球墨铸铁常见缺陷的分析与对策

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1、球墨铸铁件常见缺陷的分析与对策一、常见的缺陷及分析球墨铸铁件常见缺陷的分析与对策 (1) 球铁是近40年来我国发展起来的重要铸造金属 材料。由于球状石墨造成的应力集中小，对基体的割裂作用也较小，故球铁的抗拉强度， 塑性和韧性均高于其他铸铁。与相应组织的钢相比，塑性低于钢，疲劳强度接近一般中碳 钢，屈强比可达0 70 8,几乎是一般碳钢的2倍，而成本比钢低，因此其应用日趋广泛。 当然，球铁也不是十全十美的，它除了会产生一般的铸造缺陷外，还会产生一些特有的缺 陷，如缩松、夹渣、皮下气孔、球化不良及衰退等。这些缺陷影响铸件性能，使铸件废品 率增高。为了防止这些缺陷的发生，有必要对其进行分析，总结出各

2、种影响因素，提出防 止措施，才能有效降低缺陷的产生，提高铸件的力学性能及生产效益。本文将讨论球铁件 的主要常见缺陷:缩孔、缩松、夹渣、皮下气孔、石墨漂浮、球化不良及球化衰退。 1 缩 孔缩松 1.1影响因素 (1)碳当量：提高碳量，增大了石墨化膨胀，可减少缩孔缩松。此外 提高碳当量还可提高球铁的流动性，有利于补缩。生产优质铸件的经验公式为C%+1/7S i%3 9%。但提咼碳当量时，不应使铸件产生石墨漂浮等其他缺陷。(2)磷：铁液中含磷 量偏高，使凝固范围扩大，同时低熔点磷共晶在最后凝固时得不到补给，以及使铸件外壳 变弱，因此有增大缩孔、缩松产生的倾向。一般工厂控制含磷量小于008%。 (3)

3、稀土和镁： 稀土残余量过高会恶化石墨形状，降低球化率，因此稀土含量不宜太高。而镁又是一个强 烈稳定碳化物的元素，阻碍石墨化。由此可见，残余镁量及残余稀土量会增加球铁的白口 倾向，使石墨膨胀减小，故当它们的含量较高时，亦会增加缩孔、缩松倾向。 (4)壁厚： 当铸件表面形成硬壳以后，内部的金属液温度越高，液态收缩就越大，则缩孔、缩松的容 积不仅绝对值增加，其相对值也增加。另外，若壁厚变化太突然，孤立的厚断面得不到补 缩，使产生缩孔缩松倾向增大。 (5)温度：浇注温度高，有利于补缩，但太高会增加液态 收缩量，对消除缩孔、缩松不利，所以应根据具体情况合理选择浇注温度，一般以1300 1350C为宜。(

4、6)砂型的紧实度：若砂型的紧实度太低或不均匀，以致浇注后在金属静压 力或膨胀力的作用下，产生型腔扩大的现象，致使原来的金属不够补缩而导致铸件产生缩 孔缩松。 (7)浇冒口及冷铁：若浇注系统、冒口和冷铁设置不当，不能保证金属液顺序凝 固；另外，冒口的数量、大小以及与铸件的连接当否，将影响冒口的补缩效果。 1.2 防 止措施 (1)控制铁液成分：保持较高的碳当量(3 9%)；尽量降低磷含量(0 08%)；降低残 留镁量(0 07%)；采用稀土镁合金来处理，稀土氧化物残余量控制在0 02%0 04%。(2)工艺设计要确保铸件在凝固中能从冒口不断地补充高温金属液，冒口的尺寸和数量要适当， 力求做到顺序

