耐低温冲击球墨铸铁的生产

杨甲龙+吕华涛+潘金锟

[摘 要]球墨铸铁是20世纪五十年代发展起来的一种高强度铸铁材料，其综合性能接近于钢，正是基于其优异的性能，已成功地用于铸造一些受力复杂，强度、韧性、耐磨性要求较高的零件，对于球墨铸铁来说，球化处理工艺是球墨铸铁生产的关键环节，球化处理效果的好坏直接影响到球墨铸铁的质量，本文就目前普遍采用的球墨铸铁的球化理论和球化剂的发展进行了讨论。

[关键词]球墨铸铁；形核；球化理论；球化剂；

中图分类号：TG255 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）39-0024-01

一、球墨铸铁的出现

铸铁是含碳量大于2.11%的铁碳合金，由工业生铁、废钢等钢铁及其合金材料经过高温熔融和铸造成型而得到，除Fe外，还含及其它铸铁中的碳以石墨形态析出，析出的石墨呈球状的铸铁就叫球墨铸铁。球墨铸铁是20世纪五十年代发展起来的一种高强度铸铁材料，其综合性能接近于钢，正是基于其优异的性能，已成功地用于铸造一些受力复杂，强度、韧性、耐磨性要求较高的零件。

二、球墨铸铁的组织形成

球墨铸铁的形成经历了形核和生长两个阶段。其中形核时石墨的首要过程，铁液在熔炼及随后的球化、孕育处理中产生大量的非金属夹杂物，初生的夹杂物非常小，在随后浇铸、充型、凝固过程时相互碰撞、聚合变大，上浮或下沉，成为石墨析出的核心。球状石墨核心形成后，碳原子开始在核心基底上堆砌，石墨最终生长成的形状决定受工艺条件影响的生长方式。所以，石墨生长过程的控制是获得球状石墨的关键。石墨形核必须具备必要的条件，石墨的形核分均质形核和异质形核。

均质形核：C的微观原子团

（C6）n——晶胚

铁液过冷度达到200-300℃

异质形核：形核基底的外来质点

符合晶格匹配关系（失配度<12%）

界面能要求——外来质点被石墨润湿

球墨铸铁生产过程中，能够形核的物质主要有：石墨：未溶石墨、添加晶体石墨、非平衡石墨；岩状结构碳化物基底；氧化物；硫氧化物；铋和铋的化合物等。

三、球化理论和球化剂的发展

1、球化理论

各国都对球状石墨的形成机理进行了系统的研究，提出了如气泡理论、核心理论、界面能理论等，每种理论都有一定的实践支持，但并不能解释所有的球化现象。其中比较著名的界面能理论的解释较完善，获得了较多的认同，它认为铁液中石墨形成的形态取决于石墨棱面和基面的界面能，铁液中的石墨晶体为六方晶，C优先向石墨晶体中界面能低的晶面扩散，当铁液中有S存在时，S主要吸附在棱面，棱面的界面能低于基面，促使石墨沿棱面长大成片状石墨。当铁液中加入S、O等与RE、Mg等有极强亲和力的元素后，吸附在棱面上的w（S）不断减少，当w（S ）减少到一定程度，基面的界面能将低于棱面的界面能，石墨则以螺旋位错的方式长成球状石墨。

RE和Mg与铁液中各元素的反应热力学条件非常好，特别是RE有极强的中和铸铁中球化干扰元素的能力，RE在铸铁中反应动力学条件不佳，不易均匀分布，而Mg的沸点低于铁液温度，Mg在铁液中转变为气体，起到激烈的搅拌作用，反应动力学条件很好。但在铁液处理温度范围内反应会过于激烈，容易造成生产事故。将Mg与RE结合使用，既降低了反应激烈程度，又使RE获得了充分搅拌，二者在反应热力学上的优势可充分发挥，又相互弥补了在反应动力学上的不足，使其在球化剂、蠕化剂中都适用。

