铸造企业之大型铸铁件铁液处理探讨.docx

大型铸铁件铁液处理探讨 张文和,丁 俊,聂富荣, （ 南京铸峰国际贸易有限公司 南京 210002 ）摘要：凝固时间长是厚壁铸件多种缺陷的根源，灰铸铁件厚壁芯部晶粒粗大；球墨铸铁件芯部石墨球数减少，容易出现变态石墨、晶间碳化物等现象。成分偏析、磷共晶、微量元素，严重影响球墨铸铁的质量。正确的铁液处理有助于避免这些不利因素。 关键词：大型铸铁件;石墨畸变；冶金质量； Study Melts Treating of Heavy Casting ZHANG Wen-he, DING Jun, NIE Fu-rong, （ Nanjing Zhufeng International Trading Co.，Ltd Nanjing China 210002 )Abstract: There are many defects of Thick-wall casting, it roots in long freeze,. grain growth of center gray iron casting and reduce the number of graphite nodule, appear deteriorative graphite, and carbide of intercrystalline in ductile iron. Quality of ductile iron are affected by segregation of composition, phosphide, trace elements . It is helpfully that using rational treatment technique of melted iron, avoid harmful factors. Key words: heavy casting iron; graphite distortion; metallurgical quality;1、前言矿山冶金、重型机床、水利风力、热核能源等国民经济重要部门飞速发展，带动大型铸铁件的需求日益增加。2008年5月22日世界上迄今最大的铸件，一万八千五百吨油压机520吨上横梁铸钢件在洛阳诞生，彰显国内大型铸件的生产水平。大型铸铁件几十乃至百吨以上，通常被用作基础结构件，其中灰铸铁件必须具备高强度，而球墨铸铁件多为高韧性铁素体型。轴类铸件一般在十吨以内，材质是承受小能量多次冲击的高强度低韧性珠光体球墨铸铁，另外集中专题讨论针对性会更强。凝固时间长是厚壁铸件多种缺陷的根源。冷却缓慢的灰铸铁件，芯部晶粒粗大，强度低于外表面；球墨铸铁件芯部石墨球数减少，石墨化困难，容易生成珠光体，并出现变态石墨、晶间碳化物等现象，导致力学性能下降。Si和Cu偏析共晶团内，致使晶界贫化促成碳化物，恶化力学性能；共晶团边界的磷共晶，降低韧性增加脆性；微量干扰元素富集在最后凝固区域，形成晶间组织，强度和韧性随之降低。风力发电设备的大型球铁铸件，一般要求接近100%的铁素体基体，对-20甚至-40低温冲击性能要求很高，否则极易发生脆性断裂。在低温受载情况下，铸铁脆性断裂形式有解理断裂、穿晶脆性断裂和沿晶断裂。材料的韧脆性能与铸铁的主要成分、微量元素、铁液处理、铸造及热处理工艺密切相关。铸铁件的显微缩松、奥氏体枝晶、石墨和夹杂物形貌对断裂产生重大影响。基于大型铸铁件的这些特点，认真探讨其铁液处理的经验和原理，以避免大型铸件由于铁液处理不当带来的损失。2、铸铁铁液的制备2.1铸铁的牌号：大型铸铁件要承受较大的载荷，承受高弯曲力和高拉力，因此灰铸铁多采用牌号HT250-HT350，球墨铸铁基础结构铸件多采用牌号QT350-QT450。最近，球墨铸铁力学性能的新国标正在审定报批，其等效采用国际标准增加QT350-22和QT350-22L。表2、表3是欧洲EN1563：1997标准的球墨铸铁单铸试棒和附铸试棒的技术要求。 灰铸铁厚壁铸件附铸试棒的力学性能1 表1铸铁牌号铸件壁厚/mm30单铸试棒/M Pa*铸件硬度HBS50附铸试棒/M Pa实体试棒/M PaHT25080-150250241180165150-300165150HT30080-150300262210195150-300195180HT35080-150350277240225150-300215205*铸件硬度参照JIS G 55011995同等牌号灰铸铁规定的硬度值。 