倒包孕育在厚大斷面球墨鑄鐵上的應用

陳光金，楊春黎，王宣

宜賓普什聯動鑄造分公司 四川宜賓 645152

1 序言

厚大球墨鑄鐵材質的鑄件壁厚通常＞100mm，由于凝固過程十分緩慢，凝固時間長，所以易于造成鑄件出現石墨漂浮、碎塊狀石墨、鑄件上表面夾渣及氣孔等質量問題，從而導致鑄件因質量不合格而報廢。在球化時為了保證球化效果，以及除渣徹底，需要采用適當高溫球化，而在澆注工藝設計時往往會采用低溫澆注方案，以盡量減少鐵液凝固時間，防止球化因衰退而導致的石墨畸變。

我公司某鑄件重量約8.5t，出鐵重量10t以上，鑄件斷面主要壁厚150mm，最大壁厚300mm左右，產品結構如圖1所示。

圖1 產品結構

2 產品結構特點及生產難點

此產品材質為EN-GJS-450-10，產品主要壁厚較大，在產品上附鑄70mm厚標準試塊用于性能檢測。產品中間砂芯較深，不易于布置冷鐵，凝固初期砂芯蓄熱降低產品溫度，但是隨著時間推移砂芯蓄熱飽和后無法散熱，砂芯和鑄件成為一體只能依靠外側砂型散熱，因此產品實際模數是非常大的。相關資料顯示，如此壁厚的產品凝固時間一般在3h左右[1]。

綜上所述，由于產品凝固緩慢，因此如何考慮成分、球化、孕育及澆注方案是生產此類產品的關鍵。

3 化學成分設計

化學成分設計時，首要考慮碳當量（CE），此鑄件主要壁厚較大，極易產生石墨漂浮，同時凝固時間較長，石墨易于畸變，石墨球數少，因此綜合考慮，決定取CE＝4.3%。

合金化的考慮，要滿足材質EN-GJS-450-10要求，可以采用硅固溶強化或銅合金化，前者伸長率較高，但對于厚大件不合適，硅含量高易于產生碎塊狀石墨[2]；后者伸長率不易控制且成本較高，但可以得到較好的材質，因此考慮采用銅合金化。主要化學成分見表1。

表1 EN-GJS-450-10化學成分（質量分數）（%）

4 球化工藝設計

（1）球化方法 結合我公司生產產品種類，采用沖入法生產厚大球墨鑄鐵件。

（2）球化劑的選擇 首先，考慮到澆注鑄件的溫度略低，適當選取球化能力較強的球化劑，選擇球化劑wMg＝6.0%；其次，考慮RE特別是Ce對厚大斷面鑄件金相的影響。我公司生產球墨鑄鐵件原材料比較純凈，原鐵液S含量較低，因此選擇wRE＜1%的球化劑。考慮到盡量減少Mg的夾渣物，提高有效Mg含量，要求球化劑MgO含量＜0.5%，且斷面干凈無夾雜。另外，不得因Ca含量過高而影響球化起爆時間和球化效果。

（3）球化過程控制 通過生產驗證發現，球化劑爆發時對鐵液的攪拌能力直接影響到鐵液的球化效果。球化時球化劑爆發對鐵液攪拌能力較弱時，球化劑中Mg吸收率很高，鐵液中碳的燒損較低，鐵液中Mg含量較高，碳含量也高，但是除氣、除渣效果不明顯，鐵液的均勻性較差，球墨鑄鐵的伸長率略低；球化時球化劑爆發對鐵液攪拌能力太強時，球化過程非常劇烈，出現很亮白的Mg光，Mg的氧化很嚴重，Mg吸收率較低，碳含量也低，除渣、脫氣能力強，但是Mg含量較低，性能可能會出現不合格。因此，生產上需要控制球化過程，一旦球化劑起爆后，球化過程劇烈，鐵液劇烈翻滾，爐渣不斷在液面形成并推向澆包一側，直到球化反應完畢，Mg含量合適，Mg吸收率穩定，碳燒損也穩定，鐵液球化的均勻性和一致性較好，金相組織、力學性能合格。基于以上考慮，選擇沖入法球化，球化溫度控制在1470～1500℃，選擇wMg＝6%、wCa＝1.5%的低稀土球化劑球化。

5 孕育工藝

5.1 孕育方法

主要有埋包孕育、出鐵時隨流孕育、澆注時隨流孕育，以及型內孕育等4種，以上方法通常單獨或配合使用。

（1）埋包孕育 是將孕育劑覆蓋在球化劑上，實現球化和孕育同時進行，特點是能夠預防球化提前起爆，從而使球化過程穩定，不利因素是孕育至澆注時間會略長，孕育衰退風險較大，比較適合小包處理少量鐵液，并在短時間內完成澆注。

