球墨鑄鐵件常見(jiàn)缺陷的分析與對(duì)策

    球鐵是近40年來(lái)我國(guó)發(fā)展起來(lái)的重要鑄造金屬材料。由于球狀石墨造成的應(yīng)力集中小,，對(duì)基體的割裂作用也較小,，故球鐵的抗拉強(qiáng)度，塑性和韌性均高于其他鑄鐵,。與相應(yīng)組織的鋼相比,，塑性低于鋼,，疲勞強(qiáng)度接近一般中碳鋼，屈強(qiáng)比可達(dá)0 7～0 8,，幾乎是一般碳鋼            的2倍,，而成本比鋼低，因此其應(yīng)用日趨廣泛,。

當(dāng)然,，球鐵也不是十全十美的，它除了會(huì)產(chǎn)生一般的鑄造缺陷外,，還會(huì)產(chǎn)生一些特有的缺陷,，如縮松、夾渣,、皮下氣孔,、球化不良及衰退等。這些缺陷影響鑄件性能,，使鑄件廢品率增高,。為了防止這些缺陷的發(fā)生，有必要對(duì)其進(jìn)行分析,，總結(jié)出各種影響因素,，提出防止措施，才能有效降低缺陷的產(chǎn)生,，提高鑄件的力學(xué)性能及生產(chǎn)效益,。本文將討論球鐵件的主要常見(jiàn)缺陷:縮孔、縮松,、夾渣,、皮下氣孔、石墨漂浮,、球化不良及球化衰退,。

1　縮孔縮松

1.1影響因素

(1)碳當(dāng)量：提高碳量，增大了石墨化膨脹,，可減少縮孔縮松,。此外，提高碳當(dāng)量還可提高球鐵的流動(dòng)性,，有利于補(bǔ)縮,。生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鑄件的經(jīng)驗(yàn)公式為Ｃ%+1/7Ｓｉ%>3 9%。但提高碳當(dāng)量時(shí),，不應(yīng)使鑄件產(chǎn)生石墨漂浮等其他缺陷,。

(2)磷：鐵液中含磷量偏高，使凝固范圍擴(kuò)大,，同時(shí)低熔點(diǎn)磷共晶在最后凝固時(shí)得不到補(bǔ)給,，以及使鑄件外殼變?nèi)?，因此有增大縮孔、縮松產(chǎn)生的傾向,。一般工廠控制含磷量小于0 08%,。

(3)稀土和鎂：稀土殘余量過(guò)高會(huì)惡化石墨形狀，降低球化率,，因此稀土含量不宜太高,。而鎂又是一個(gè)強(qiáng)烈穩(wěn)定碳化物的元素，阻礙石墨化,。由此可見(jiàn),，殘余鎂量及殘余稀土量會(huì)增加球鐵的白口傾向，使石墨膨脹減小,，故當(dāng)它們的含量較高時(shí),，亦會(huì)增加縮孔、縮松傾向,。

(4)壁厚：當(dāng)鑄件表面形成硬殼以后,，內(nèi)部的金屬液溫度越高,，液態(tài)收縮就越大,，則縮孔、縮松的容積不僅絕對(duì)值增加,，其相對(duì)值也增加,。另外，若壁厚變化太突然,，孤立的厚斷面得不到補(bǔ)縮,，使產(chǎn)生縮孔縮松傾向增大。

(5)溫度：澆注溫度高,，有利于補(bǔ)縮,，但太高會(huì)增加液態(tài)收縮量，對(duì)消除縮孔,、縮松不利,，所以應(yīng)根據(jù)具體情況合理選擇澆注溫度，一般以1300～1350℃為宜,。

(6)砂型的緊實(shí)度：若砂型的緊實(shí)度太低或不均勻,，以致澆注后在金屬靜壓力或膨脹力的作用下，產(chǎn)生型腔擴(kuò)大的現(xiàn)象,，致使原來(lái)的金屬不夠補(bǔ)縮而導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生縮孔縮松,。

(7)澆冒口及冷鐵：若澆注系統(tǒng)、冒口和冷鐵設(shè)置不當(dāng),，不能保證金屬液順序凝固,；另外,，冒口的數(shù)量、大小以及與鑄件的連接當(dāng)否,，將影響冒口的補(bǔ)縮效果,。

1.2　防止措施

(1)控制鐵液成分：保持較高的碳當(dāng)量(>3 9%)；盡量降低磷含量(<0 08%),；降低殘留鎂量(<0 07%),；采用稀土鎂合金來(lái)處理，稀土氧化物殘余量控制在0 02%～0 04%,。

