浅析球化孕育处理的相关影响因素

浅析球化孕育处理的相关影响因素【打印】【关闭】浅析球化孕育处理的相关影响因素（西安长泰特种合金厂王万超邮编710077）球墨铸铁随着经济的发展而迅速发展起来，材质从QT400-18AL到ADI等材质，还有特殊的如QT500-13、QT600-10等新型材质要求，其生产过程的关键环节就是球化和孕育处理，只有球化率和石墨数量达到相应技术标准，才能满足铸件的机械性能要求，如何合理地选用什么规格型号的球化剂？如何用怎样的孕育方式去孕育？都是十分关键而慎重的问题，这些环节与铸件的材质牌号、重量大小、尺寸壁厚、处理温度、原铁水含硫量等息息相关，怎样稳定地生产，科学地处理，准确地判断方法以及铸造缺陷相关分析等等，现有的大多数论文侧重于学术方面的研究，机理、公式、数据很多，所得出的结论也是在实验室条件下的数据，仅仅是可行性的结果，是否稳定？不得而知，而工厂的现状是需要大量生产的稳定性和可操作性，下面仅就多年来在球化剂、孕育剂在实际生产中的使用问题，谈谈球化孕育处理的相关影响因素，尽可能地起到承上启下的作用，把学术论文的机理数据和实际可操作性联系起来。

一、炉料特征炉料一般有生铁、废钢、回炉料、增碳剂、硅铁、锰铁等，按照成分要求计算得出一定比例进行熔炼，铁液成分除常规的五大元素之外，主要就是反球化干扰元素的影响，依据球化指数SB=4.4 Ti+2.0As+2.3Sn+5.0Sb+290Pb+370Bi+1.6Al公式，一般只要<1.0，说从列表中可以看出，国外生铁纯净，SB值很低，国内生铁本溪和林州生铁很纯净，易于生产球铁，其它生铁中干扰元素就多些，由于矿源与生产工艺等因素，大多数含有较高的Ti元素，从SB的公式中可以看出，Ti元素影响不是那么太大，但Ti元素却是强还原剂，回将其它化合状态的干扰元素还原出来，从而影响球化，其中影响最大的是Pb和Bi元素，国内有的企业选用的生铁尽管Ti元素较高，但却实际生产出了铸件，并且还稳定，例如海南某合资公司利用海南生铁（Ti元素＞0.071%）成功地生产了摩托车凸轮轴铸件；四川某企业利用当地生铁（Ti元素＞0.091%）成功地生产了曲轴，至今没有出现任何问题，但必须注意铸件应是QT600-3或QT700-2的珠光体基体材质，铁素体基体材质则应选用比较低含量Ti元素才行。

使用废钢方面，大多数企业比较杂，货源不固定，因而造成成分的波动与偏差，如果是生产铁素体基体材质的铸件，则应选用碳素钢成分的废钢，例如A3钢、45钢等角钢、工字钢等；如果是QT500-7、QT600-3等材质，则可以适度用些合金钢。

在外观方面，最好不得有铁锈、油漆、油圬以及焊缝等，因为铁锈主要是FeO等，在球化反应时会消耗Mg元素，影响球化率；油漆尤其是橘黄色颜色，是由含Pb约64%和Cr约16.1%的颜料配置而成；焊缝金属一般含有O、H、S、P、Sn、Pb等有害杂质，这些干扰杂质元素，尤其是Pb会进入铁液之中，直接会是石墨形态变异。

下面是某合资公司仅仅把废钢进行了挑选，除去那些有铁锈、油漆、油圬以及焊缝等的，并进行了铁液过热处理，用同样工艺、成分等比较，可以看出石墨形态明显差异。

回炉料只要使用同类材质的即可，如果材质较多，在现场管理上千万别混淆，否则会影响铸件的最终性能，报废的铸件回炉时，一定要分清报废的原因，是因造型方面的可以回炉，而因材质方面的则需慎重考虑，否则会影响球化效果和孕育效果。

