大型厚断面铸态铁素体球墨铸铁飞轮的生产技术

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10、铸态高强度高韧性球墨铸铁生产技术

铸态高强度高韧性球墨铸铁生产技术李永红刘思明（安徽神剑科技股份有限公司安徽合肥 230022）摘要本文以铸态QT600-10材质生产技术为例，简要介绍了铸态高强度高韧性球墨铸铁件控制要点：在铸态通过控制影响力学性能的微观组织因素，满足球墨铸铁件高强度和高韧性的要求。

关键词铸态高强度高韧性；铸态QT600-10；合金化；铸态高强度高韧性球墨铸铁件，在满足特殊性能要求的基础上，减少了热处理环节，节约了中间运输成本，缩短了供货周期，是企业在制造过程中，努力追求的方向，特别是当前市场竞争激烈日趋白热化的环境下，可以有效减低企业生产成本，提高产品竞争力。

现结合本企业，在多年生产铸态高强度高韧性球墨铸铁件方面积累的经验，以QT600-10材质为例介绍其控制方法。

1 引言包括球墨铸铁在内的铸造合金的性能是由其含有一定成分的显微组织所决定的，要获得所需的性能，可以通过控制其显微组织，并使该组织中含有一定数量的合金强化元素。

通常强度与塑性之间始终存在矛盾，而随着对合金强化基体组织认识的加深，对于金属材料性能特殊要求的不断提高，要求球墨铸铁强度达到600MP以上，同时要求其具有很好的强韧性延伸率10%以上，通过热处理很难同时保证强度与韧性要求，通过控制影响显微组织的因素（化学成分，合金化，熔炼质量，球化孕育处理、壁厚条件、冷却速度等），可以满足铸态高强度，高韧性要求，现简单介绍其控制方法：2 化学成分的选择2.1 碳碳促进镁的吸收，改善球化、提高石墨球的圆整度；提高铁液的流动性，减少铸件的疏松缺陷和缩凹倾向；能够促进石墨化，减小白口倾向。

但是，过高的碳又容易产生石墨漂浮，使铸件综合性能降低。

因此将碳控制为3.5%~3.7%。

2.2硅促进石墨化元素，在球墨铸铁生产中由于硅的孕育作用，使珠光体和铁素体的比例改变：Si控制在2.0%~2.5%有利于珠光体组织的生成，而为了在保证强度达到600MP的基础上，延伸率达到10%，必须适当提高孕育效果，保证一定比例的铁素体组织，将硅控制在2.5%~2.8%。

球墨铸铁性能和生产工艺

球墨铸铁旳化学成份
选择合适旳化学成份是确保球墨铸铁取得良好旳金相组织和高性能旳基本条件，化学成份旳选择既要利于石墨旳球化和取得满意旳基体，以期取得满意旳性能，又要使球墨铸铁具有良好旳铸造性能。
一、五大元素
1、碳和硅
因为石墨球对基体旳减弱作用很小，所以碳含量在 3.2-3.8%时，对力学性能无明显影响。拟定球墨铸铁旳碳硅含量时，主要从确保铸造性能考虑，将碳当量选择在共晶成份左右。
2、缩孔和缩松
特征：缩孔发生于第一次收缩阶段。表面凹陷及局部热节凹陷，含气孔旳暗缩孔，内壁粗糙。缩松发生于第二次收缩阶段。被树枝晶分割旳溶池处成为真空，凝固后旳孔壁粗糙、排满树枝晶旳疏松孔为缩松。
原因：碳当量低，磷含量高，增长缩孔缩松倾向。
措施：提升铸型刚度，如使用树脂砂，提升铁液碳当量。
形核物质 1、石墨：未溶石墨、添加晶体石墨、非平衡石墨 2、岩状构造碳化物基底 3、氧化物 4、硫化物/氧化物 5、铋及铋旳化合物
球墨铸铁旳孕育
球墨铸铁孕育旳主要性灰铸铁、球墨铸铁孕育旳异同点孕育衰退现象提升孕育效果旳措施
a.选择强效孕育剂 b.必要旳S旳含量 c.改善处理措施 d.提升铸件冷却速度
这些条件旳实质在于变化石墨结晶旳冷却情况。
球墨铸铁旳金相组织与力学性能旳关系
球墨铸铁旳力学性能是和它旳金相组织亲密有关旳。确保铸铁中石墨球化良好，是熔制球墨铸铁旳第一要求。
只有石墨球化，才干充分发挥金属基体旳作用，使铸铁旳力学性能大幅度提升。也只有石墨球化后，进一步变化基体旳性能才更有意义。
球墨铸铁旳形成
球状石墨旳形成经历了形核与生长两个阶段。其中旳形核是石墨旳首要过程，铁液在熔炼及随即旳球化、孕育处理中产生大量旳非金属夹杂物，初生旳夹杂物非常小，在随即浇铸、充型、凝固过程相互碰撞、聚合变大，上浮或下沉，成为石墨析出旳关键。

