球铁及其球化不良问题探讨分析

1、球铁及其球化不良问题探讨分析 岗铁的应用使人类文明进入了铁器时代。球墨铸铁的诞生，是继人类发明炼钢技术之后，在黑色金属应用技术方面又一次大的技术创新，是20世纪材料科学最重大的技术进展之一。 我国古代工匠早在2000年前就已制造出具有球状石墨的铸铁，分析表明上述铸铁件不含镁或稀土元素，是采用高纯木炭生铁熔剂，在金属型中浇注，经热处理后制成。但由于这种工艺难于大量生产，因而这种古代球铁的独特技艺没有流传至今。现代球墨铸铁采用向铁液中添加球化剂的方法使其在铸态下析出球状石墨，使得球墨铸铁真正登上了工业应用的舞台。 世界铸铁件的生产状况和趋势是，灰铸铁件的比例明显下降，但仍占优势。球墨铸铁件的产量持

2、续增长，蠕墨铸铁和特种铸铁也有了较大的发展。 我国球墨铸铁件在质量和生产稳定性方面的差距也较大。我国球墨铸铁生产较突出的问题是材质强韧性上、缺陷多，其原因除炉料、球化处理方法和球化剂等因素外，主要是球化处理前对铁液含硫量要求过松。因此，为使我国球墨铸铁生产能有大幅度的增长，必须大力实施能稳定提供质量可靠的优质球墨铸铁件的配套技术。现在就球铁常见的缺陷球化不良结合我们单位的实际系统地进行论述一下。 球化剂的合理选用和稀土（RE）元素的加入是实现高强度薄壁球墨铸铁铸造的关键。该技术的核心是在铸造（熔炼）工艺中要保证RE/S=22.5。球化剂要选用Fe-Si-Mg-RE-Ca系材料，其中稀土元素（C

3、e、La、Pr）的加入并使之与硫保持一定比例是球化技术的关键。试验证实，当RE/S2时，出现球化不良；RE/S2.5、Mg/S5时，易出现白口，同时严格控Wp0.04%、WBi=0.003%0.007%。 灰铸铁铸件所产生的各种铸造缺陷（如缩孔、气孔、渣孔、夹砂、冷隔、浇不足等）都会在生产稀土镁球墨铸铁时产生。球墨铸铁常见缺陷有球化不良（球铁处理不成）、球化衰退、缩松、皮下气孔等缺陷。 球化不良是稀土镁球墨铸铁经常遇到的问题之一。球化不良是指球化剂加入量不足以使铸铁石墨充分球化。铸件中的石墨多呈团块状、开花状、枝晶状、蠕虫状、厚片状。 球化不良其宏观观特征为：银白色的断口上分布有黑色斑点，破断

4、铸件在其整个断面上分布有明显可见的小黑点，愈往中心愈密。球化不良的程度越严重，黑斑直径越大数量越多，甚至全部断口为黑灰色，类似灰铸铁的断口。金相微观分析能发现有集中分布的厚片状石墨或晶间石墨以及少量球状、团状石墨，严重时还出现片状石墨。球化不良使力学性能急剧下降，不能达到牌号所规定的性能指标。 球化不良主要是因为镁和稀土元素的残留量不足造成的。 产生的原因主要有： （1）使用高硫的焦炭和新生铁，根据我厂生产的经验，当原铁水含硫量达0.1%以上时，经常造成球化不良； （2）与灰铸铁交界铁水没有分离干净，由于炉料计算误差，灰铸铁铁水过多，交界铁水没有分离干净。结果高硫、低碳的灰铸铁铁水混入球墨铸铁

5、中，而造成球化不良。生产中经常遇到与灰铸铁交界的第一包球墨铸铁球化不良； （3）铁水氧化，最后一包球墨铸铁是打炉铁水，操作不当往往造成铁水氧化，镁石强烈脱氧剂，结果一部分镁耗费在脱氧上，起球化作用的镁量不足而造成球化不良。 （4）使用镁烧损严重的稀土镁合金； （5）铁水温度过高或过低，铁水温度过高，中间合金与铁水作用激烈，镁烧损严重；铁水温度过低，中间合金容易“结死”在包底不起作用， （6）前炉储存铁水不足，球化处理时将炉渣也出到铁水包中。由于稀土镁中间合金与铁水作用，产生强烈的翻滚，使炉渣卷入铁水与球化剂作用。因为渣中硫高，氧化物多，就消耗了部分镁和稀土，这也造成球化不良的原因之一。 针对上

