蠕墨铸铁的生产与应用

蠕墨铸铁的生产与应用 子澍 1，严启光2，杨大平1，周尔范1，李 新 1 (1.北京工业大学材料科学与工程学院， 北京 100124；2.北京内燃机总厂，北京100021) 摘要：叙述了用 REMgTiSiFe 合金作蠕化剂生产蠕墨铸铁的工艺过程。研制出了可使含硫量为 0.04%及 0.07%的原铁 液稳定地生产出蠕墨铸铁的蠕化剂。讨论了蠕化剂中某些元素对蠕墨铸铁的影响， 并分析了蠕墨铸铁的铸造性能。 关键词：蠕墨铸铁； REMgTiSiFe 合金；铸造性能 中图分类号：TG251文献标识码：A文章编号：1000-8356(2012)02-0206-06 Production of Vermicular Graphite Cast Iron and Its Application ZI Shu1, YANG Qi-guang2, YANG Da-ping1, ZHOU Er-fan1, LI Xing1 (1.College of Materials Science and Engineering, Beijing Polytecenic University, Beijing 100124, China; 2.Beijing General diesel Engine Factory, Beijing 100021, China) Abstract：The experimental work leading to the develop-ment of alloys for producting vermicula cast iron is descrilad. Some alloys were developed to obtain vermicula castiron in the melted iron containing 0.04%0.07% S. effect of alloy elements the single alloy on vermiculat cast iron is discussed. Castlility of the trealed iron is studied. Key words：vermicular graphite cast iron; REMgTiSiFe alloy; casting property 用单一合金蠕化剂生产蠕墨铸铁， 可使炉前处理 工艺简单，各种合金添加剂的加入量易于协调配合。据 文献 1， 包钢稀土公司推出了4种类别的蠕化剂合 金。本文拟以稀土镁钛硅铁合金为研究对象，首先在实 验室中进行合金成分配方的研究， 随后在北京内燃机 总厂用中频感应电炉熔制的铁液进行蠕化处理， 试生 产柴油机缸盖，现分述如下。 1Mg-Ti-RE系硅铁合金的熔制 熔制此类合金时所需用的原材料有纯镁锭、 钛铁 (wTi=30%)、一号稀土硅铁合金(wRE=20%23%)，硅铁 (wSi=75%)和废钢(或生铁)。 后者是为了增加合金的密 度，使在蠕化处理时蠕化剂合金不易上浮。 这类合金很难熔炼，因为钛铁的熔化温度为1 400 左右，而镁的沸点仅为1 107 ，如何使镁不严重烧 损，而又使钛铁熔化均匀，是保证合金质量的关键。 根据多次熔炼的摸索， 认为应当注意炉料块度和 加料次序。在坩埚底部加纯镁，再加钛镁，然后再加稀 土硅铁合金和硅铁，废钢放在炉外预热。 因为钛铁熔 点高，故粒度要小些，以使其迅速熔化，一般要不大于 6 mm； 而稀土硅铁合金和硅铁块度要大一些(在20 50 mm内)。 可以用焦炭坩埚炉熔化，最好用感应电炉熔化。在 化清之前，不时地往下通未熔化的硅铁，避免棚料。 熔化开后，用铁棍搅一下熔池底部，看钛铁是否全 部熔化，待钛铁熔化后，加入预热的废钢，搅拌一下，出 炉，浇入金属锭模内。 表1是按上述工艺熔制的4种Mg-Ti-RE硅铁合 金的化学成分。 可以看出，在感应电炉熔化时，镁的烧 损约20%，钛烧损015%。 如果废钢随其他炉料一块加入炉内， 则要发生镁 的激烈氧化燃烧， 致使熔化工艺失败。 其原因分析如 下。 据文献2，现尚无Fe-Mg状态图，仅知(0.006 0.000 7)%Fe与Mg形成富镁的共晶体。 