广东铸德实业有限公司 广东江门 529000
摘要：本文主要针对废钢增碳、增硅生产球墨铸铁工艺的应用展开了探讨，详细阐述了化学元素的影响及选择，并对球墨铸铁的生产工艺作了系统的分析研究，以期能为有关方面的需要提供有益的参考和借鉴。
关键词：球墨铸铁；生产工艺；应用
0 引言
所谓的球墨铸铁，是指通过球化和孕育处理得到球状石墨，其可以有效地提高了铸铁的机械性能，特别是提高了塑性和韧性，从而得到比碳钢还高的强度，并在如今的工业生产中有着广泛的应用。因此，我们需要保证球墨铸铁的生产质量，以为相关的工业生产打下坚实的基础。基于此，本文就废钢增碳、增硅生产球墨铸铁工艺的应用进行了探讨，相信对有关方面的需要能有一定的帮助。
1 化学元素的影响及选择
化学成分对球墨铸铁的性能有较大影响。合理的化学成分是铸件力学性能和金相组织合格的前提。对高韧性球墨铸铁来说，在高碳当量的前提下，应满足高碳、低锰、低磷、低硫的原则。
1.1 碳
碳是强石墨形成元素，促进石墨化。一般来说含碳量高，易保证球化，获得球形石墨，且增加石墨数量。若石墨球形态好，数量多，直径小，则对基体的断裂就越小，力学性能也就越高。因此，应选择较高的碳量，碳含量不够的话可以采用增碳的方法实现。但含碳量也不能过高，否则容易产生石墨漂浮、石墨破碎等缺陷。一般碳的含量为：3.5%～3.8%。
1.2 硅
硅是强促进石墨化元素，硅若以孕育方式加入其作用更显著。硅含量不够的话可以采用增硅的方实现。含硅量增加，白口倾向减少，细化石墨，提高石墨球的圆整度。但硅量过高，会提高韧性－脆性转变温度，引发铸件脆性。含硅量控制在2.3%～2.6%之间。
1.3 锰
锰是阻碍石墨化元素，具有稳定渗碳体，提高强度，降低塑性和韧性，所以尽量降低锰量，尤其是高韧性球墨铸铁。
1.4 磷
磷是有害元素，极易偏析，含量较高会形成硬而脆的磷共晶，降低塑性和韧性。应尽可能降低磷元素的含量，控制在0.04%以下。
1.5 硫
硫也是有害元素，硫与稀土的亲和力很强，消耗球化剂，对球化效果和韧性、冲击性能影响较大，因此将硫控制在0.03%以下。
1.6 镍
镍是一种石墨化元素，加入镍合金化处理能提高球墨铸铁的低温冲击韧性。加入量0.2%～0.4%。
2 高韧性球墨铸铁的熔炼工艺
2.1 原、辅材料选择
熔炼高韧性球墨铸铁的主要材料是废钢、增碳剂、硅铁、回炉料、球化剂、孕育剂，镍铁等。原材料应无油、无锈、成分明确，对原、辅材料的要求见表1、表2。
2.2 配料
高韧性球墨铸铁的熔炼配料单见表3。
2.3 熔炼操作
按比例称料，然后按顺序向中频炉内加料，加料顺序为：回炉料→废钢→增碳剂→硅铁→回炉料→废钢。送电开始熔炼。全部炉料添加完毕，升温至1480～1500℃，化碳时间5～10分钟，扒渣取样进行光谱分析。若成分符合原铁液成分要求，调至1430～1470℃的工艺要求出铁温度，开始出铁球化孕育处理。若成分不满足要求，按比例调整成分，取样化验，直至满足要求为止，升温至工艺要求的球化孕育温度出铁。
2.4 球化孕育工艺
球化处理是生产合格球墨铸铁的关键，只有球化良好，孕育方法得当才能得到石墨球圆整、均匀、晶粒细小、致密的球墨铸铁。所以生产球墨铸铁球化、孕育处理是关键。球化采用的钢包为球铁包，修筑能盛放所需球化剂、覆盖孕育剂的堤坝。球化方式采用冲入法球化。具体操作为：（1）球铁包烘烤至暗红色。（2）将铁液量1.4%～1.5%、粒度为10～25mm、预热温度150～200℃的球化剂颗粒放至堤坝包的一侧，冲实，上面均匀覆盖铁液量0.2%～0.3%、粒度15～20mm的75SiFe孕育剂，铺平、冲实，表面用珍珠岩覆盖，最后在孕育硅铁上加盖和包坝一侧形状类似的球铁板，主要作用是放缓浇筑前期球化剂反应速度，减少球化剂烧损，达到良好球化的目的。（3）出铁1/3左右时开始采用随流孕育，操作方法是制作工装，采用滑槽的形式从炉台上随的出铁的铁流均匀的将孕育剂添加至球化包，铁水出完，孕育剂也同时添加完毕。孕育剂采用3～5mm的硅铁颗粒，使用量铁液量0.4%～0.6%。（4）反应完结束，待钢包中铁液平静后反复扒渣，扒去所有浮渣，铸件浇筑前加入铁液量0.1%～0.15%粒度再小一些的75SiFe孕育剂，放至液面上，反复搅拌，进行瞬时孕育。本孕育工艺工采用3次孕育：第一次为覆盖在球化剂上的孕育剂，第二次是随流孕育，第三次是浇筑前的瞬时孕育。以上的球化和孕育工艺是我们企业生产高韧性球墨铸铁的关键操作过程。
