推土機用球墨鑄鐵孕育處理的改善

薛玉峰++謝觀福++王秀紅++安久戰++輝相男

文章編號：2095-6835（2016）13-0159-02

摘 要：研究了球墨鑄鐵孕育處理的工藝，針對推土機使用球墨鑄鐵件時存在的質量問題，分析了球墨鑄鐵孕育處理的目的和孕育處理熱力學、動力學條件，并闡述了孕育處理溫度控制機理，以便于正確選擇孕育劑，采用后孕育技術改進鑄件質量。后孕育處理技術的特點是減少了孕育劑量，節約了成本，操作簡單、易行，避免發生衰退問題，以提高鑄件的質量。

關鍵詞：球墨鑄鐵；孕育劑；后孕育技術；鑄件質量

中圖分類號：TG255 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.13.159

推土機使用球墨鑄鐵件時主要存在2個方面的質量問題：①軸承殼（14部件零件）（材質QT700-2）的廢品率高達30%.當工件加工到密封槽時發現，槽內部疏松孔眼嚴重，打壓漏封不住油，導致鑄件報廢。②油封座圈（27部件零件）（材質QT500-7）的廢品率高達20%.當工件加工到密封槽時發現，槽內部疏松孔眼嚴重，打壓漏封不住油，導致鑄件報廢。

如果鑄件的質量不好，就會導致廢品率提高，退賠率高，成本高，獲利少或得失相當。鑄件性能和組織均勻性差會增加刀具的損耗，嚴重影響生產效率，阻礙生產計劃的順利進行。

孕育處理是鑄鐵件生產的關鍵技術之一，它簡單、易行，實用效果好。下面，本文將簡要分析鑄件孕育機理、孕育環境、孕育溫度、孕育劑的選擇、后孕育的運用等內容，以期為日后的相關工作提供參考。

1 孕育處理的目的

在使用鑄造鐵液澆注之前，在一定條件下（一定的過熱溫度、一定的化學成分、合適的加入方法等），向鑄造鐵液中加入一定量的物質（孕育劑），以改變鐵液的凝固過程，改善鑄態組織，提高鑄件的性能。目前，孕育處理被廣泛應用于灰鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵、可鍛鑄鐵甚至特種鑄鐵的生產過程中。

孕育處理是球墨鑄鐵生產中的一個重要環節，使用這項技術可以達到以下3個目的。

1.1 消除結晶過冷傾向

球墨鑄鐵（QT）鐵液結晶過冷傾向比灰鑄鐵（HT）鐵液的大。隨著球墨鑄鐵鐵液中碳（C）、硅（Si）含量的變化，球墨鑄鐵（QT）的結晶過冷傾向不變化。雖然球墨鑄鐵中（QT）碳（C）、硅（Si）的含量比灰鑄鐵（HT）高，但是，有較大的白口傾向。而球墨鑄鐵（QT）金相組織中有片狀碳化物（共晶團邊界上析出），在快速冷卻的條件下，會出現部分或全部白口的現象。

球墨鑄鐵與灰鑄鐵在結晶過冷方面的區別是：由于鐵液中硫、氧的含量不同，灰鑄鐵鐵液中含有較多的硫和氧，所以，很容易形成大量的異質石墨晶核，促進灰口凝固。經過比較，球墨鑄鐵鐵液徹底地脫硫和脫氧，大大提高了鐵液的純凈度，再加上球化元素的存在，石墨形核比較困難。孕育處理的作用是向鐵液中引入外來的異質晶核，并在鐵液中引起較大的硅濃度的起伏，從而促進石墨晶核的形成。

鎂（Mg）、鈰（Ce）降低球墨鑄鐵共晶轉變溫度是球墨鑄鐵結晶過冷度大的另一個原因，它導致球墨鑄鐵出現白口現象。因為球墨鑄鐵的結晶過冷度大，所以，球墨鑄鐵鐵液經過球化處理后，必須進行有效的孕育處理，不然會出現薄壁、中等壁厚球墨鑄鐵白口的現象。

1.2 促進石墨球化

孕育處理能提高球狀石墨生長的穩定性，細化球狀石墨，增加球狀石墨核心，保證石墨球的圈整度。

1.3 減少晶間偏析

正偏析的元素（Mn、P等）、共晶團的生長過程都是在結晶前富集的。在凝固前，晶間產生脆性相，降低了球墨鑄鐵的塑性、韌性。而使用孕育處理技術能夠細化共晶團，減小共晶團間的偏析程度，提高鑄鐵的塑性和韌性。

