铸态铁素体球墨铸铁件质量控制.docx

1、生产的基本条件
1.1熔炼设备  铸态铁素体球铁对原铁水的质量要求是：化学成分稳定，符合设计要求；好的冶金质量，洁净，无氧化现象；高的出铁温度（一般1500-1550℃）。
1.2造型设备  球墨铸铁凝固时有石墨析出，膨胀量大，生产上可利用这一特点，采用刚性铸型，避免铸型胀大，获得致密、无缩孔，无宏观缩松的铸件。

2、原材料的控制
2.1铸造生铁  生铁应高碳低硅、低磷低硫。干扰元素少。但如含有干扰元素，就导致球化不良。对石墨片粗大、渣气孔较多的生铁也就尽量不用或少用。选定生铁时，首先要根据球铁的基体要求及回炉料用量来确定生铁的硅量(定牌号)。其次，根据韧性要求和热处理与否限定锰量(定分组)。生铁中的磷硫量则越少越好。磷的分级和硫的分类，各种生铁的界定量不太一样。球铁用生铁有特级磷(P≤0.05%)和特类硫(S≤0.02%)。炼钢生铁有特类硫(S≤0.02%)，但磷一般较高。铸造生铁没有特级磷和特类硫，其一级磷和一类硫分别为≤0.06%和≤0.03%。
     因铁矿来源的不同，生铁中常含有Cu、Cr、Mo、Ti、Sn、Al、Pb、Bi、Te、Cd、Zn、As和Sb等微量元素。其中As、Pb、Zn、Ti、Bi、Sb、Cd和Te等超过一定含量，或干扰球化，或生晶界脆性相，或生硬质点，从而影响着球化成败、球铁的韧性和切削加工性。这些干扰元素的作用很复杂，它们共存时，有倍增效应或抵消作用，机理有待进一步研究。  为了控制干扰元素，需对生铁中微量元素总量(∑T)加以限制。例如德国规定∑T≤0.0745%，日本规定为∑T≤0.089%，其中Ti不大于50%∑T。我国目前一般约定为∑T≤0.1%，其中Ti≤0.045%。
     2.2  回炉铁  回炉铁用生产的球铁浇冒口和废品铸件，杜绝使用市场收购的废旧铸铁件。
     2.3  废钢  废钢主要是用来调整碳量，或是用于废钢增碳生产球铁的主要原材料，应是成分明确的无锈碳素钢，杜绝使用合金钢或来历不明的废钢。
    2.4 球化剂、孕育剂  球化剂要求成分稳定、均匀。它的选用应根据熔炼设备、铁液的含硫量、铁水出炉温度的不同而定。使用冲天炉生产时，因铁水温度相应较低，硫量较高，铁液纯净度较差，因此，要选用含稀土、镁含量较高的球化剂，通常选用Mg7-9%，Re5%或7%的球化剂；而电炉生产时，由于铁水温度达到要求，铁水冶金质量好，纯净度高，应选用稀土、镁含量较低的球化剂一般选用含Mg6-8%，Re2-4%的球剂，薄小件选用Mg5-7%，Rel-3%的球化剂。  孕育剂是球铁生产环节中的重要铁合金材料，球化处理后加入孕育剂不仅能消除渗碳体，而且还可以提高球化率、细化石墨球，使之圆整、分布均匀。实践证明，孕育效果和孕育剂的成分有很大关系。目前，国内应用最多的是75硅铁，有些单位采用含有钡、锶、钙、铝、铋等元素组成的长效复合孕育剂，如硅钡、硅锶、硅钙等。  

3、炉前控制

      3.1  化学成分的选择  众所周知，球铁的组织和性能与化学成分组成有着密切的关系。所谓球铁的成分设计主要就是碳和硅，其他如锰、磷、硫是靠原材料加以控制。  
     3.1.1  碳、硅  生产铸态铁素体球铁是采用高碳、低硅，大孕育量的方法。碳、硅元素对球铁性能有较大影响。通常是以碳当量来综合考虑。碳当量的选择主要着眼于改善铸造性能、消除铸造缺陷，获得健全铸件和高的机械性能。我公司铸态铁素体球铁要求铁素体基体组织含量大于80%，且不允许有渗碳体存在。因此在设计碳当量时应以铸件不出现石墨飘浮，不出白口，保证球化为准则，碳当量控制在4.3-4.8%，其中碳为3.3-3.9%，原铁水硅量为1.2-1.6%，终硅量为2.6-3.0%。但硅量不宜过高，因为硅强化铁素体基体，使之变脆，塑性韧性下降。  
      3.1.2  锰  锰是促进珠光体生成的元素，它固溶铁素体中提高强度降低韧性，对生产铸态铁素体球铁是不利的，因此要求锰尽可能的低，控制含锰量低于0.4%，薄小件低于0.2%。  
     3.1.3  磷、硫
      磷、硫都是有害元素，磷高易在基体晶界上形成磷共晶，使材质的伸长率下降，脆性增加。硫高会造成球化元素残留量少而导致球化不良，以及铸件产生皮下气孔，夹渣等铸造缺陷。我们控制磷含量0.06%以下，球化处理前原铁水含硫量0.04%以下，处理后小于0.02%.  
