房敏，吳小雄，程圣洋，孫全友，戎軍，蔣德生，劉佳平（鷹普機械(宜興)有限公司，江蘇宜興 214200）

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高鎳奧氏體球鐵排氣管的生產

房敏，吳小雄，程圣洋，孫全友，戎軍，蔣德生，劉佳平（鷹普機械(宜興)有限公司，江蘇宜興 214200）

摘要：介紹了高鎳奧氏體球鐵排氣管的鑄造工藝，包括化學成分、爐料配比、球化劑、孕育及熱處理工藝的選擇。通過采用長效孕育劑，并加入微量元素Sb，同時嚴格控制化學成分、出鐵溫度及澆注溫度等參數，解決了球化不穩(wěn)定、碎塊石墨等問題；通過高溫退火快冷的方法提高其力學性能，成功掌握了高鎳奧氏體球鐵的生產技術。

關鍵詞：高鎳奧氏體球鐵；鎳鎂球化劑；硅鎂球化劑；熱處理

高鎳奧氏體球鐵具有極好的抗熱沖擊性、抗熱蠕變性、耐蝕性、高溫抗氧化性，低的熱膨脹性和很好的低溫沖擊韌度，常溫力學性能也很高[1]。

高鎳奧氏體球鐵的最高使用溫度可達925 ℃，不易因驟冷驟熱而產生變形或裂紋，廣泛應用于鑄造高性能發(fā)動機排氣管、渦輪增壓器殼體、泵體等耐熱件。由于高鎳球鐵的生產難度較大，鑄造工藝復雜，熔煉工藝控制難，使得該材質鑄件的生產具有一定的難度。

本文根據實際生產經驗介紹了高鎳奧氏體球鐵排氣管的鑄造工藝，包括化學成分、爐料配比、球化劑、孕育及熱處理工藝的選擇。通過采用長效孕育劑，并加入微量元素Sb，同時嚴格控制化學成分、出鐵溫度及澆注溫度等參數，解決了球化不穩(wěn)定、碎塊石墨等問題；通過高溫退火快冷的方法提高其力學性能，成功掌握了高鎳奧氏體球鐵的生產技術。

1　鑄件結構及技術要求

1.1鑄件結構

鑄件結構如圖1所示，最大壁厚30 mm，最小壁厚6 mm，外形大小300×200×100（mm）。由于使用條件惡劣，因而對鑄件質量要求較高，圖1中A紅色區(qū)域是抗拉檢測位置，B黃色區(qū)域是金相硬度檢測位置。

圖1　鑄件結構圖

1.2技術要求

此鑄件材料牌號相當于美國ASTM標準中的D-5S高鎳奧氏體球鐵，具體要求見下表1和表2。內部不允許有任何鑄造缺陷，也不允許存在軸線縮松；外表無夾渣、氣孔、砂孔、冷隔等缺陷，鑄件嚴禁補焊修復。

表1　化學成分　w%

表2　力學性能和金相組織(鑄件本體)

2　技術難點

在開發(fā)初期以及前期試制生產中，發(fā)現(xiàn)高鎳奧氏體球鐵會出現(xiàn)以下問題：

（1）高鎳奧氏體球鐵合金量高，鐵液流動性差，補縮困難，極易產生冷隔、縮松、縮孔缺陷。

（2）高鎳奧氏體球鐵奧氏體枝晶發(fā)達，鐵液過冷傾向嚴重，石墨均勻球化與長大比較困難，容易出現(xiàn)球化不良。同時金相中會出現(xiàn)碎塊狀石墨，導致本體球化率達不到90%以上。

3　高鎳球鐵材質的開發(fā)

3.1熔煉工藝的確定

3.1.1化學成分的確定

高鎳奧氏體球鐵D-5S的化學成分在技術標準中已有規(guī)定, 但實際生產控制范圍需要進一步細化。

（1）碳、硅及碳當量CE的控制

C是高鎳球鐵的重要元素, 由于鎳量高，碳在奧氏體中的固溶度降低。因此雖然奧氏體球墨鑄鐵中的碳量較低，但在凝固過程中析出的石墨量與一般球墨鑄鐵凝固過程中析出的石墨量卻相差不多[2]。

