王 輝，代 超，張懷紅，趙 科，王開文

（青島青特集團，山東 青島 266000）

本公司生產的輪轂法蘭盤類型鑄件如圖1 所示，該產品壁厚懸殊，厚大位置直徑為171 mm，薄壁位置為25 mm，該鑄件要求不允許有任何鑄造缺陷，牌號要求為QT600-8.鑄件屬于高抗拉強度，高延伸率要求鑄件，為了實現這些要求，必須采用較高的Si 含量來保證其本體延伸率，同時需要加入Cu 合金來保證鑄件的抗拉強度。

圖1 輪轂法蘭盤鑄件三維圖

1 常規(guī)熔煉生產工藝

采用Q12 高純球鐵生鐵，純凈的車身廢鋼。配料比為30%的生鐵，30%的廢鋼，40%的回爐料生產。球化劑采用牌號為3-8 的Ce 基鎂合金球化劑，孕育劑使用硅鋇孕育劑，進行包底孕育、倒包孕育、隨流孕育三次鐵水孕育，提高孕育效果，防止孕育衰退。處理后的鐵水成分如表1 所示。

表1 鐵水化學成分（質量分數，%）

經切割解剖后發(fā)現厚大位置存在明顯的碎塊狀石墨，宏觀組織如圖2 所示，金相組織如圖3 所示。經機械性能檢測，抗拉強度和延伸率均低于客戶要求，根據文獻記載，根據碎塊狀石墨在金相組織中所占體積分數的不同，會使鑄件的抗拉強度降低20%～40%，伸長率降低50%～80%，沖擊韌度降低50%[1].為了獲得滿足客戶要求的鑄件，解決碎塊狀石墨問題是本工藝的重點。

圖2 碎塊狀石墨的宏觀形態(tài)

圖3 碎塊狀石墨的金相組織100×

2 碎塊狀石墨產生原因分析

目前厚大位置容易產生碎塊狀石墨已經是業(yè)界共識，但具體產生原因和形成機理還處于百家爭鳴階段。日本東北大學的系藤春喜對1950 年到2010 年間各國發(fā)表的相關文獻進行了分析和評述，并計算了各種影響因素在文獻中所占的比重。就文獻中論及的影響碎塊狀石墨產生的原因歸納、區(qū)分為7 個方面，各影響因素所占的比重為：稀土元素含量的影響占24.1%；鑄件壁厚和凝固過程中溫度梯度的影響占22.4%；碳當量和硅含量的影響占19.1%；球化處理和孕育處理的影響占18.2%；鐵液的純度和硅鐵帶入的Al、Ca 的影響占8.3%；鑄型的影響占5.3%；鐵液過熱的影響占2.6%[2].

結合前人的研究對該鑄件中可能導致碎塊狀石墨產生的因素進行了分析：

1）鑄件本身結構存在厚大位置，厚大部位凝固時間長，石墨的形核能力差，存在嚴重的石墨畸變傾向，要減輕或消除厚大件的碎塊狀石墨，需要足夠的石墨形核數量，因此強化孕育、添加Sb、Sn 等表面活性元素、增強散熱條件等可有效防止碎塊狀石墨的出現[3]；

2）鑄件中間位置比較厚大，為了防止出現縮松，在澆注系統(tǒng)布置時，上面加了一個高發(fā)熱冒口，降低了鐵水冷卻速度；

3）鑄件要求高抗拉強度，高延伸率，Si 質量分數為2.4%～2.5%，含量較高。硅是反偏析元素，富集于奧氏體內，以奧氏體的物理化學性質影響石墨結晶[4]，這進一步導致了石墨畸變的風險。硅元素為石墨化元素，與C 結合，加快了石墨析出的速度，導致石墨生長過快，奧氏體可破裂。如向鐵水中加入質量分數為20 PPM～50 PPM 的Sb，即使Si 質量分數高達2.5%也不會出現碎塊狀石墨，其原因可能是Sb 元素能穩(wěn)定和強化奧氏體殼[5]；

4）由于該鑄件凝固時間較長，為了防止球化衰退，球化劑加入質量分數偏高1.25%，導致稀土殘余量大。稀土元素在球化過程中的作用并不總是正作用，如果稀土元素過多，又缺少干擾元素，則剩余的稀土元素會導致石墨發(fā)生畸變。

3 工藝改進與結果分析

3.1 工藝改進

根據對碎塊狀石墨產生原因的分析，計劃從以下幾個方面進行工藝改進：

1）降低原鐵水C 的含量，碳質量分數從3.7%～3.9%降為3.5%～3.6%；降低CE 含量；

2）采用釔基稀土球化劑，提高鐵水的抗衰退能力；同時控制加入質量分數為1.2%；Y 在鐵液中形成的高熔點六方晶系的Y2O3可作為石墨結晶核心[7]；

3）降低倒包孕育量，孕育劑加入質量分數從0.5%～0.8%降為0.2%～0.4%，隨流孕育量0.1%；有實驗表明[6]大劑量的孕育不僅不能消除碎塊狀石墨，反而會助長碎塊狀石墨的產生，因該產品終Si含量較高，故孕育量取中限，既能保證孕育需求，又避免惡化石墨形態(tài)。

4）加入Sb 元素，消除稀土元素的不利影響，同時起到細化石墨的作用，加入方式為覆蓋在球化劑上方，同時用孕育劑將其覆蓋。

3.2 試生產方案

由于影響碎塊狀石墨的因素很多，為了具體分析那種因素占主導原因，試生產時按照表2 三種方案執(zhí)行，除表中所述改變，其他一切配料等均相同。

表2 試產方案

3.3 鐵水成分

表3 為三種方案原鐵水和處理后鐵水的主要化學成分。

表3 原鐵水和處理后鐵水的主要化學成分（質量分數，%）

3.4 試生產結果

經過多輪試制驗證，方案1 和方案2 均出現了碎塊狀石墨。但并非每次都出現，出現的概率大于2/5；方案3 未出現碎塊狀石墨。

方案3 的金相組織如圖4 所示，球化等級2級，大小6 級，珠光體量55%，余為鐵素體。碳化物磷化物微量，每平方毫米內石墨球數約為140 個。

圖4 方案3 金相組織（未腐蝕）100×

本體試棒取樣位置如圖5 所示，方案3 的本體試棒性能如表4 所示，表5 為含有碎塊狀石墨的本體性能與位置，可見含有碎塊狀石墨的試樣，其力學性能下降很多。

表4 方案3 本體試棒力學性能

表5 含有碎塊狀石墨的本體力學性能位置

圖5 輪轂法蘭盤本體試棒取樣位置

4 結論

1）厚大件可以通過降低原鐵水的C，采用Y 基球化劑和加入Sb 元素的方式獲得穩(wěn)定無碎塊狀石墨的基體；

2）厚大球墨鑄鐵件，單純通過降低CE 和采用Y 基球化劑的方式不能穩(wěn)定獲得無碎塊狀石墨的基體；

3）驗證稀土元素在碎塊狀石墨產生的過程中占主導作用，可以通過加入Sb 消除其不利影響；

4）大面積碎塊狀石墨嚴重影響鑄件的力學性能。