在共晶温度镁 能固溶铁的最大值是(0.001 20.000 1)%。 在1 517 ， w(Mg)=0.76%与w(Fe)=99.24%形成富铁共晶体。Mg的 原子半径为0.16 nm，比铁的原子半径(0.126 nm)大得 收稿日期：2009-07-24；修订日期：2009-09-01 作者简介：子澍(1937-)，辽宁海城人，教授主要从事铸造合金强韧 化方面的研究. 表1 Mg-Ti-RE系硅铁合金的化学成分 Tab.1 Composition of vermicularizing alloys 编号 化学成分w(%) 备注 MgTiRESiFe 1# 配料成分8.005.000.566.00余量 焦炭坩埚炉中熔化 化验成分5.955.00未测未测 2# 配料成分6.008.000.549.00余量 感应电炉内熔化 化验成分4.957.00未测47.35 3# 配料成分6.008.200.548.00余量因炉子故障，在感应 炉内熔化、凝固，反 复3天 化验成分4.387.35未测50.20 4# 配料成分8.005.000.548.00余量在感应电炉中熔化， 因加入较多粉状硅 铁，镁烧损大。 化验成分5.035.000.3未测 Vol. 33 No. 2 Feb. 2012 铸造技术 FOUNDRY TECHNOLOGY206 多。因此铁、镁两元素在液态及固态其溶解度都是很微 小，所以镁和铁相遇时不能熔合成合金。 同时，做为炉 料的生铁或废钢表面总有氧化物存在，在高温条件下， 这些氧化物极易和镁发生化学反应， 例如熔融的镁和 FeO相接触就会发生下列反应： Mg+FeO=MgO+Fe 反应同时放出大量的热，造成镁的氧化烧损。当其 它炉料熔清后再加铁，就可以保证燃烧现象十分短暂， 致使镁的烧损减少。 2寻找适宜的蠕化剂合金 本研究的第一个目的是找到一个适宜的蠕化剂合 金配方，使其在较宽的加入量范围内使w(S)为0.06% 0.08%的原铁液成为蠕铁。 表2列出9种合金配方， 它们是在焦炭坩埚炉中熔制的。 将这些蠕化剂分别以 1.0%、1.4%、1.8% 3种加入量，处理下列成分原铁液：w (C)3.45%，w(Si)1.2%，w(S)0.061%,加0.4%硅铁进行孕 育，处理方法是钟罩压下法压入蠕化剂及孕育剂，用插 入式热电偶测量温度，处理结果列入表2中。 从表2可见， 所处理的27包铸铁的石墨多呈球 状，个别配方虽然出现蠕墨，但能形成蠕墨的合金加入 量范围太窄。总之，想要在合金加入量较宽范围内制得 蠕墨铸铁，蠕化剂合金中稀土元素含量不宜过高。据文 献3，在镁球铁及稀土镁球铁中其临界反球化元素含 量为：镁球铁中，0.04%0.08%Ti，0.3%Al；稀土镁球铁 中，0.16%0.30%Ti，0.5%Al。 可见，稀土元素有较强的抗干扰能力，从而使加入 蠕化剂合金中的微量钛及铝失去干扰作用， 为此需要 进一步寻找新的合金配方。 3最佳蠕化剂合金配方 3.1对含硫量为0.06%0.08%的原铁液 通过配制30余种蠕化剂合金配方，百余包次的蠕 化处理实验摸索， 初步得到如表1中的1#蠕化剂配 方。用该蠕化剂，以不同加入量处理含0.09%S、0.069% Ti的原铁液，处理方法为钟罩压入法，金相试样取自 准30 mm铸态试棒，实验结果如表3及图1。可以看出， 蠕化剂加入量在1.2%2.0%(更高加入量未做)， 皆能 获得蠕墨铸铁(蠕化率在70%90%范围内)，适宜蠕化 剂加入量范围宽。 3.2对含硫量为0.04%左右的原铁液 当在感应电炉中熔炼原铁液时， 其含硫量多在 0.04%以下。 根据已做过的试验结果，关于如何选择蠕 化剂中Mg和Ti的含量，可从下列估算中得出。 首先决定含镁量，由于感应电炉铁液，对于生产薄 壁铸件时(例如生产发动机气缸盖)，要求蠕化处理温 度在1 500 左右，这时含Mg量高时，反应强烈，烧损 严重，故在此情况下，可定w(Mg)为4.5%左右。 其次， 在蠕化处理过程中假定脱去铁液的硫要消耗0.15%的 镁，则蠕化处理后铁液中镁的残留量为： Mg残=(Mg加-0.015)y 式中，Mg加为由蠕化剂带入的镁量；y为镁的吸收率， 取决于处理温度与处理工艺。 