增碳剂的使用一般影响因素是S含量和H含量，S含量影响球化效果，而H含量则会影响孕育效果。

还有就是增碳剂的微观结构，大致有晶体类与非晶体类的，晶体类石墨增碳剂除增碳之外，还有增加石墨数量的作用，从而提高铸件机械性能。

二、过热处理各种炉料按一定的比例进行熔炼，有一个主要工艺就是过热处理，其目的就是消除炉料的遗传性，关于铁液的遗传性主要表现在①炉料结构信息的保留（如C原子种类、颗粒粗细以及不均匀性等）：如果废钢，白口铸铁多时，则白口倾向增大，是因为Fe3C分子被保留下来作为核心的缘故，同样，如果炉料中含有粗大石墨的生铁，未彻底熔化的C原子集团会促使粗大石墨的析出，无形中增大了孕育效果的困难，致使石墨数量大大减少，最终影响铸件机械性能；②成分遗传效应：炉料中的Pb、Ti、Sb、Sn、As、Bi…等微量元素以及Ni、Cu、Cr、Mo、V……等合金元素会发生各种遗传效应，如强碳化物形成元素促使铸件收缩、裂纹、白口倾向增大；微量表面活性元素会产生特殊形状的石墨，如水草型，蝌蚪型等；气体元素容易形成气孔等；③物理特征的保存：如粘度、表面张力、凝固时的白口、收缩、气孔、裂纹倾向等都可能存在遗传。

炉料中的这些金属结构组织及成分信息的遗传因子（或载体）遗传下来形成弥散质点成为潜在的结晶核心，这些核心与石墨结晶的核心质点有着很大的差异，势必造成石墨形态的变异，降低球化率，减少石墨数量。

过热处理实际操作一般选择1510-1530℃，保温时间20分钟，从而是铁液的熔体结构发生明显变化，微观均匀性明显提高。

三、球化剂、孕育剂的合理选择球化剂主要由Mg、RE、Ca、Ba、Si、Bi、Sb…等元素组成，孕育剂是在硅铁的基础上附加Ba、Ca、Sr、RE、Mn、Bi、Sb、Cr、Sn等元素，国内外大致有上百种规格牌号，无非就是上述元素的不同比例组合而形成不同的作用，怎样合理地选择与生铁、废钢等炉料、处理温度、铸件材质、铸件壁厚或结构、原铁水含S量、车间布局、浇注时间、浇包形状等等因素有关。

球化剂的选择主要是Mg、RE、Ca、Ba等元素，其中Mg元素在5-6-7-8%的范围，RE元素在0-1-2-3-4-5-6%等范围，Ca元素在1-2-3-4%的范围，Ba元素在0-1-2%的范围，Mg 与RE元素是重点，Ca元素与Ba元素是参考，下面列举一些事例：①用电炉生产汽车排气管，壁厚4-5㎜，QT450-10的材质，原铁水含S量在0.02-0.03%，处理温度在1500℃以上，适合的球化剂应是Mg6-7%、RE2.5-3.0%、Ca2.5-3.0%的成分范围，适合的孕育剂应是含Bi强烈增加石墨数量的特效功能；②用电炉生产QT400-18AL材质的风电铸件叶轮毂，壁厚60-200㎜，处理温度1450-1460℃，适合的球化剂应是Mg7%以上、钇基重稀土YRE ＜2.5%、Ca2.0-3.0%，适量的Ba元素、微量的Bi、Sb、C等元素的成分范围，适合的孕育剂应是含Ba元素的具有长效的特点以及含Bi、Sb元素，既强烈增加石墨数量又改善石墨形态的特效功能。

孕育剂的选择方面，大致与炉料组分、铸件材质、壁厚状况等因素有关，例如薄壁铁素体基体铸件，由于冷却速度快，对石墨的形态和数量有好处，但同时也增加了白口倾向，所以就应该选择强烈促进石墨球数的高效孕育剂。