5、凝固。 (3)必要时采用冷铁与补贴来改变铸件的温度分布，以利于顺序凝固。(4)浇注温度应在13001350C, 包铁液的浇注时间不应超过25mi n,以免产生球化 衰退。 (5)提高砂型的紧实度，一般不低于90；撞砂均匀，含水率不宜过高，保证铸型有 足够的刚度。 2 夹渣 2 .1 影响因素 (1)硅：硅的氧化物也是夹渣的主要组成部分，因 此尽可能降低含硅量。 (2)硫：铁液中的硫化物是球铁件形成夹渣缺陷的主要原因之一。 硫化物的熔点比铁液熔点低，在铁液凝固过程中，硫化物将从铁液中析出，增大了铁液的 粘度，使铁液中的熔渣或金属氧化物等不易上浮。因而铁液中硫含量太高时，铸件易产生 夹渣。球墨铸铁

6、原铁液含硫量应控制在0 06%以下，当它在0 09%0 135%时，铸铁夹渣缺 陷会急剧增加。 (3)稀土和镁：近年来研究认为夹渣主要是由于镁、稀土等元素氧化而致 因此残余镁和稀土不应太高。 (4)浇注温度：浇注温度太低时，金属液内的金属氧化物等 因金属液的粘度太高，不易上浮至表面而残留在金属液内；温度太高时，金属液表面的熔 渣变得太稀薄，不易自液体表面去除，往往随金属液流入型内。而实际生产中，浇注温度 太低是引起夹渣的主要原因之一。此外，浇注温度的选取还应考虑碳、硅含量的关系。 (5) 浇注系统:浇注系统设计应合理,具有挡渣功能,使金属液能平稳地充填铸型,力求避免飞溅 及紊流。 (6)型砂：

7、若型砂表面粘附有多余的砂子或涂料，它们可与金属液中的氧化物合 成熔渣，导致夹渣产生；砂型的紧实度不均匀，紧实度低的型壁表面容易被金属液侵蚀和 形成低熔点的化合物，导致铸件产生夹渣。 2.2 防止措施 (1)控制铁液成分：尽量降低 铁液中的含硫量(0 06%)，适量加入稀土合金(0 1%0 2%)以净化铁液，尽可能降低含硅 量和残镁量。 (2)熔炼工艺：要尽量提高金属液的出炉温度，适宜的镇静，以利于非金属 夹杂物的上浮、聚集。扒干净铁液表面的渣子，铁液表面应放覆盖剂(珍珠岩、草木灰等)， 防止铁液氧化。选择合适的浇注温度，最好不低于1350C。 (3)浇注系统要使铁液流动平 稳，应设有集渣包和挡

8、渣装置(如滤渣网等)，避免直浇道冲砂。 (4)铸型紧实度应均匀， 强度足够；合箱时应吹净铸型中的砂子。 3 石墨漂浮 3. 1 影响因素 (1)碳当量：碳当 量过高，以致铁液在高温时就析出大量石墨。由于石墨的密度比铁液小，在镁蒸汽的带动 下，使石墨漂浮到铸件上部。碳当量越高，石墨漂浮现象越严重。应当指出，碳当量太高 是产生石墨漂浮的主要原因，但不是唯一原因，铸件大小、壁厚也是影响石墨漂浮的重要 因素。 (2)硅：在碳当量不变的条件下，适当降低含硅量，有助于降低产生石墨漂浮的倾 向。 (3)稀土：稀土含量过少时，碳在铁液中的溶解度会降低，铁液将析出大量石墨，加 重石墨漂浮。 (4)球化温度与孕育

9、温度：为了提高镁及稀土元素的吸收率，国内试验研究 表明，球化处理时最适当的铁液温度是13801450C。在此温度区间，随着温度升高，镁 和稀土的吸收率增加。 (5)浇注温度：一般情况下,浇注温度越高，出现石墨漂浮的倾向越 大，这是因为铸件长时间处于液态有利于石墨的析出。A.P.Druschitz与W.W. Chaput研 究发现,若缩短凝固时间，随着浇注温度升高，石墨漂浮倾向降低。 (6)滞留时间：孕育处 理后至浇注完毕之间的停留时间太长，为石墨的析出提供了条件，一般这段时间应控制在 10mi n以内。球墨铸铁件常见缺陷的分析与对策(2) 3 2防止措施(1)控制铁液成分: 严格控制碳当量，不

