蘇燕萍，吳逸智，孔德成

（江南造船（集團）有限責任公司，上海 200032）

0 引言

隨著鋼鐵生產(chǎn)加工技術的發(fā)展，球墨鑄鐵生產(chǎn)加工技術得到大幅度改善，加上其優(yōu)良的性價比，近年來應用范圍越來越廣，并且在多個行業(yè)中成為鑄鋼與灰鑄鐵件的替代品。但是球墨鑄鐵也存在一定的缺陷，特別是在厚大斷面鑄件中，時常會出現(xiàn)質(zhì)量問題。針對此類問題，國內(nèi)學者開始對其進行研究，分析其產(chǎn)生的原因以及影響因素。本文通過分析球墨鑄鐵常見的缺陷，在此基礎上對某公司生產(chǎn)的船用厚大斷面球墨鑄鐵鑄件進行試驗，討論大型球墨鑄鐵鑄件缺陷影響因素，以期為船用大型球墨鑄鐵鑄件生產(chǎn)技術改善提供一些思路和方法。

1 典型缺陷分析

1.1 球化不良

球化不良會導致鑄件的力學性能下降并且明顯降低鑄件伸長率，這種缺陷典型特征表現(xiàn)為斷口面呈現(xiàn)銀灰色，同時不均勻分布大量的黑色斑點。通過光學顯微鏡觀測，可以看到石墨以片狀分布在石墨聚集區(qū)，并且球狀石墨大小為5 級，含量非常少，整體球化率在2～3 級。通過熱分析技術相關理論，導致鑄件球化不良的主要原因是鐵液中鎂、錸等元素殘留量影響，而導致鎂、錸元素含量超標的原因是前期投料時雜質(zhì)較多，扒渣處理不到位，這導致鐵液中S 和活性氧含量增高，它們與鎂、錸發(fā)生反應，導致球化不良；另外，在澆注時，由于鎂、錸在鐵液出爐時被消耗，殘余量非常少，同樣造成球化不良。

1.2 縮松

縮松缺陷主要呈現(xiàn)出蠅腳狀黑點或者灰暗疏松孔，它主要產(chǎn)生于熱節(jié)區(qū)，通常尺寸較大，最終成型于鑄件表面。微觀縮松是在二次收縮末期產(chǎn)生的，主要是晶間鐵液或共晶團在負壓環(huán)境中凝固形成?？s松特征是球墨鑄鐵鑄件獨有的缺陷，也是與其他鑄件的差別所在。在凝固成型中，由于負壓導致二次收縮產(chǎn)生真空區(qū)，待凝固后即產(chǎn)生縮松缺陷。究其原因，鐵液在煉化中，扒渣工作不到位，鐵液被嚴重氧化，導致其化學成分含量不穩(wěn)定，特別是碳當量、硫、磷等元素，對鑄件縮松產(chǎn)生較大影響作用。當碳當量減少，鑄件中石墨含量也會降低，縮松增加，當硫、磷含量增加，鐵液中的鎂、錸被消耗，阻止鐵液補縮，影響球化率。

1.3 氣孔

鑄件氣孔一般成型于表皮2～3 mm 之下，其形狀較多，可以呈現(xiàn)橢圓球狀或者蜂窩狀分布的球形，有些還表現(xiàn)為針孔狀內(nèi)壁光滑孔洞。這種缺陷多見于小型球墨鑄鐵鑄件中。形成氣孔的主要原因是球墨鑄鐵鑄件在粥狀凝固時，液體表面張力會增大，并且還會形成一層氧化膜，使得液體內(nèi)部氣體無法排除，在逐漸降溫凝固后，氣體則以氣孔形式留在鑄件表皮以下。另外，在澆注時，EPS 模樣氣化得到的氣體弱若無法排除，則會導致鑄件氣孔缺陷，特別是在小型鑄件中，這種缺陷較為常見[1]。

1.4 裂紋

裂紋是由于鑄件在凝固中的內(nèi)應力超過金屬本身抗斷裂強度，是一種自身破壞缺陷。當斷裂溫度較高時，斷口會呈現(xiàn)出暗褐色，當溫度低于600℃時，此時鑄件斷裂，斷口呈現(xiàn)淺褐色，這種斷裂也叫冷裂。通過分析可知，當球化不足時，白口傾向增大，導致冷裂現(xiàn)象發(fā)生，并且冷卻速度太快，由于鑄件內(nèi)部存在較大的組織應力，則導致鑄件邊緣地區(qū)產(chǎn)生裂紋。其中，磷元素也是引起裂紋的主要因素，當其含量超過0.25%時，對于大型球墨鑄鐵鑄件，容易引起熱裂[2]。

