关于高端球墨铸铁纯净度的探讨

原创 马敬仲 铸造工程 今天目前我国生产高端球铁的企业日益增多，将球铁产品推向了高强、高塑、高韧、高疲劳的应用领域。这些高端球铁包括六大类：即等温淬火球铁ADI；低温铁素体球铁；硅固溶强化铁素体球铁；高强、高塑的QT800-5、QT900-5、QT1000-5球铁；大断面球铁及薄壁球墨铸铁。这些高端球铁的生产对推动各类机械设备的轻量化，节能、减排、提高寿命起着极大的作用。高端铸件具有三个特点：（1）铸件用于在国民经济中具有重要地位的设备上，其质量优劣对设备的安全、寿命有重大影响；（2）性能要求高，制造难度大；（3）要求性能与质量的高度稳定性。企业在生产中认识到铸件除了具有高性能，还要具有稳定性。在保证高端球铁性能与稳定性的因素中，除了石墨与基体外，还有一个重要因素是铁液的纯净度。01高端球铁中纯净度问题的提出长期以来，纯净度的概念一直存在于铸钢中，含义是钢中非金属夹杂物的数量、形态与分布，以S+P+O+H+N作为纯净度的指标。而铸铁中的石墨本身就是最大的夹杂，在存在大量石墨的情况下，讨论纯净度似乎没有意义。但随着铸铁技术的发展，尤其是球铁的发展，将石墨形状转变成球状，又在球状的基础上将其变得更圆、更小、更多，使其对基体的破坏作用减到最小，以至于在石墨形态、分布等极好的情况下球铁要进一步提高性能就需要依靠基体的改进。为了改进球铁基体，球铁从全铁素体、混合体、珠光体、索氏体、托氏体到奥铁体，使基体对塑性、韧性、强度的影响也几乎发挥到极致，因此，为获得了更高强、高塑、高韧的球铁，就需要减少晶间的杂质，也就是提高纯净度。02球铁的纯净度影响球铁纯净度主要有三个方面：S、P、Mn、Ti的含量及微量元素；气体[O]、[H]、[N]的含量及非金属夹杂。2.1 低含量的S、P、Mn、Ti及微量元素2.1.1 低含量的S、P、Mn、Ti高端球铁首先要控制生铁中S、P、Mn、Ti的含量，具体要求见表1。表1 S、P、Mn、Ti含量的控制要求（质量分数，%）SPMnTi＜0.015＜0.03＜0.1＜0.025S是高端球铁控制的重点，S含量低，可降低球化剂的加入量，降低Mg残，减少硫化渣，还可延长球化衰退。图1是不同S含量原铁液球化处理后Mg残随时间的变化。图 1 球化处理后 Mg 残的变化P、Mn对冲击性能及脆性转变温度都有较大的负面作用，每增加0.01%的P含量或0.1%的Mn含量，脆性转变温度分别增加4~4.5℃与10~12℃，因此含量应控制在P＜0.03%、Mn＜0.2%，铁素体球铁Mn＜0.10%Ti是严重的干扰球化元素，即使少量的Ti也会导致形成变态石墨，含量应控制在Ti＜0.025%。2.1.2 球铁中的微量元素（1）铸铁中微量元素对球化稳定性的影响高纯生铁微量元素中Ti、As、Sn、Sb、Pb、Bi为反球化的干扰元素，反球化作用的大小可用球化系数K1表示：K1=4.4Ti+2.0As+2.3Sn+5.0Sb+290Pb+370Pb+1.6Al为使球铁不出现球化不良，K1＜1.0。表2是微量元素中反球化元素对球化的影响。表2 反球化微量元素对球化的影响类别元素影响耗镁型Se Te消耗球化剂，影响球化率。促使石墨形成蠕虫状石墨、过冷石墨或片状石墨晶界偏析型Sb Sn As Ti偏析于晶界，促使石墨畸变，使石墨呈各类不规则形状混合型Pb Bi含量少时形成畸变石墨，含量多时则呈过冷石墨到片状石墨（2）微量元素对基体的影响低温铁素体球铁要求基体为100%铁素体，微量元素中Mn、Cu、Sn、Pb、Bi、As、Cr、Sb是促进珠光体元素，它们对珠光体的作用可用珠光体系数Px来表示：Px=3.0Mn+2.65（Si-2.0）+7.75Cu+90Sn+357Pb+333Bi+20.1As+9.6Cr+71.7Sb为保证100%铁素体，Px应＜1。表3是微量元素对铸铁晶间夹渣与偏析的影响，表4是微量元素对球铁夹渣的影响。表3 微量元素对晶间夹渣与偏析的影响类别元素影响正偏析Mn Cr V Ti Mo B As形成碳化物，分布于晶界处，造成晶粒外偏析，降低材质的韧性与塑性反偏析Si Ni Cu固溶强化基体，分布在晶粒内部，造成晶粒内偏析低熔点元素偏析P S Sn Pb Zn As熔点低，常分布在最后凝固的晶界上，造成夹杂，裂纹缺陷表4 微量元素对夹渣的影响类别元素影响低熔点元素偏析P S Sn Pb Zn As熔点低，常分布在最后凝固的晶界上，造成夹杂，裂纹缺陷以上分析可知：在高端球铁的球状石墨与基体较完善的条件下，提高球铁的纯净度是提高球铁性能，尤其是冲击性能、疲劳性能与稳定性的一个重要因素。而从影响纯净度的三个方面来看，其中S、O、P及微量元素的控制最为重要。文章编辑：柳建国微信编辑：蔡文娟微信审核：张　杨阅读 284