6、述原因，根据导致残留量不足，应采取不同的措施来防止球化不良的产生： （1）如果球化剂中球化元素含量不足，加入量不够，则应根据生产条件，选用合适的球化剂和确定加入量，要严格掌握铁水量，防止失控造成出铁量过大失球化剂量相对减少； （2）处理前铁水温度过高或过低；过高球化剂作用激烈，球化元素烧损严重；过低，则球化剂易在包底冻结。应根据出铁温度掌握好球化剂和覆盖物的紧实程度，球化剂放在包中装的太松，反应过于激烈，如出铁温度过低，则应及时捅开包底的“结壳”，使球化剂顺利反应； （3）严格控制铁水的含硫量和含氧量。选用低硫焦炭和生铁。掌握好合理的供风制度，防止铁水过度氧化，在和其他牌号的铁水同炉熔化时，要

7、注意分离交界铁水，防止混入高硫铁水； （4）出铁时要防止酸性炉渣流入铁水包，特别是当采取炉外去硫操作时，要及时扒渣，以免“回硫”，消耗过多的球化元素，造成球化失败。 （5）生铁中有时会含有一些妨碍球化的元素，数量虽不多，危害却很大，因此球化处理不顺利时，可更换一下生铁。 讨论分析结论：针对我国目前球墨铸铁在钢铁行业中的重要地位，以及其将来的发展和壮大，我们必须加大对球墨铸铁的研究和应用，以便为我们的经济发展打下良好的基础。同时减少球墨铸铁铸件的缺陷是首要问题，球化不良是其中的一项重要问题，对以上的讨论和分析，我们在生产中要注意球化剂的使用和球化剂在球化过程中必须注意的问题。孕育剂改善球墨铸铁的

8、石墨化通常球铁生产中氧与硫成核的可能性取决于铁水的纯度和添加物，其保持时间和温度以及铁水的处理方法和添加物。此前使用的孕育剂是添加了Ca、Ba、Sn、Zn等金属的硅铁。添加这些元素的目的是使之与铸铁中氧和硫相结合以生成石墨核。但是与处理生成的有效的核数相比，铁水中的氧化硫数量相对较少，因此，用金属孕育剂的方法受到了限制。为使其增加有效性而使用了加入Ce、Ca、S、O等元素的新的孕育剂（详见下表）     Si    Ca    Ce   

9、0;Al    S    O 规定成份    70-75    0.75-1.25    1.5-2    0.75-1.25    <1    <1 有代表性加成份    73    1

10、    1.75    1    Tnace    tnace 用这种孕育剂不产生白口，为使阻碍球状化的有害元素无害化可调整Ca、Ce的量。另外，此孕育剂中含有少量的S、O在其溶入铁水过程中与Ce、Ca反应。此项孕育剂首要目的是：在铁水中引入金属元素同时也引入S、O等非金属元素。S可使石墨有效的生成，O在孕育过程起着非常重要作用。Ca在孕育时是第一反应元素同时在共晶时对石墨的核生成起着重要作用。Ce对S和O亲和力非常强，可以缓和其害处，

11、Ce的化合物也起核生成的作用。 由于增加这些元素使核数比通常的要增加，有助于石墨化，冷铁的减少白口并减少收缩。结果可制成有较高韧性和冲击性能的铁素体系铸铁。特别是这种孕育剂对低S铁水，使用精包处理的铁水和用喂係法的铁水都有效果。 这种新的孕育剂在二次孕育前的铁水和Mg处理后的铁水，经过长时间保持后，也同样可以陆续生成核。 制成铁素体、基体球铁时，强的生核作用和增加石墨数是必要条件。石墨数增加及其均一分布，有助于珠光体助长元素的偏析和缩孔的减少，和铁素体的生成。 使用这种孕育剂而得到改善的事例。 例1用加有Zn、Mn、Ca的孕育剂进行随流孕育，在薄壁铸件中苦于碳化物的生成和缩孔，改成这种孕育剂后

12、，没有白口，壁厚部位也无有缩孔。石墨粒数在壁厚2-3mm部位，原来为3N一粒/mm2，改变了孕剂后达到602粒，孕育剂的用量也减少25%。 例2用加有Sn的孕育剂，在壁厚5mm处石墨粒数只有312，而用这种孕育剂后在壁厚40mm处也可增加到340，并因此而减少了缩孔缺陷，同时减少了孕育剂的用量。 例3壁厚的铸件中由于石墨漂浮、偏析、缩孔、低球化率而受到困扰，原来用含Ba孕育剂，石墨数只有187个，后用这种孕育剂增加到357。而且缩孔减少，球化率提高10%，抗拉强度和冲击值提高了，加工时刀具的寿命也提高了50%。 含硫、氧的球墨铸铁孕育剂 常规的球墨铸铁生产中，铁中能否有硫化物和氧化物作为石墨结