高鎳球鐵的碳存在一個經驗公式w(C)+0.2× w(Si)+0.06×w(Ni)=A(常數), A 稱為飽和數, 若鐵液的C、Si、Ni含量使飽和值大于某一極限值, 則石墨形態(tài)就呈碎塊狀分布。其值與凝固速率有關,一般薄壁小件飽和數可達4.8以上[3]。為此C選擇1.90%～2.10%。

硅可以提高高鎳奧氏體球鐵的抗氧化能力，客戶標準將含硅量定得很高,為4.9%～5.5% ，但Si量同樣受飽和數的限制，綜合考慮Si選擇4.9%～5.2%。

高鎳球鐵碳當量CE還與含鎳量有關,其碳當量的計算公式CE=w(C)+0.33×w(Si)+ 0.047×w(Ni)-〔0.0055×w(Ni)×w(Si)〕,對于薄壁鑄件,為避免出現(xiàn)白口,碳當量控制在4.2%～4.5%。

（2）鎳的控制

Ni是高鎳球鐵的基本元素,加入量大于13.5%,在室溫即可獲得奧氏體基體。由于Ni是昂貴金屬,從經濟效益考慮,Ni量應控制在要求的下限34.0%～35.5%。

（3）鉻的控制

Cr是高鎳球鐵的重要元素, 可形成抗氧化所需要的保護膜，其溶解度取決于鎳量和孕育程度等因素。少量Cr能熔于奧氏體基體,穩(wěn)定奧氏體,并因與鎳的綜合作用獲得更好的耐熱性和耐蝕性。但Cr是強碳化物形成元素,形成的碳化物分布在晶間,會影響切削性能, 降低伸長率和沖擊值。為此Cr控制在標準下限,即為1.75%～2.00%。

（4）錳、磷、硫的控制

錳(Mn)在高鎳球鐵中容易偏析而生成硬化組織，影響單一奧氏體基體，故一般控制w (Mn)≤0.50%。

磷(P)在奧氏體中溶解度極低,容易在晶界上析出磷共晶，從而造成晶界腐蝕，導致鑄件滲漏、破裂。故一般控制w(P)≤0.035%。

硫(S)在球鐵中是雜質元素，影響球化，要求原鐵液w(S)≤0.020%。

（5）鎂及其它元素的控制

高鎳球鐵需要比普通球鐵更高的殘余Mg量，有時高達0.10%。殘余Mg量高, 有利于石墨球化,但也不能過高,不然會出現(xiàn)黑渣缺陷以及加重鑄件縮松傾向。綜合考慮w（Mg殘）0.06%～0.09%，w（RE殘）＜0.01%。

3.1.2爐料選擇及熔煉控制

由于高鎳球鐵中一般不含有鈰(Ce)等稀土元素，故生產高鎳奧氏體球鐵應選用高質量的爐料,爐料中不能含有超標的Pb、Ti、As等微量有害元素，否則會對石墨形態(tài)和性能產生有害影響。

廢鋼采用干凈的無鐵銹無涂層的碳素沖壓邊角料廢鋼（低錳、低磷、低硫）。生鐵選用Q10高純生鐵。高鎳球鐵回爐料必須要嚴格拋丸干凈，且比例要控制＜60%，以免增加縮孔、縮松。鎳板選擇電解鎳。增碳劑選擇低硫的經過高溫焙燒的。鉻以含Cr質量分數為60%～65%的鉻鐵加入,爐內Si以金屬硅加入。

熔煉設備采用500 kg的中頻感應電爐，配料總量按400 kg計算，爐料的稱量偏差≤10 kg。配料計算中還應該考慮元素在熔煉過程的燒損變化，各種主要元素的燒損情況見下表3。

表3　元素燒損表　%

Ni雖然在熔煉中燒損很小，但Ni有很強的吸氣性，O、H、N 都能溶解于高Ni 鐵液中，為避免氣孔產生，電解Ni 板要在熔煉后期加入。高Ni球鐵的熔點較高，鐵液流動性較差，為保證合適的澆注溫度，鐵液出爐前的過熱溫度要比一般球鐵高。

