厚大断面球墨铸铁件的质量影响因素及控制措施

中机生产力促进中心 徐明君

厚大断面球墨铸铁件一般指壁厚大千100mm的铸件，其自20世纪70年代开始出现。随着球墨铸铁生产技术的不断提高，厚大断面球墨铸铁件的应用也愈加广泛，包括铁素体球铁和珠光体球铁，涉及到风电、核电、造船、冶金、重型机床等诸多领域。目前，国内外很多生产企业都在积极研制厚大断面球墨铸铁件，典型产品有风力发电机组中的轮毂和机座、大型船舶柴油机的发动机缸体、核乏燃料储运容器、汽轮机轴承座等。本文将结合国内外铸造行业生产、技术及科研人员的生产经验及研究成果，就厚大断面球墨铸铁件的质量影响因素及控制措施进行介绍。

1 厚大断面球墨铸铁件存在的问题

由于厚大断面球墨铸铁件的尺寸大、壁厚，铸造时热容量大，凝固缓慢，极易造成元素偏析、球化衰退与孕育衰退，从而导致铸件的组织和基体发生变化，特别是在铸件的心部更加严重。主要表现为石墨球粗大，石墨球数量少，石墨漂浮，石墨球产生畸变，形成各种非球状石墨，如碎块状、开花状和蠕虫状等。同时由于凝固时溶质元素的再分配还会出现严重的元素偏析及晶间化合物、反白口、缩孔、缩松等一系列问题，导致铸件的力学性能变差。如图1~图4所示。

2厚大断面球墨铸铁件的质量影响因素

通过对生产及研究情况的分析归纳，表1列出了厚大断面球墨铸铁件常见问题的影响因素。

3厚大断面球墨铸铁件生产的控制措施

（1）炉料的影响与控制

厚大断面球墨铸铁件的生产多采用高纯生铁。生铁中的微量元素总和低于0.1%，有利于获得成分合格的铁液，减少杂质元素晶界偏析的程度，削弱干扰元素对石墨球化的影响。

炉料中的废钢以优质碳素钢为宜，要严格控制P.S及微量元素含量，防止反球化元素及偏析元素过量。表2列举了一些晶间化合物形成元素的临界含量。

(2)铁液成分的影响与选择

由于厚大断面球墨铸铁件极易出现石墨漂浮、石墨畸变、球化衰退等缺陷，国内外的大量研究和试验表明，严格控制铁液的化学成分能够有效减少这些缺陷的产生。表3给出了生产厚大断面球墨铸铁件铁液化学成分含量的参考值。当然，根据各类产品的不同特性要求，在实际生产中，一些成分的控制含量可能需要细微的调整。

微量元素和合金元素对厚大断面球墨铸铁件质量的影响也倍受研究者的关注。以下介绍了常用微量及合金元素的控制要点。

1) Sb。厚大断面球铁中加入适量的Sb时，通过与稀土的作用，可有效地抑制碎块状石墨的形成，并能改善断面中心部位的球化状况，使得球径小、球数多。生产实践表明，对于壁厚200mm的铸件，加入0.005%的Sb，经孕育处理后，可得到十分圆整的石墨球，并且在单位面积上石墨球的数量与不加Sb相比增加了一倍。Sb能够促使基体中形成珠光体，适用于厚大断面珠光体球铁件的生产。

2) Ba。Ba具有强烈的孕育作用，其形核能力强，在铁液中能大量增加石墨结晶核心并具有抗衰退性能，但单独加Ba的作用是有限的，当Ba与Sb复合加入时，Ba促使大量石墨形成核心，Sb则吸附在共晶团边界上，从而抑制石墨长大，可以获得良好的球化效果。

3)Bi。Bi在一定范围内加入到铁液中，可以和稀土元素作用形成稳定的高熔点化合物，有利于球墨的异质形核，而且其易在球墨周围形成包围层。当Bi的加入量为0.005%时，可有效细化石墨，增加球墨的数量和球化率，改善球化级别，阻止或减少异形石墨的形成。Bi可以提高球墨铸铁基体中的铁素体含量。

4) Sn。Sn是消除碎块状石墨产生的元素，原因是其可以强化包围石墨的奥氏体壳，从而防止石墨球发生畸变。Sn的加入能够增加基体的珠光体含量。

5) Cu。Cu可以细化石墨和强化珠光体，阻止铁素体形成，在厚大断面铸件中加入Cu，能明显提高铸态机械性能，并改善厚大断面组织的均一性。一般加入量为0.5%加8%。

6) Mo。Mo是稳定碳化物元素，能够提高厚大断面球墨铸铁的抗蠕变能力，提高球化等级，加入量一般为02%~04%。通常与Cu联合加入，促进大断面铸件中心部位球化，抑制石墨漂浮，加入量Cu:Mo为2:1。

(3)预处理工艺

预处理工艺，即在球化处理之前，通过加入预处理剂。将铁液中的O.S控制在较低和稳定的水平，并形成稳定的形核质点，为球化反应提供良好条件。

预处理工艺主要优点有，降低球化剂的加入量，提高Mg的吸收率；增加单位面积石墨球数，提高球化率；净化铁液，去除铁液中的夹杂物，形成高质量的、稳定的干渣，易于扒除；降低铁液缩松倾向；提高抗衰退能力。