欧洲标准球墨铸铁力学性能（单铸试棒）1 表2 性能牌号抗拉MPa屈服MPa伸长率%最小冲击吸收功试验温度/三次均值/J单个值/JEN-GJS-350-22-LT35022022-402129EN-GJS-350-22-RT2351714EN-GJS-400-18-LT40025018-202129EN-GJS-400-18-RT2351411EN-GJS-400-1515EN-GJS-450-10450310 10注：表中LT表示低温，RT表示室温。大型铸件如不要求低温冲击性能，材质可以采用QT450-10，。近年来发展起来的风力发电设备的大型球墨铸铁件，材质要求QT350-22L在-40，QT400-18L在-20有冲击韧性要求。高端球铁铸件甚至有-60的冲击韧性要求。欧洲标准球墨铸铁力学性能（附铸试棒）1 表3 性能牌号相关壁厚t/mmb/MPas/MPa% 最小冲击吸收功试验温度/三次均值/J单个值/JEN-GJS-350-22U-LT3035033032022021020022181530t60-40212960t200107EN-GJS-350-22U-RT30350330320220220210221815235171430t6060t2001512EN-GJS-400-18U-LT3040039037024023022018151230t60-20212960t200107EN-GJS-400-18U-RT3040039037025025024018151230t60235141160t200129EN-GJS-400-15U3040039037025025024015141130t6060t200EN-GJS-450-10U304503101030t60供需双方商定60t200表中附铸试棒的力学性能与铸件壁厚关系很大，这一点对讨论大型球墨铸铁件尤为重要。2.2 HT250-HT350的铁液：缓慢冷却的厚壁铸件晶粒粗大，力学性能差。通常共晶和过共晶成分灰铸铁晶粒十分粗大，只有亚共晶成分灰铸铁，随亚共晶程度增大晶粒越趋细小，因此铸件化学成分影响力学性能。高强度灰铸铁推荐化学成分见表4。 孕育铸铁推荐化学成分（%）* 4 表4C SiMnPS废钢加入量（%）孕育前孕育后HT2503.0-3.21.3-1.51.5-1.80.8-1.00.120.1030-50HT3002.9-3.11.1-1.41.3-1.70.9-1.040-60HT3502.8-3.01.0-1.21.2-1.61.0-1.350-80*本表数据略有改动提高灰铸铁力学性能的办法：低合金化是向铸铁中加入含量小于3%的合金元素，改善基体组织，增加和细化珠光体。铸铁中初生奥氏体枝晶数直接影响骨架结构，非合金灰铸铁的初生奥氏体，枝晶排列的方向性强，二次枝晶不发达，共晶期间形成奥氏体+石墨的共晶团；加入合金的铸铁，奥氏体枝晶分枝程度高，二次枝晶发达，细化二次枝晶间距，从结构上提高力学性能。生产中常常选用两种以上的合金元素配合使用，抵消一种合金强烈反石墨化作用。通常合金的组合有Cu+Cr+Mo，Cu+Mo，Cr+Mo，Cr+Mo+Ni等。1灰铸铁件孕育的作用是消除白口和获得相对细小的A型石墨；改善石墨形态、消除铸件厚壁的中心部位的粗大晶粒。灰铸铁通常用硅钡孕育剂，但用CaSi孕育处理获得的共晶团数比BaSi多很多，厚壁灰铸铁件多采用CaSi孕育合金。铸铁中共晶团数多导致共晶晶粒细小，可以适度提高灰铸铁的力学性能。灰铸铁合金元素的加入与作用1 表5元素加入量（%） 作 用Cu1.5增加稳定珠光体，弱石墨化、弱细化石墨，细化珠光体作用甚微。Cr1.0促成短小无方向分布枝晶，稳定珠光体，细化石墨，提高力学和耐热性。Mo1.0细化珠光体、细化石墨，强化铸铁作用大，P-Mo易四元共晶脆性大。V0.3反石墨化作用强，大量增加细化共晶奥氏体枝晶，细化珠光体、石墨，Sn0.04-0.1增加并细化珠光体，细化石墨，晶界易形成FeSn2,铁素体球铁慎用。