中硅鉬耐熱球墨鑄鐵的生產控制

房敏，吳小雄

中硅鉬球墨鑄鐵具有良好的高溫力學性能、高溫穩定性能和抗氧化性能，因而被廣泛地用于發動機排氣歧管的制造，已成為國際上排氣歧管的首選材料。

我公司長期為國外某大型發動機企業提供中硅鉬耐熱球墨鑄鐵排氣歧管，在多年的生產實踐中得出：通過嚴格的爐料選擇，合理的成分控制，選擇合適的球化劑、孕育劑，以及球化處理和孕育處理工藝，可以確保排氣歧管本體材質合格，不出現顯微縮松等缺陷。

1.材料技術要求

（1）化學成分 客戶要求的化學成分如下：wC＝3.00%～3.35%，wSi＝3.80%～4.20%，wMn≤0.40%，wS≤0.020%，wP≤0.04%，wMo＝0.60%～0.80%，wMg＝0.028%～0.060%。

（2）金相組織及力學性能 本體金相組織：球化率≥85%，基體組織中珠光體≤10%，碳化物≤3%。要求本體力學性能：抗拉強度≥450MPa，屈服強度≥310MPa，斷后伸長率≥8%，硬度179～241HBW。

2.遇到的難點

在實際開發初期以及前期試制生產中，發現中硅鉬球墨鑄鐵會出現以下問題。

（1）中硅鉬球墨鑄鐵由于硅量較高且含有一定的鉬，因此流動性差，鑄件的冷隔、縮松、縮孔缺陷傾向較大，尤其是顯微枝晶縮松特別突出。

（2）由于硅鉬球墨鑄鐵主要在高溫下使用，對熱穩定性要求很高，為避免因發生相變而影響材料的力學性能和產品的幾何尺寸，要求基體為鐵素體組織，珠光體和碳化物不能超過規定的最大值。

（3）金相組織中會出現碎塊狀石墨，實際生產中當熔煉工藝不合理時，壁厚大于30mm的心部很容易出現碎塊狀石墨，導致本體球化率達不到85%以上，且會嚴重降低斷后伸長率。

（4）中硅鉬球墨鑄鐵中，鉬是強烈促進碳化物形成的元素。隨著鉬含量的增加，鉬的碳化物量增加，材料的塑性下降，同時鉬導致硅鉬球墨鑄鐵的自補縮能力下降，產生顯微枝晶縮松，使材料的塑性進一步急劇下降，不能穩定達到客戶的要求。

3.成分控制及熔煉工藝

（1）碳和硅的控制 中硅鉬球墨鑄鐵中的硅能固溶于鐵素體中，強化基體，提高材料的強度和硬度，但硅含量過高會使鐵素體晶格畸變太大，增加了材料的脆性，同時過高的硅會相應地使碳量控制降低，這就會加重鐵液的收縮。在保證其具有良好的抗氧化性、高溫抗蠕變性能和耐熱性能下，同時考慮到鑄件的縮松特性，硅可以控制在要求的下限。通過控制合適的碳當量（一般在4.5%～4.7%，實際中發現太高或者太低都會出現很大的縮松、縮孔傾向），計算出合適的碳的控制量。因為高硅含量和高碳當量通常會使硅鉬球墨鑄鐵更容易產生碎塊狀石墨，同時會增強對稀土元素的敏感性。考慮到硅鉬球墨鑄鐵碳當量的重要性，因此推薦采用碳硫分析儀測量碳（包括硫）。終鐵液目標碳控制在客戶要求的上限即wC＝3.20%～3.35%，終鐵液目標硅控制在客戶要求的下限，即wSi＝3.80%～4.00%。

（2）鉬的控制 鉬能使球墨鑄鐵的耐熱疲勞性、高溫強度、高溫下的抗氧化性、尺寸穩定性等性能大為提高。同時鉬溶入鐵素體，形成穩定的特殊碳化物Fe3Mo3C，強化鐵素體基體，緩解球墨鑄鐵在高溫下的軟化趨勢，提高其抗蠕變的能力，但鉬價格昂貴，基于成本方面的考慮，將鉬含量控制在客戶要求的中下限，即wMo＝0.6%～0.7%。