飞轮工艺流程

飞轮的加工工艺流程通常涉及以下步骤：1. 原材料准备与检验：- 根据设计要求选取合适的原材料，如铸钢或锻钢。

- 对所选原材料进行严格的质量检查，确保其材质、尺寸以及表面无明显缺陷。

2. 初步成形：- 如果是铸造飞轮，那么需要制作模具并进行铸造加工，其中可能包括设计和放置型芯来形成内部结构（如内孔）。

- 铸造完成后，去除铸件毛边，并对铸件进行清砂处理。

- 若是锻造飞轮，则需对原材料进行切割、加热和锻造成接近飞轮形状的毛坯件。

3. 预加工：- 对初步成形后的飞轮毛坯进行粗加工，包括切割、打磨，去除多余部分，初步确定飞轮的基本轮廓。

4. 精密加工：- 使用数控机床（如车床、铣床）进行精密加工：- 在车床上进行车削操作，加工飞轮的外径、内孔（轴孔）等部位。

- 在铣床上铣削飞轮上的槽、平面或其他特征结构。

5. 热处理：- 对经过精密加工的飞轮进行热处理工序，例如正火、淬火、回火等，以改善其机械性能，增强耐磨性和韧性，同时消除铸造或锻造过程中产生的残余应力。

6. 精加工：- 进一步的精细加工，包括磨削、珩磨等，以保证飞轮的精度、尺寸稳定性和表面粗糙度符合设计要求。

7. 表面处理：- 可能会进行表面硬化处理、电镀、喷漆、防腐蚀处理等，以提高飞轮的耐腐蚀性、耐磨性和美观度。

8. 质量检验：- 完成所有加工工序后，对飞轮进行全面的质量检测，包括尺寸公差、形位公差、硬度测试、金相分析等，确保其完全符合设计标准和使用要求。

每个阶段都必须严格按照设计图纸和技术规范进行，以确保最终产品的质量和性能。

随着技术的发展，一些先进的制造工艺，如高速切削、增材制造等也可能被应用于飞轮的生产中。

厚大断面球墨铸铁的生产难点汇总，从化学成分的控制等四个方面来详细剖析

厚大断面球墨铸铁的生产难点汇总，从化学成分的控制等四个方面来详细剖析联合铸造 2022-01-14 11:01球墨铸铁是一种具有优良机械性能的灰口铸铁。

一般在浇注之前，在铁液中加入少量球化剂（通常为镁、稀土镁合金或含铈的稀土合金）和孕育剂（通常为硅铁），使铁水凝固后形成球状石墨。

此种铸铁的强度和韧性比其他铸铁高，有时可代替铸钢和可锻铸铁（ｍａｌｌｅａｂｌｅｃａｓｔｉｒｏｎ），在机械制造工业中得到了广泛应用。

球墨铸铁在国外是１９４７年用于工业生产的。

一、球铁件生产难点此类铸件因断面厚大冷却缓慢，金属液体凝固时间长，铸件内部很容易产生缩松。

生产铁素体球墨铸铁时，为了获得较高的抗拉强度、屈服强度和延伸率，以往均要进行铁素体化热处理，热处理温度是根据铸态组织中是否存在游离渗碳体或珠光体，而采用900-950℃的高温热处理。

但生产成本高，工艺复杂，生产周期长，给生产组织以及交货期带来非常大的困难，这就要求必须在铸态下获得铁素体基体。

因此生产这种材料的难点主要有以下几方面：a．铸件要进行指定区域的射线探伤，如何解决铸件的内部缩松；b．如何保证在铸态下获得铁素体基体90%以上；c．如何使材料有足够的抗拉强度和屈服强度；d．如何获得足够的延伸率（>18%），在合金化处理后,获得规定的延伸率；c．采用最优的合金化处理工艺。

二、厚大断面铸态铁素体球墨铸铁件的质量控制技术1．化学成份的控制（1）C、Si、CE的选择由于球状石墨对基体的削弱作用很小，故球墨铸铁中石墨数量的多少，对力学性能的影响不显著，当含碳量在3.2%~3.8%范围内变化时，对力学性能无明显的影响。

