船用大型球墨鑄鐵件典型缺陷的影響因素

蘇燕萍，吳逸智，孔德成

（江南造船（集團）有限責任公司，上海 200032）

0 引言

隨著鋼鐵生產加工技術的發展，球墨鑄鐵生產加工技術得到大幅度改善，加上其優良的性價比，近年來應用范圍越來越廣，并且在多個行業中成為鑄鋼與灰鑄鐵件的替代品。但是球墨鑄鐵也存在一定的缺陷，特別是在厚大斷面鑄件中，時常會出現質量問題。針對此類問題，國內學者開始對其進行研究，分析其產生的原因以及影響因素。本文通過分析球墨鑄鐵常見的缺陷，在此基礎上對某公司生產的船用厚大斷面球墨鑄鐵鑄件進行試驗，討論大型球墨鑄鐵鑄件缺陷影響因素，以期為船用大型球墨鑄鐵鑄件生產技術改善提供一些思路和方法。

1 典型缺陷分析

1.1 球化不良

球化不良會導致鑄件的力學性能下降并且明顯降低鑄件伸長率，這種缺陷典型特征表現為斷口面呈現銀灰色，同時不均勻分布大量的黑色斑點。通過光學顯微鏡觀測，可以看到石墨以片狀分布在石墨聚集區，并且球狀石墨大小為5 級，含量非常少，整體球化率在2～3 級。通過熱分析技術相關理論，導致鑄件球化不良的主要原因是鐵液中鎂、錸等元素殘留量影響，而導致鎂、錸元素含量超標的原因是前期投料時雜質較多，扒渣處理不到位，這導致鐵液中S 和活性氧含量增高，它們與鎂、錸發生反應，導致球化不良；另外，在澆注時，由于鎂、錸在鐵液出爐時被消耗，殘余量非常少，同樣造成球化不良。

1.2 縮松

縮松缺陷主要呈現出蠅腳狀黑點或者灰暗疏松孔，它主要產生于熱節區，通常尺寸較大，最終成型于鑄件表面。微觀縮松是在二次收縮末期產生的，主要是晶間鐵液或共晶團在負壓環境中凝固形成。縮松特征是球墨鑄鐵鑄件獨有的缺陷，也是與其他鑄件的差別所在。在凝固成型中，由于負壓導致二次收縮產生真空區，待凝固后即產生縮松缺陷。究其原因，鐵液在煉化中，扒渣工作不到位，鐵液被嚴重氧化，導致其化學成分含量不穩定，特別是碳當量、硫、磷等元素，對鑄件縮松產生較大影響作用。當碳當量減少，鑄件中石墨含量也會降低，縮松增加，當硫、磷含量增加，鐵液中的鎂、錸被消耗，阻止鐵液補縮，影響球化率。

1.3 氣孔

鑄件氣孔一般成型于表皮2～3 mm 之下，其形狀較多，可以呈現橢圓球狀或者蜂窩狀分布的球形，有些還表現為針孔狀內壁光滑孔洞。這種缺陷多見于小型球墨鑄鐵鑄件中。形成氣孔的主要原因是球墨鑄鐵鑄件在粥狀凝固時，液體表面張力會增大，并且還會形成一層氧化膜，使得液體內部氣體無法排除，在逐漸降溫凝固后，氣體則以氣孔形式留在鑄件表皮以下。另外，在澆注時，EPS 模樣氣化得到的氣體弱若無法排除，則會導致鑄件氣孔缺陷，特別是在小型鑄件中，這種缺陷較為常見[1]。

1.4 裂紋

裂紋是由于鑄件在凝固中的內應力超過金屬本身抗斷裂強度，是一種自身破壞缺陷。當斷裂溫度較高時，斷口會呈現出暗褐色，當溫度低于600℃時，此時鑄件斷裂，斷口呈現淺褐色，這種斷裂也叫冷裂。通過分析可知，當球化不足時，白口傾向增大，導致冷裂現象發生，并且冷卻速度太快，由于鑄件內部存在較大的組織應力，則導致鑄件邊緣地區產生裂紋。其中，磷元素也是引起裂紋的主要因素，當其含量超過0.25%時，對于大型球墨鑄鐵鑄件，容易引起熱裂[2]。