2.5 热处理工艺
为保证材质要求，采用高温石墨化和低温组织转变两阶段退火，消除白口、降低硬度、改善切削性能，并获得铁素体。
3 检验
检验包括化学成分检验、金相检验、机械性能检验、冲击性能检验，通过检验验证配料的合理性、工艺的可行性，得出材料是否满足技术要求的结论。
3.1 成分检验
成分检验就是采用直读光谱仪对浇筑的炉前和球化后的光谱检验试块进行成分检验，本试验材料的化学成分见表4。
3.2 金相检验
本试验材料铸态和热处理态晶相组织见图1、图2。
通过对晶相照片分析，得出球化级达到2级，石墨大小6级左右，晶粒细小，热处理后铁素体含量大于95%，满足QT400－18高韧性球墨铸铁对组织的要求。
3.3 机械性能检验
机械性能检验是通过机械拉伸随炉浇注的Y型单铸试块加工的试棒来确定材料的机械性能。本试验采用该工艺熔炼了2炉，试棒编号1#、2#，机械性能见表5。
抗拉强度和延伸率是球墨铸铁检验的最终指标，通过对随炉浇注的Y型单铸试块试棒的拉力试验，达到QT400－18高韧性球墨铸铁对机械性能的要求。
3.4 低温抗冲击性能检验
低温冲击性能主要是指材料在低温工作、有冲击载荷存在情况下的抗冲击性能。
3.4.1 试验设备
CSL－B冲击试样缺口电动拉床、DWC－60A冲击试验低温槽、JB－30B冲击试验机。
3.4.2 冲击试样制备
冲击试样从拉伸试棒的端头加工，冲击试样按GBZ106－80《金属夏比（V型缺口）冲击试验方法》的标准加工，尺寸和形状见图3.
3.4.3 试验方法
将加工好的夏比冲击试块放入DWC－60A冲击试验低温槽中冷却→－20℃保温20min→快速取出并在JB－30B冲击试验机冲击→记下数据，每试样做3个冲击试块，取平均值作为该方案的结果。
3.4.4试验结果
本试验1#、2#两个试样－20℃冲击功见表6。
冲击值超过12J/mm2的要求数值，满足材料对低温抗冲击的要求。
3.4.5 －20℃冲击断口形貌分析
工件断裂分为韧性断裂、解理断裂或者混合型断裂。韧性断裂机理：施加应力时，首先在石墨—基体界面发生剥离，接着石墨周围的铁素体产生局部的塑性变形，形成椭圆形的微裂纹。此时，基体产生微裂纹，但由于铁素体具有塑性容易钝化而阻碍裂纹扩张。进一步增大应变，显微裂纹连接成主裂纹。解理断裂机理：石墨—基体界面由于凝固时的偏析产生夹杂物和碳化物的共晶界面，这往往多是脆性裂纹的萌生地，当受到应变时，先有滑移形成位错堆积，接着在共晶界面的夹杂物和碳化物处产生精力集中，最后成为解理裂纹。
金属材料的断裂与材料的韧性、塑性有直接的关系，冲击断裂后，断口保持断裂瞬间的环境特征如温度等，形成有代表性的形貌特征。分析端口形貌特征可以确定材料是韧性断裂、脆性断裂或者混合型断裂。冲击式样断口SEM照片见图4.
3.4.6结果分析
从断口可以看出，断口表面凸凹不平，部分石墨球在冲击过程中脱落，断口上留下一些空洞，部分石墨球仍留在断面上，形成凸出的石墨圆球。石墨球及石墨球剥落后留下的凹坑周围，由于铁素体基体的塑性变形，形成网状连接的“撕裂楞”，在“撕裂楞”上出现韧窝，由于韧窝大而深，说明试样在断裂之前，基体发生了很大的塑性变形，直至在石墨球周围的基体上形成主裂纹，才发生断裂，该断口属于韧性断裂在断。
4 结语
综上所述，球墨铸铁凭借自身拥有的独特优点，在众多工业行业有着广泛的应用。因此，为了工业的生产，我们必须要保障球墨铸铁的生产质量，采取先进有效的生产工艺，确保球墨铸铁的产出能有质的保证。
参考文献：
[1]郑兴睿、苑振涛、王永振.合成球墨铸铁生产工艺研究及应用[J].热加工工艺.2015（09）.
[2]马寒坤、潘金坤、郭文申、杨涛.喂线法处理工艺在球墨铸铁生产中的应用[J].金属加工（热加工）.2015（01）.
论文作者:陈佳辉
论文发表刊物:《基层建设》2016年1期
论文发表时间:2016/5/20
标签：球墨铸铁论文; 石墨论文; 韧性论文; 塑性论文; 断口论文; 基体论文; 裂纹论文; 《基层建设》2016年1期论文;