(2)工藝設(shè)計(jì)要確保鑄件在凝固中能從冒口不斷地補(bǔ)充高溫金屬液,，冒口的尺寸和數(shù)量要適當(dāng)，力求做到順序凝固,。

(3)必要時(shí)采用冷鐵與補(bǔ)貼來(lái)改變鑄件的溫度分布,，以利于順序凝固。

(4)澆注溫度應(yīng)在1300～1350℃,，一包鐵液的澆注時(shí)間不應(yīng)超過(guò)25ｍｉｎ,，以免產(chǎn)生球化衰退。

(5)提高砂型的緊實(shí)度,，一般不低于90,；撞砂均勻，含水率不宜過(guò)高,，保證鑄型有足夠的剛度,。

2　夾渣

2 .1　影響因素

(1)硅：硅的氧化物也是夾渣的主要組成部分，因此盡可能降低含硅量,。

(2)硫：鐵液中的硫化物是球鐵件形成夾渣缺陷的主要原因之一,。硫化物的熔點(diǎn)比鐵液熔點(diǎn)低，在鐵液凝固過(guò)程中,，硫化物將從鐵液中析出,，增大了鐵液的粘度，使鐵液中的熔渣或金屬氧化物等不易上浮,。因而鐵液中硫含量太高時(shí),，鑄件易產(chǎn)生夾渣。球墨鑄鐵原鐵液含硫量應(yīng)控制在0 06%以下,，當(dāng)它在0 09%～0 135%時(shí),，鑄鐵夾渣缺陷會(huì)急劇增加。

(3)稀土和鎂：近年來(lái)研究認(rèn)為夾渣主要是由于鎂,、稀土等元素氧化而致,，因此殘余鎂和稀土不應(yīng)太高。

(4)澆注溫度：澆注溫度太低時(shí),，金屬液內(nèi)的金屬氧化物等因金屬液的粘度太高,，不易上浮至表面而殘留在金屬液內(nèi),；溫度太高時(shí)，金屬液表面的熔渣變得太稀薄,，不易自液體表面去除,，往往隨金屬液流入型內(nèi)。而實(shí)際生產(chǎn)中,，澆注溫度太低是引起夾渣的主要原因之一,。此外，澆注溫度的選取還應(yīng)考慮碳,、硅含量的關(guān)系,。



(5)澆注系統(tǒng):澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)合理,具有擋渣功能,使金屬液能平穩(wěn)地充填鑄型,力求避免飛濺及紊流。

(6)型砂：若型砂表面粘附有多余的砂子或涂料,，它們可與金屬液中的氧化物合成熔渣,，導(dǎo)致夾渣產(chǎn)生；砂型的緊實(shí)度不均勻,，緊實(shí)度低的型壁表面容易被金屬液侵蝕和形成低熔點(diǎn)的化合物,，導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生夾渣。

2.2　防止措施

(1)控制鐵液成分：盡量降低鐵液中的含硫量(<0 06%),，適量加入稀土合金(0 1%～0 2%)以?xún)艋F液,，盡可能降低含硅量和殘鎂量。

(2)熔煉工藝：要盡量提高金屬液的出爐溫度,，適宜的鎮(zhèn)靜,，以利于非金屬夾雜物的上浮,、聚集,。扒干凈鐵液表面的渣子，鐵液表面應(yīng)放覆蓋劑(珍珠巖,、草木灰等),，防止鐵液氧化。選擇合適的澆注溫度,，最好不低于1350℃,。

(3)澆注系統(tǒng)要使鐵液流動(dòng)平穩(wěn)，應(yīng)設(shè)有集渣包和擋渣裝置(如濾渣網(wǎng)等),，避免直澆道沖砂,。

(4)鑄型緊實(shí)度應(yīng)均勻，強(qiáng)度足夠,；合箱時(shí)應(yīng)吹凈鑄型中的砂子,。

3　石墨漂浮

3. 1　影響因素

(1)碳當(dāng)量：碳當(dāng)量過(guò)高，以致鐵液在高溫時(shí)就析出大量石墨,。由于石墨的密度比鐵液小,，在鎂蒸汽的帶動(dòng)下,，使石墨漂浮到鑄件上部。碳當(dāng)量越高,，石墨漂浮現(xiàn)象越嚴(yán)重,。應(yīng)當(dāng)指出，碳當(dāng)量太高是產(chǎn)生石墨漂浮的主要原因,，但不是唯一原因,，鑄件大小、壁厚也是影響石墨漂浮的重要因素,。