10、得大于4 6%；铁液的含碳量不得大于4 0%，可用废钢来调整铁液的含 碳量；采用低硅(2.5、Mg/S5时，易出现白口，同时严 格控 WpV0.04%、WBi=0.003%0.007%。灰铸铁铸件所产生的各种铸造缺陷（如缩孔、气孔、渣孔、夹砂、冷隔、浇不足等）都会 在生产稀土镁球墨铸铁时产生。球墨铸铁常见缺陷有球化不良（球铁处理不成）、球化衰退、 缩松、皮下气孔等缺陷。球化不良是稀土镁球墨铸铁经常遇到的问题之一。球化不良是指球化剂加入量不足以使铸 铁石墨充分球化。铸件中的石墨多呈团块状、开花状、枝晶状、蠕虫状、厚片状。球化不良其宏观观特征为：银白色的断口上分布有黑色斑点，破断铸件在其整个断面上

11、 分布有明显可见的小黑点，愈往中心愈密。球化不良的程度越严重，黑斑直径越大数量越多， 甚至全部断口为黑灰色，类似灰铸铁的断口。金相微观分析能发现有集中分布的厚片状石墨 或晶间石墨以及少量球状、团状石墨，严重时还出现片状石墨。球化不良使力学性能急剧下 降，不能达到牌号所规定的性能指标。球化不良主要是因为镁和稀土元素的残留量不足造成的。产生的原因主要有：（1）使用高硫的焦炭和新生铁，根据我厂生产的经验，当原铁水含硫量达0.1%以上时，经 常造成球化不良；（2）与灰铸铁交界铁水没有分离干净，由于炉料计算误差，灰铸铁铁水过多，交界铁水 没有分离干净。结果高硫、低碳的灰铸铁铁水混入球墨铸铁中，而造成球化

12、不良。生产中经 常遇到与灰铸铁交界的第一包球墨铸铁球化不良；（3）铁水氧化，最后一包球墨铸铁是打炉铁水，操作不当往往造成铁水氧化，镁石强烈 脱氧剂，结果一部分镁耗费在脱氧上，起球化作用的镁量不足而造成球化不良。（4）使用镁烧损严重的稀土镁合金；（5）铁水温度过高或过低，铁水温度过高，中间合金与铁水作用激烈，镁烧损严重；铁 水温度过低，中间合金容易“结死”在包底不起作用，（6）前炉储存铁水不足，球化处理时将炉渣也出到铁水包中。由于稀土镁中间合金与铁 水作用，产生强烈的翻滚，使炉渣卷入铁水与球化剂作用。因为渣中硫高，氧化物多，就消 耗了部分镁和稀土，这也造成球化不良的原因之一。针对上述原因，根据导

13、致残留量不足，应采取不同的措施来防止球化不良的产生：（1）如果球化剂中球化元素含量不足，加入量不够，则应根据生产条件，选用合适的球 化剂和确定加入量，要严格掌握铁水量，防止失控造成出铁量过大失球化剂量相对减少；（2）处理前铁水温度过高或过低；过高球化剂作用激烈，球化元素烧损严重；过低，则 球化剂易在包底冻结。应根据出铁温度掌握好球化剂和覆盖物的紧实程度，球化剂放在包中 装的太松，反应过于激烈，如出铁温度过低，则应及时捅开包底的“结壳”，使球化剂顺利反 应；（3）严格控制铁水的含硫量和含氧量。选用低硫焦炭和生铁。掌握好合理的供风制度， 防止铁水过度氧化，在和其他牌号的铁水同炉熔化时，要注意分离交

