提高球墨鑄鐵球化效果的途徑

王興正

沈陽亞特重型裝備制造有限公司 遼寧沈陽 110135

球墨鑄鐵因其石墨呈球狀和金屬基體割裂小而具有優異的性能。此外，其成本低、重量輕等優點，在輕量化時代發展迅速，應用范圍不斷擴大。球墨鑄鐵最基本的要求是球化效果必須要好，自球墨鑄鐵誕生以來，人們對球化機理、球化劑、球化處理工藝等進行了大量的研究，并取得了豐碩的成果，然而，為了適應新形勢帶來的新變化，對如何提高球化效果、球化劑、球化處理工藝等提出了新的要求。

1 降低原鐵液的S、O 含量

鎂、稀土元素、鈣是石墨球化的主要元素，當前后兩種元素不再單獨使用，而是與鎂復合使用。

鎂是能力最強和應用最廣的球化元素，鎂對鐵液中的氧及硫有很強的親和力，是一種強脫氧脫硫劑。在原鐵液中加入鎂后，在石墨球化形成前先進行脫氧脫硫。當鐵液中的硫及氧含量很低時，約需0．018%的鎂就足以形成球狀石墨組織，但實際生產中卻要高得多。

鎂脫硫產生硫化鎂（MgS），其是一種低密度化合物，易上浮到鐵液表面進入鑄件的傾向。此外，硫化鎂的穩定性差，與氧接觸時會形成氧化鎂，硫釋放回鐵液后，與鎂再次反應生成硫化鎂，這種脫氧脫硫反應不斷發生，使保持石墨球化所需的鎂含量逐漸降低，致使球化衰退。因此，為保證球化效果，應將原鐵液含硫量控制在很低的水平，并在球化處理后應盡快對鐵液表面的浮渣扒凈并澆注。

灰口鑄鐵與球墨鑄鐵硫含量的差異是由于片狀石墨及球狀石墨形成機理不同所致。石墨是六方晶格結構，其正常生長方式為沿基面的擇優生長。灰口鑄鐵因活性元素硫、氧等吸附在棱面上，使石墨生長成片狀。球鐵因硫和氧含量低，所以棱面生長速度與棱面相同，石墨生長成球狀[1]。

在灰口鑄鐵中，硫和錳的結合生成高熔點的MnS，并以顆粒狀分散在鐵液中，可作為石墨的非均勻晶核，有利于石墨的析出。電爐生產的灰口鑄鐵硫含量低，為保證孕育效果，應將硫含量提高到0．05%-0．06%以上。為了保證石墨球化，應將鐵液硫含量控制在很低的水平。建議鐵液硫含量控制在0．008%-0．015%間，將鐵液硫含量控制在這個水平十分有必要，在目前大多采用電爐熔煉的情況下，可通過加強爐料管理，不使用高硫爐料及高硫增碳劑等措施來實現。

鎂脫氧產生的氧化鎂（MgO）呈白色，化學穩定性高，具有熔點高、密度低等特點，并在鐵液中溶解度較低。氧化鎂浮在鐵液表面，澆入鑄型后會累積在鑄件上表面，也可能被卷進鑄件內部形成有害夾雜物。

在球化過程中，嚴重氧化的鐵液會消耗鎂，從而降低鎂的吸收率。但因中頻電爐有電磁攪拌及“沸騰”作用，以及較好的排渣除氣能力，若爐料干凈、后期添加的輔材不潮濕、并能認真除渣，鐵液含氧量一般可低于20×10-6，對鐵液質量影響不大。但高溫鐵液若在電爐內長時間停留，不僅會增加鐵液含氧量，而且會降低碳含量，增加硅含量及增大對爐襯的侵蝕。球化處理時，鐵液應有一定的過熱溫度，以保證澆注溫度及溫降。因此，出爐溫度應根據工藝要求的澆注溫度加上處理過程中的降溫來確定。當達到設定的出爐溫度后，不要停留太久，應盡快扒渣、出爐。同樣，若電爐容量大，每次出鐵后都要加入一些新料，這樣雖對生產有一定影響，但能獲得相對穩定的冶金質量[2]。

球化處理后，鐵液會吸收各種來源的氧，并且鎂可能在保溫停留、澆注、澆注系統等過程中發生紊流時損失。因此，應優化工藝設計，盡量縮短從球化處理完畢到澆注結束的時間。

鐵液預處理，即在熔煉后期向爐內加入碳化硅等合金，目的是使鐵液的O/S 能穩定在較低的水平，同時，可形成若干形核質點，以穩定球化和孕育處理的效果，從而獲得質量穩定的球墨鑄鐵。

2 降低干擾球化元素的含量

含有一定數量就會阻礙石墨球化的元素稱為反球化元素，這些元素的特點是表面活性高，在石墨-鐵液或石墨-固相間的界面處易發生富集，嚴重影響了石墨的形態，這些元素不僅有各自的不良作用，而且與其他元素有非線性疊加和整合作用。此外，某些元素在一定含量范圍內有利于球化，但在其他含量時會嚴重破壞球化效果，從而使石墨畸形。

反球化元素可分為三類：第一類是促進塊狀石墨形成的元素；第二類是晶界易偏析的元素，增加了局部含量，促進了片片石墨的形成；第三類是直接干擾球化和影響石墨形態的元素。其中，第二類元素的不利影響可通過添加第一類元素來抵消，反之亦然。對于第三類元素，在選擇爐料和其他添加劑時，應注意使這些元素的含量保持在較低的水平，或添加更多的鎂球化劑來抵消這些元素的影響。

此外，鐵液中不可避免地含有一些反球化元素。在大多數情況下，反球化元素的含量不是很高，若爐料來源固定，則可用球化劑中的稀土元素進行抵消。若爐料來源不固定，且反球化元素種類及含量不可預知，等發現時則為時過晚，會導致鑄件報廢。因此，采用高純生鐵或優質球墨鑄鐵專用生鐵，可給鑄造廠提供成分穩定、微量元素含量最低的爐料，從而降低上述危害。

3 在保證球化效果的基礎上降低殘余鎂和稀土含量

若上述工作均已做得，則只需較少的球化劑就能使鐵液球化。在保證球化效果的前提下，盡量降低鑄件殘余鎂及稀土含量，這樣既能降低成本，又能保證球墨鑄鐵的質量[3]。

鎂是石墨球化過程中最重要的元素，但它的作用是一把雙刃劍，低了不球化，過量會促進碳化物的形成，從而使鑄件產生縮松、夾渣等缺陷。凝固速度越快，上述風險越大，球墨數越少，從而越嚴重。建議將球墨鑄鐵的殘余鎂含量控制在0．030%-0．045%（總鎂量，除有效鎂外，還包括MgO、MgS、MgSiO3化合物中的鎂）。

稀土的球化效果不如鎂，其主要作用是中和反球化元素的影響。在原料質量好、干擾元素少的情況下，應特別注意稀土含量過高會使石墨球的圓整度惡化，不論在厚壁或薄壁球墨鑄鐵件中，均應避免過量的鈰渣。薄壁鑄件有產生碳化物的風險，而厚壁鑄件可能增大石墨漂浮和產生花狀石墨的風險，特別是熱節處產生的塊狀石墨。建議球墨鑄鐵中殘余稀土含量控制在0．010%-0．015%間。

4 球化劑的要求

①球化能力強；②資源豐富，價格低廉；③對各種成分和溫度的鐵水適應能力強；④球化反應動力學條件好，反應產物易于排除，用量低，降溫少，球化處理工藝性好。