铸态铁素体球铁件的生产与质量控制

1、铸态铁素体球铁件的生产与质量控制 万杰兵 我公司下属铸造厂主要进行汽车底盘类零部件的铁素体球铁件生产，产品多是球铁小件，大部分铸件壁厚430mm，单重0.440kg。过去采用退火处理工艺。自2001年后，采用铸态铁素体球铁生产技术，取消热处理工艺，减少设备投资，缩短生产周期，节约能耗，节省工时。同时还避免热处理过程中铸件的变形、氧化、脱碳等缺陷。通过多年来的生产实践，我公司生产的铸态铁素体球铁件牌号QT45010，品质稳定，满足客户的要求，取得良好的经济效益。1、生产的基本条件1.1熔炼设备铸态铁素体球铁对原铁水的质量要求: 化学成分稳定，符合设计要求；好的冶金质量、洁净、无氧化现象；高的出铁

2、温度。这就对熔炼提出要求。我公司有四座5T冲天炉和四台美国PILLAR 2T电炉。冲天炉电炉双联熔炼，每班使用1座5T冲天炉和2台2T电炉熔炼，实行两班制。使用山西铸造焦，固定碳大于80%以上，含硫量小于0.5%。焦铁比为1：8的情况下，铁水出炉温度稳定在14201450。然后出炉至电炉升温调质处理。使用炉前快速C、Si分析仪和岛津光电发射光谱分析仪对铁水检测。待化学成分调整到所要求的成分，温度达到15301550时，出炉进行球化处理。1.2造型设备球铁凝固时有石墨析出，膨胀量大，生产可利用此特点，采用刚性铸型，避免铸型胀大，可获得致密、无缩孔、无宏观缩松的铸件。为获得较强的刚性铸型，我们采用

3、机器造型，砂型硬度大于95以上。本公司采用2条垂直分型无箱射压全自动造型线DISA2013线和1条DISA2032线。2、原材料的选择原材料的选择对生产铸态铁素体球铁是很重要的，原材料的质量对铸件的质量起决定性作用。原材料是前提，是一切基础的基础，应引起足够的重视。2.1铸铁生铁 生铁应高碳低硅，低锰、低磷硫。由于这种铁素体球铁的化学成分要求较高。选用地方生铁应慎重，因常规五元素（C、Si、Mn、P、S）虽然符合要求，但如果含有干扰元素（Ti、V、Al、Ni）等，就会导致球化不良。对石墨片粗大，渣气孔较多的生铁也尽量不用或少量搭配使用。建议使用本地区的林钢、合鑫生铁或其他地方生产的已被实践证明

4、适用的球铁生铁，切忌乱采购和盲目使用。本公司根据客户要求，重要部件采用本地区的林钢、合鑫，低锰、低磷硫的Q10生铁。普通件采用已实践证明可使用的山西等地生铁。2.2回炉铁回炉铁应用本厂生产的球铁浇冒口和废品铸件，杜绝使用市场收购的废旧成分不明的铸铁件。对于生产中产生的球化衰退件，也要求单独堆放，并在生产中搭配使用。不得胡乱使用。回炉铁在使用前应清除表面粘砂及型腔内的砂芯等，并力求洁净。尺寸大小不得超过炉膛内径尺寸的1/3。2. 3废钢废钢主要是用来调整碳量，应是成分明确的碳素钢，或是品种单一的合金元素含量低的碳钢。废钢表面不得有严重锈蚀和油污，夹带的泥砂必须清理干净。废钢中严禁混有弹壳，密封管

5、头和其他易爆物品。2.4焦炭焦炭的优劣直接影响到冲天炉熔炼时的冶金质量和铁水温度，要求固定碳高、强度高、硫量低、灰分少。如果焦炭的含硫量高，焦炭中的硫就会大量进入到铁液中，铁液含硫量就高，势必在球化处理时球化剂要多加，还容易导致球形较差，白口增大，薄件加工困难，大件缩孔缩松增加，甚至有可能出现球化不良、球化衰退现象。因此，生产中最好选用铸造焦炭，固定碳要大于80%以上，含硫量要小于0.5%。2.5球化剂球化剂是保证产品质量的重要材料。要求成分稳定、均匀。其选用应根据熔炼设备、铁液的含硫量、铁水的处理温度和产品的结构而定。我公司使用冲天炉电炉双联熔炼。球化剂采用FeSiMg8Re7。块度为102