2 試驗結果及分析

本文根據船用大型球墨鑄鐵鑄件使用情況，選擇多種尺寸鑄件進行研究。鑄件壁厚從小到大依次為40 mm、80 mm、120 mm、180 mm、220 mm，除最后一級之外，其余每級長度均為250 mm，然后進行階梯試樣和澆注。球墨鑄鐵鑄件生產原料為35%優質廢鋼、65%高純生鐵、增碳劑；生產條件為1.5 t 中頻爐，最高熔煉溫度1500℃；處理工藝為沖入法球化和孕育處理，球化劑和孕育劑分別為REMg 合金和SiBa 合金，每次能夠處理1 t 鐵液。并且設置4 個澆注溫度，即1310℃、1330℃、1350℃、1370℃。表1 是不同方案鑄件處理后的鐵液化學成分組成。采用熱分析儀來分析冷卻曲線，帶成型后先目視檢測，記球墨鑄鐵鑄件基本情況。

表1 不同方案鑄件孕育處理后鐵液的化學成分

經過對上述4 種方案鑄件進行測試分析，可以發現對船用大型球墨鑄鐵鑄件主要的影響因素為碳當量、石墨形態以及微量元素。

2.1 碳當量對縮松等缺陷的影響作用

球墨鑄鐵鑄件之所以產生縮松缺陷是因為鑄件凝固成型中石墨化膨脹引起的。當碳當量穩定時，壁厚增大，則凝固時間變長，在此過程中若是不補縮，最終會導致縮松；當壁厚穩定時，碳當量越大孕育效果越好，則石墨化導致的膨脹量會增大。一旦鑄件強度不能抵抗膨脹力，會出現縮松缺陷。但是可以將膨脹力控制在能夠抵抗階段，這樣鑄件就不會出現縮松缺陷，即可以適當提高碳當量[3]。但是一味提高碳當量還會帶來石墨漂浮情況，溫度越高，碳當量越大，則石墨漂浮現象越明顯，特別是大型鑄件，凝固時間長，形成石墨漂浮幾率大。

在本文試驗條件下，要綜合考慮碳當量與石墨漂浮影響，當澆注溫度1370℃時，鑄件壁厚不超過120 mm 時，應該將碳當量控制在4.01%～4.42%。

2.2 CE 與碎塊狀石墨

通過觀察和檢測不同鑄件，可以發現碳當量超過4.42%，并且壁厚大于120 mm 時，鑄件中出現碎塊狀石墨，且趨于增大趨勢。

2.3 微量元素與碎塊狀石墨

將Sb、Bi 等微量元素加入到鑄件中，可以有效緩解，甚至放置鑄件出現碎塊狀石墨。為了考察微量元素對鑄件的影響，根據上述實驗方案再次澆注樣品。其中，方案2 和方案4 分別放置不同大小的平面冷鐵。帶鑄件成型后，對其進行檢測分析，可以看到當加入Sb 元素后，上述4 組方案鑄件均未看到碎塊化石墨，這可能是因為Sb 加入到鑄件中，C 原子在鐵液中擴散受阻，抑制了石墨產生，從而避免出現碎塊化石墨。對比前后2 組試驗鑄件，發現加入一定量的Sb 后，再配合使用冷鐵，能夠明顯提高石墨球的數量和圓整度，石墨大小等級可以上升到6 級。但是Sb 超過0.007%之后，則會產生大量珠光體，影響球墨鑄鐵鑄件質量[4]。

3 結語

通過對球墨鑄鐵鑄件典型缺陷分析與討論，本文以球磨鑄鐵鑄件作為實驗對象，通過設計不同實驗類型，研究影響球墨鑄鐵鑄件質量的各種因素，最后得出如下結論：

1）碳當量含量過高或過低均會對球墨鑄鐵鑄件縮松缺陷造成不良影響，導致石墨漂浮產生碎塊現象，所以在實際中要根據船用大型球墨鑄鐵鑄件的外徑壁厚和澆注溫度條件來控制碳當量。

2）根據實驗研究結果，對于大型球墨鑄鐵鑄件，結合試樣生產條件，將碳當量控制在4.2%～4.5%比較好。

3）在球墨鑄鐵鑄件中加入Sb 元素可以起到很好的效果，避免碎塊狀石墨產生，但是要控制好用量，另外，可以通過設置合理厚度的冷鐵來避免出現縮松等缺陷產生。