(4)球化和孕育处理

1)球化剂与孕育剂

国外多采用纯镁球化剂或硅铁镁球化剂，其对铁水纯净度要求较高。根据我国的资源特点，国内多采用稀土镁球化剂。研究表明，重稀土镁球化剂脱硫能力强，石墨球圆整，抗衰退能力强，更适合于厚大断面球铁件生产。轻稀土球化剂通过复合添加少量Sb，能够显著提高球化等级与球数。由于各种球化剂都有其自身的特点，在实际生产中，可单独使用，也可配合使用。

前苏联、美国、德国等曾经研究过纯钇及钇合金处理球墨铸铁，并指出钇是目前所有元素抗球化衰退、细化晶粒最好的元素。

孕育剂的组成和数量对厚大断面球铁的孕育效果有着直接影响。为防止碎块状石墨，孕育剂量以不超过0.4%为宜。在孕育剂中添加适量的Sb、Bi、Ba等微量元素，也可提高孕育效果，消除变异石墨，改善铸件性能。

还有研究表明，在厚大球墨铸铁件熔炼和球化、孕育处理过程中，合理使用增碳剂，会产生很好的孕育效果，特别是对球状石墨的孕育作用是其他种类的孕育剂难以比拟的。但是，加入增碳剂会使铁液的含氮量升高，需将铁液静置保温，以避免氮气孔缺陷的产生。

2)球化和孕育工艺

冲入法处理方式设备比较简单，容易操作，在生产中灵活性较强，但由于存在较多不确定因素，冲入法难以保证球化效果的一致性。盖包法保留了冲入法操作简单的优点，且能够使球化剂的吸收率增加，提高球化的稳定性，在国外已经应用于厚大断面风电球铁件的生产。球化处理时要注意控制起爆时间和反应时间。恰当选取球化温度，保证球化剂被充分吸收、氧化物夹渣和气体充分上浮到渣中。

厚大断面球墨铸铁件的孕育较中小或薄壁件有很大差别。对于厚大断面球墨铸铁，孕育处理可以增加石墨球数，缩短C向石墨球扩散的距离，有利于减少元素的偏析。为了达到良好的孕育效果，很多企业采用了多次孕育方式，包括出铁孕育、包内孕育、孕育块孕育、型内孕育等。对铁液进行多次孕育处理能较好地避免孕育衰退现象，并能细化石墨，增加石墨球数，提高铸件的力学性能。

在生产实践中，一些企业采用了喂线法进行球化及孕育处理，可以简化操作过程，有效控制球化剂和孕育剂的加入量，提高球化元素的吸收率，降低原材料成本，且污染较小，利于环保。用喂线法进行处理，减少了人为因素的影响，处理过程平稳可控，球化质量稳定，能够满足较大型球墨铸铁件的球化、孕育要求。

5铸造工艺控制

(1)保证砂型的强度和紧实度，以及砂箱的刚度和强度。

(2)控制铁液出炉温度，一般在1460℃以下。出炉温度过高，可能引起含硫量和含碳量增加。为避免碎块状石墨产生，应在球化孕育处理后20分钟内浇注完毕。

(3)浇注系统设计。可通过相关模拟软件如MAGMA，PROCAST等，对浇注系统进行优化，使铁液平稳充型，保证厚大部位的凝固得到有效补缩。为了防止夹渣，利于充型，可在浇注系统中设置过滤网或闭渣装置。目前，在大型风力发电机低温高韧性铁素体球墨铸铁件生产过程中，基本上采用先进的无冒口浇注工艺，完全依靠球墨铸铁凝固的石墨化膨胀特性进行补缩，铸件工艺出品率高。为消除厚大断面球铁件的缩松缺陷，有的生产企业采用了排气片工艺，即在厚大部位表面设置排气片，在铸件凝固时可以对其形成液态静压力，进而起到补缩作用。

对于厚大断面铸件，为了防止产生缩孔和缩松，宜选择低温浇注（1350℃以下），浇注温度适当降低，可增加液体粘度，增大石墨上浮的临界球径，这样漂浮所需阻力增大，有利于防止石墨漂浮。有研究表明，浇注温度每升高100℃，液态收缩将增加1%。

(4)加快冷却速度。可采用加冷铁、强制冷却或金属型挂砂的方式加快铸件冷却，缩短凝固时间，以提高铸件质量。

铸铁冷铁的导热率较高，蓄热能力强，应用很广。石墨冷铁的导热率是铸铁冷铁的三倍左右，但蓄热能力小，适用于强制冷却条件。

对于特大型厚壁球铁铸件，进行强制冷却控制是必备的手段。强制冷却一般包括风冷、雾冷、水冷等。对于某些容器铸件，为了增强内腔部分激冷效果，也可采用液氮冷却方式加快铸件凝固速度。应该指出，在强制冷却条件下，铸型材料表面覆砂层材料和厚度，对强冷有明显影响，砂层的热阻占总热阻的90%以上，所以合理选用覆砂层材料和厚度是关键。进行强制冷却时，需注意安全。

由于厚大断面球墨铸铁件的质量影响因素比较复杂，且一些因素还会相互限制，所以对有些问题还存在不同的观点。随着厚大断面球墨铸铁件应用领域的不断扩大，对铸件的性能要求也在不断提高，如风电铸件的低温性能、疲劳强度、耐腐蚀性等等。因此，厚大断面球墨铸铁件的生产还会遇到更多的挑战。为了得到优质的铸件，许多工艺措施还有待进一步探索研究。

（收稿日期：2015-06-18）