      3.1.4  镁、稀土残留量   铸铁中应有一定的镁和稀土元素的残留量才能保证石墨成球。镁在铁水中主要起球化作用，稀土主要是除气，脱硫和中和干扰元素，起到净化铁水的作用。镁和稀土又是强烈形成碳化物元素，如果残留量过高，恶化石墨形态，增大铸件白口倾向和夹渣、缩孔、皮下气孔等铸造缺陷。因此，在生产铸态铁素体球铁件时，在保证球化良好的情况下，应尽可能降低镁和稀土的残留量，这一点对于薄小件尤为重要。通常残留镁量控制在0.03-0.05%，残留稀土量控制在0.02-0.03%。  
     3.2  球化及孕育处理  
    球化处理  为保证球化处理成功，须注意以下几点：  
      1）铁水包的结构要适应工艺要求，一般铁水包的内腔高度与内径之比值为1.0-1.2，有利于镁和稀土元素的吸收。包底应搪成凹坑或堤坝式。  
      2）球化剂破碎成适当大小的粒度。粒度过小，容易浮起，氧化；过大，则溶解速度过慢，延长反应时间，铁水降温大。粒度的大小视每次处理的铁水量而言。球化剂最好当天破碎、当天使用，不要久放或受潮。  
     3）球化剂的加入量要根据熔炼工艺、出铁温度和原铁水的含硫量来决定。
     4）电炉熔炼时，出铁前要将渣扒净。  
     5）球化处理方法要合理。我们采用冲入法，球化剂放入包坑内，应捣紧，上面覆盖孕育硅铁、铸铁屑。不要在铁水包红热时放入球化剂，以免氧化，失去球化能力，出铁时，铁水流不能直接冲入球化剂。铁水流不能太大太小，不能断流。出铁量要尽量准确，上下不能有5%的误差。球化反应结束后，要尽快放入集渣剂，搅拌扒渣，进行后续孕育处理。
     孕育处理  孕育处理的作用主要是消除球化元素造成的白口倾向，促进石墨析出，提高球化率、细化石墨球，使之分布均匀。不同的孕育剂，不同的加入量，不同的孕育处理方法和不同的孕育处理时间对球铁机械性能都有较大影响。目前国内处企业采用孕育剂和孕育方法不尽相同，但都强调要采有瞬时孕育工艺，强化孕育效果，保证铁水在较长时间直至浇注完毕处在良好的孕育状态。我公司采用的是包内孕育（一次）+铁水包浮硅孕育（二次）+转包孕育（三次），实践表明是可行的，孕育效果良好。  
      3.3.3炉前检验  炉前球化情况判断可用炉前三角试块法、炉前快速金相法、光谱分析等智能化仪器测定。 1）三角试块法。普遍采用的一种方法，立浇或卧浇。待试样表面呈暗红色时取出，底部向下淬入水中，打断观察断口。如断口及两侧有缩凹，中心有缩松，断口崎岖不平、呈锯齿状、银灰色（银白色）、致密、晶粒细小，尖部无白口或＜1-2mm白口，敲击有钢声，嗅有电石味，表明球化孕育良好。如断口有小黑点，球化不太好。如断口乌黑、晶粒粗大或有许多黑点，呈麻脸状，敲击闷声，则为不球化。  
         2）炉前快速金相法。试样为φ20×30mm（视铸件大小、厚薄定）。金相观察，球化级别要在2级以上，表明球化良好。低于2级表明球化不太好。  