（2）出鐵時隨流孕育 是目前常用的方法，出鐵過程待球化開始后，借助工裝將孕育劑送入球化的澆包內，以實現邊球化邊孕育，借助球化劑爆發對鐵液的攪拌能力實現孕育劑的均勻性，此方案效果較好。

（3）澆注時隨流孕育 是在澆注過程將孕育劑通過工裝輸入鐵液流中進入型腔，此方法是比較理想的孕育方案，具有孕育劑使用量少、不存在孕育衰退，以及孕育效果最佳的特點。

（4）型內孕育 是將孕育塊設計在澆注系統中，澆注時鐵液流進孕育塊實現鐵液孕育。實踐證明，這種孕育方法效果很好，但是澆注系統必須要有好的擋渣設計，孕育塊的利用率略低，因此該方法在生產中使用率并不大。

5.2 厚大斷面球墨鑄鐵的孕育

厚大件凝固時間往往很長，特別是澆注溫度偏高時，易于導致石墨球數降低、球化率降低、石墨畸變等問題。生產上為了降低上述風險，采用了低溫球化、低溫澆注方案，但球化能力不足，球化后鐵液溫度低，鐵液黏度大，球化后渣難以上浮被徹底除去，往往鑄件上部位夾雜類缺陷會比較嚴重。為了解決這一難題，采用了1470～1500℃的高溫球化，以提高球化效果，降低鐵液黏度以方便除渣干凈后澆注。

在孕育方面，先采用埋包0.2%鐵液重量的孕育劑，為了防止高溫球化時球化劑提前起爆，球化完畢后除渣干凈；然后進行倒包孕育，將鐵液倒入另一準備好的澆包中，期間采用0.5%鐵液重量的硅鋇孕育劑進行倒包孕育，可以實現先高溫球化（見圖2），后倒包孕育（見圖3），同時降低鐵液溫度至1300℃左右。最后，澆注時采用0.2%硅鋇孕育劑進行隨流孕育。

圖2 鐵液高溫球化

圖3 球化后倒包孕育

6 澆注工藝

為了盡可能縮短孕育后至澆注的時間，鐵液倒包孕育后立即吊運至現場測溫，溫度控制在1300℃左右，進行擋渣澆注。澆注工藝采用低溫快澆方案，澆注10t鐵液時控制在100s內澆注完畢，澆注過程加入0.2%鐵液重量的孕育劑進行隨流孕育。

7 產品質量檢測

（1）鑄件外觀質量 鑄件外表面未見肉眼可視夾雜類缺陷，依據EN 1369：2012要求采用磁粉探傷儀對鑄件近表面質量進行檢測，產品外觀面符合EN 1369：2012 LEVEL2（SM2/LM2/AM2）的質量要求。

（2）鑄件內在質量 采用超聲波探傷儀，對鑄件圖樣要求區域依據EN 12680-3：2011進行超聲波檢測，未見超標缺陷顯示，其質量符合 EN 12680-3：2011 LEVEL3要求。

（3）鑄件球化率 依據ISO 945要求對附鑄70mm厚的試塊進行金相檢測（見圖4、表2），其球化率（V+VI）≥95%，滿足客戶要求；為了進一步了解球化和孕育效果，對鑄件厚大部位進行本體金相檢測（見圖5），其球化率為（V+VI）≥85%，也符合標準要求。

表2 試塊金相測試

圖4 附鑄試塊金相檢測（未腐蝕100×）

圖5 本體金相檢測（未腐蝕100×）

需說明的是，由于現場本體金相檢測設備原因，金相拋光不夠，本體金相中存在劃痕和石墨拖拽，但依然能夠看出球化率是較高的。

（4）鑄件性能檢測 檢測結果見表3。

表3 試塊力學性能測試

從表3可以看出，鑄件力學性能滿足客戶技術要求。

8 結束語

1）通過成分設計，產品性能、金相組織滿足客戶要求。

2）通過適當提高球化溫度，有利于反應渣的上浮，方便一次將渣除盡，避免其帶入鑄件。

3）高溫球化后進行一次倒包孕育，能夠達到降低澆注溫度，也可以防止孕育衰退，達到孕育效果最大化的目的。

綜上所述，通過制定球化、澆注溫度、孕育方法等措施，在厚大斷面球墨鑄鐵上可以得到合格的球墨鑄鐵。