熔模鑄造鑄態QT800-5開發與應用

陳娟 金柱 馬波 李喬

摘要：本文主要介紹了采用熔模鑄造工藝實現鑄態性能達成抗拉強度≥800MPa，延伸率≥5%，主要的技術措施是：1、利用合金元素Mn和Cu等合金強化基體組織;2、通過采用低鎂低稀土球化劑FeSiMg6Re2，包內孕育采用75SiFe，倒包孕育采用4-8mm的鋇硅鐵孕育劑，三次型內孕育采用2—4mm的鋇硅鐵孕育劑;3、球鐵原鐵液化學成分控制為：W（C）：3.3%一3.5%，W（Si）：2.3%一2.5%，W（Mn）：0.8%一1.0%，W（Cu）：0.7%-0.9%。試驗結果表明，基體組織中珠光體含量≥85%，球化等級≤2級，力學性能能夠滿足要求。

關鍵詞：鑄態;熔模鑄造;QT800-5;合金化

中圖分類號：TG255 文獻標識碼：B 文章編號：1005-2550（ 2018） 02-0105-04

引言

隨著汽車工業的迅猛發展，人們對整車的性能要求越來越高，為了進一步提高產品競爭力，實現目標產品輕量化，提高整車的NVH性能，本公司對熔模鑄造高強度高延伸率球鐵進行了大量的探究與試制。本文主要對熔模鑄造鑄態QT800-5生產工藝進行探討，為熔模鑄造高性能球鐵提供理論依據及技術指導。

1 實驗過程

1.1化學成分依據

（1）含碳量

碳能促進鎂吸收率提高，改善球化，含碳量的選擇應從保證球墨鑄鐵具有良好的力學性能和鑄造性能兩個方面考慮。含碳量高，鐵液的流動性好，凝固析出石墨數量越多，石墨球數多，石墨化膨脹體積增大，減小縮孔體積，縮松面積，使鑄件致密;但含碳量過高，降低縮松的作用不明顯，反而出現嚴重的石墨漂浮。另一方面，含碳量過高，則為保證球化所需的殘余鎂量要增多，例如碳含量從3.0%提高到4.0%時，殘余鎂量從0.028%增加到0.044%，才能保證球化。

（2）含硅量

硅明顯促進石墨化，以孕育劑的方式添加硅的作用更顯著。對于鑄態球鐵，增加含硅量有雙重作用。一方面使滲碳體、珠光體、三元磷共晶減少，鐵素體量增加，因而改善塑性;另一方面硅固溶強化鐵素體，使屈服點和硬度提高。但是，硅顯著增加球鐵韌一脆轉變溫度;并且當硅增加到一定含量以后，球鐵的脆性隨其含量的增加而明顯增加。

（3）含錳量

錳是珠光體的促成元素，但錳比銅、錫促進珠光體形成趨勢稍弱。可以提高鑄件的強度和硬度，降低塑性韌性。隨著錳含量的增加，鑄態時更容易出現共晶滲碳物。當錳量小于0.4%時，得到的鐵素量體越多，斷后伸長率越大。抗拉強度和硬度隨錳量的增加而增大。在考慮錳對基體組織和力學性能影響的同時，要注意錳會使鑄件白口傾向增加，是偏析傾向特別顯著的元素，易形成碳化物并富集在共晶團邊界。

（4）含銅量

銅是很強的促進珠光體形成元素，在共析轉變時，銅顯著細化和穩定珠光體，其促進珠光體的能力為錳的3倍，銅在共晶轉變時，促進石墨化，可減少或消除游離滲碳體的形成，在共析轉變時，促進珠光體的形成，可抑制鐵素體的形成，對基體起固溶強化、沉淀硬化的作用;同時隨著銅含量的增加，球墨鑄鐵抗拉強度和硬度相應增加，但斷后伸長率有所下降為中等促進石墨化元素，它能穩定奧氏體，提高奧氏體的穩定性及石墨的圓整度。

根據化學元素對球鐵力學性能以及鑄造性能的影響，為了滿足高性能QT800-5抗拉強度≥800MPa，同時延伸率≥5%性能要求，在保證球化等級的前提下，還需進一步強化基體組織，保證基體組織具有一定的珠光體含量，為實現性能穩定達成，且綜合考慮到成本因素，本文加入了一定量的Mn和Cu提高鑄態組織珠光體含量，并強化細化珠光體組織。化學成分控制見表1。