14、界铁水，防止混入高硫 铁水；（4）出铁时要防止酸性炉渣流入铁水包，特别是当采取炉外去硫操作时，要及时扒渣， 以免“回硫”，消耗过多的球化元素，造成球化失败。（5）生铁中有时会含有一些妨碍球化的元素，数量虽不多，危害却很大，因此球化处理不 顺利时，可更换一下生铁。二、厚大断面球铁件常见缺陷及防止措施1.1球化不良及球化衰退球化不良指球化处理没有达到预期的球化效果，球化不良的金相组织为集中分布的厚片状石墨和少量球状、团状石墨；球化衰退的特征是炉前球化良好，在铸件上球化不好，或者同一浇包的铁液，先浇注的铸件球化良好，后浇注的铸件球化不好 3。 由于厚大断面球墨铸铁件冷却速度慢，凝固时间长，铁液长时间

15、处于液态或半液态，球 化衰退倾向更为明显。球化不良主要是因为原铁液含硫高、球化元素残余量低、铁液氧化等原因造成的，所以为防 止球化不良应控制铁液的硫含量，硫含量高会消耗更多的球化元素。为防止球化衰退，应尽量缩短铁液的停置时间，从球化处理完成到浇注完成应在15 min内结束。一些研究结果认为，铁液的凝固时间应控制在2 h之内，可以采用冷铁或强制冷 却的方法。另外降低铁液的含硫量，并适当增加球化剂用量，以获得较高的Mg残量，一般使 w (Mg )保留在0.04%0.05%,如果再高会导致石墨球化程度恶化，造成夹渣、夹杂、缩 残松、白口等缺陷5。1.2石墨漂浮石墨漂浮是厚大断面球铁件常见缺陷之一。石

16、墨漂浮是指在铸件上表面有大量的石墨球聚集，石墨形态由原来的致密球形转变成开花形，如图1所示。由此恶化了铸件的表面质量和力学性能。CE高是产生石墨漂浮的主要原因，因此选择合适的CE是防止这类缺陷的主要措施，缓慢的冷却速度和长的凝固时间会加剧这一缺陷5,有时为了增大冷却速度，可使用冷铁来解决。1.3反白口厚大断面球铁件在缓慢冷却的大断面和热节部位常会出现反白口现象，而且在反白口部位往 往出现缩松，导致该部位力学性能下降，特别是塑性指标降低3。出现反白口现象主要是化 学成分偏析及结晶速度大于扩散速度所致5。消除改善厚大断面球铁的反白口最为有效和常 用的办法是采用优质的原材料，尽量降低易于偏析的元素含

17、量，另外就是强化孕育。1.4碎块状石墨碎块状石墨是在大断面球墨铸铁件中或是在热节部位经常出现的畸变石墨。出现碎块状石墨 的部位，质地疏松，恶化力学性能，特别是塑性指标明显降低3。有资料表明，根据碎块状 石墨在组织中所占体积的不同，可使铸件的抗拉强度降低20%40%,伸长率降低50%80%, 冲击韧性降低可达 50%6。碎块状石墨与硅含量密切相关，增加硅含量将促使碎块状石墨形 成。为此在厚大断面球铁生产中，尽量采取较低的硅含量。在使用稀土镁硅铁做球化剂的生 产中，因为RE中含有一定量的Ce，若在厚大断面球铁中加入一定量的Bi和Tb等元素，可 提高石墨圆整度，起到消除碎块状石墨的作用。有资料表明，

18、有控制地加入Sb、Sn、Mn以 及 Cu 可促进珠光体形成，抑制碎块状石墨的产生7。2 生产中应注意的一些问题2.1 原材料的选择生产厚大断面球铁件对原材料的要求较为严格，要求高纯净的生铁，要严格控制原铁液中微 量元素的含量，总量不得0.1%讥稳定的碳素废钢，回炉料只能用与铸件本身同一牌号的， 并对其用量进行控制9。2.2 碳当量碳当量高易产生石墨漂浮，但过低又易产生缩孔，缩松缺陷，从改善铁液铸造性能考虑，尽 量使铁液的碳当量接近共晶点，由于球化元素的影响，球铁共晶点右移至4. 6%4. 7%3,10 。如某铸造厂生产的风电轮毂铸件，碳当量选择4. 45%。2.3 含碳量选择高的含碳量对提高球