关于钛，根据本研究试验数据，吸收率可取100%， 再用下列公式： K2= 4.4w(Ti) w(Mg残) =10254(蠕墨铸铁形成范围) 可以求出蠕化合金中w(Ti)为7.5%左右，蠕化剂 中w(RE)取0.5%。 表4是当镁的吸收率变化时， 不同蠕化剂加入量 K2的计算值。 可以看出，除了当蠕化剂加入量为1%、 y=40%时，K2值25以外， 余者一直到加入量为2%， 表2蠕化剂合金配方及处理结果 Tab.2 Composition of ver micularizing allogs and test data of trial vermicularirons 合金 序号 配料成分w(%)加入量 w(%) 石墨 形态 备注 Mg RE TiAl Si-Fe废钢 5#83.06052.05 1.8球 1.4-未处理成 1.0片+少量蠕墨 84.5515 33.05 1.8球 1.4球合金未全熔化 1.0片 7#86.07826.05 1.8球 1.4球 1.0球 8#73.05848.55 1.8-处理不完全 1.4球 1.0球 9#74.56045.55 1.8球 1.4球 1.0蠕墨 10#76.0715 20.05 1.8球 1.4球 1.0球 11#63.0715 36.05 1.8球 1.4球 1.0蠕墨 12#64.56838.55 1.8球 1.4球 1.0球 13#66.05042.55 1.8球 1.4球 1.0球 6# 铸造技术02/2012子澍等：蠕墨铸铁的试验研究与生产应用 207 表3用1#蠕化剂处理后的结果 Tab.3 Test data of trial vermicular irons with 1#vermicularizing alloy 理论上皆可得到蠕铁。 基于上述理论计算，配制了如表1中2#、3#蠕化剂 合金。4#合金并非特为低硫铁液配制的，乃是代用蠕化 剂材料。 4生产蠕墨铸铁缸盖 用上述2#、3#、4#蠕化剂， 在北京内燃机总厂铸造 车间，用感应电炉熔化铁液进行生产性试验，原铁液成 分w(%)为：3.63.8 C，1.11.5 Si，0.650.85 Mn，0.1 P，0.04 S，0.060.08 Ti5。 蠕化处理方法是冲入法，包底挖坑，坑中放置蠕化剂 和孕育剂(加入量为0.5%)，上盖钢板，每包处理150 kg， 浇注柴油机缸盖，并浇注准30 mm试棒，用于金相组织 及力学性能检测，试验结果见表5。 在表5的试验包次中，8#11#用的是4#合金， 12#18#用的是2#合金，19#22#用的3#合金。 可以看 出，理论计算出的蠕化剂合金，加入1.2% 1.5%，全能 得到满意的蠕铁，由于是在生产条件下进行试验，未做 更大范围的蠕化剂加入量试验。 由于铁液中RE太低， 故未分析，下面根据试验结果分析几个问题。 试样 编号 蠕化剂加入 (%) 处理温度 / 化学成分w(%) 石墨形态 CSiMnPSMgRETi 1#1.01 4003.192.630.500.0860.0550.0590.0050.090细片状 2#1.21 3703.332.540.510.0780.0360.0550.0060.09090%蠕墨 3#1.41 3803.142.600.440.0860.0500.0570.0060.11180%蠕墨 4#1.61 4203.052.670.480.0860.0550.0340.0080.11480%蠕墨 5#1.81 4203.202.810.490.0860.0530.0420.0070.12970%蠕墨 6#2.01 4202.902.810.480.0860.0410.0570.0090.14480%蠕墨 图1用表1中1#合金处理铁液后的石墨组织100 Fig.1 Microstructure of trial vermicular iron with 1#vermicularizing alloy (optical microscope photos 100) 表4当蠕化剂中含4.5%Mg、7.5%Ti时，K2的理论计算值(设脱硫用去0.015%Mg) Tab.4 Theoretic calculate value of K2in