(2)硅：在碳當(dāng)量不變的條件下,，適當(dāng)降低含硅量，有助于降低產(chǎn)生石墨漂浮的傾向,。

(3)稀土：稀土含量過(guò)少時(shí),，碳在鐵液中的溶解度會(huì)降低，鐵液將析出大量石墨,，加重石墨漂浮,。

(4)球化溫度與孕育溫度：為了提高鎂及稀土元素的吸收率，國(guó)內(nèi)試驗(yàn)研究表明,，球化處理時(shí)最適當(dāng)?shù)蔫F液溫度是1380～1450℃,。在此溫度區(qū)間，隨著溫度升高,，鎂和稀土的吸收率增加,。

(5)澆注溫度：一般情況下,澆注溫度越高，出現(xiàn)石墨漂浮的傾向越大,，這是因?yàn)殍T件長(zhǎng)時(shí)間處于液態(tài)有利于石墨的析出,。A.P.Druschitz與Ｗ.Ｗ.Ｃhaput研究發(fā)現(xiàn),若縮短凝固時(shí)間，隨著澆注溫度升高,，石墨漂浮傾向降低,。

(6)滯留時(shí)間：孕育處理后至澆注完畢之間的停留時(shí)間太長(zhǎng)，為石墨的析出提供了條件,，一般這段時(shí)間應(yīng)控制在10ｍｉｎ以?xún)?nèi),。

3 2　防止措施

(1)控制鐵液成分：嚴(yán)格控制碳當(dāng)量，不得大于4 6%,；鐵液的含碳量不得大于4 0%,，可用廢鋼來(lái)調(diào)整鐵液的含碳量；采用低硅(<1 2%)生鐵,；改進(jìn)孕育處理,，增強(qiáng)孕育效果，這樣可降低孕育硅鐵量。

(2)控制稀土的加入量：在保證球化的前提下,，加入量要少,。

(3)改進(jìn)鑄件的結(jié)構(gòu)，使壁厚盡量均勻,，且小于60ｍｍ,；若壁厚相差很大、熱節(jié)很大,，可在厚壁或者熱節(jié)處加放冷鐵,；若是熱節(jié)或厚壁位置在鑄件頂部，可在此處加冒口,。

(4)嚴(yán)格控制溫度：通常要求在1380～1450℃進(jìn)行球化處理,，1360～1400℃進(jìn)行澆注。同時(shí),，盡量縮短鐵液出爐到澆注之間的滯留時(shí)間,。

(5)必要情況下，可以加入鉬等反石墨化元素,，提高碳在鐵液中的溶解度,，從而減少石墨析出。

4　皮下氣孔

4. 1　影響因素

(1)碳當(dāng)量：適當(dāng)增加含硅量有助于皮下氣孔的減少,。同時(shí),，在硅量保持不變的情況下，隨著含碳量的增加,，球鐵中皮下氣孔的個(gè)數(shù)呈現(xiàn)出單峰曲線,，且峰值點(diǎn)總保持在共晶點(diǎn)左右，因此,，最好將碳硅含量選擇得高一些,，以使球鐵的碳當(dāng)量稍大于共晶點(diǎn)。

(2)硫：硫高會(huì)引起皮下氣孔等缺陷,，這是因?yàn)楫a(chǎn)生Ｈ2Ｓ氣體而形成,。當(dāng)含硫量超過(guò)0 .094%時(shí)就會(huì)產(chǎn)生皮下氣孔，含硫量越高,，情況越嚴(yán)重。

(3)稀土:鐵液中加入稀土元素能脫氧,、脫硫,，提高鐵液表面張力，因此有利于防止產(chǎn)生皮下氣孔,。但稀土含量太高,，會(huì)增加鐵液中氧化物的含量，使氣泡外來(lái)核心增加，皮下氣孔率增加,。殘余稀土量應(yīng)控制在0. 043%以下,。

(4)鎂：過(guò)高的鎂將會(huì)加劇鐵液的吸氫傾向，大量的鎂氣泡和氧化物進(jìn)入型腔,，增加氣泡的外來(lái)核心,；此外鎂蒸汽直接與砂型中的水分作用，產(chǎn)生ＭｇＯ煙氣及氫氣,，也會(huì)產(chǎn)生皮下氣孔,。試驗(yàn)表明，殘鎂量大于0 .05%后便易出現(xiàn)皮下氣孔,，殘鎂越高越嚴(yán)重,。因此在保證球化基礎(chǔ)上，盡量降低殘留鎂量,。