19、铁的冲击韧度的伸长率是有利的，但过高的含碳量会出现石墨漂浮9，所以一般选择w(C)在3.5%3.8%。2.4 含硅量硅一方面具有促进石墨化、提高铁素体含量的作用，另一方面又有促进球化衰退、导致低温脆性、促进碎块状石墨形成的作用，因此控制w(Si)量是生产有低温性能要求球铁件的关键 因素。有资料表明，w(Si)量每提高0.1%,球铁的脆性转变温度就提高57 C,因此w(Si) 量不宜过高，建议w(Si)W2.4%g。对于有低温冲击性能要求的QT400-18球铁件w(Si ) 终 为2.0%2.2%。高的w(Si )会导致低温冲击值大幅降低。终2.5 含锰量Mn 是反石墨化元素，促进球光体和渗碳体

20、的形成，对冲击韧度和脆性转变温度有不利的影 响。w(Mn)量提高，珠光体量增加，韧性明显降低，因此要求w(Mn)W0.35%。2.6 含磷量磷易产生偏析，对球墨铸铁的力学性能特别是塑性和冲击韧性产生十分恶劣的影响，一般要 求 w(P)W0.02%。2.7 含硫量硫是反球化元素，一般控制在0.02%，硫量过低会使成核潜能明显降低，因而增大了出现 碎块状石墨的风险，一般建议w(S)量控制在0.005%以上。2.8 微量元素在厚大断面球铁生产中微量元素对防止石墨畸变、增强孕育、增加石墨球数起着非常重要的 作用。有资料表明，锑和锡在奥氏体中具有一定的溶解度，可以强化凝固过程中包围石墨球 的奥氏体壳层，

21、防止奥氏体壳层的破裂，从而防止石墨球的畸变12。某厂生产的厚大断面球 墨铸铁重2.53.5 t,平均壁厚250 mm,加入w(Sb)为0.005%, Ba、Sb与硅铁合金做成复 合孕育剂以0.05%0.2%的加入量随流孕育，取得了较好的效果13。Sb,Bi与稀土元素共存, 会消除变异石墨，改善球铁性能，加入0.005%Bi或0.0085Sb可有效细化石墨，提高球化率 和石墨球数14。某厂在大断面球铁生产中，对于铁素体基体球铁采用0.008%0.010%Bi微 合金化、RE /Bi=1.41.9，球化率大于80%，铁素体含量大于70%，铸件具有良好的韧性, 残伸长率达12%；对于珠光体基体的球铁

22、，采用0.01%0.02%Sb微合金化、RE /Sb=1.21.5, 残球化率稳定在80%左右，且随Sb加入量增加，基体中的珠光体量明显增多，强度、硬度有较大的提高15。2.9残留镁和稀土由于国内生铁中微量元素的含量普遍都较高，在进行球化处理时，常用稀土硅铁镁合金 作为球化剂，以消除微量元素对石墨球化的干拢。一般残余稀土量控制在0.02%0.04%9， 然而在生产风电铸件时，就不宜采用这样高的残留稀土量，因为生产风电铸件必须使用微量 元素低的优质生铁，不必要求较高的残留稀土量，另外稀土元素属于反石墨化元素，又易于 偏析，过高的残留稀土量将可能导致异形石墨的形成和促使在晶界产生碳化物，降低球铁的

23、 冲击韧度，会使低温冲击值达不到要求。所以应严格将残留稀土量控制在上述范围的下限 残留镁量一般控制在0.05%0.06%9。3球化和孕育由于厚大断面球铁的冷却速度慢，凝固时间长，会不断消耗球化元素而导致球化衰退，所以 处理大断面球墨铸铁一般比普通球墨铸铁要加入较多的球化剂，但这势必带来铁液中夹杂物 量增大，基体中铁素体量下降，直接影响铸铁的综合力学性能。因此在保证球化效果的前提 下，应尽量少加球化剂16。孕育处理对于获得高质量的大断面球铁件非常重要，其中常用的孕育剂是Ca、Ba的硅基复 合孕育剂，对于大断面球铁件孕育效果不只依靠孕育剂的组成和数量，更重要的是孕育时间， 大量生产实践表明，瞬时孕

