原料生铁对球墨铸铁的遗传性影响.docx

华 帅（中国船舶工业集团公 司 中船第九设计研究院工程有限公司, 上 海 200063）摘 要 ：采用高频感应炉熔化 ，自硬树脂砂型铸造 ，生 产 球 墨 铸 铁 。 研究了不同产地原料生铁的成分 、组 织 和缺陷在生产球墨铸铁时对铸件的遗传性影响 。 发 现 3 个 产 地 ，具 有 不 同 组 织 、不同缺陷的原料生铁在重熔浇注球 墨铸铁铸件的过程中 ，在 凝 固 倾 向 、组织和缺陷方面有紧密的遗 传 性 联 系 ；同 时 ，发现了一种不用普通球化剂获得 球墨铸铁的工艺 。 讨论了这种工艺的原理和价值 ，提出了一种新的理念 ，即通过外加球状石墨核心 ，促 进 石 墨 呈 球 状 生 长 。关 键 词 ： 原 料 生 铁 ；金 属 遗 传 性 ；球 墨 铸 铁中 图 分 类 号 ：tg255文 献 标 识 码 ：a文 章 编 号 ：1001-3814(2009)07-0038-05influence of pig iron on heredity of nodular cast ironhua shuai(the ninth design research institute engineering co., ltd, cssc, shanghai 200063, china)abstract： the nodular cast irons were obtained by sand casting using a high frequency inducing furnace.the influence of composition, structure and defects of pig irons from different producing areas on the heredity of nodular cast iron was investigated by. the results show that the tendency of solidification, structure and defects have notable heredity phenomenon in the producing process of nodular cast irons using three kinds of pig irons with different structures and defects from different producing areas. a new technology of producing nodular cast was developed without ordinary nodulizer. the principles and the application of this new technology was discussed. a new concept that producing the nodular cast iron by the addition of nodular graphite nuclei was proposed.key words：pig iron； heredity of metals； nodular graphite iron铸 铁 是 工 业 上 应 用 最 广 的 金 属 材 料 之 一 ，而原料 生铁是生产 各种铸铁 的基础 ， 因而 研究原料 生 铁对铸件品 质的影响对 我国铸造 产业的发展 意 义重大 。 我国 幅员辽阔 ， 各 地用于铸造 的原料 生 铁 也多种多样 ，原料生铁 中的组织 、微 量元素及缺 陷在铸造过 程中 ， 其影响 会有部分或 者全部在铸 件中显现 。 在 实际生产 中 ， 人们发现 由不同产地 同牌号原料 生铁配制同 牌号铸铁 ， 即使在熔炼 工 艺完全相 同的情况下 ， 其组织和性 能往往有 很大 差异，通 常将这种现 象称为铸铁 遗传性 。