2 孕育處理的熱力學條件、動力學條件

球墨鑄鐵的孕育處理過程主要包含了熱力學行為和動力學行為，要想達到預期的孕育效果，必須滿足熱力學條件和動力學條件的要求，具體包括以下幾點：①保證鑄造鐵液化學成分的準確性，基本元素（C、Si、Mn、S、P）的波動要小；②保證鐵液中充足的過飽和氧〔O〕含量，孕育處理離不開〔O〕，孕育處理過程就是脫氧的過程；③正確使用孕育劑，確保加入量的合理性；④在鐵液中加入與氧有較強親和力的元素（Nb、Ti、Mn、Al等），創造必要的條件，以便于析出SiO2；⑤孕育處理溫度略高于SiO2的平衡溫度；⑥為了確保SiO2有足夠的析出時間，要有效控制鐵液的冷卻速度和降溫幅度；⑦為了避免SiO2被破壞，要嚴格控制孕育劑的添加時間點，保證孕育劑加入到鐵液中的凝固時間間隔最短。

3 控制孕育處理的溫度

控制孕育處理溫度是孕育處理的關鍵。經過孕育處理能夠得到大量、有效的SiO2微粒，降低SiO2成渣、老化和被破壞的概率。由化學反應式SiO2+2〔C〕≒〔Si〕+CO↑可得：①當鐵液的孕育處理溫度高于SiO2平衡溫度時，反應式向右進行，碳（C）被氧化；②當鐵液的孕育處理溫度低于SiO2平衡溫度時，反應式向左進行，硅（Si）被氧化。

對于鑄造鐵液來說，需要注意以下幾點：①鑄鐵鐵液的溫度是變化的，不確定的。②無論鑄鐵鐵液溫度在SiO2平衡溫度之下還是之上，鑄鐵鐵液中都存在過飽和氧〔O〕。③當鐵液溫度高于SiO2的平衡溫度時，鑄鐵鐵液為溶解氧〔O〕和過飽和CO；當鐵液溫度低于SiO2的平衡溫度時，鑄鐵鐵液為溶解過飽和氧〔O〕和析出SiO2微粒。鑄鐵鐵液溫度變化時，〔O〕量也隨之變化。④當鑄鐵鐵液的溫度不變時，〔O〕量下降。鐵液溫度越高，〔O〕量下降越快。不是生成的SiO2微粒都是有效的，在孕育過程中，它可能被氧化成SiO2渣，或被老化、破壞，起不到孕育的作用。

綜上所述，鑄鐵鐵液的溫度需高于SiO2的平衡溫度，孕育處理溫度應高于SiO2平衡溫度50 ℃以下。當鐵液溫度降低時，反應式SiO2+2〔C〕≒〔Si〕+CO↑向左進行，得到大量有效的SiO2微粒。另外，孕育處理溫度不能太低，要保證孕育劑能充分熔化，澆注出完整的鑄件。

平衡溫度是有鐵液C、Si成分及其活度決定的。表1為幾種碳硅含量鐵液的平衡溫度。

4 孕育劑的選擇

到目前為止，孕育劑主要是以硅基為主，使用率最高的是FeSi75，如表2所示。多數情況下，主要添加以下幾種元素來滿足生產需求。添加元素的作用是：①活性元素（Al、Ce、Ca等）能推動SiO2微粒析出基底（高熔點氧化物）的生產；②石墨化元素（Al、Ca、Sr、 Ba等）能增加碳（C）的活度，加快石墨的析出速度；③反石墨化元素（Mn、Cr等）能提高鐵液過冷度；④球化有害元素（Ti、Bi、Sb、Te等）主要針對體積大、壁厚厚鑄件的孕育處理。

以上幾種元素形成的高熔點氧化物都可以作為SiO2微粒析出的基底。

通常情況下，正常壁厚的球墨鑄鐵件使用孕育劑（FeSi75）后，孕育效果很好。但是，因為灰鑄鐵過冷度小，所以，孕育劑（FeSi75）的孕育效果不佳。如果采用復合孕育劑（活性元素+石墨化元素+反石墨化元素）孕育鑄鐵時，效果會更好。