6、5mm，粉状物不大于10%，MgO%含量小于1%。2.6孕育剂孕育剂也是球铁生产环节中的重要铁合金材料。球化处理后加入孕育剂不仅能消除渗碳体，而且还可以提高球化率，细化石墨球，使其圆整，分布均匀。实践证明，孕育效果和孕育剂的成分有很大关系。目前，国内使用最多的是FeSi75，有的企业采用含钡、锶、钙、铝、铋等元素组成的长效复合孕育剂。如硅钡、硅锶、硅钙等。本公司使用的是FeSi75和13mm粒度的硅钡长效复合孕育剂。3、炉前控制3.1化学成分的选择众所周知，球铁的组织和性能与化学成分组成有着密切的关系。所谓球铁的成分设计主要就是C和Si，其它如：Mn、P、S靠原材料加以控制。3.1.1碳和硅生

7、产铸态铁素体球铁是采用高碳、低硅、大孕育量的方法。碳、硅元素对球铁性能有较大影响。通常以碳当量来综合考虑。碳当量的选择主要着眼于改善铸造性能；消除铸造缺陷；获得健全铸件和高的机械性能。我公司生产的铸态铁素体球铁要求铁素体基本组织含量大于80%，渗碳体小于3%。因此在设计碳当量时应以铸件不出现石墨漂浮，也不出现白口保证球化为准则。碳当量控制在4.44.8%，其中碳量为3.63.9%，原铁水硅量为1.21.6%，终硅量为2.63.0%。但硅量不宜过高，因为硅强化铁素体基体，使之变脆，塑性韧性降低。3.1.2锰锰是促进珠光体生成的元素，它固溶于铁素体中提高强度降低韧性，对生产铸态铁素体球铁是不利的。

8、因此，要求锰量要尽可能的低。控制含锰量低于0.4%，薄壁小件要低于0.2%。3.1.3 磷、硫磷、硫都是有害元素，磷高易在基体晶界上形成磷共晶，使材质的延伸率下降，脆性增加，还有易形成缩孔（松）的倾向。硫高会造成球化元素残留量低而导致球化不良及球化衰退，以及铸件产生皮下气孔、夹渣等铸造缺陷。我公司控制磷含量在0.06%以下，球化处理前原铁水含硫量为0.06%以下，否则，应在球化处理前进行脱硫处理，使用工业纯碱。球化处理后含硫量要小于0.03%。3.1.4 镁、稀土残留量铸铁中应有一定的镁和稀土元素的残留量才能保证球化。镁在铁液中主要起球化作用。稀土主要是除气、脱硫和中和干扰元素，起到净化铁水的

9、作用。镁和稀土又是强烈形成碳化物的元素。如果残留量过高，会恶化石墨形态，增大铸件白口倾向和夹渣、缩孔、皮下气孔等铸造缺陷。因此，在生产铸态铁素体球铁件时，在保证球化良好的情况下，应尽可能降低镁和稀土的残留量，这一点对于薄壁小件尤为重要。通常残留镁量控制在0.0450.060%，残留稀土量控制在0.030.04%。3.2球化及孕育处理3.2.1球化处理为保证球化处理成功，须注意以下几点： 铁水包的结构要适应工艺要求，一般铁水包的内腔高度与内径之比值为1.51.8，有利于镁和稀土元素的吸收。包底应搪成堤坝式。其容积大小为刚好把球化剂、孕育剂装满为止。太大或太小都不利于球化的正常反应。 球化剂粒度为

10、1025mm。粒度过小，容易浮起，氧化烧损大；过大，则溶解速度过慢，延长反应时间，铁水降温大。粒度大小视每次处理的铁水量而定。 球化剂的加入量要根据熔炼工艺，出铁温度和原铁水的含硫量和铸件的壁厚大小等因素决定。 冲天炉熔炼要注意勤放渣，前炉内要储存足够的铁水。电炉调质处理，出炉前也要将浮渣扒净。 球化处理方法要合理。我公司采用冲入法，先将球化剂放入包坑内，应捣紧，上面覆盖孕育硅铁（总量的50%），再放入铁屑捣紧，加入对边碱面。不要在铁水包红热时放入球化剂，以免氧化，失去球化能力。出铁时，铁水流不能直接冲入球化剂的凹坑，铁水流不能太大或太小，不能断流。出至1/22/3包时，停止冲入铁水，让其充分

11、反应，待反应快要结束前，再把剩余铁水冲入浇包，同时迅速把剩余总量的50%的硅铁加入包内。即所谓二次孕育。直至规定重量，停止出铁。出铁量要尽量准确，我公司使用无线电子秤计量，上下不能有5%的误差。及时搅拌扒渣并多次扒渣，彻底把浮渣扒净，以防铁水“回硫”现象发生。3.2.2 孕育处理孕育处理的作用主要是消除球化元素造成的白口倾向，促进石墨析出，提高球化率，细化石墨球，使之分布均匀。目前国内企业采用孕育剂和孕育方法不尽相同，但都强调要采用瞬时孕育工艺，强化孕育效果，保证铁水在较长时间直至浇注完毕均处在良好的孕育状态。我公司采用的是包内孕育（一次）+铁水包孕育（二次孕育）+随流转包孕育（三次孕育）。实