铸铁遗传性 的概念早在 20 世纪 20 年代就 已 由 法 国 学 者 levi 提 出 1，此 后 国 外 许 多 学 者 都 对 这一现象进 行了广泛而 深入的研究 ， 并对其机理 进行了探讨 。国内对这一 现象也引起 了广泛关注 ， 并开展了相 关的研究2-3。现 代研究表明 ，铸铁遗传性 反 映 在 三 个 方 面 8： 结 构 信 息 （ 组 织 结 构 特征 ） 保 留 ；成 分 （微 量 元 素 及 合 金 元 素 ） 遗 传 效 应；物 性特征 （溶液 的物理性质 及凝固时 的 缺 陷等）保 存。近年来 ，随着 铸铁工艺的 成熟 ，生产 中 由 生 铁 的 遗 传 性 引 起 的 一 些 铸 件 质 量 问 题 日 渐 突 出 4-5。以 球 墨 铸 铁 的 生 产 为 例 ，在 国 外 ， 英 国 60% 以 上 的生铁使 用的是高纯 生铁 ， 美国 20 世 纪 70 年 代就达到了50%。 高 纯生铁的成 分如表 1 所示 。表 1 高纯生铁的成分 (质 量 分 数 ，%)tab.1 chemical composition of high pure pig iron（wt%）这 种 生 铁 实 际 上 是 含 碳 量 较 高 的 钢 了 6。 由于各种 元素对铸铁 性能的影 响多种多样 ， 其 含 量 难 以 测 量 ，也 难 于 控 制 ，所 以 ，选 择 微 量 元 素 含 量 少的 原料是极为 明智的 。然而 ，高纯生铁矿 源被少 数国外公司 垄断 ，高纯生 铁价格昂贵 。 在 国 内 ，在 作 者调研的工 厂中也有 几家工厂存 在明显的遗 产收 稿 日 期 ：2008-12-25作 者 简 介 ：华 帅 （1983-），男 ，山 东 枣 庄 人 ，助 理 工 程 师 ，学 士 ，主 要 从事热加工工艺设计 ；电 话 311；e-mail：38hot working technology 2009, vol.38, no. 7csimnpsti220.0280.0130.006模 具试 样 1热 节 圆图 1模 具 和 试 样 1 形 状fig.1 shape of die (a) and sample 1(b)(a) a 地 (b) b 地(c) c 地图 2a、b、c 三地原料生铁断面照片 fig.2 section photoes of pig iron from three producing areas a,b and c上半月出版金属铸锻焊技术castingforgingwelding性问题 ，比如 同样工艺条 件下 ，有时新 进的原料生产的铸件会 出现大量的 废品 。同时，作 者调研时还 发现一些大 型的工厂 ，在 生产高品质 铸件时 ，放弃 价格低廉的 原料生铁 ， 而 选择废钢加 增碳剂的 工 艺生产灰铸 铁和球墨 铸铁 。 这种做 法的确从根 本 上解决了许 多原料遗传 性带来的问 题 ， 但是同 时 也放弃了部 分元素的 有益作用 ，而 且，废钢原料 有 限，不利于大 规模生产 。 因 此，研究铸铁 的遗传性 规律，从原料 生铁本身着 于提高最终 铸件的质量 ， 挖掘现有材 料的潜力 ，对 提高我国铸 铁件的质量 ， 缩短与国外 的差距具有 重要意义 。浇 注 ，凝 固 3 min 后 开 型 ，空 冷 。 取 图 1 所 示 热 节圆处的金相 照片 。用 得 到 试 样 1 同 样 的 方 法 得 到 试 样 2， 质 量42.8 g。 把 它 和 b 地 的 原 料 生 铁 342.3 g 一 起 用 高 频感应炉重 熔 ，不添加孕 育剂 ，采用自 硬树脂砂型铸 造 图 1 所 示 形 状 的 铸 件 ，14501500 浇 注 ，凝 固 3 min 开型，空冷 。 取图 1 所示热 节圆处的 金 相照片 。不加球化 、 孕 育这 些 特 殊 处 理 的 试 样 ， 把 b地生铁用 高频感应炉 加热 ， 在相 同工艺条件 下 浇 注、冷却 ，取相同位置 的金相照片 作对照实 验 。2实验结果2.1 第一组实验 结果a、b、c 三 地 原 料 生 铁 的 断 面 照 片 如 图 2 所 示 。 