(5)鋁：鐵液中的鋁是鑄件產(chǎn)生氫氣孔的主要原因,。據(jù)報(bào)道,當(dāng)濕型鑄造球墨鑄鐵的殘留鋁量為 0.030%～0 .050%時(shí)，將產(chǎn)生皮下氣孔,。E.R.Kaczmarek等人研究認(rèn)為,，鐵液與鑄型中的水反應(yīng)生成ＦｅＯ與Ｈ2，由于鋁的脫氧作用,，又生成Ａｌ2Ｏ3,，其即為氣泡生成的核心而又能吸附一定的氣體，增加了球鐵產(chǎn)生皮下氣孔的傾向,。但是在減少渣中的ＦｅＯ成分時(shí),，鎂的存在使得鋁顯得多余，故鋁的敏感含量是有一定范圍的,。

(6)壁厚：皮下氣孔還有“壁厚效應(yīng)”特征,，即氣孔的產(chǎn)生在一定壁厚范圍內(nèi)，實(shí)際上這與鑄件的凝固速度有關(guān),。鑄件壁厚大時(shí),，其凝固結(jié)皮時(shí)間推遲，有利于氣泡逸出,。因此,，一般來(lái)說(shuō)壁厚小于6ｍｍ或大于25ｍｍ時(shí)不易產(chǎn)生皮下氣孔。

(7)澆注溫度：澆注溫度類(lèi)似于壁厚效應(yīng),，也有一個(gè)溫度范圍,，在1285～1304℃時(shí)，皮下氣孔相當(dāng)嚴(yán)重,。筆者進(jìn)一步研究認(rèn)為,，不同的壁厚其危險(xiǎn)溫度也不相同,，因此，應(yīng)根據(jù)鑄件壁厚共同確定澆注溫度,。當(dāng)然,，提高澆注溫度能延緩氧化膜的生成，防止熔渣進(jìn)入型腔,，同時(shí)對(duì)砂型烘烤時(shí)間加長(zhǎng)使水分向外遷移,。

(8)型砂含水率：鑄型產(chǎn)生皮下氣孔的傾向按下列順序依次減小：濕型,、干型,、水玻璃型、殼型,。司乃潮的研究也證明了這一點(diǎn),，即隨著型砂水分的提高，球鐵產(chǎn)生皮下氣孔的傾向增大,，而當(dāng)型砂水分小于4 .8%時(shí),，皮下氣孔率接近于零。

(9)型砂緊實(shí)度與透氣性：型砂的透氣性太低,，導(dǎo)致型壁所產(chǎn)生的氣體不能排出型外,，而向金屬侵入，致使鑄件產(chǎn)生氣孔,；隨著型砂緊實(shí)度的增加,，皮下氣孔的傾向也加大，但當(dāng)緊實(shí)度相當(dāng)高時(shí),，傾向又減小,，這可能是由于表層砂緊實(shí)度高，增大了水分向鑄件方向的遷移阻力,，但若型砂水分也高,，將使水蒸氣爆炸的可能性增加。

(10)澆冒口：合理設(shè)計(jì)澆冒口,，使鐵液平穩(wěn)澆注,，并具有較強(qiáng)的擋渣功能；同時(shí),，適當(dāng)增加直澆道和冒口的高度,，以增加金屬液的靜壓力。

4 2　防止措施

(1)嚴(yán)格控制鐵液化學(xué)成分,，使碳當(dāng)量稍大于共晶點(diǎn)成分,，含硫量不大于0 .094%；殘余稀土小于0.043%;殘留鎂含量不大于0.05%;鋁含量在0.03%～0.05%范圍以外,。

(2)合理設(shè)計(jì)鑄件結(jié)構(gòu)，使壁厚不小于25ｍｍ；根據(jù)壁厚確定澆注溫度,，薄壁小件不得小于1320℃,；中件不得小于1300℃；大件不得小于1280℃,。

(3)金屬爐料,、孕育劑和所用工具應(yīng)干燥，表面無(wú)銹蝕和油污,。同時(shí)型砂水分不宜過(guò)高,，盡量小于4.8%,煤粉、重油等發(fā)氣物質(zhì)的含量要適當(dāng)控制,，減少粘土含量,，并可附加一些增加透氣性的物質(zhì)，如木屑等,。

(4)合理設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng),，使之為開(kāi)放式，可在型腔的最高處設(shè)置出氣孔,，同時(shí)應(yīng)保證澆冒口高度,，以提高液態(tài)金屬的靜壓力。