Ni3.0促进形成分枝少、短胖状奥氏体，促进石墨化，增加并细化珠光体，Sb0.03强烈促进形成珠光体，增加大断面球墨铸铁石墨球数，增加铸铁硬度。Ti0.3促进初生奥氏体数量最大，增加细化奥氏体枝晶，促进获得D型石墨。S0.1增加石墨核心有利孕育，但粗化奥氏体枝晶，阻碍石墨化作用大于V。对有致密性要求的铸件Cr0.35%。 灰铸铁的孕育与铁液加入合金元素产生合金化提高力学性能的情况不同。孕育剂的种类很多，大型灰铸铁件推荐使用孕育剂见表6。 介绍几种大型铸铁件常用孕育剂4 表6硅钡孕育剂硅钙孕育剂稀土孕育剂应用广，效果优，价格便宜大量增加共晶团数用于灰铁比锶孕育剂好用于球铁效果是75FeSi三倍具有很强的抗孕育衰退能力石墨化效果好减少白口倾向改善铸件壁厚敏感性促进获得均匀分布A型石墨常用于超厚壁高强度灰铸铁石墨化能力比75FeSi大2倍增加共晶团数的能力极大钙化学活性大，生成硫氧化物，将气泡与夹杂物带到液面能形成大量石墨晶核的基底促进获得均匀分布A型石墨减少白口倾向，提高铸铁强度稀土硅、稀土硅钙、稀土硅钙钡、硅铁镧、硅铁铈石墨化和抗孕育衰退能力强对低硫的电炉铁液更为有效中和低熔点金属有害影响减少铬引起的过冷强化铁素体，提高耐磨性钝化片墨尖端提高力学性能2.3 QT350、QT400、QT450原铁液： 生产实践表明，铸态获得100%铁素体基体，对原材料与工艺操作要求极其严格,退火铁素体球铁具有最好的低温特性，随着珠光体量的增加，低温性能随之变差。风电设备球墨铸铁件，要求牌号QT350-22L。为得到全铁素体基体，应采用40%低锰的高纯生铁，10-20%低锰低碳废钢，回炉料也应控制合金和微量干扰元素。球铁原铁液要求碳化物形成元素Cr、Mo、V、Sn、B和微量干扰元素Sb、Bi、Pb、As、Te含量极低。7反球化元素（Ti）0.05%。 铁素体球墨铸铁铸件推荐化学成分 表7元 素CSiMnPSQT400-18、QT450-10含量（%）3.5-3.72.2-2.50.200.040.020 QT350-22L、QT400-18L含量（%）3.6-3.81.9-2.20.150.030.008-0.012硅提高球铁脆性转变温度，对低温工况极为不利。铁素体球铁含硅量应小于2.5%，风电铸件低温冲击韧性要求高，含硅量应小于2.1%。锰与硫生成长条状硫化锰，降低韧性。在低温载荷下，球墨铸铁韧脆性受化学成分，微量元素、铸造及熔炼工艺、球化孕育处理和热处理工艺影响很大。球墨铸铁脆性断裂形式有解理断裂、穿晶脆性断裂和沿晶断裂。解理是晶体受外力作用，沿晶面方向裂开成平面的特性，属脆性断裂范畴。13、球化孕育处理3.1球化合金：厚壁球墨铸铁铸件,由于凝固时间延长，很难避免出现畸形石墨。人们发现：为保证大断面球铁球化良好，除了足够的镁量外，稀土量一般应低于0.02%，低于0.015%更好。5国外铸造厂则使用转包法纯镁球化处理工艺。保证厚大球铁铸件球化良好：对高纯生铁炉料，应采用硅镁球化剂；对优质生铁炉料，采用低稀土镁硅铁球化剂，如Mg6RE1,Mg6RE0.5,Mg6La1,Mg6La0.5等；对厚大断面球墨铸铁是否添加稀土元素，只有对有问题的原材料进行试验研究，仅仅根据干扰元素的化验结果判断原材料的质量，是不适当的。5-7 厚大断面球墨铸铁共晶凝固时间长，根据铸件壁厚残留镁量在0.04%-0.08%为好。一般认为钇的抗球化衰退能力比镁强。实际上，铁液在1450保温，钇的衰退速率为每分0.00021%；镁的衰退速率减半为每分0.00010%。钇的抗球化衰退能力表现在钇可以过量加入，增大的残余钇量提供了钇在铁液中长时间衰减。1，7 优质球化合金成分精度：Mg0.3%，Si2.0%，其它元素0.2%，MgO/Mg10%。球化合金加入量与原铁液含硫量、球化剂含镁量、铸件壁厚及球化方法（冲入法、盖包法）关系见表9。 球墨铸铁铸件残留镁量推荐表 表8铸件壁厚/mm10-3030-6060-100100-200200Mg残（%）0.035-0.0450.040-0.0550.050-0.0650.060-0.0750.080球墨铸铁铸件球化合金加入量推荐表 表9 条件牌号铸件壁厚/mmS0.02%0.02S0.03球化合金加入量（%）Mg6RE125-601.31.460-100 1.5 1.6Mg8RE125-60 1.1 1.1560-100 1.3 1.35国内冲入法生产球墨铸铁普遍采用REFeSiMg和FeSiMg合金。 