陳鵬輝，柯志敏

（1.廣東中天創(chuàng)展球鐵有限公司，廣東 英德 513000；2.廣東省高性能大型鑄件制造及模擬工程技術(shù)研究中心，廣東 英德 513000）

隨著球墨鑄鐵工藝技術(shù)的發(fā)展，大斷面球墨鑄鐵件的類型越來(lái)越多，如:大型柴油機(jī)缸體、大型輪轂、大球磨機(jī)端蓋、大型注塑機(jī)模板等，由于大斷面球鐵在凝固過(guò)程中具有典型的斷面效應(yīng)，鑄件凝固時(shí)間長(zhǎng)，加之結(jié)晶過(guò)程中釋放大量熱量，使冷卻速度降低，鑄件易產(chǎn)生球化與孕育的衰退、石墨漂浮、碎塊石墨、反白口、縮松、縮孔等缺陷，所以大斷面球鐵的生產(chǎn)技術(shù)難度較大。本文針對(duì)大斷面球墨鑄鐵陶瓷機(jī)械底座的生產(chǎn)工藝進(jìn)行了技術(shù)攻關(guān)。

1 鑄件結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求

圖1 陶瓷機(jī)械底座鑄件

底座鑄件結(jié)構(gòu)如圖1，材質(zhì)EN-GJS400-18C-RT，鑄件重量20.5 t，鑄件輪廓尺寸3 050 mm×1 435 mm×1 220 mm，最大壁厚為1 050 mm，屬典型超大斷面球鐵件。鑄件技術(shù)要求為:抗拉強(qiáng)度350 MPa～400 MPa，屈服強(qiáng)度大于230 MPa，延伸率大于18%；金相組織檢驗(yàn)符合GB/T9441《球墨鑄鐵金相檢驗(yàn)》的要求，并要求進(jìn)行鑄件心部套樣檢驗(yàn)；同時(shí)鑄件進(jìn)行超聲波探傷和磁粉探傷，特別是要求超聲波聲速大于5 500 m/s.

2 鑄造工藝

造型用砂采用呋喃樹脂砂，控制砂型（芯）強(qiáng)度σb≥10 kg/cm2；造型用砂箱剛性要好，鑄型吃砂量要夠大，保證鑄型整體剛性。在上下平面、側(cè)面以及凹位位置均勻布置冷鐵，保證厚大區(qū)域冷卻速度，如圖2 a）、b）所示；采用半開(kāi)放式加過(guò)濾器底注式澆注系統(tǒng)，保證澆注平穩(wěn)并防止鐵水中夾雜進(jìn)入，澆注系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖3 所示。

圖2 底座的冷鐵示意圖

圖3 陶瓷機(jī)械底座澆注系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

3 熔煉工藝

3.1 爐料的選擇

EN-GJS400-18C-RT 為高延伸率球鐵的牌號(hào)，要求原鐵水中Cr、Mn、Mo 等形成碳化物的合金元素相對(duì)要低，并要求其中的干擾元素盡可能低，盡可能不使用回爐料，因?yàn)榻?jīng)過(guò)一次球化處理一些微量元素亦會(huì)發(fā)生變化，所以應(yīng)采用干擾元素含量低的原材料，爐料使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%～60%高純生鐵和質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%～50%優(yōu)質(zhì)廢鋼。

3.2 化學(xué)成分的選擇

3.2.1 C、Si、CE 的選擇

對(duì)厚大斷面球墨鑄鐵件，C 的范圍的選擇既要保證充分的石墨化的要求，又要考慮到發(fā)生石墨漂浮的風(fēng)險(xiǎn)，為此選擇C 質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.65%～3.7%；隨Si 含量增加，石墨化能力增強(qiáng)，石墨球數(shù)增加容易獲得鐵素體基體，但在厚大斷面球鐵中提高Si 含量也增加了產(chǎn)生碎塊狀石墨的傾向，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般控制Si 質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.0%～2.4%；CE 范圍的選擇既要保證充分的石墨化的要求，又要考慮到大斷面鑄件發(fā)生石墨漂浮的風(fēng)險(xiǎn)，為此為獲得良好的補(bǔ)縮性能和健全的鑄件，一般選擇共晶點(diǎn)附近或接近共晶點(diǎn)的亞共晶成分，即CE 值控制在4.2%～4.4%.