         3）光谱分析仪，光谱分析仪能过在2分钟以内测定铁水的化学成分，及时、准确，分析误差小。
4、铸造工艺控制
      铸态铁素体球铁件铸造工艺设计要有利于促进铁素体的形成和有利于获得健全的铸件。
     1）球铁在球化处理后，有很多的稠渣，浇注系统要考虑撇渣、挡渣装置和工艺措施；
      2）球铁容易氧化，浇注时如果出现紊流、飞溅，则产生二次氧化渣，因此，浇注系统设计时要考虑铁水平稳进入型腔；  
      3）球铁凝固时有石墨析出，膨胀量大。铸型要有足够的刚性，以获得无缩孔的铸件。工艺设计上亦可考虑实现无冒口铸造；  
      4）球铁具有粥状凝固的特点，冒口的有效补缩距离短，可多设置冒口，或冒口与冷铁相配合等措施来消除缩孔、缩松。
      鉴于上述特点，在设计铸态铁素体球铁铸造工艺时浇注系统一般采用半封闭或开放式。
5、开箱时间
不同的铸件在铸型中的冷却速度是不同的。不同的开箱时间将得到不同的基体组织。要在铸态下获得以铁素体基体为主的组织，除铸型要有足够的吃砂量外，铸件在铸型中要有足够的保温和缓冷时间，至少要使铸件在型内冷却到650℃以下方可开箱取出。
铸态铁素体基体球墨铸铁的生产有很多方面要加以注意，否则难以达到客户要求。例如原材料的选择、熔炼工艺的制定、温度的控制、炉前球化孕育处理。通过几年的摸索，对于生产球墨铸铁有了自己的一些经验，现加以介绍。 

1、生产的基本条件
1.1熔炼设备  铸态铁素体球铁对原铁水的质量要求是：化学成分稳定，符合设计要求；好的冶金质量，洁净，无氧化现象；高的出铁温度（一般1500-1550℃）。
1.2造型设备  球墨铸铁凝固时有石墨析出，膨胀量大，生产上可利用这一特点，采用刚性铸型，避免铸型胀大，获得致密、无缩孔，无宏观缩松的铸件。

2、原材料的控制
2.1铸造生铁  生铁应高碳低硅、低磷低硫。干扰元素少。但如含有干扰元素，就导致球化不良。对石墨片粗大、渣气孔较多的生铁也就尽量不用或少用。选定生铁时，首先要根据球铁的基体要求及回炉料用量来确定生铁的硅量(定牌号)。其次，根据韧性要求和热处理与否限定锰量(定分组)。生铁中的磷硫量则越少越好。磷的分级和硫的分类，各种生铁的界定量不太一样。球铁用生铁有特级磷(P≤0.05%)和特类硫(S≤0.02%)。炼钢生铁有特类硫(S≤0.02%)，但磷一般较高。铸造生铁没有特级磷和特类硫，其一级磷和一类硫分别为≤0.06%和≤0.03%。
     因铁矿来源的不同，生铁中常含有Cu、Cr、Mo、Ti、Sn、Al、Pb、Bi、Te、Cd、Zn、As和Sb等微量元素。其中As、Pb、Zn、Ti、Bi、Sb、Cd和Te等超过一定含量，或干扰球化，或生晶界脆性相，或生硬质点，从而影响着球化成败、球铁的韧性和切削加工性。这些干扰元素的作用很复杂，它们共存时，有倍增效应或抵消作用，机理有待进一步研究。  为了控制干扰元素，需对生铁中微量元素总量(∑T)加以限制。例如德国规定∑T≤0.0745%，日本规定为∑T≤0.089%，其中Ti不大于50%∑T。我国目前一般约定为∑T≤0.1%，其中Ti≤0.045%。