所以过程中确定碳硅含量时，主要考虑保证铸造性能，将碳当量选择在共晶成分左右。

具有共晶成分的铁液的流动性能最好，形成集中缩孔的倾向大，铸件组织的致密度高。

但碳当量过高时，容易产生石墨漂浮的同时，一定程度上对球化有影响，主要表现在要求的残余Mg量高。

使铸铁中夹杂物的数量增多，降低铸铁性能。

铸态铁素体球墨铸铁件质量控制

铸态铁素体球墨铸铁件质量控制铸态铁素体基体球墨铸铁的生产有很多方面要加以注意，否则难以达到客户要求。

例如原材料的选择、熔炼工艺的制定、温度的控制、炉前球化孕育处理。

通过几年的摸索，对于生产球墨铸铁有了自己的一些经验，现加以介绍。

1、生产的基本条件1.1熔炼设备铸态铁素体球铁对原铁水的质量要求是：化学成分稳定，符合设计要求；好的冶金质量，洁净，无氧化现象；高的出铁温度（一般1500-1550℃）。

1.2造型设备球墨铸铁凝固时有石墨析出，膨胀量大，生产上可利用这一特点，采用刚性铸型，避免铸型胀大，获得致密、无缩孔，无宏观缩松的铸件。

2、原材料的控制2.1铸造生铁生铁应高碳低硅、低磷低硫。

干扰元素少。

但如含有干扰元素，就导致球化不良。

对石墨片粗大、渣气孔较多的生铁也就尽量不用或少用。

选定生铁时，首先要根据球铁的基体要求及回炉料用量来确定生铁的硅量(定牌号)。

其次，根据韧性要求和热处理与否限定锰量(定分组)。

生铁中的磷硫量则越少越好。

磷的分级和硫的分类，各种生铁的界定量不太一样。

球铁用生铁有特级磷(P≤0.05%)和特类硫(S≤0.02%)。

炼钢生铁有特类硫(S≤0.02%)，但磷一般较高。

铸造生铁没有特级磷和特类硫，其一级磷和一类硫分别为≤0.06%和≤0.03%。

因铁矿来源的不同，生铁中常含有Cu、Cr、Mo、Ti、Sn、Al、Pb、Bi、Te、Cd、Zn、As和Sb等微量元素。

其中As、Pb、Zn、Ti、Bi、Sb、Cd和Te等超过一定含量，或干扰球化，或生晶界脆性相，或生硬质点，从而影响着球化成败、球铁的韧性和切削加工性。

这些干扰元素的作用很复杂，它们共存时，有倍增效应或抵消作用，机理有待进一步研究。

为了控制干扰元素，需对生铁中微量元素总量(∑T)加以限制。

例如德国规定∑T≤0.0745%，日本规定为∑T≤0.089%，其中Ti不大于50%∑T。

我国目前一般约定为∑T≤0.1%，其中Ti≤0.045%。

大型风电球墨铸铁件的生产实践

（）熔化工艺３
图３回火工艺
工艺、操作方案等方面加以完善，如改用模板造型、用金属模具造型等以提高尺寸精度；（）低温冲击功值离目标数值还有一定的差２距，需要根据不同壁厚尺寸的铸件，调整低温石墨
①用生铁启炉，待熔清后加入废钢，加热炉内
铁水至（４０１）ｃ１１＿０ｃ以后停电，扒渣，取炉前试＋样化验Ｃ、Ｓ、Ｍｎ、Ｓ含量。根据炉前分析结ｉ、Ｐ果，调整炉内原铁水成分，其要求为：Ｃ．３％～８
⑤搅拌、扒渣后，在铁水表面再加入预先烘烤好的ＦＳ７，块度２４ｅｉ５－ｍｍ，并保证无杂物；（）浇注：温度确定在（３０１３）间，４１１～０ ℃之３按下限进行控制，并适当控制浇注速度。
（）材质３
（）重量：毛重４
Ｑ４０—８ＬＴ０ — １
９６０ｋ５ｇ１０ｋ５００ｇ
２工艺措施
２１造型及制芯．
液重１２技术要求．
由于该铸件壁厚相差很大，且轴孔端面不允许有铸造缺陷，根据均衡凝固理论，采取了压边冒口，辅以浇、冒口一体化的浇铸工艺，同时在几个重要工作面附加一定尺寸的外冷铁来调整壁厚差，
类别某厂，铁水出炉温度
（４０１）１２＿０￣＋Ｃ；
铸
态
处理后
③ 球化采用堤坝冲人法，加人量为铁水量的