熔煉控制要點：精確配料，并按增碳劑、優(yōu)質廢鋼、回爐料、電解Ni板、鉻鐵的順序加料；大功率快速熔煉并注意及時用覆蓋劑覆蓋保溫，防止鐵液氧化，快速升溫至所需溫度。

在保證澆注溫度的情況下，盡量降低出爐溫度利于球化的控制。

3.1.3球化及孕育處理工藝

（1）球化劑及孕育劑選擇

由于高鎳球鐵中的稀土會使球化衰退嚴重，得不到圓整的石墨球，故生產高鎳球鐵常用的球化劑是鎳鎂合金或者鎳硅鎂合金。此合金處理時反應激烈程度小,產生的煙霧少,Mg的吸收率高，可達70%以上。但是筆者在實踐中發(fā)現(xiàn)正是由于反應激烈程度小，有時看不到反應，導致在實際操作中難以判定沖入法處理的鐵液是否合格。由于難以及時進行判定造成后面檢測本體的金相結果不好而導致鑄件報廢。為此經過摸索，在生產中加入部分硅鎂球化劑，不僅利于控制，而且最終鑄件金相穩(wěn)定。

鎳鎂球化劑的成分：w（Ni）≥80%、w（Mg）15%～17%。

硅鎂球化劑的成分：w（Si）40%～48%、w（Mg）4.5%～6.5%。

高鎳奧氏體球墨鑄鐵孕育處理后，孕育效果的衰退比一般球墨鑄鐵快。故要選擇長效孕育劑，主要用硅鋇孕育劑，盡量避免用含鍶和含鈣孕育劑，因為過量的鍶和鈣會對石墨形態(tài)有影響。硅鋇成分選擇w（Si）65%～75%、w（Ba）3%～5%、w（Ca）≤1.5%。

孕育時采用大劑量孕育處理，有助于石墨析出，緩解合金過冷傾向，改善球化[4]。

（2）球化及孕育處理工藝

球化處理采用堤壩沖入法，一次快速準確出鐵球化處理，球化劑加入總量為1.0%～1.4%。包內孕育劑采用硅鋇，孕育劑量0.50%～0.70%，包內覆蓋碳化硅0.20%～0.40%，隨流采用硅鋇，以進一步增加鐵液的形核力。

鑄件生產配料及成分見表4和表5。

表4　爐料配比

由于高鎳奧氏體球鐵因低碳、高鎳, 會使液相線溫度提高，因此澆注溫度比普通球鐵要高得多，致使出爐溫度偏高。為此球化劑的覆蓋非常重要,控制好球化反應總時間是處理成敗的關鍵。要求球化平穩(wěn)且球化反應總時間控制在30～50 s之間，否則鐵液必須要回爐處理。

為了保證球化效果，澆包在使用前要烘烤紅熱，保證澆注溫度的情況下盡力降低出爐溫度，出爐溫度控制1 570±10 ℃，保證澆注溫度1 450～1 490 ℃，每次處理400 kg鐵液，球化反應后，要快速攪拌、扒渣、覆蓋處理，立即運到現(xiàn)場快速澆注，澆注時間控制在6 min以內。

但在生產中發(fā)現(xiàn)，主要成分都合格且球化處理正常，有時本體金相組織仍會出現(xiàn)碎塊狀石墨，且其敏感性比一般的球鐵要嚴重。根據有關資料的介紹，我們在生產中加入w（Sb）0.004%～0.008%，同時控制好飽和度A，碳當量CE和稀土量，可以消除碎塊狀石墨。

表5　鑄件化學成分　%

3.1.4澆注工藝的確定

高鎳奧氏體球鐵澆注溫度比普通球鐵要高得多。根據鑄件壁厚的大小，像排氣管這樣薄壁鑄件最低的尾模澆注溫度一般在1 450 ℃以上，否則會出現(xiàn)不同程度的冷隔、澆不足、氣孔缺陷。根據鑄件壁厚大小，結合實際經驗最終確定澆注溫度控制1 450～1 490 ℃。