3.2.2 Mn、P

大斷面球鐵的生產(chǎn)中，因?yàn)镻、Mn 的偏析傾向，加之底座的高延伸率要求，要對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格的控制，要求錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過(guò)0.40%，P 質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過(guò)0.05%.

3.2.3 殘鎂（Mg）、稀土元素（RE）、微量元素Sb

對(duì)一般球鐵件，Mg 質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.025%～0.04%即可滿足要求，但對(duì)厚大斷面球鐵來(lái)說(shuō)，為了保證厚大斷面球鐵質(zhì)量，一般Mg 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)控制在0.035%～0.05%；稀土（RE）元素主要起凈化鐵水作用，即主要起脫O、S 和消除有害微量元素的作用，考慮到殘余稀土對(duì)大斷面球鐵組織的影響，確定RE 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.015%～0.03%；鐵水中加入微量Sb，能夠有效防止石墨畸變和長(zhǎng)大，減輕球狀石墨的畸變程度，增加石墨數(shù)量和球化級(jí)別，經(jīng)試驗(yàn)在底座鑄件中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.004%～0.006%的Sb 可以獲得比較好的效果。

綜上所述，陶瓷機(jī)械底座的化學(xué)成分如表1 所示。

表1 陶瓷機(jī)械底座鑄件主要元素化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

3.3 球化及孕育處理

3.3.1 球化處理

采用5 t 和15 t 中頻感應(yīng)電爐同時(shí)熔煉，加料順序:加增碳劑→回爐料→加廢鋼→加增碳劑，增碳劑隨廢鋼分多批次加人。選擇堤壩式球化包，沖入法的球化處理方式。

由于厚大斷面球鐵件凝固時(shí)間長(zhǎng)，易產(chǎn)生球化衰退或石墨畸變，則要求球化劑不僅球化能力強(qiáng)而且應(yīng)具抗衰退或畸變的能力，所以選用兩種球化劑A 和B，兩球化劑的成分如表2 所示。球化劑A 為含Ce 的輕稀土球化劑，其中的稀土Ce 能與Sb 產(chǎn)生熔點(diǎn)高的化合物，提高異質(zhì)石墨形核，為增加大斷面石墨球數(shù)和保證石墨圓整度創(chuàng)造條件；球化劑B 是含Y 的釔基重稀土球化劑，釔基重稀土球化劑具有克服球化衰退和減輕斷面敏感性的作用。而且對(duì)厚大斷面球鐵鑄件，A 和B 兩種球化劑混合使用具有更強(qiáng)的抗衰退的能力，加之A/B 球化劑中鎂含量低，適量的鈣，可以使球化過(guò)程更加平穩(wěn)。生產(chǎn)實(shí)踐證明:將球化劑A 和球化劑B 按質(zhì)量比7:3 的比例加入，能取得更好的效果，球化劑總加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%～1.4%.

使用爐前碳硅分析儀檢測(cè)原鐵水碳硅成分，并根據(jù)分析儀所測(cè)結(jié)果調(diào)整原鐵水碳、硅成分，調(diào)整為C 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.65%～3.70%，Si 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%～1.2%，并將鐵水溫度升溫至1 440 ℃～1 460 ℃左右時(shí)出水球化，控制出水量。澆注溫度控制在1 350℃～1 365 ℃.