高强度厚大断面球铁模具的铸造

球化珠光体量分级（％）
ｌ～４ ≥９０
渗碳体＋磷共晶（％）
≤３
பைடு நூலகம்
ＲＡＨＢＷ／ａ％）ＭＰ（
≥７０ ≥２ ≥２００８
１２ＵＦ．ＯＡ２模具的生产难点主要集中在以下几
方面：（）１如何确保如此厚大断面的铸件凝固中石
表１模具的金相组织和力学性能要求
ＴａｌＴｅｒｑｉｅｎｆｔｅｍｉｒｓｒｃｕｅｂｅ１ｈｅｕｒｍｅｔｏｈｃｏｔｕｔｒａｄｍｅｈｎｃｌｒｐｒｉｓｏｏｌｎｃａｉａｏｅｔｅｆｍｕｄｐ
成分和工艺参数，成功地生产出合格的铸件。铸件品质达到同类产品国际先进水平。关键词：高强度球墨铸铁；模具；冒口铸造无
中图分类号：Ｇ４Ｔ２２文献标识码：Ｂ
ＴｈｓｉｇＰｒｃｓｆＴｉｋＳｃｉｎＤｕｔｅＩｏｕｄｗｉｇｔｅｇｈｅＣａｔｎｏｅｓｏｈｃｅｔｏｃｉｒｎＭｏｌｔＨｉｈＳｒｎｔｌｈ
墨不发生畸变；
墨数量减少，生石墨畸变，分偏析严重等缺产成陷。国内一些铸造厂家生产该模具的废品率高达
３％以上，０产生废品的主要原因是石墨畸变、松缩和力学性能达不到要求。为了确保模具运行的可靠性，采取模具附铸试块来检验性能，不允许有影响强度的缩孑、Ｌ缩松、裂纹、眼等缺陷。砂１ＵＯ４Ｅ２模具生产难点分析

厚大断面球墨铸铁件的质量影响因素及控制措施

厚大断面球墨铸铁件的质量影响因素及控制措施厚大断面球墨铸铁件一般指壁厚大千100mm的铸件，其自20世纪70年代开始出现。

随着球墨铸铁生产技术的不断提高，厚大断面球墨铸铁件的应用也愈加广泛，包括铁素体球铁和珠光体球铁，涉及到风电、核电、造船、冶金、重型机床等诸多领域。

目前，国内外很多生产企业都在积极研制厚大断面球墨铸铁件，典型产品有风力发电机组中的轮毂和机座、大型船舶柴油机的发动机缸体、核乏燃料储运容器、汽轮机轴承座等。

本文将结合国内外铸造行业生产、技术及科研人员的生产经验及研究成果，就厚大断面球墨铸铁件的质量影响因素及控制措施进行介绍。

1 厚大断面球墨铸铁件存在的问题由于厚大断面球墨铸铁件的尺寸大、壁厚，铸造时热容量大，凝固缓慢，极易造成元素偏析、球化衰退与孕育衰退，从而导致铸件的组织和基体发生变化，特别是在铸件的心部更加严重。

主要表现为石墨球粗大，石墨球数量少，石墨漂浮，石墨球产生畸变，形成各种非球状石墨，如碎块状、开花状和蠕虫状等。

同时由于凝固时溶质元素的再分配还会出现严重的元素偏析及晶间化合物、反白口、缩孔、缩松等一系列问题，导致铸件的力学性能变差。

如图1~图4所示。

2厚大断面球墨铸铁件的质量影响因素通过对生产及研究情况的分析归纳，表1列出了厚大断面球墨铸铁件常见问题的影响因素。

3厚大断面球墨铸铁件生产的控制措施（1）炉料的影响与控制厚大断面球墨铸铁件的生产多采用高纯生铁。

生铁中的微量元素总和低于0.1%，有利于获得成分合格的铁液，减少杂质元素晶界偏析的程度，削弱干扰元素对石墨球化的影响。

炉料中的废钢以优质碳素钢为宜，要严格控制P.S及微量元素含量，防止反球化元素及偏析元素过量。

表2列举了一些晶间化合物形成元素的临界含量。

(2)铁液成分的影响与选择由于厚大断面球墨铸铁件极易出现石墨漂浮、石墨畸变、球化衰退等缺陷，国内外的大量研究和试验表明，严格控制铁液的化学成分能够有效减少这些缺陷的产生。