大型球墨铸铁球化处理推荐球化合金成分（%） 表10MgRE CaSiBaLaAl应用REFeSiMg6.0-6.60.8-1.20.8-1.242-481.0QT450、QT400REFeSiMg5.8-6.50.4-0.60.4-0.642-481.0QT400、QT350FeSiMgBa9.0-10.00.8-1.242-483.5-4.51.0QT400、QT350FeSiMgLa5.8-6.20.8-1.242-480.4-0.61.0QT400、QT350FeSiMgLa6.0-6.60.8-1.242-480.8-1.21.0QT400、QT3503.2. 提高冶金质量： 提高石墨球数应是衡量球墨铸铁凝固品质的重要参数，石墨球数多，球径减小，改善圆整度，提高力学性能。铁素体球墨铸铁，球数多可提高低温冲击韧性，减少碳化物、变态石墨和缩松倾向。厚壁球墨铸铁的凝固时间长，核心失效现象严重，球数明显减少，而球径变大，圆整度也变差，即石墨产生畸变。资料认为：在非常缓慢冷却的厚大断面（壁厚250mm）球铁铸件中心部位，可能只有5个/mm2石墨球，由于碳扩散距离加长，基体易形成珠光体。对于厚大断面球墨铸铁，当每1mm2的石墨球数达60个以上时，可不出现碎块状石墨。7 在厚大球墨铸铁中，与（Ce）:0.01%-0.03%一起加入（Sb）:0.002%-0.005%,可以增加石墨球数，得到十分圆整的石墨球，有助于消除碎块状石墨。此外添加（Sn）:0.05%可以防止出现碎块状石墨。7 锑和锡都是强烈形成珠光体元素，铁素体球铁须慎用。国外资料介绍：采用含La球化剂或孕育剂，单位面积增加石墨球数是纯Ce球化剂的2-3倍；球化率提高大约10%-20%；白口倾向明显减少，在不孕育的情况下，5mm截面实际没有碳化物；与用含纯Ce的球化剂相比珠光体量减少50%；对于专用测量缩松面积的十字形试样，其热节缩松面积为零；石墨球明显呈倾斜（bimodal or skewed）分布，其特点是出现大量细小的石墨球和少量较大的石墨球。23.3. 球化工艺：冲入法生产球墨铸铁，包坑内的球化合金在铁液快出满时爆发，镁在铁液里的行程最长，吸收率最高。应采取的措施是：球化处理包的凹坑，宽度为1/3-1/4包底直径，深度为球化剂和覆盖剂装满以后，尚距离坑顶20-25mm。包坑投影面积越小，合金舂紧后紧实力越大，对延缓爆发有利。根据上浮公式，合金粒度越大其上浮速度越快；球化合金粒度大小均匀分布，延缓球化合金上浮时间，有利于球化吸收。国内八十年代就有工厂采用盖包法球化技术，国外欧美和巴西，采用REFeSiMg球化剂的铸造厂，都采用盖包冲入法，处理铁液质量从80kg到8.5t不等，并计划设计14t包盖处理包。6Tundish工艺由于Mg吸收高，球化剂用量比冲入法节省25%，并减少大气和光污染。8这种简单成熟的工艺，没能在国内普及，确实令人顿足捶胸。3.4 孕育处理：对于大型厚壁灰铁铸件，硅钡、硅钙、稀土孕育剂，电炉铁液孕育量约为0.4%，冲天炉铁液孕育量约为0.3%，孕育量过大会增加共晶团数，从而增加灰铸铁缩陷、缩孔、缩松等缺陷。球铁件的孕育也可以选用硅钡、硅钙、稀土孕育剂。大型球墨铸铁件铁液停留时间长；此外，厚大断面球墨铸铁，如果石墨核心数量过多，过早形成的石墨球由于环绕的奥氏体壳薄弱，石墨容易早期畸变。因此，为了防止孕育衰退和获得更多的铁素体量，应采用长效孕育剂和滞后孕育方法，延长孕育衰退时间，增加石墨球数。5 一次孕育，孕育剂应在铁水包进入铁液1/5-4/5期间连续添加，这样的方法比在包坑中将孕育剂加在球化剂上，孕育效果更好。二次孕育，用粒度0.2-0.7mm的孕育剂在浇口杯上方随铁液流进入浇口。可以在铁液包上设置简单的随流孕育装置，用简易柱塞阀通过下料口直径控制每秒孕育量。3.5. 外浇口及孕育块：漏斗形浇口杯浇注铁液时会产生水平旋涡，铁液很难对准浇口杯中心线，铁液在浇口杯的接触点与直浇道中心的距离（r），接触点的质量（M），接触点水平涡流的切线速度（），它们的乘积为衡量（动量矩守衡）。 