2 試驗結(jié)果及分析

本文根據(jù)船用大型球墨鑄鐵鑄件使用情況，選擇多種尺寸鑄件進行研究。鑄件壁厚從小到大依次為40 mm、80 mm、120 mm、180 mm、220 mm，除最后一級之外，其余每級長度均為250 mm，然后進行階梯試樣和澆注。球墨鑄鐵鑄件生產(chǎn)原料為35%優(yōu)質(zhì)廢鋼、65%高純生鐵、增碳劑；生產(chǎn)條件為1.5 t 中頻爐，最高熔煉溫度1500℃；處理工藝為沖入法球化和孕育處理，球化劑和孕育劑分別為REMg 合金和SiBa 合金，每次能夠處理1 t 鐵液。并且設置4 個澆注溫度，即1310℃、1330℃、1350℃、1370℃。表1 是不同方案鑄件處理后的鐵液化學成分組成。采用熱分析儀來分析冷卻曲線，帶成型后先目視檢測，記球墨鑄鐵鑄件基本情況。

表1 不同方案鑄件孕育處理后鐵液的化學成分

經(jīng)過對上述4 種方案鑄件進行測試分析，可以發(fā)現(xiàn)對船用大型球墨鑄鐵鑄件主要的影響因素為碳當量、石墨形態(tài)以及微量元素。

2.1 碳當量對縮松等缺陷的影響作用

球墨鑄鐵鑄件之所以產(chǎn)生縮松缺陷是因為鑄件凝固成型中石墨化膨脹引起的。當碳當量穩(wěn)定時，壁厚增大，則凝固時間變長，在此過程中若是不補縮，最終會導致縮松；當壁厚穩(wěn)定時，碳當量越大孕育效果越好，則石墨化導致的膨脹量會增大。一旦鑄件強度不能抵抗膨脹力，會出現(xiàn)縮松缺陷。但是可以將膨脹力控制在能夠抵抗階段，這樣鑄件就不會出現(xiàn)縮松缺陷，即可以適當提高碳當量[3]。但是一味提高碳當量還會帶來石墨漂浮情況，溫度越高，碳當量越大，則石墨漂浮現(xiàn)象越明顯，特別是大型鑄件，凝固時間長，形成石墨漂浮幾率大。

在本文試驗條件下，要綜合考慮碳當量與石墨漂浮影響，當澆注溫度1370℃時，鑄件壁厚不超過120 mm 時，應該將碳當量控制在4.01%～4.42%。

2.2 CE 與碎塊狀石墨

通過觀察和檢測不同鑄件，可以發(fā)現(xiàn)碳當量超過4.42%，并且壁厚大于120 mm 時，鑄件中出現(xiàn)碎塊狀石墨，且趨于增大趨勢。

2.3 微量元素與碎塊狀石墨

將Sb、Bi 等微量元素加入到鑄件中，可以有效緩解，甚至放置鑄件出現(xiàn)碎塊狀石墨。為了考察微量元素對鑄件的影響，根據(jù)上述實驗方案再次澆注樣品。其中，方案2 和方案4 分別放置不同大小的平面冷鐵。帶鑄件成型后，對其進行檢測分析，可以看到當加入Sb 元素后，上述4 組方案鑄件均未看到碎塊化石墨，這可能是因為Sb 加入到鑄件中，C 原子在鐵液中擴散受阻，抑制了石墨產(chǎn)生，從而避免出現(xiàn)碎塊化石墨。對比前后2 組試驗鑄件，發(fā)現(xiàn)加入一定量的Sb 后，再配合使用冷鐵，能夠明顯提高石墨球的數(shù)量和圓整度，石墨大小等級可以上升到6 級。但是Sb 超過0.007%之后，則會產(chǎn)生大量珠光體，影響球墨鑄鐵鑄件質(zhì)量[4]。

3 結(jié)語

通過對球墨鑄鐵鑄件典型缺陷分析與討論，本文以球磨鑄鐵鑄件作為實驗對象，通過設計不同實驗類型，研究影響球墨鑄鐵鑄件質(zhì)量的各種因素，最后得出如下結(jié)論：

1）碳當量含量過高或過低均會對球墨鑄鐵鑄件縮松缺陷造成不良影響，導致石墨漂浮產(chǎn)生碎塊現(xiàn)象，所以在實際中要根據(jù)船用大型球墨鑄鐵鑄件的外徑壁厚和澆注溫度條件來控制碳當量。

2）根據(jù)實驗研究結(jié)果，對于大型球墨鑄鐵鑄件，結(jié)合試樣生產(chǎn)條件，將碳當量控制在4.2%～4.5%比較好。

3）在球墨鑄鐵鑄件中加入Sb 元素可以起到很好的效果，避免碎塊狀石墨產(chǎn)生，但是要控制好用量，另外，可以通過設置合理厚度的冷鐵來避免出現(xiàn)縮松等缺陷產(chǎn)生。