13、晶的核心，取决于原铁水的纯度和添加剂、保持时间和温度以及冶金处理工艺和添加剂。 生产中通用的孕育剂是硅铁，其中还含有钙、钡、锶、锰和锆等金属元素。加入上述有反应能力的元素，目的是使其与铁中的硫和氧结合，为石墨提供有效的非均质结晶核心。但是，铁水中能起作用的硫和氧是有限的，孕育剂中的添加元素的作用，因而也是有限的。处理后可能形成的有效晶核的数量将制约孕育的效果。 为了增强孕育效果，推出了一种新型孕育剂，其中含有铈（Ce）、钙（Ca）、硫（S）和氧（O），见表I。已经证实，采用这种孕育剂，能使球墨铸铁的显微组织，更为均匀，缩孔倾向较小，从而有较好的加工性能。 表1 新型孕育剂的化学成分（%） &#

14、160;   Si    Ca    Ce    Al    S    O 规格要求    70-76    0.75-1.25    1.5-2.0    0.75-1.25   

15、; 1.0    1.0 典型实例    73    1    1.75    1    微量    微量 1Ca- Ce -S O的配合作用 孕育剂中的Ca和Ce，其含量已经调定到能使铸铁的白口倾向最小，并能中和阻碍形成球状石墨的微量元素的作用。孕育剂中含有少量的S和O，加入铁水后，可以和Ca和Ce反应。

16、新型孕育剂的主要作用是：在加入金属元素的同时，引进一定浓度的非金属元素（S和O）。孕育剂中反应能力强的Ca和Ce与硫、氧作用后，就会产生较多的石墨晶核。硫有利于形成石墨晶核，氧则对孕育过程有重要的作用。 通过瞬时孕育处理，石墨生核过程中，将同时受益于钙、铈、硫、氧的协同作用。孕育处理时，钙是首要反应元素，对共晶石墨生核有决定性的作用。均衡含量的铈，可以中和有害元素的作用，产生稳定的金属间化合物，且对硫和氧有强亲和力，从而生成高度稳定的氧化物、硫化物和硫氧化物。在整个凝固区间内，此类含铈的化合物都有助于改善生核条件，有益于孕育处理过程。 在球化剂、孕育剂和原铁水之间反应并产生晶核的同时，上述晶核

17、也一并起作用。 孕育剂成分的拟定，是要使球墨铸铁在减轻白口倾向和缩孔倾向的同时，还能强化石墨的生核条件。这种孕育的理念是新的，体现在加入硅铁的同时还加入非金属粉末，以使其有特殊的性能。 制造对韧性和冲击性能要求较高的铁素体球墨铸铁时，适于采用此种新型孕育剂。对于含硫量低的球墨铸铁，在转包中用镁处理的球墨铸铁或用喂线法处理的球墨铸铁，这种孕育剂特别有效。 2石墨球数增多 用含钙、铈、硫、氧的新型孕育剂，能使球墨铸铁中的石墨球数增多，并可改善各种性能，如： 因避免了形成硬质碳化物，加工性能改善； 促进石墨和铁素体形成； 减轻合金元素和微量元素的偏析； 减少凝固过程中的收缩； 提高韧性； 形成复杂的

18、铸件，不同部位的组织和性能比较均一。 大家都知道，瞬时孕育前保持了较长时间的原铁水或加镁处理过的铁水，其生核能力会大为减弱。此种情况下，采用新型孕育剂能有效地提供新的晶核。 生产铸态铁素体球墨铸铁件时，强生核作用和石墨球数增多是使铁素体含量最多的前提条件。采用新型孕育剂，可使石墨球的尺寸有大、小二种，呈双峰分布，这有助于减少收缩，并可在富含珠光体促进元素的偏析区沉积碳，以产生较多的铁素体。这种情况，间接地使铸件的加工性能改善。 3铸造厂的实际用例 这里，简略地举四个现场用例，供参考。 （1）铸造厂A A厂用感应电炉熔化，用盖包法进行球化处理。原先用含锆、锰、钙的孕育剂随流瞬时孕育。常遇到的问题是：在薄壁的复杂铸件上出现碳化物和收缩过多。 改用亲型孕育剂随流孕育后，薄壁处的碳化物消除了，肥厚部位钻孔后，