如果是薄壁珠光体基体铸件，则应选择强烈促进石墨化的高效孕育剂，石墨的球数不必太多，否则会影响珠光体的含量，最终影响铸件的硬度指标。

在炉料组分中，废钢的比例较大，势必造成铁液的白口倾向增大，这是就应选择既高效又长效的复合型孕育剂。

现在由于生铁大幅度涨价，使得许多工厂在炉料方面大量使用废钢和增碳剂，这样就会使铁液中的含S、H量增加，白口倾向增大四、处理温度从球化反应角度来讲，处理温度愈低愈好，一般建议在1420-1480℃，这样的温度使Mg元素有最大的吸收率，然而实际并非如此，因为在实际生产中，铸件的壁厚状况、不均匀程度，熔炼设备与造型浇注的距离，特殊的造型工艺，特殊材质等，必须有高的处理温度，才能满足综合生产，例如在铸件壁薄、珠光体基体、铁模覆砂、消失模、铁液成分中含有高熔点元素（如Mo、Cr等）条件下，必须选择具有延缓起爆，耐高温的球化剂，使反应平稳，现场操作安全，然而，如果各方面可以满足生产要求，还是选择仅可能低的处理温度，例如在广东中山某公司，仅用1440℃处理温度，铁水几乎在出70%时，球化剂才开始起爆，反应非常平稳，镁光烟尘很少，工人现场操作非常安全，球化率在92%，石墨数在200个，残余Mg在0.04-0.05%，而加入量仅仅为1.0-1.3%。

有些工厂，由于选用球化剂不合适，球化反应剧烈，处理后降温大，不得不提高球化处理温度，致使球化剂加入量增大，不但增加了成本，更主要的是炉前操作危险性加大。

五、合金的粒度与形状合金的粒度从各个生产企业的情况来看，大致有3-6㎜、3-15㎜、5-20㎜、5-25㎜、5-30㎜、10-30㎜、10-40㎜等粒度分布，究竟那种粒度最合适，这与处理包的大小、处理的温度有很大关系，一般小包小粒度，大包大粒度，处理温度高时，粒度应小些，其原则就是粒度的分布使其紧实后堆积密度最大，从而使起爆延缓，使Mg元素有最大的吸收率。

例如日本的铸造工厂一般使用3-12㎜的粒度，欧洲的铸造工厂则使用1-12㎜的粒度，国内西峡的铸造工厂现在都使用3-15㎜的粒度，较小的粒度在反应过程中上浮的速度相对缓慢，从而提高Mg元素的吸收率，减少加入量。

合金的形状应是多面体形，最佳是球状，主要使合金难于熔化，当然目前的破碎工艺是机械式的，各种形状都有，压力成型的椭圆球状、立体圆柱的球化剂就是此目的，六、处理包的深径比许多铸造厂由于种种原因，仍然使用直径与深度大致相当的处理包，球化反应时，铁液的深度很浅，合金在没有完全熔化就漂浮在铁液上面，表面看起来在反应，其实是Mg 元素在燃烧，烟尘镁光很大，不仅浪费，而且不安全，最后残余Mg元素较低，铸件质量不稳定。

还有就是尽管处理包的深径比在1.5-1.8，但是由于造型所需的铁液大，而熔炼的设备熔量小，所以进行处理时，铁液仅仅是处理包容量的1/2-1/3，表面上用的标准的球铁包，实际造成铁液深度很浅，和上述情形相同。

实践证明，使用深径比在1.5-1.8的处理包，不仅球化剂加入量会相应减少，而且操作安全，球化成功率好，综合铸件成品率高而稳定。

七、熔炼设备极其容量与造型的布局和同步性有些工厂的熔炼设备与造型距离较远，这样铁水球化处理后需要运送到造型现场浇注，在运送的过程中，空气会不断地进入到铁液中，不但造成球化衰退，如果没有瞬时孕育工艺的话，还会造成孕育衰退，最终导致铸件机械性能下降。

也有些工厂的熔炼设备与造型的节拍不协调、不同步，从材质角度讲，宁可让砂箱等铁水，也不能让铁水等砂箱，否则熔化好的铁水在炉内等待的过程中，空气不断地进入铁液，造成O、H等元素的含量上升，影响球化效果。

还有就是造型的数量小于熔炼的容量，同一炉铁液分多次进行球化处理，现场计量困难，势必造成每次出铁量误差较大，势必造成球化效果的波动，最终导致产品质量的波动。

八、合金的填充与覆盖合金的填充与覆盖注意几个方面：①填充后应进行紧实，使合金之间的空隙或缝隙最小，堆积密度最大；②必须有覆盖物，覆盖物可以说是千差万别，主要目的是延缓起爆、预处理等，大致有各种孕育剂、45硅铁、25硅铁、SiC、冰晶石、预处理剂、铁屑、钢屑、钢板、石墨粒、珍珠岩等等，体现在预脱S、脱O与覆盖的双重作用，要有重量；③现场操作操作注意一定要覆盖严实，不要有缝隙，充分体现既覆又盖的目的；④覆盖后的体积最好和处理包凹槽相吻合。