5　球化衰退及球化不良

5.1　影響因素

(1)碳當(dāng)量：鐵液的碳當(dāng)量太高時(shí)(尤其是硅含量也高時(shí))將使石墨球化受到影響,。試驗(yàn)表明,，對(duì)于厚壁鑄件，當(dāng)碳當(dāng)量超過(guò)共晶成分時(shí)就有可能產(chǎn)生開(kāi)花狀石墨,。但是提高鐵液的含碳量有利于鎂回收率的提高,。因此生產(chǎn)中大多采用高碳低硅的原則，通常含硅量控制在2%左右,。此外,，碳當(dāng)量的選取還與鑄件壁厚有關(guān)：當(dāng)壁厚為6.5～76ｍｍ時(shí)，碳當(dāng)量為4.35%～4.7%,；當(dāng)壁厚>76ｍｍ,，碳當(dāng)量為4.3%～4 .35%。

(2)硫:當(dāng)鐵液中的含硫量太高時(shí),，硫與鎂和稀土生成硫化物,，因其密度小而上浮到鐵液表面，而這些硫化物與空氣中的氧發(fā)生反應(yīng)生成硫,，硫又回到鐵液,，又重復(fù)上述過(guò)程，從而降低了鎂與稀土含量,。當(dāng)鐵液中的硫大于0.1%時(shí),，即使加入多量的球化劑,，也不能使石墨完全球化。

(3)稀土與鎂:稀土與鎂含量過(guò)低時(shí),，往往產(chǎn)生球化不良或球化衰退現(xiàn)象,。一般工廠要求球化劑的加入量為1.8%～2.2%。

(4)壁厚：鑄件壁太厚也容易產(chǎn)生球化不良及衰退缺陷,，主要是因?yàn)殍F液在鑄型中長(zhǎng)時(shí)間處于液態(tài),，鎂蒸汽上浮，造成鎂含量降低,；共晶時(shí)大量石墨生成而釋放出的結(jié)晶潛熱使奧氏體殼重新熔化,，石墨伸出殼外而畸形長(zhǎng)大，形成非球狀石墨,。

(5)溫度:若鐵液溫度過(guò)高,，鐵液氧化嚴(yán)重，由于鎂與稀土易與氧化物產(chǎn)生還原反應(yīng),，而使得鎂,、稀土含量降低，同時(shí)高溫也將增加鎂的燒損和蒸發(fā),；鐵液溫度太低,，球化劑不能熔化和被鐵液吸收，而上浮至鐵液表面燃燒或被氧化,。

(6)滯留時(shí)間：鐵液中鎂的含量是隨孕育處理后停留時(shí)間的增加而減少,，其主要原因是因硫及鎂、稀土的氧化與蒸發(fā)造成的,。一般情況下,，滯留時(shí)間不超過(guò)20min。

(7)澆冒口：澆冒口若設(shè)計(jì)不合理,，會(huì)產(chǎn)生澆注時(shí)間太長(zhǎng),、鐵液飛濺以及卷入空氣，使鎂,、稀土氧化嚴(yán)重,。

5.2　防止措施

(1)嚴(yán)格控制鐵液成分：選擇合適的碳當(dāng)量；鐵液中的含硫量應(yīng)小于0 08%(其中生鐵含硫不得大于0 03%,，焦碳含硫不得大于0 08%),，可采用小蘇打進(jìn)行脫硫。

(2)加入足夠的球化劑,，一般為1.8%～2.2%,；此外應(yīng)注意球化劑的質(zhì)量，若球化劑破碎后使用,，放置時(shí)間不得超過(guò)一周,。處理后的球鐵鐵液中稀土鎂的殘留量不應(yīng)過(guò)低,，Ｍｇ殘>0 02%，ＲＥ殘>0 02%,。

(3)合理設(shè)計(jì)鑄件結(jié)構(gòu),避免壁厚過(guò)大,，也可在壁厚處加冷鐵以提高凝固速度,，縮短液態(tài)時(shí)間,，從而防止球化衰退及不良。

(4)注意處理溫度,。出爐溫度應(yīng)低于1460℃,，以防球化劑嚴(yán)重?zé)龘p；要防止高溫下的氧化現(xiàn)象,，蓋好覆蓋球化劑的鐵板(厚度應(yīng)>3ｍｍ),；鐵液扒渣后應(yīng)用草木灰等蓋好；當(dāng)鐵液溫度>1350℃出現(xiàn)球化不良及衰退時(shí),，可補(bǔ)加球化劑,；而當(dāng)<1350℃時(shí)就不能補(bǔ)加球化劑，也不得澆注球鐵件,，只能補(bǔ)加其它鐵液澆注不重要的灰鑄鐵件或芯骨等,。

(5)鐵液出爐后應(yīng)及時(shí)澆注，滯留時(shí)間不得超過(guò)20min,。

(6)合理設(shè)計(jì)澆冒口,,，采用型內(nèi)和型上球化處理，加強(qiáng)孕育,。