1.2熔煉工藝

采用中頻感應電爐中性爐襯熔煉，生鐵：其塊度小于爐膛內徑的3/4，表面無銹蝕、油污和水漬，牌號為Q10，爐料配比為;生鐵45～ 60%、回爐料25～ 40%，其余為廢鋼。

1.3球化處理

本文采用一次出鐵進行球化處理，采用沖入法，球化劑選用FeSiMg6RE2，粒度為10-30 mm，加入量為處理鐵水重量的1.2%～1.4%，球化處理溫度控制在1490～ 1530℃，球化反應時間在45～70s。

1.4孕育處理

孕育處理工藝效果的好壞直接影響鑄件的力學性能，研究表明，多次孕育效果好于單次孕育，且孕育處理工藝越接近澆注，孕育效果越好;為保證孕育效果穩定，孕育時間亦要穩定控制，若孕育時間越長，孕育衰退就越嚴重，石墨球化等級可達到4級，石墨圓整度越差。為達成具有較高抗拉強度的同時，具有較高的延伸率，須要增強球化孕育效果，提高球化等級。本文孕育處理采用三次孕育方式，球化處理時選用粒度為4-8mm的FeS175孕育劑進行初次孕育，加入量為處理鐵水重量的0.4%;轉包時選用粒度在4-8mm的鋇硅鐵孕育劑，通過沖入法進行二次澆包孕育，加入量為鐵水重量的0.4%;澆注時選用粒度在2-4mm的鋇硅鐵進行三次型內孕育，孕育量為模組重量的0.2%。鋇硅鐵孕育劑化學成分見表2。

1.5試驗方法

根據GB/T1348-2009《球墨鑄鐵件》標準，試驗時采用微機控制電子30 t萬能拉伸試驗儀，Y形單鑄試塊，加工試樣形狀與尺寸如圖1。金相檢驗依據GB/T9441-2009球墨鑄鐵金相檢驗標準執行。

2試驗結果及分析

本文是在Y型試塊上取試棒做鑄態性能試驗，并截取試棒金相進行檢測。在上述化學成分下進行了3輪次試驗驗證，每輪次取2根試棒進行性能試驗，試驗結果如表3。

由試驗結果可得，通過Mn與Cu的合金化作用，并通過加強球化孕育工藝控制，可使基體組織中石墨球化等級達到1-2級，珠光體含量≥85%，滿足QT800-5抗拉強度≥800 MPa;延伸率≥5%性能要求，基體石墨形態及組織珠光體含量見圖2-圖5。

由圖2和圖4可以看出，采用“球化包孕育+倒包孕育+型內孕育”三次孕育方式，基體中石墨球數明顯增多，球徑減小，石墨球圓整度提高，能夠顯著促進石墨形核。這是因為在鐵水中未完全溶解的起合金作用的硅，這部分硅能起到孕育作用，完全溶解到鐵水中的硅不能作為石墨形核質點，起不到孕育效果。

在采用“球化包孕育+倒包孕育”后，鐵水中的硅含量會升高，但隨著孕育時間的延長，孕育劑不斷溶解于鐵液中，活性硅的含量會逐漸降低，鐵液中不能提供足夠的形核質點供石墨晶體形核，孕育效果隨鐵液停留時間的延長而衰退，單位面積上的石墨球數逐漸減少，當采用“球化包孕育+倒包孕育+型內孕育”三次孕育方式后，能夠補充鐵液中的活性硅含量，減緩了因澆注時間延長而出現孕育衰退現象，使熔體在凝固前均存在大量的形核核心，增強了石墨的形核能力，可使石墨球大小等級達到8級。

由圖3和圖5可以看出，在采用合金元素Cu和Mn后，可顯著提高基體中的珠光體含量，促進珠光體的形成，抑制鐵素體的形成，對基體起固溶強化、沉淀硬化的作用，提高球墨鑄鐵的抗拉強度;另一方面，與砂型鑄造相比，熔模鑄造型殼較薄，鑄態組織在凝固過程中，冷卻速度較快，冷卻速度對基體組織影響較大，外界冷卻速度越快，基體中珠光體含量增大，兩方面綜合因素，使基體組織的珠光體含量穩定控制為≥85%，實現抗拉強度≥800MPa。

3結論

（1）熔模鑄造QT800-5合金化及強化孕育操作，球化級別可達到1～2級，球化率≥95%;熔模鑄造生產鑄態QT800-5，珠光體含量控制≥85%為宜，應盡量提高球化等級和石墨大小等級;

（2）合理控制化學成分、嚴格并精細球化與孕育工藝操作，能夠實現熔模鑄造高性能QT800-5的穩定生產。