vermicularizing alloy (w(Mg)=4.5%，w(Ti)=11.5%) 蠕化剂加入 量(%) 相当加入Mg (%) 相当加入Ti (%) y=70%时 Mg残(%)Mg残(%)Mg残(%)Mg残(%)K2值 1.00.0450.0750.01227.50.01522.00.01818.40.02115.6 1.20.0540.0900.01624.60.02020.00.02317.20.02714.6 1.40.0630.1050.01923.20.02419.20.02915.80.03313.4 1.60.0720.1200.02322.80.02818.80.03415.60.04013.3 1.80.0810.1350.02722.00.03318.80.04415.00.04613.0 2.00.0900.1500.03022.00.03817.40.04513.20.05212.7 y=40%时 K2值 y=50%时 K2值 y=60%时 K2值 FOUNDRY TECHNOLOGY Vol. 33 No. 2 Feb. 2012208 表5蠕铁试验结果 Tab.5 Test dnta of trial vermicular irons 5蠕化剂中某些元素作用的探讨 5.1稀土元素的作用 用Mg-Ti-RE系硅铁合金做蠕化剂时， 微量稀土 元素是不可缺少的，这一点国内外文献已有大量论述， 本研究在寻找适宜蠕化剂配方时， 力求蠕化剂中多含 一些稀土元素，但发现合金中稀土元素含量增高，则获 得标准蠕铁的蠕化剂加入量变窄， 本研究曾用下列配 料成分蠕化剂w(%)：Mg 6，RE 2，Ti 7，Al 1.5，Si 40，Fe 余量。 以1.0%、1.4%、1.8%三种加入量处理含硫量0.06% 的原铁液，其结果如图2。 可以看出，得出70%左右的 蠕化剂加入量范围不超过0.4%，比较窄。 5.2碳当量的影响 试验研究发现，在其它因素相同条件下，当原铁液 碳当量高时，容易出现球状石墨，处理温度皆为1480， 用下列成分蠕化剂w(%)：Mg 8，RE 1，Ti 7，Al 15，Si 46， Fe余量，加入量都是1.8%，仅碳当量不同，见图3。 5.3铝的影响 在探寻适宜蠕化剂配方过程中， 曾在一些蠕化剂 中加入了一些铝，设想用它起干扰作用，代替部分钛， 但发现w(Al)8%时，处理后铁液变稠。 那么较低含量 时它的干扰作用如何呢，为此做了蠕化剂中含Al与不 含Al的对比试验，结果如图4和图5。 图中指出的合金成分是配料成分。 对照图4(a)和 图5(a)以及图4(b)和图5(b)，石墨形态看不出明显差 别。 包次 蠕化剂加 入量(%) 化学成分w(%)浇注温 度/ 浇注 时间 CE 力学性能 CSiMnPSMgTi蠕化率(%)bb/MPa f(%) b/MPa (%) HB 8-1#1.53.652.140.790.050.0380.0310.137未测(min)24.367080 8-2#1.53.522.130.770.0510.0320.0250.144未测74.237080P70，F30 8-3#1.53.472.160.780.0510.0340.0260.1421 210124.197080P70，F30 8-4#1.53.452.160.770.0510.0250.0210.140未测174.177080P70，F30 8-5#1.53.532.190.750.0500.0320.0210.141未测224.26球团占80% P70，F30 9#1.53.472.120.780.0600.0210.0170.1171 410(s)204.1860P70，F30 10#1.53.502.220.780.0530.0300.0250.1271 385254.2490P70 P30 11#1.43.552.500.770.0650.0250.0270.1571 380304.386070P405073.20 7.20 43.302.75 202 12#1.53.821.280.770.0690.0440.0390.0551 365604.2575.25 7.50 40.002.75 