     2.2  回炉铁  回炉铁用生产的球铁浇冒口和废品铸件，杜绝使用市场收购的废旧铸铁件。
     2.3  废钢  废钢主要是用来调整碳量，或是用于废钢增碳生产球铁的主要原材料，应是成分明确的无锈碳素钢，杜绝使用合金钢或来历不明的废钢。
    2.4 球化剂、孕育剂  球化剂要求成分稳定、均匀。它的选用应根据熔炼设备、铁液的含硫量、铁水出炉温度的不同而定。使用冲天炉生产时，因铁水温度相应较低，硫量较高，铁液纯净度较差，因此，要选用含稀土、镁含量较高的球化剂，通常选用Mg7-9%，Re5%或7%的球化剂；而电炉生产时，由于铁水温度达到要求，铁水冶金质量好，纯净度高，应选用稀土、镁含量较低的球化剂一般选用含Mg6-8%，Re2-4%的球剂，薄小件选用Mg5-7%，Rel-3%的球化剂。  孕育剂是球铁生产环节中的重要铁合金材料，球化处理后加入孕育剂不仅能消除渗碳体，而且还可以提高球化率、细化石墨球，使之圆整、分布均匀。实践证明，孕育效果和孕育剂的成分有很大关系。目前，国内应用最多的是75硅铁，有些单位采用含有钡、锶、钙、铝、铋等元素组成的长效复合孕育剂，如硅钡、硅锶、硅钙等。  

3、炉前控制
 3.1  化学成分的选择  众所周知，球铁的组织和性能与化学成分组成有着密切的关系。所谓球铁的成分设计主要就是碳和硅，其他如锰、磷、硫是靠原材料加以控制。  
 3.1.1  碳、硅  生产铸态铁素体球铁是采用高碳、低硅，大孕育量的方法。碳、硅元素对球铁性能有较大影响。通常是以碳当量来综合考虑。碳当量的选择主要着眼于改善铸造性能、消除铸造缺陷，获得健全铸件和高的机械性能。我公司铸态铁素体球铁要求铁素体基体组织含量大于80%，且不允许有渗碳体存在。因此在设计碳当量时应以铸件不出现石墨飘浮，不出白口，保证球化为准则，碳当量控制在4.3-4.8%，其中碳为3.3-3.9%，原铁水硅量为1.2-1.6%，终硅量为2.6-3.0%。但硅量不宜过高，因为硅强化铁素体基体，使之变脆，塑性韧性下降。  
3.1.2  锰  锰是促进珠光体生成的元素，它固溶铁素体中提高强度降低韧性，对生产铸态铁素体球铁是不利的，因此要求锰尽可能的低，控制含锰量低于0.4%，薄小件低于0.2%。  
3.1.3  磷、硫
磷、硫都是有害元素，磷高易在基体晶界上形成磷共晶，使材质的伸长率下降，脆性增加。硫高会造成球化元素残留量少而导致球化不良，以及铸件产生皮下气孔，夹渣等铸造缺陷。我们控制磷含量0.06%以下，球化处理前原铁水含硫量0.04%以下，处理后小于0.02%.  