可以看出 ，a 地 生铁横断面 致密 ，无缩 松 ，在其 上部存在一 个大的缩孔 ， 而其余两种 生铁横断 面 上没有集中 缩孔存在 ， 在断面上分 布着许多微 小 的 缩 孔 ， 在 b 地 生 铁 边 缘 还 有 许 多 皮 下 气 孔 存 在。 这说明 a 地 生铁的铁液 在凝固时凝 固温度范 围较窄 ，倾向 于逐层凝固 方式 ，而另外 两种生铁凝 固时凝固温 度范围较宽 ，倾向于糊状 凝固方式 。这 种凝固方式 的不同会对 后续铸件的 质量有重要 影 响。 逐层凝固 时 ，铁液的流 动性好 ，铸件 容易得到 补 缩 ，且 气 体 、夹 杂 等 容 易 排 出 ，最 后 得 到 比 较 致1实验方法实 验 选 用 的 是 三 个 不 同 产 地 生 产 的 同 牌 号q10 球墨 铸铁用生铁 ，其成分如 表 2 所示。表 2 3 种生铁的化学成分(质 量 分 数 ，) tab.2 chemical composition of threekinds pig iron（wt）第一组实验 ：设计了图 1 所 示的模具 。把 产地a、b、c 的 原 料 生 铁 分 别 用 高 频 感 应 炉 重 熔 ，稀 土 镁 复 合 球 化 剂 球 化 ，高 钙 75 硅 铁 孕 育 ，自 硬 树 脂 砂 型 铸 造 ， 在 14501500 浇 注 ， 凝 固 3 min 开型，空 冷。取图 1 所 示热节圆处 的外观照片 ，与原料生铁断面 照片对照 ， 观 察研究不同 产地生铁 的遗传性现象 。第二组实验 ： 把 b 地 原 料 生 铁 ，在 真 空 电 弧 炉 中 重 熔 ， 浇 注 后 水 冷 得 到 试 样 1， 如 图 1， 质 量34.5 g。 把 它 和 b 地 的 原 料 生 铁 325.6 g 一 起 用 高频 感 应 炉 重 熔 ，采 用 75 硅 铁 型 内 孕 育 ，采 用 自 硬 树脂 砂 型 铸 造 图 1 所 示 的 铸 件 ，在 14501500 热加工工艺 2009 年第 38 卷第 7 期39csimnspa 地 b 地 c 地4.051.091.000.0530.1130.070.0130.0070.0130.0440.0510.046(a) a 地 (b) b 地 (c) c 地(d) a 地 (e) b 地 (f) c 地图 4球墨铸铁试样热节圆断面照片(ac)和 球墨铸铁试样皮下照片(df)fig.4photoes of thermal centre circle sections in nodular cast iron samples (ac) and photoes under nodular cast iron samples surface(df)2009 年 4 月金属铸锻焊技术castingforgingwelding密 的 铸 件 ；而 糊 状 凝 固 时 ，缩 松 易 形 成 ，铁 液 的 流动 性差 ，气体、夹 杂不容易 排出 。实验中 ， 没有 采用加冒口 和其他防止 缺 陷 的 措施，同时取 热节处缺陷 明显的部位 ，以找到缺陷铁生产的球 墨铸铁的的 金相照片 。 图 4 为采用 a、b、c 三 地 原 料 生 铁 配 置 、生 产 的 球 墨 铸 铁 热 节 处 的断 面照片 。 图 4 (a)显 示的集中 大缩孔和 其 下 部 的 二 次 缩 孔 ，继 承 了 图 2 (a)中 所 示 的 a 地 原 料 生 铁 的 缺 陷 特 征 ，同 时 ，试 样 边 缘 皮 下 照 片 显 示 ，见的 遗 传 性 现 象 。图 3 为 采 用 a、b、c 三 地 原 料 生图 4 (d)，其 组 织 较 b， c 两 地 致 密 ，证 明 了 重 熔 以后的铁水 ， 与 生产生铁的 原铁水有 着近 似 的 凝 固 倾向，即逐 层凝固方式 。 同样的 ，其他 两 地 的 球 墨铸铁试样 中的分散缩 孔和气孔 ， 也 正是 因 为 遗 传 了其原料生 铁的凝固倾 向和组织缺 陷所致 。a、b、c 三 地 原 料 生 铁 的 微 量 元 素 含 量 如 表3 所示。 