187 13#1.53.662.650.790.0560.0260.0360.1731 365174.546070P708072.70 5.85 42.753.00 197 14#1.53.662.660.800.0600.0430.0250.1791 356224.555060P708078.00 7.50 41.002.50 197 15#1.23.542.220.730.0640.0440.0240.141 1 353174.2880P7079.20 6.00 44.002.25 202 16#1.23.521.960.810.0940.0490.0110.1421 375未测4.17灰 17#1.33.582.120.810.0870.0420.0240.1611 395184.29708060.34.5 18#1.33.642.480.830.0870.0430.0250.151/未测4.47 19#1.43.422.220.850.0540.0210.0310.1511 400254.167080 20#1.43.622.480.830.0540.0260.0260.1551 393204.388090P50，F5069.36.541.53.0197 21#1.33.442.220.870.0510.0350.0240.1371 395234.18809064.35.342.53.0192 22#1.33.572.480.830.0570.0350.0250.1361 385204.33809070.35.542.53.0192 金相组织 基体 文中：P表示珠光体，F表示铁素体。 图2用较高稀土含量(2%)的蠕化剂合金处理铁液的石墨组织100 Fig.2 Microstructure of trial vermicularirons in vermicularizing alloy (wt.2%)100 铸造技术02/2012子澍等：蠕墨铸铁的试验研究与生产应用 209 6蠕铁的衰退问题 表5中包次8#， 做了蠕化处理后保持一定时间再 进行浇注的试验， 考查这种蠕化剂处理的蠕铁的衰退 性能。 取样时间见表5，金相组织照片如图6。 可以看 出，用这种蠕化剂制造的蠕墨铸铁，蠕化效果随时间的 衰退作用不明显，仅8-5#，因在包中停留时间太长，浇 注试样的温度太低，出现80%左右的球墨，其余皆是蠕 化率达80%的蠕铁。 图3碳当量对蠕化率的影响100 Fig.3 Influence of CE on vermicularity100 图4用Mg-Ti-RE(8-5-1)硅铁合金处理铸铁后的石墨形态100 Fig.4 Microstructure of trial vermicular irons with Mg-Ti-RE (8-5-1) vermicularizing alloy100 图5用Mg-Ti-RE-Al(8-5-1-5)硅铁合金处理铸铁后的石墨形态 100 Fig.5 Microstructure of trial vermicular irons with with Mg-Ti-RE-Al(8-5-1-5) vermicularizing alloy100 图6用Mg-Ti-RE硅铁合金处理之蠕铁的衰退性试验50 Fig.6 Test of vermicularity failing nature of vermicular iron with Mg-Ti-RE-Si-Fe alloy (optical microscope photos) 50 7蠕墨铸铁的铸造性能 7.1线收缩率 为了解蠕墨铸铁的线收缩大小，特测量了5个蠕 铁缸盖的第一和第四燃烧室之间的距离，其结果都在 公差范围之内，(4601.5)mm，这表明本研究的蠕铁的 线收缩与HT200的线收缩基本相同。 7.2体收缩 本研究生产的蠕铁的体收缩率比HT200灰铁的 体收缩要大一些，尤其是蠕化率较低时，体收缩率大 为增加。 当蠕化率为50%60%，球墨占40%50%时， 例如表5中包次14#浇注的缸盖热节处要产生缩孔。 图7是第14包蠕铁生产的缸盖的解剖照片， 热节处 (箭头A所指)出现缩松，而当蠕化率达60%8