鐵液中的含硫量、鐵液的出爐溫度、出鐵沖入方式（是否蓋包），一般加入量是處理鐵水質量的1．0%-1．6%。

3.4 干擾元素含量過高

（1）原鐵水的含硫量偏高。硫是主要的反球化元素，含硫量越高，球化反應的效果就越不好，因此需控制原鐵液中的含硫量。當原鐵液中的含硫量偏高時，相應的球化劑加入量應增多。球化劑脫硫的化學反應原理為：

Mg+S=MgS

2Ce+3S=Ce2S3

需注意的是，要及時將鐵液上的浮渣清除，否則浮在鐵液表面的MgS、Ce2S3夾雜物與空氣中的氧會發生下列反應：

2MgS+02=2MgO+2S

2Ce2S3+302=2Ce2S3+6S

此時生成的硫又從浮渣中進入鐵液，與鎂和稀土發生作用，反復消耗球化劑，形成“回硫現象”，致使球化效果不好。

（2）反球化元素過量。嚴格控制反球化元素含量，特別是鈦與鉛。可選用高純生鐵，控制廢鋼及生鐵中的反球化元素。

（3）鐵液溫度過高或過低。當球化鐵液溫度過高時，覆蓋劑無法壓實，導致球化劑熔化速度過快，致使其燒損過多。但當球化鐵液溫度低于1390℃時，合金不易熔化，球化反應不完全，球化水平難以滿足要求。另外，在球化劑上浮過程中，由于鐵液溫度低，球化劑不能迅速熔化吸收，導致球化劑上浮到鐵液面熔化燃燒。因此，鐵液溫度應控制在工藝要求范圍內。

4 整改措施與效果

①規范操作規程，控制澆注時間。②球化包結構不合理，控制高徑比。③控制原鐵液的硫含量及回爐料使用量。④鐵液中反球化元素含量超標，因此需控制鉛、鈦、錫等微量元素。

采取上述整改措施后，試塊和本體的金相球化率在80%左右，仍不合格。同時檢測到原鐵液中wS 為0．025%-0．026%，超出了本廠規定的≤0．020%。在生產高質量球墨鑄鐵時，國外一般將原鐵液的硫含量控制在0．020%以內，高于該含量都要進行脫硫處理。在冬季，樹脂砂造型用固化劑中總酸及游離硫酸的含量高于其他季節，即硫含量較高，因此滲透到澆道及鑄件表面會造成回爐料中硫的偏高。硫是一種反球化元素，它與鎂有很強的親和力，與鎂反應生成MgS，消耗了有效鎂量，導致鐵液中游離鎂含量不足，致使球化不良，此時需更多的球化劑來保證球化效果[3]。因此，球化劑的加入量從原來的1%增加到1．1%，經生產跟蹤檢測，附鑄試塊和本體球化率均達到90%以上，球化不良現象消失。