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ｃｏｍｂｉｎｉｎｇｗｉｔｈｔｈｅｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｕｎｄｒｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓａｎｄｃｏｏｌｉｎｇｉｎｌｆａｓｋ．Ｔｈｅｌｆｙｗｈｅｅ１ｃａｓｔｉｎｇｓｍｅｅｔｔｈｅ
ｔｒｅａｔｍｅｎｔｗｉｔｈｈｅａｖｙｒａｒｅｅａｔｈｓｒｍａｇｎｅｓｉｕｍ．ｍｕｌｔｉｐｌｅ．ｉｎｏｃｕｌａｔｉｎｇａｎｄｐｏｕｒｉｎｇａｔｌＯＷｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｅｔｃ．．
关键词：厚断面；铸态铁素体；重稀土；多重孕育中图分类号：ＴＧ２５５文献标识码：Ｂ文章编号：１００１ — ４９７７（２０１３）１０ — ０９４０ — ０４
ＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｔｈｅＬａｒｇｅａｎｄＨｅａｖｙＳｅｃｔｉｏｎ
ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｍａｎｅｇｔｉｃｐａｒｔｉｃｌｅｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎａｎｄＵＴｏｆｓＤｈｅｒｏｉｄｉｚａｔｉｏｎｒａｔｅ．ＴｈｅｆｏｕｎｄｒｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉＳｓｔａｂｌｅａｎｄｒｅｌｉａｂｌｅｂｙｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｔｒｉａ１．ａｎｄａｌ１ｌｆｙｗｈｅｅｌｓｈａｖｅｂｅｅｎｕｐｔｏｓｔａｎｄａｒｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｅａｙｖｓｅｃｔｉｏｎ；ａｓｃａｓｔｆｅｒｒｉｔｅ；ｈｅａｖｙｒａｒｅｅａｒｔｈｓ；ｍｕｌｔｉｐｌｅ．ｉｎｏｃｕｌａｔｉｎｇ
浇注等熔炼工艺设计，结合合理的铸造ｌ丁艺与铸件箱内冷却控制，成功生产了大型厚断面铁素体球墨铸铁飞轮铸件。经检验，铸件在铸态条件下满足ＥＮ．ＧＪＳ一４００ — １５Ｕ材质要求，且本体磁粉探伤与超声波球化率检测均符合铸件技术条件。经批量生产验证，该工艺稳定可靠，产品全部合格。
ＥＮＧＪＳ一４００．１５ｍａｔｅｒｉａ１ｑｕａｌｉｔｙｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｕｎｄｅｒａｓ — ｃａｓｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎ．Ａｎｄｔｈｅｌｙｗｈｆｅｅｌｍｅｅｔｓｔｅｃｈｎｉｃａｌ
铸
造
Ｏｃｔ．２０１３Ｖｏ１．６２ＮＯ．１０
ＦＯＵＮＤＲＹ
大型厚断面铸态铁素体球墨铸铁飞轮的生产技术
徐培好，秦广业，毕海香，许景峰，徐继柱
（潍柴重机股份有限公司，山东潍坊２６１００１）
摘要：通过合理的成分设计、铁液高温熔炼与脱硫处理、重稀土镁复合球化剂球化处理、多重强化ｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ，ｓｍｅｌｔｉｎｇｗｉｔｈｈｉ时ｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｄｅｓｕｌｐｈｕｒｉｚａｔｉｏｎｔｒｅａｔｍｅｎｔ，ｃｏｍｐｌｅｘｎｏｄｕｌａｒ
（ＷｅｉｃｈａｉＨｅａｖｙＭａｃｈｉｎｅｒｙＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｗｅｉｆａｎｇ２６１００１，Ｓｈａｎｄｏｎｇ，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｌａｒｇｅａｎｄｈｅａｖｙｓｅｃｔｉｏｎｆｅｒｒｉｔｅｄｕｃｔｉｌｅｃａｓｔｉｒｏｎｌｆｙｗｈｅｅｌｈａｓｂｅｅｎｐｒｏｄｕｃｅｄｂｙｄｅｓｉｇｎｉｎｇ
对于从国外引进的中速柴油机产品，要降低生产成本，必须推进其国产化，其中关键铸件的国产化尤
为重要。某型号柴油机飞轮材质原设计为ＥＮ．ＧＪＳ．４００．１５Ｕ（ＧＧＧ４０），铸件外观尺寸约为１２００ｍｍｘ２００ｍｍ，壁厚７５～１８０ｍｍ，浇注重量约２ｔ。为简化生产工艺、缩短生产周期，实现低成本国产化，研究了铸态条件下满足ＥＮ— ＧＪＳ．４００．１５Ｕ（ＧＧＧ４０）材质要求的厚
Ａｓ — ＣａｓｔＦｅｒｒｉｔｅＤｕｃｔｉｌｅＩｒｏｎＦｌｙｗｈｅｅｌ
ＸＵＰｅｉ — ｈａｏ，ＱＩＮＧｕａｎｇ — ｙｅ，ＢＩＨａｉ — ｘｉａｎｇ，ＸＵＪｉｎｇ — ｆｅｎｇ，ＸＵＪｉ — ｚｈｕ