Mr = 常量 4M不变，液流距离中心越近r越小、越大，离心加速度2/r也越大，与重力加速度（g）的合成加速度方向接近水平。铁水很大的旋流使浮渣与中空气流进入浇注系统内。实验表明：增加浇口杯深度，降低浇注高度可以避免水平旋流。3 大型铸件采用在浇口盆内放置孕育块对减少白口、改善石墨形态、增加共晶团数、降低断面敏感性，有明显效果。对于球墨铸铁，可以提高球化率，增加石墨球数。 孕育块的化学成分 表11SiAlCaBiMnFe硅铁64-670.8-1.20.8-1.2Balance优质70-783.0-4.00.5-1.2BalanceZFYK-20M70-780.7-1.50.5-1.23.5-4.5BalanceZFYK-20AB70-783.0-4.00.6-1.00.8-1.3Balance 大型孕育块（砖）规格 表12 CC H AA 各 部 尺 寸型号ABCDHP300503060P500603269P800793583 CH B AP2165751334575P522110117053110P1026013521085140P15312170260115165P30340195270135190P50350250295175250 各种型号孕育块重量一览表 表13型号P300P500P800P2P5P10P15P30P50重量300g500g800g2000g5000g10000g15000g30000g50000g孕育块是将熔化的孕育合金倒入铸铁模具后冷却成型，孕育合金的成分可以选择。孕育块质量可以选用或定制，孕育合金加入量约为铁液量的0.1%。大中型铸铁件，采用浇口盆并放置孕育块，能获得良好的孕育效果。（见图4）表14是根据本文参考文献5中曲线图整理而成以供参考。 浇注质量、浇注时间和孕育块规格推荐5 表14浇注质量/t12581020304050浇注时间/S3035568095115125150165孕育块型号P800+P300P2P5P10P10P15+P5P30P30+P10P50 图5 大型铸件浇口盆和孕育块1.6.2.1冶金质量和冷却速度的影响：铸铁凝固过程析出石墨产生体积膨胀，冶金质量、冷却速度和化学成分影响膨胀体积和时序。相同化学成分和冷却速度，冶金质量好，液态收缩、体积膨胀和二次收缩值都小，铸件形成缩孔、缩松和铸型膨胀变形倾向小。球数多提高低温冲击吸收功，降低脆性转变温度；石墨球数多促使共晶团界面平滑，利于补缩和提高致密度。石墨球数应大于界定球件品质的临界数。周灰铸铁的冶金质量可以从孕育效果考量，凡是石墨化效果好，白口倾向小；获得中等大小A型石墨；断面均匀性好；适当增加共晶团数和促进形成细片珠光体；铸铁中氧化杂质少；力学性能好，加工性能好的铸铁冶金质量高。反之则冶金质量差。冷却速度越大铸铁的液态收缩、体积膨胀和二次收缩值越大。浇注温度高，增大铁液的收缩值，增加缩孔、缩松的趋势。大型厚壁铸件凝固时间长，冷却速度慢，收缩值小，对补缩要求低，创造适当的工艺条件，可采用无冒口工艺。4、结束语最后引用国内铸铁专家李克锐、曾艺成、张忠仇的文章中有关内容：大断面球铁件（一般指壁厚大于100mm），由于断面过大，冷却速度缓慢，因而凝固时间长；铸件中尤其是壁厚中心或热节处经常出现石墨畸变、球化衰退、球墨数量减少、组织粗大等问题，相应力学性能下降，尤其是韧性下降更甚。因此大断面球铁件必须要用优质铸造生铁来制造。10 国外部分高纯生铁成分（%）10 表15生铁产地PSMnTiAsSbPbSnAl日本球铁 0.0250.0150.140.0050.040.0010.0010.0050.048瑞典木炭 0.0250.010.0060.0080.0070.01.挪威OB 0.0250.050.01加拿大0.0240.0180.020.010.010.0010.00020.01国内部分优质生铁和高纯生铁的化学成分（%）10-11 表16本溪林州迁西河北友利承德保通P0.045-0.0620.0380.025-0.040.025-0.040.022S0.0380.020.02-0.030.02-0.030.006Mn0.1-1.00.10.015-0.10.015-0.10.