24、育是最有效的办法17。另外孕育量大和二次孕育或多次孕育也会 提高大断面球铁件的孕育效果。有资料表明，厚大断面球铁件的孕育量常在0.7%1.0%5。 采用粗颗粒的（例如35 mm）或是团块状孕育剂进行孕育处理，对克服碎块状石墨是有利 的，但是孕育过量也将导致形成碎块状石墨，为此迟后的孕育剂加入量其质量分数不得超过 0.1%3。4 预处理技术预处理就是在球化反应前，通过加入一种预处理剂，使铁液中的部分氧和硫同预处理剂反应，将铁液中的0/S控制在较低和稳定的水平，并形成稳定的形核质点，为球化反应提供良好的 条件，对生产厚大断面球铁件尤为有利，通过对铁液进行预处理可以延缓孕育衰退，降低球 化剂加入量1

25、5%30%,提高Mg的吸收率，消除缩松，净化铁液。C.R.Loper和W.H.Moore 等人的研究表明，有些碳质孕育剂在球化前加入比球化后加入效果更明显，尤其对大断面球 铁件，常用的材料有SiFe、SiC、SiCa等农-。有人试验通过加入0.10%0.20%的石墨颗 粒来改善石墨形态的方法，将一定粒度的石墨颗粒在球化处理前加入铁液，通过球化处理的翻腾作用以及几次转包，使得石墨颗粒均匀分布于铁液中，通过高熔 点石墨颗粒在铁液中的缓慢熔解，使得在漫长的凝固过程中铁液始终保持较大的碳起伏，提 高了石墨形核率，改善了大断面球墨铸铁件的石墨形态19。5生产实例某厂生产的风电件一轮毂，牌号为EN-GJS

26、-400-18U-LT,重量约7 t,如图2所示，铸件壁厚 60140mm，要求90%以上铁素体，树脂砂造型，采用电炉熔炼，铸件的化学成分如表1所 示，铁液出炉温度为1 500 C,球化剂和孕育剂的成分如表2所示，碳当量为4.45%。孕育加 入量为0.8%，球化剂加入量1.6%，球化剂采用冲入法加入，球化处理温度1 480 C,球化 处理时间90 s。采用硅钙钡孕育剂，二次孕育的方法，最后一次是浮硅孕育。浇注温度1 320 C,10 t铁液包，采用底注慢浇，冷铁工艺，附铸试块的力学性能如表3所示，V型缺 口试棒的最小冲击值如表4所示。图2 轮毂铸件Fig.2 Wheel hub表1 铸件的化学

27、成分Table 1 The compositions of melt iron and casting wB/%CSiMnSPMgRE3.71.90.20.020.030.030.040.010.03表2 球化剂和孕育剂的成分Table 2 The compositions of nodularizer and inoculant w/%材料MgRECaBaSi球化剂5.56.02.02.51.82.01.52.04044孕育剂0.21.50.51.57080表3 附铸试块的力学性能Table 3 The mechanical of property of impact test bar相应壁

28、厚抗拉强度（最小值）屈服强度（最小值）伸长率A（最小值）t/mmR /(N mm2)R /(N mm2)/%tW304002401830tW6039023015表4 V型缺口试棒测出的最小冲击功Table 4 The minimum impact value of “V”shape break test bar相应壁厚/mm（-202）C最小冲击功J3次测试的平均值单值30tW6012960tW2001076 结语随着厚大断面球墨铸铁产量的不断增加，生产经验会越来越丰富，工艺水平也在不断地提高。选用优质的原辅材料，严格的控制铁液的化学成分，适量地添加合金元素，并进行合适的球化和孕育处理，以及球化前的预处理技术等措施，是生产优质厚大断面球墨铸铁的保障。