表2 球化劑A/B 化學(xué)成分和粒度

3.3.2 孕育處理

孕育處理是獲的高質(zhì)量厚大斷面球鐵的關(guān)鍵，主要使用含Ca、Ba 的硅基復(fù)合長(zhǎng)效孕育劑。對(duì)于大斷面球鐵孕育效果不只是依靠孕育劑的組成和數(shù)量，而更重要的是在于孕育作用時(shí)間，采用多次孕育+瞬時(shí)孕育的孕育方式是很有效的方法，也更容易得到高延伸率、細(xì)小、圓整度好的石墨球和達(dá)到延緩孕育衰退保證球化效果的作用，所以確定孕育處理工藝為:在包底加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%～0.4%的孕育劑（一次孕育），出水過(guò)程加入0.4%～0.5%孕育劑（二次孕育），扒渣后在鐵水包液面加入0.2%浮硅孕育，最后在定量的澆口杯內(nèi)放置質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%～0.15%粒度為0.2mm～0.7mm 的硫氧孕育劑。

4 試樣制備

按以上鑄造工藝生產(chǎn)澆注了多件陶瓷機(jī)械底座鑄件，選擇3 件鑄件的附鑄試塊進(jìn)行試驗(yàn)，3 塊附鑄試塊的編號(hào)分別為F1、F2、F3.將附鑄試塊加工成國(guó)標(biāo)要求的試棒尺寸，檢查力學(xué)性能和金相組織，并對(duì)試塊進(jìn)行濕法分析，獲取各試塊的化學(xué)成分；力學(xué)性能采用WA-600KD 型電液式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試；試棒金相φ20 mm×15 mm 在XJG-05 大型顯微鏡上檢查組織；用TH110 里氏硬度計(jì)測(cè)量試塊硬度。

5 試驗(yàn)結(jié)論及分析

經(jīng)檢測(cè)各附鑄試塊化學(xué)成分如表3 所示，各附鑄試塊力學(xué)性能如表4 所示，

在附鑄試塊F1、F2、F3 加工取得的拉伸試棒上各截取φ20 mm×15 mm 試樣進(jìn)行金相檢測(cè)，金相組織如圖4、圖5、圖6 所示，具體試樣金相檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5.

表3 附鑄試塊主要元素的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

表4 附鑄試塊力學(xué)性能

圖4 附鑄試塊F1 金相基體組織

圖5 附鑄試塊F2 金相基體組織

圖6 附鑄試塊F3 金相基體組織

從附鑄試塊的力學(xué)性能來(lái)看，三件陶瓷機(jī)械底座鑄件的各自的附鑄試塊的力學(xué)性能均滿足EN-GJS400-18C-RT 的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求；從金相組織來(lái)判定，三件鑄件的球化級(jí)別均為2 級(jí)，石墨大小都是7 級(jí)，基體組織鐵素體均大于95%，鑄態(tài)下完全符合陶瓷機(jī)械底座鑄件的力學(xué)性能和金相基體組織要求。

表5 附鑄試塊金相基體組織評(píng)價(jià)結(jié)果

經(jīng)客戶檢驗(yàn)反饋:鑄件本體（心部）的套樣試樣的力學(xué)性能抗拉強(qiáng)度（Rm）為340 MPa～370 MPa，屈服強(qiáng)度為Rp0.2 為223 MPa～264 MPa，伸長(zhǎng)率11%～14.5%，超聲波聲速為5 600 m/s～5 830 m/s，質(zhì)量全部滿足客戶的技術(shù)要求。

6 結(jié)論

陶瓷機(jī)械底座是大斷面高延伸率的鑄件，有著典型的斷面效應(yīng)、鑄件凝固時(shí)間長(zhǎng)、冷卻速度慢等特點(diǎn)，易產(chǎn)生球化與孕育的衰退、石墨球數(shù)少、石墨球畸變、碎塊石墨等缺陷。本文通過(guò)設(shè)計(jì)合理的鑄造工藝以及熔煉工藝，確定合適的化學(xué)成分，特別是微量元素Sb 的加入，減少了碎塊石墨的形成傾向，增加細(xì)化了石墨球。選用重稀土和輕稀土混合的球化劑A、B，并按A、B 質(zhì)量比7:3 的比例加入，選用含Ba 的長(zhǎng)效孕育劑以及多次孕育+瞬時(shí)孕育的孕育工藝，在生產(chǎn)過(guò)程中嚴(yán)格控制生產(chǎn)工藝的各個(gè)環(huán)節(jié)，生產(chǎn)出了客戶滿意、質(zhì)量合格的陶瓷機(jī)械底座鑄件。