3.1.5熱處理工藝的確定

鑄態(tài)高鎳球鐵基體中除存在大量球狀石墨外，還分布著一些不規(guī)則的碳化物。碳化物與基體金屬熱膨脹系數和彈性模量差異較大，在排氣管使用的冷熱交替過程中，在碳化物與基體交界處產生較大的熱應力，導致材質塑變和蠕變。與此同時，位錯亦易在碳化物周圍聚集。這兩方面因素綜合作用的結果，促使碳化物和基體界面產生微裂紋，降低了高鎳球鐵的高溫熱疲勞性能。因此，為了最大限度地提升高鎳球鐵的高溫抗疲勞性，有必要對鑄態(tài)高鎳球鐵實施韌化處理。有研究表明，合理的熱處理工藝可以有效地減少高鎳球鐵組織中的碳化物，進一步提升高鎳球鐵的高溫熱疲勞性能。

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目前關于高鎳球鐵熱處理工藝標準主要有ISO 2892: 2007 和 ASTM A439-83。

ISO 2892: 2007 中給出的高鎳球鐵熱處理工藝為：加熱速度不超150 K/h，加熱到 875～900 ℃，保溫至少2 h，鑄件厚度每增加25 mm，保溫時間加1 h，隨爐冷卻至 500 ℃出爐空冷，降溫速度不超過50 K/h。ASTM A439-83 中給出的高鎳球鐵熱處理工藝為：緩慢升溫到955～1 040 ℃，保溫0.5～5 h 后出爐空冷[5]。

為了確定熱處理工藝，先后在實驗室熱處理爐內進行了多次實驗對比。在實驗中發(fā)現(xiàn)加熱速度越慢，保溫溫度越高，碳化物分解越充分，同時冷卻速率越快，越有利于減少合金中的碳化物。當采用隨爐冷卻方式時，由于冷卻速率較小，過飽和的奧氏體在降溫的過程中，碳化物有充足的時間形核長大，從而在基體中析出了更多的二次碳化物。當采用風冷時，由于冷卻速度較快，二次碳化物的形核和長大過程將被抑制，因此碳化物體積分數明顯減少。

圖3是ISO 2892: 2007的熱處理工藝金相。圖4的的熱處理工藝金相參照了ASTM A439-83的工藝，唯一不同的是采取風冷，鑄件經過熱處理后碳化物變成了珠粒狀，并呈彌散狀分布于晶界兩邊。

圖2　鑄態(tài)組織金相(硫酸銅腐蝕)

圖3　890 ℃退火后緩冷的金相組織(硫酸銅腐蝕)

圖4　970 ℃退火后風冷的金相組織(硫酸銅腐蝕)

表6是熱處理后與鑄態(tài)的對比。從表6中可以看出熱處理后強度和硬度都有增加，碳化物量降低。根據以上原理和結果最終確定熱處理工藝：加熱速度＜100 ℃/h，保溫溫度 970±10 ℃，保溫時間3～5 h后立即出爐風冷。

表6　金相及性能對比

4　結束語

（1）合理的成分設計是生產高鎳球鐵的前提，在客戶要求范圍選擇最佳的內控化學成分: w（C）1.90%～2.10%，w（Si）4.90%～5.20%，w（Mn）＜0.50%，w （S）＜0.020%，w（P）＜0.035%，w（Ni）34.0%～35.5%，w（Cr）1.75%～2.00%，w（Mg）0.06%～0.09%，微量元素w(Pb)≤0.001%,w(Ti)≤0.030%，w(RE)≤0.010%。

（3）選用合適成分的鎳鎂球化劑+硅鎂球化劑以及硅鋇孕育劑孕育不僅可以獲得良好的球化率，避免出現(xiàn)碎塊狀石墨，同時可以使鐵液縮松傾向減小到最小。

（4）高鎳奧氏體球鐵宜采用高溫退火快冷的方法，熱處理后碳化物完全變成了珠粒狀，并呈彌散狀分布于晶界兩邊，提高了力學性能。本材料的熱處理工藝：加熱速度100 ℃/h，保溫溫度 970±10℃，保溫時間3～5 h后立即出爐風冷。

由于鑄造生產影響的因素較多,以上論述僅供同行參考。

參考文獻

[1] 許少紅.奧氏體球墨鑄鐵軸類鑄件的鑄造工藝[J]. 現(xiàn)代鑄鐵,2011,26.