a 地生铁 微量元素含 量明显低 于 b、c 两 地，部分元素 含量甚至低 一个数量级 ，液 态 金 属 的 凝固倾向由 结晶温度 范围和温度 梯度决 定 。 在 实验 条 件 下 ，同 样 的 铸 型 条 件 ，相 近 的 浇 注 温 度 ，导 致在温度 梯度上 3 个实 验的差别不 大 。 而 微 量 元素 含 量 上 的 差 异 ，和 si 元 素 的 较 大 差 异 ( 表 2) 是 导致 凝固方式 差别的主要 原因 ， 因为硅 对 铁 碳 相图 有 显 著 影 响 。 图 5 为 不 同 含 硅 量 时 的 铁 碳 相表 3 3 种生铁主要微量元素的含量 （质 量 分 数 ，%）tab.3 contents of main trace elements in three kinds of pig irons (wt%)图 。 该 图 表 明 ，随 含 硅 量 的 增 加 ，共 晶 点 和 共 析点左 移 ，而共晶转 变和共析 转变温度升 高 。 c 含量4wt%处 的 结 晶 温 度 区 间 增 大 ，导 致 糊 状 凝 固 倾 向 增加 ， 同时微量元 素在凝固 过程中会导 致 成 分 的 偏 析，加剧成分 过冷 ，促进枝 晶生长 。 两 者 的 综 合作 用 导 致 使 si 含 量 和 微 量 元 素 含 量 较 高 的 原 料 生 铁生产的铁 液成糊状凝 固倾向 ，容易 产生 缩 松 ； 相 反 的 ，si 含 量 和 微 量 元 素 含 量 较 少 的 原 料 生 铁，铁 液倾向于逐 层凝固 ，冒 口补缩后容 易 生 产 出组织致密 ，物 理性能优良 的铸件 。正如以上分 析 ， 凝固倾向 对于铸 件 的 质 量 影 响很 大 ，这种倾向 的遗传 ，是 由化学成分 的 遗 传 性 引 起的 ，从而导 致组织和缺 陷的遗传 性 ，使 不 同 产 地同牌号的 原料生铁生 产的铸件 ， 在 质 量 上 差 异 显著。综上所述 ，遗 传性现象是 由原料成 分 ，组 织 和 缺陷 综合作用的 结果 ，在实 际 生 产 中 ，a 地 生 铁 容 易得 到组织致密 ，缩松少的铸 件 ，尤其适 于 生 产 质40hot working technology 2009, vol.38, no. 7tivpbassncucralcoa b c0.01840.08700.06180.00460.03620.01110.00010.00010.00040.000420.00240.00210.00060.00160.00120.00690.016280.007110.0070.00750.00960.002980.00380.00680.001670.002140.00294(a)67 m(b)67 m图 6 孕育工艺条件下的组织(a)和无孕育工艺的组织(b)fig.6 microstructure with modification(a) and without modification (b)(a) (b)17 m 17 m(c)(d)7 m 7 m图 7遗传性炉料的上部组织(a,b)和 下 部 组 织(c,d) fig.7 microstructure of sample upside(a,b) and sample underside(c,d) in modified materials上半月出版金属铸锻焊技术castingforgingwelding量要求严格 的精密铸件 。2.2 第二组实验 结果第二组实验 结果如图 6 所 示。验中，得到了 同样的结果 ，证实加入遗 传性炉料生产 球 墨 铸 铁 的 工 艺 ，有 着 优 良 的 可 重 复 性 。 遗 传 性 炉料的组织 如图 7 所示 。由于冷却速 度的差异 ， 试样的上下 部分组织上 有着显著的 不同 ， 上部 的组 织 ，图 7(a)，由 于 冷 却 速 度 较 慢 ，有 较 多 的 大 块 石 墨 出 现 ，而 下 部 ，图 7(c)，却 很 少 出 现 ；图 7(b)、 (d)显 示 组 织 中 存 在 大 量 的 微 小 石 墨 质 点 ，这 些 微 小质点的存 在是导致石 墨球化的关 键因素 。 