（3）鎂及其他元素的控制 錳促進珠光體的形成，鐵素體量相應減少，且使得碳化物極易在晶界處形成，導致塑性下降。磷、硫及其他微量元素都是有害元素，其含量應越低越好。鎂和稀土元素加入量應合適，其都是促進珠光體和碳化物形成的元素，在保證球化率的前提下，硅鉬球墨鑄鐵中鎂要控制在低限。因為硅可以提高石墨球數和石墨化，因此在硅鉬球墨鑄鐵中鎂含量可以低一些。在實踐中發現硅鉬球墨鑄鐵中殘余鎂和稀土量超過一定量時，會強烈促進碎塊狀石墨的出現。綜合考慮，應控制wMn＜0.20%，wP＜0.035%，wS＝0.008%～0.020%（原鐵液），wMg殘余＝0.028%～0.040%，wRE殘余＜0.010%。

（4）球化孕育工藝的選擇 硅鉬球墨鑄鐵比一般球墨鑄鐵收縮大，顯微縮松傾向大，即使壁厚不是很厚，也很容易形成碎塊狀石墨（見圖1）。實踐中發現，在硅鉬球墨鑄鐵中超量的稀土很容易導致碎塊狀石墨的產生，且其敏感性比一般的球墨鑄鐵要嚴重，雖然在實踐中發現可以添加適量的銻來解決，但是銻會增加珠光體量，導致鑄件需要熱處理消除珠光體，這不僅會增加成本且鑄件會有變形的風險。為此，通過多次試驗及總結，在優質原鐵液情況下選用含鑭球化劑，其加入量為1.1%～1.2%。包內孕育劑采用硅鍶，加入量0.40%～0.60%，隨流孕育劑采用硫氧孕育劑，以進一步增加鐵液的形核能力，可以獲得金相良好和收縮小的硅鉬球墨鑄鐵。

鑄件生產配料如下:廢鋼35%～50%、高純Q10生鐵15%～25%、其余為回爐料。此外沖入法澆包高徑比大于1.8，要保證快速一次出鐵以及準確的出鐵量，以保證較高且穩定的鎂吸收率。

4.中硅鉬球墨鑄鐵中的富鉬沉淀相

由于鉬是強碳化物形成元素，所以中硅鉬球墨鑄鐵中的顯微結構通常在鐵素體基體上含有少量晶粒邊界碳化物。金相中可見一定數量的白色組織在晶界存在（見圖2a)，從其形態初步判斷為晶界碳化物，基體以鐵素體為主，白色組織沿晶界分布，周圍伴生少量的“珠光體”。某些規范要求進行鐵素體化退火來消除這種“珠光體”。但是在較高放大倍數下觀察，發現其晶粒邊界含有精細沉淀，該沉淀呈現出類似于球體或桿狀的形狀（見圖2b)。國外有文獻從顯微結構分析，半量化的化學分析和膨脹計算結果已經證明其不是真正意義上的珠光體，而是高溫穩定性更好的富鉬沉淀相。在實際生產的熱處理中發現，這種組織在960℃以上都難以全部分解。圖3a是在800℃保溫2h進行退火的顯微結構，圖3b是在960℃保溫2h進行退火的顯微結構。

5.結語

（1）在客戶要求范圍選擇最佳的內控化學成分:wC＝3.20%～3.35%，wSi＝3.80%～4.00%，wMn＜0.20%，wS＜0.020%，wP＜0.035%，wMo＝0.60%～0.70%，wMg＝0.028%～0.040%。

圖1 典型的碎塊狀石墨（本體壁厚35mm）

圖2 硅鉬球墨鑄鐵沉淀相的顯微結構（鑄態）

圖3 硅鉬球墨鑄鐵沉淀相的顯微結構（高溫退火）

（2）合理地選擇配料方案，選擇優質生鐵（如南非生鐵），將原鐵液的各種微量元素控制到最低。

（3）選用合適成分的含鑭球化劑及硅鍶孕育劑并適度孕育，不僅可獲得良好的球化率，避免出現碎塊狀石墨，同時可使鐵液縮松傾向降低到最小。

（4）中硅鉬耐熱球墨鑄鐵中存在高溫穩定性很好的富鉬沉淀相。

由于鑄造生產影響的因素較多，各公司需結合具體情況選擇適合的球化工藝，以上論述僅供同行參考。