12、践证明，是可行的，孕育效果良好。本公司部分产品的化学成分、物理性能及金相情况。（QT45010）见下表。 编号C%Si%Mn%P%S%Mg残%抗拉强度MPa延伸率球化级别石墨大小等级珠光体%13.662.800.100.0400.0220.06547013.7361023.712.830.380.0440.0300.06249515.4271033.742.830.0810.0400.0260.05748018.5271543.593.000.0790.0450.0230.05748019.436553.933.030.0750.0540.0280.06348023.2365 由上表可以看出，

13、随着终硅量的增加，试样的延伸率增大。这是因为终硅量增加，石墨球的球化率升高，铁素体含量增多，铁素体具有良好的塑性和韧性。加之石墨球越圆整，越不容易造成应力集中，所以延伸率增大。3.2.3 球化判断（炉前检验）炉前球化情况判断可采用火苗观察法，炉前三角试片法，炉前快速金相法和炉前快速光谱分析法。 火苗观察法。当补加铁水时，铁水表面逸出镁光及白黄色火焰，则表示球化良好。处理后铁液表面形成氧化膜亦表示正常。 三角试片法。较常采用的一种方法，三角试片尺寸12.5（底面）×50（高）×120（长）或25×50×120mm，立浇或卧浇。待试样表面呈暗红色时取出；底部

14、向下淬水，打断观察断口。如断口底部及两侧有缩凹，中心有缩松，断口不平齐呈锯齿状，银灰色（银白色），致密，晶粒细小，尖部无白口或小于12mm白口，敲击有钢声，嗅有电石味，表示球化孕育良好。如断口有小黑点，球化不太好。如断口乌黑，晶粒粗大或有许多黑点，呈麻脸状，敲击闷声，则为不球化。炉前快速金相法。试样直径为2030mm（视铸件大小，壁厚大小定）。金相观察球化级别要求2级以上，表明球化良好。低于2级，表明球化不良或球化衰退。 炉前快速光谱法。快速测定球铁的化学成分，铸件的五大元素及残留镁、稀土量、微量元素等15种元素同时测出。以含镁量来判定球化情况。4、 铸造工艺铸态铁素体球铁件的铸造工艺设计要有

15、利于促进铁素体基体的形成和有利于获得健全的铸件。因此，在浇注系统设计时，应充分考虑球铁凝固时的固有特性。 球铁在球化处理后，有很多的稠渣，浇注系统要考虑撇渣、挡渣装置和工艺措施。 球铁容易氧化，浇注时如果出现紊流、飞溅，则产生二次氧化渣。因此，浇注系统设计时，要考虑铁水应平稳充型。 球化凝固时有石墨析出，膨胀量大，铸型要有足够的刚度，以获得无缩孔的铸件。 球铁具有糊状凝固的特点，冒口的有效补缩距离短，可多设置冒口等措施来消除缩孔（松）。5、金相检测 在线金相检测：在规定时间内，浇注完最后一箱时，标识末箱，同时浇注金相检测块。取样后不得继续浇注，这样可对已浇注的产品进行100%受控。在线金相员取

16、样检测，若球化级别为2级时，说明球化正常。若为3级时，须对本包次作标识，并告之相关人员进行隔离，再作单独处理，同时告之电炉操作工作相应调整。所有包次在清理场地内，必须按包次隔离的清清楚楚。便于金相复检取样。 金相复检检测。金相复检人员按照包次顺序对金相试块取样。本公司金相试块安装在浇注系统上。其一：是防止浇注系统与铸件分离，不易找到金相试块。其二：本公司的每型铸件至少2件或2件以上。安装于铸件上的试块只代表本铸件金相情况，并代表不了本箱铸件的金相情况，所以安装于浇注系统上。原则上最接近浇口杯附近，本试块代表本箱最差的金相情况。浇注系统即使与铸件分离，本试块始终都与浇口杯上末箱标识连在一起。金相复检员按包次取样编号，做金相视频检测并电脑存档。对合格包次可直接清理。但现场质检员须对标识末箱铸件进行断口复检。若与金相视频检测相符可转入下序。若不相符，须对本包次铸件逐件断口判断。对不合格包次（即大于等于4级）时，可以对其清理，但不可转入下序，须要现场质检员对本包次铸件逐件断口判断。合格品转入下序，对球化不良品进行报废处理（使用红漆标识）。 材质检测是至关重要的。材质不合格将是批量性的。其后果是不堪设想，损失是不可估量的。所以材质检测要求所有员工提高质量意识，对每道工序都必须严格按工艺文件操作。清理区的材质检测是铸件下线检测的第一道门槛，也是材质检测的最后一道