2、球化剂的选择

在球化剂中，Mg是主要球化元素，RE是辅助球化元素，目前稀土镁合金（有时含有其它元素）是球化剂中的主导产品，可满足生产各种球铁的需要。中国已制定了国家标准，其它国家的生产厂也都有各自规格的产品，如美国Nodulor系列，德国VL系列，法国SIMAF、611、622系列，日本OGNC系列，俄罗斯KM系列等。

Mg是球化能力最强的球化元素，因此迄今生产上所用的球化剂一般都以Mg为主成分，但用纯Mg作球化剂有如下缺点：①Mg的沸点比铁液温度低（105℃），加入铁液中，会强烈沸腾，甚至引起爆炸，安全性差，吸收率低，不经济，而且恶化环境；②Mg对反球化干扰元素的抵抗能力低，一般要在w（Ti）量<0.03%、干扰元素总量ΣT<0.1%的条件下才可选择Mg球化剂，而我国大部分生铁w（Ti）、ΣT量皆超过上述范围。

RE 元素的沸点高（约1400℃），在铁液中不会沸腾，球化能力较差，在球铁生产中的主要作用是中和干扰元素的反球化作用，并减少球铁件的夹渣、缩松倾向。英国铸铁研究学会（BCIRA）的早期研究认为RE（主要是Ce）对过共晶铁液的球化作用较好，如对过共晶的w（S）量<0.06%的原铁液，w（Ce残）量达到0.04%以上，即可球化；但对于亚共晶铁液，则要求原铁液w（S）量<0.006%，所以要加入更多的Ce才能完成球化处理，这将导致石墨球畸变成团状与团片状石墨。

然而，迄今国内外均没有任何工厂单独使用RE作球化剂，原因主要是RE的球化能力较差，单加RE很难确保石墨全部球化，球墨圆整度也较差；此外，RE是稀缺物资，在很多领域有特殊用途，特别是在高科技领域有更高的使用价值。上世纪60年代，我国铸造工作者经过长期探索，开发了适合我国国情，以Mg为主、以RE为辅的REMgFeSi球化剂。

选择球化剂时，应注意以下因素：

（1）当生铁中含有较多的 Ti 或其它干扰元素时，应选用含有适量RE的球化剂，如RESiFeMg合金或纯Mg与RESiFe联合使用；当炉料中干扰元素含量较高或采用V-Ti生铁时，应选用RE量略高的球化剂，如 FeSiMg8RE18等；当采用高纯生铁时，主要干扰元素总含量一般均<0.1%，可选用纯Mg球化剂或 MgSiFe合金。

（2）高温低S铁液应当选用低RE、低Mg的RESiFeMg合金，如冲天炉铁液温度1400～1450℃、w（S）量0.05%～0.10%时可选用FeSiMg8RE7和FeSiMg8RE5合金；感应电炉铁液温度1460～1520℃、w（S）量为0.02%～0.04%时，可选用FeSiMg6RE4和FeSiMg8RE3合金；铁液溫度为1460～1520℃、经脱S处理后w（S）量≤0.02%时，可选用FeSiMg5RE1和FeSiMg6RE2合金。

（3）铸态铁素体球墨铸铁可选用低RE球化剂；铸态珠光体球墨铸铁可选用含Cu或Ni的球化剂；金属型铸造、离心铸管可选用低 RE 球化剂或纯Mg；大型厚断面铸件可选用Y基REMgSiFe；大型珠光体球墨铸铁件可选用含微量Sb或含Cu的复合球化剂。

四、结论

对于球墨铸铁来说，球化处理工艺是球墨铸铁生产的关键环节，球化处理工艺中球化剂的选择则直接影响到球墨铸铁的质量。对于国内的铸造企业来说，球化剂并不是越贵越好，并不是球化元素含量越高越好，应考虑到生产环境、球化剂仓储要求、物流安全以及所生产的产品特性等方面综合考虑，进一步选择合适自身生产要求的球化剂。

参考文献

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