[2] 趙新武，張居卿.高Ni奧氏體球墨鑄鐵的生產[J]. 現(xiàn)代鑄鐵,2011,33.

[3] 金永錫，范仲嘉.高鎳奧氏體球墨鑄鐵渦輪增壓器殼體材質及工藝研究[J].鑄造，2005,5（54）：496.

[4] 王成剛，劉文輝，馬順龍.高Ni球鐵汽車排氣管的研制[J]. 現(xiàn)代鑄鐵,2011,38.

[5] 王志斌,徐錦鋒,翟秋亞等.熱處理工藝對D- 5S高鎳球鐵組織及力學性能的影響[C].2013中國鑄造活動周論文集，2013,2.

[6] 李自軍. 高鎳奧氏體鑄鐵耐磨鑲圈的可切削性分析[J]. 中國鑄造裝備與技術,2008(6).

[7] 王貴玲,華志敏. 耐熱球鐵排氣管的鑄造新工藝[J]. 中國鑄造裝備與技術,2001(1).

[8] 田永維, 宋桂娃,史國慶, 等. 某型大功率艦船用高Ni球鐵排氣管的生產[J]. 中國鑄造裝備與技術,2013(2).

業(yè)界資訊 Information

高純生鐵出口關稅由20%下調到10%

中國鑄造協(xié)會在推動鑄造相關產品出口方面再創(chuàng)佳績：成功促進高純生鐵出口關稅由20%下調到10%，2016年1月1日正式實施。

高純生鐵（含錳量＜0.08%，含磷量＜0.03%，含硫量＜0.02%，含鈦量＜0.03%的生鐵）附加值較高，并且國內產能過剩。為促進高純生鐵出口，中國鑄造協(xié)會于2015年10月向財政部申請降低高純生鐵出口關稅。2015年12月4日，財政部發(fā)布“關于2016年關稅調整方案的通知”，正式將高純生鐵的出口關稅由20%下調到10%。這是繼2013年成功取消鑄鋼丸、鑄鋼砂和鋼絲切丸25%的出口關稅之后，中國鑄造協(xié)會再次在調整鑄造相關產品出口關稅方面做出成績。(中國鑄造協(xié)會http://www.foundry. com.cn/WebUI/IndustryNewsPre/IndustryNewDetial. aspx?typeId=21386）

Production for exhaust manifold of high-Ni austenite nodular iron

FANG Min,WU XiaoXiong,CHENG ShengYang,SUN QuanYou,RONG Jun,JIANG DeSheng,LIU JiaPing
(Impro Industries (Yixing) Co., Ltd., Yixing 214200,Jiangsu,China)

Abstract：Casting process used for high-Ni austenite nodular iron exhaust manifold castings was introduced including chemical composition design, melting charge mixture ratio, Nodularizer selection, inoculation process and heat treatment process selection. Using long efficiency inoculant,adding trace of Sb element, and strictly controlling the parameters of the chemical composition, the tapping temperature and the pouring temperature, etc., solved the problems of the spheroidizing instability,chunky graphite;Through rapid cooling and high temperature annealing method to improve the mechanical properties, so successfully mastered the production technology of the high-Ni austenite nodular iron.

Keywords:high-Ni austenitic nodular iron; Ni-Mg nodularizer; Si-Mg nodularizer; heat treatment

作者簡介：房敏（1984—），男，主要從事鑄鐵和鑄鋼材料的熔煉技術工作.

收稿日期:2015- 09- 01

DOI：10.3969/j.issn.1 006-9 658.2016.01 .009

中圖分類號：TG255；

文獻標識碼：A；

文章編號:1 006- 9658（2016）01 -0024- 05

稿件編號:1509- 1052