球墨 铸 铁 的 形 成 条 件 至 少 有 以 下 四 点 7： 球 状 的 石 墨 核心 ；c 轴为 放射状的 多 晶 体 ；非 平 衡 凝 固 状 态（保证石墨 球状生长 ）；合理的铸 造工艺 （保 证长成的球 墨铸铁不衰 退 ）。浇注的试 样在孕育工艺条 件下的组织 如图 6 所示，孕 育条件下 ，石墨球比较 圆整 ，分布比 较均匀 。与同 产地普通球 化 剂 处 理 的 球 墨 铸 铁 组 织 图 3（b）相 比 ，有 明 显 的优 点 ；无 孕 育 工 艺 的 情 况 下 得 到 的 组 织 如 图 6 (b)所示，石 墨基本上呈 球状 ，基体上 除了较大 的球状 石墨外 ，还分 布有大量很 小的石墨质 点 ，外观上看不是球状 ，但 是也没有显 著的片状特 点 。从这四点分 析 ： 加入遗传 性炉料配制 球 墨 铸铁 的 工 艺 ，并 非 是 偶 然 的 ，如 图 7(b)、(d)遗 传 性 炉 料金相照片 显示 ，无论是 试样的上部 还是下部 ，都 有大量的球 状石墨微小 质点 ， 在较低 的重熔温 度 下，这些球状 石墨质点 可以被保存 下来 ，作为球 状遗传性炉料 （电弧炉重熔 产生的试样 ，以下均称为遗传性 炉料 ） 的加入 导致球墨铸 铁的成功 配 制，来源于一 次实验的 意外 ，并且在 以下的验证 实热加工工艺 2009 年第 38 卷第 7 期4134 m图 8 无 任 何 球 化 、孕 育 工 艺 ，b 地生铁重熔后浇 注 的 组 织 金 相fig.8 microstructure of material from producing area b without nodularization and modification2009 年 4 月金属铸锻焊技术castingforgingwelding石墨的生长 核心 ， 所以， 在 合理的铸造 工艺 条 件下 ，能够形成球 墨铸铁 。球状石墨核 心 ，是球墨铸 铁形成的关 键 。长期 以来， 人们研 究球墨铸铁 的重点就在 于如何在 铁液中生成球 状核心 ， 而 本实验则用 外来引入球 状石墨核心 的方式生产 球墨铸铁 ， 而不是传统 的 使 铁液本 身形核 。热力学的分 析可以间接 证实以上思 想 ： 普 通球化 剂生产的球 墨铸铁金 相如图 3 所示 ， 而和 用 遗 传 性 炉 料 配 制 的 球 墨 铸 铁 的 金 相(图 6)相 比 ，在 同 样 的 生 产 工 艺 下 石 墨 球 尺 寸 有 着 很 大 的 差 异 ， 新 工艺的石墨 球尺寸是传 统铸造工艺 中石墨球尺 寸的数倍 。这 种显著的差 异说明 ，在球 状石墨形成 过程中 ，传统 工艺要经过 形核和生长 两个阶段 ，形 核功消耗了 可观的热量 ，从而，使同样 的铸造条件 下，石墨球没 有足够的能 量生长 ，而新 工艺中石墨 球非正常的 偏大 ，正可以 间接的证明 ，球状石墨的 形成过程与 传统工艺的 差别 ， 由于球 状石墨核 心 并非铁液自 身形成 ， 铁 液中节省了 应该用于形 核 的能量 ，使 石墨球持续 生长 ，从而 造成了石墨 球的 尺寸很大 。同时，新工艺 还有其他显 著的优点 ：球 化 过 程没有剧烈的火花飞溅，球化过程平稳，出渣量少；新工艺球状 石墨(图 6)圆 整 度 高 ，而 传 统 球 化 工 艺 得到的球状 石墨(图 3)圆 整 度 相 比 较 低 ；普 通工艺条件下的金相组织，在球状石墨很小的情况下就 有 开 花 型 石 墨 出 现 ，图 3(b)，而 新 工 艺 生 产 的 球 墨铸铁，图 6 (a)，在石墨球尺寸很大的情况下，开花 型石墨的分布仍然很少，可见其优良的抗衰退性。图 8 为 无 任 何 球 化 、孕 育 工 艺 b 地 生 铁 重 熔后浇注得到 的组织 ，作为 实验的对照 。和图 8 对照可以证实 ， 石 墨球化是由 于加入的遗 传性炉料 的 作用，而非其 生铁本