孕育劑有很多，多達上千種，具體選用細則如下：①根據鑄件的種類、結構特點和生產工藝條件選用；②首選工藝穩定、管理嚴格、質量有保證、數據齊全、可信賴的孕育劑廠家生產的產品；③對于體積、質量、壁厚差相差特別大的鑄件，應該使用不同粒度的孕育劑；④經過生產實踐，要確定孕育劑采購點，不要輕易改變。

5 采用后孕育技術改進鑄件質量

鑄件中的石墨球徑主要分為2類，即大球徑石墨和小球徑石墨。大球徑石墨的數量相對比較少，一般是孕育處理前由鑄鐵鐵液形成的；小球徑石墨的數量相對比較多，一般是孕育處理后由鑄鐵鐵液形成的。為了得到所需的球徑分布，要經過多次孕育處理。實踐證明，越是后面的孕育處理，獲得的石墨球徑越小，數量越多。

通常情況下，在鑄鐵鐵液中加入孕育劑后，當鑄鐵鐵液的溫度降到SiO2平衡溫度以下時，能夠得到有效的SiO2晶質微粒。由于鐵液溫度在凝固點以上，所以，不能都生成石墨晶核。從孕育處理到凝固這一階段，SiO2晶質微粒會被氧化或與其他元素（比如錳）反應變成SiO2渣，或被老化、破壞，起不到形核的作用。這個階段的時間越長，SiO2晶質微粒被破壞的可能性就越大。在凝固過程中，未被老化、氧化、渣化、破壞的SiO2晶質微粒會在比較高的鐵液溫度下成核。

隨著沉積石墨的增加，石墨球徑越來越大，數量越來越少，達不到預期的效果。綜上所述，從孕育處理到凝固這一階段的時間越短越好。這表明，后孕育處理工藝有很好的孕育效果。

6 推土機用球墨鑄鐵改進情況

使用球墨鑄鐵孕育處理工藝改進推土機后，選用后孕育技術，以軸承殼（14部件零件）（材質QT700-2）、油封座圈（27部件零件）（材質QT500-7）為例，具體改進情況如下。

對于軸承殼（14部件零件）（材質QT700-2），材料的疲勞強度大于300 MPa。在生產性試驗的150件軸承殼中，內外廢之和低于3%，所用的孕育劑為FeSi75（粒度0.8～2 mm），使用量（質量分數為0.15%）是確定的，孕育過程是自動化、機械化的，澆注溫度1 460 ℃。在此值得注意的是，孕育劑的使用量要恒定，澆注速度要穩定，要嚴格控制澆注時間。

經過實踐，解決了軸承殼（14部件零件）密封槽內部疏松孔眼的質量問題，有效避免了打壓漏封不住油，導致鑄件報廢的現象，廢品率由以前的30%降到3%以下。

對于油封座圈（27部件零件）（材質QT500-7），在生產性試驗的200件油封座圈中，內外廢之和低于3%，所用的孕育劑為FeSi75（粒度0.8～2 mm），使用量（質量分數為0.15%）是確定的，孕育過程是自動化、機械化的，澆注溫度為1 460 ℃。在此值得注意的是，孕育劑使用量要恒定，澆注速度要穩定，要嚴格控制澆注時間。

經過實踐，解決了油封座圈（27部件零件）密封槽內部疏松孔眼的質量問題，有效避免了打壓漏封不住油，導致鑄件報廢的現象，廢品率由以前的20%降到3%以下。

7 結束語

后孕育處理是孕育處理過程與澆注過程同時進行的，主要包括型內孕育和隨流孕育。型內孕育不需要添加設備、車間，對環境的污染小，操作方法簡單，能夠達到預期的效果。在此需要強調的是，鐵液孕育溫度必須保證孕育塊均勻、充分的溶解。隨流孕育的優點是操作簡便，孕育均勻，效果顯著。

為了達到最佳的孕育效果，可采取以下措施：①采用可靠的、自動給料進度高的、功能齊全的自動隨流孕育裝置，保證孕育劑給量的精確性和穩定性；②嚴格控制澆注時間，保證澆注時間的精確度，采用扇形澆包。

參考文獻

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〔編輯：白潔〕