3.1.4  镁、稀土残留量   铸铁中应有一定的镁和稀土元素的残留量才能保证石墨成球。镁在铁水中主要起球化作用，稀土主要是除气，脱硫和中和干扰元素，起到净化铁水的作用。镁和稀土又是强烈形成碳化物元素，如果残留量过高，恶化石墨形态，增大铸件白口倾向和夹渣、缩孔、皮下气孔等铸造缺陷。因此，在生产铸态铁素体球铁件时，在保证球化良好的情况下，应尽可能降低镁和稀土的残留量，这一点对于薄小件尤为重要。通常残留镁量控制在0.03-0.05%，残留稀土量控制在0.02-0.03%。  
 3.2  球化及孕育处理  
 球化处理  为保证球化处理成功，须注意以下几点：  
 1）铁水包的结构要适应工艺要求，一般铁水包的内腔高度与内径之比值为1.0-1.2，有利于镁和稀土元素的吸收。包底应搪成凹坑或堤坝式。  
 2）球化剂破碎成适当大小的粒度。粒度过小，容易浮起，氧化；过大，则溶解速度过慢，延长反应时间，铁水降温大。粒度的大小视每次处理的铁水量而言。球化剂最好当天破碎、当天使用，不要久放或受潮。  
  3）球化剂的加入量要根据熔炼工艺、出铁温度和原铁水的含硫量来决定。
  4）电炉熔炼时，出铁前要将渣扒净。  
  5）球化处理方法要合理。我们采用冲入法，球化剂放入包坑内，应捣紧，上面覆盖孕育硅铁、铸铁屑。不要在铁水包红热时放入球化剂，以免氧化，失去球化能力，出铁时，铁水流不能直接冲入球化剂。铁水流不能太大太小，不能断流。出铁量要尽量准确，上下不能有5%的误差。球化反应结束后，要尽快放入集渣剂，搅拌扒渣，进行后续孕育处理。
孕育处理  孕育处理的作用主要是消除球化元素造成的白口倾向，促进石墨析出，提高球化率、细化石墨球，使之分布均匀。不同的孕育剂，不同的加入量，不同的孕育处理方法和不同的孕育处理时间对球铁机械性能都有较大影响。目前国内处企业采用孕育剂和孕育方法不尽相同，但都强调要采有瞬时孕育工艺，强化孕育效果，保证铁水在较长时间直至浇注完毕处在良好的孕育状态。我公司采用的是包内孕育（一次）+铁水包浮硅孕育（二次）+转包孕育（三次），实践表明是可行的，孕育效果良好。  
 3.3.3炉前检验  炉前球化情况判断可用炉前三角试块法、炉前快速金相法、光谱分析等智能化仪器测定。 1）三角试块法。普遍采用的一种方法，立浇或卧浇。待试样表面呈暗红色时取出，底部向下淬入水中，打断观察断口。如断口及两侧有缩凹，中心有缩松，断口崎岖不平、呈锯齿状、银灰色（银白色）、致密、晶粒细小，尖部无白口或＜1-2mm白口，敲击有钢声，嗅有电石味，表明球化孕育良好。如断口有小黑点，球化不太好。如断口乌黑、晶粒粗大或有许多黑点，呈麻脸状，敲击闷声，则为不球化。  
 2）炉前快速金相法。试样为φ20×30mm（视铸件大小、厚薄定）。金相观察，球化级别要在2级以上，表明球化良好。低于2级表明球化不太好。  
 3）光谱分析仪，光谱分析仪能过在2分钟以内测定铁水的化学成分，及时、准确，分析误差小。
4、铸造工艺控制
铸态铁素体球铁件铸造工艺设计要有利于促进铁素体的形成和有利于获得健全的铸件。
1）球铁在球化处理后，有很多的稠渣，浇注系统要考虑撇渣、挡渣装置和工艺措施；
 2）球铁容易氧化，浇注时如果出现紊流、飞溅，则产生二次氧化渣，因此，浇注系统设计时要考虑铁水平稳进入型腔；  
 3）球铁凝固时有石墨析出，膨胀量大。铸型要有足够的刚性，以获得无缩孔的铸件。工艺设计上亦可考虑实现无冒口铸造；  
4）球铁具有粥状凝固的特点，冒口的有效补缩距离短，可多设置冒口，或冒口与冷铁相配合等措施来消除缩孔、缩松。
 鉴于上述特点，在设计铸态铁素体球铁铸造工艺时浇注系统一般采用半封闭或开放式。
 5、开箱时间
不同的铸件在铸型中的冷却速度是不同的。不同的开箱时间将得到不同的基体组织。要在铸态下获得以铁素体基体为主的组织，除铸型要有足够的吃砂量外，铸件在铸型中要有足够的保温和缓冷时间，至少要使铸件在型内冷却到650℃以下方可开箱取出。