大型球鐵汽車模具鑄件球化等級的提升

田萬剛，徐達義，韓書章

（安徽蕪湖瑞鵠鑄造有限公司，安徽蕪湖 241009）

隨著中國汽車工業的快速發展，中國汽車模具行業的發展也是突飛猛進，其設計和制造水平大幅提升，與發達國家的水平差距不斷縮小，一些從前需要從國外進口的高端汽車模具，現在基本自足，而且有些模具已出口國外，參與到世界級車企的配套。汽車模具的發展，尤其是大型拉延模，離不開優質高端的球鐵鑄件；這類鑄件不但需要優越的機械性能，而且要有良好的金相組織，對球鐵來說，球化等級就是衡量球鐵金相組織的一個關鍵指標。大型球鐵模具鑄件，按照國際汽車模具行業（NAAMS）標準要求，鑄件本體試樣球化等級穩定達到90%，也就是球化等級達到2 級，這對模具鑄件，尤其是十幾噸，二十幾噸的厚壁鑄件，是一個不小的挑戰。我公司通過對球化、孕育處理工藝及球化劑、孕育劑進行分析、改進，使此類球墨鑄鐵本體試樣的球化等級達到2 級以上，現以D6510 材質為例，進行簡要說明（以下實驗選用鑄件單件重量均大于10 t）。

1 原生產工藝

原生產工藝：熔煉設備采用10 t 一拖二日本富士電機中頻電爐，最大熔煉噸位20 t，通過倒包，可一次澆注30 t 鐵液；D6510 原鐵液成分:w（c）:3.5%～3.6%，w（si）：1.2%～1.3%，w（Mn）≤0.40%，w（P）≤0.06%，w（S）≤0.035%，w（Mo）:0.4%～0.6%，w（Ni）:0.4%～0.6%,w（Cu）:0.5%～0.7%;球化處理所用球化劑為1.4%～1.5%的RE2Mg6SiFe 合金，孕育處理采用1.0%的75Si-Fe 合金，先加入球化劑，再覆蓋75Si-Fe，上面覆蓋鐵屑和鐵板，采用直接沖入法進行球化處理，Mg殘：0.035%～0.060%,RE殘：0.02%～0.04%，用直徑45 mm 本體試棒，測得球化等級，部分的在3級，很多在4、5 級，達不到NAAMS 的材質標準要求，金相組織如圖1。

圖1 原工藝處理后的金相組織（原圖：150×）

2 提高球化等級的實驗方案

為提高球化等級，對原來的球化劑和孕育工藝進行了改進實驗。

（1）球化劑的選擇

通過對前期的大量球化等級進行分析，發現5 t以下球鐵件平均球化率為85%，5～10 t 的平均球化率為80%，10 t 以上的平均球化率僅有70%。

通過對鑄件噸位與石墨形態關系的分析，認為隨鑄件噸位的提高，鑄件壁厚也相應增大，鐵液凝固時間長，若使用輕稀土球化劑會出現球化衰退，使石墨形態畸變，導致球化等級下降。以前使用的主要是鈰基輕稀土球化劑，抗球化衰退能力差；而重稀土元素具有深度脫氧、脫硫的作用，促進鐵液中形成大量細小的石墨球，延長鐵液保持球化效果時間，所以重稀土球化劑具有良好的抗衰退能力。但是完全使用重稀土球化劑，易造成石墨球周圍不光滑，因此決定重稀土球和輕稀土搭配使用，根據處理鐵液量調配比例，重稀土球化劑牌號為龍釔OGRC-4.5，其主要成分如下：

Mg:5.0%～6.0%；Ca:1.6%～2.4%；RE:1.6%～2.4%；Si:43%～47%；Al＜1.0%。

球化劑粒度為5～25 mm,采用沖入法，加入量為1.4%，使用70%的重稀土球化劑，加30%的的輕稀土球化劑，澆注15 t 重的D6510 材質鑄件，金相組織如圖2。

圖2 70%重稀土球化劑處理金相組織圖（原圖150×）

（2）孕育方式的完善

通過使用重稀土球化劑，球化等級有明顯的提升，大部分球化等級達到3 級，但是石墨大小和數量達不到要求，根據球鐵形核理論分析認為，石墨大小和數量受孕育效果影響較大，原來主要采用球化劑上覆蓋孕育劑進行孕育，球鐵的CE 當量很高，球鐵原鐵液過冷度很小（大大低于灰鐵原鐵液），可是球化反應后，球鐵鐵液的過冷度就增大很多，原因是球化元素Mg、RE 同時也是白口化傾向非常大的元素，整個球化反應結束后，鐵液的過冷度將達到最大，覆蓋和延緩球化反應進行的作用，其孕育功效非常有限，而孕育的目的一方面是降低過冷度，減少白口化傾向，另一方面增加結晶核心，提高形核能力，而最有效的孕育方式為隨流孕育（又稱瞬時孕育），為此，我們專門設計制做了隨流孕育裝置，同時選擇具有抗孕育衰退的硅鋇隨流孕育劑，粒度為≤1 mm，加入量為0.2%～0.5%，其化學成分如下：

Si:65%～70%；Ba:2.0%～4.0%；Ca 微量；Al≤3%。

調整孕育方式為：一次孕育，球化劑覆蓋75Si-Fe；二次孕育，澆注時在澆口杯對鐵液進行隨流孕育Si-Ba。

（3）最后確定的改進方案

通過球化劑的調整和孕育方法的改變，球化率級逐步穩定在90%以上，最后采用的改進方案：

（a）球化劑采用50%的輕稀土和重稀土混合使用，根據原鐵液的含S 量確定球化劑的加入量，殘留鎂為0.04%～0.06%，殘留稀土為0.02%～0.04%；

（b）孕育劑采用兩次孕育，一次孕育為球化劑覆蓋，加入量為1.0%～1.2%，二次孕育為隨流孕育，孕育劑為硅鋇，孕育量為0.25%。

（c）球化處理工藝優化,根據處理鐵液量的不同,對5 t、10 t 等澆包分別制定了球化控制標準。球化劑、孕育劑覆蓋，制定了專用緊實工具，確保搗實，上面覆蓋專用鐵板，嚴格控制球化反應時間，防止球化反應劇烈，球化劑氧化燒損。反應時間：5 t 以下60～80 s，5 t 以上80～120 s，從球化結束到澆注完畢必須在15 min 以內完成。

通過以上述球化改進實驗，金相組織圖片如圖3所示。

圖3 最終改進后金相組織圖（原圖：150×）

3 結論

生產汽車模具大型球鐵鑄件時，要求輔助試樣球化等級達到2 級，可以采取以下措施：

（1）選用優質爐料，減少爐料中的反球化元素;

（2）選用輕稀土和重稀土搭配使用，充分利用兩種球化劑的優點，解決了大斷面球鐵件球化衰退和石墨畸變的問題，提升了球化級別;

（3）采用一次孕育和瞬時孕育相結合的方式，提高孕育能力，增加單位面積石墨球數，延長有效孕育時間，減少衰退；

（4）嚴格規范球化處理工藝，控制過程參數，保證生產的穩定性。

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