灰鑄鐵球墨鑄鐵滲碳體的成因與防止

1、【關(guān)鍵字】精品灰鑄鐵、球墨鑄鐵滲碳體的成因與防止化學(xué)元素Ti球墨鑄鐵張文和，丁俊，聶富榮(鑄峰特殊合金有限公司銷售公司，南京210002)摘要：灰鑄鐵、球墨鑄鐵鑄件生產(chǎn)過程中，往往出現(xiàn)游離滲碳體。本文從鑄鐵的常規(guī)化 學(xué)成分；反石墨化元素；0、N、H氣體元素；共晶團(tuán)數(shù)；冷卻速度；鑄鐵的熔煉；爐料遺 傳性;共晶最后階段凝固特點(diǎn)等方面，闡述鑄鐵滲碳體出現(xiàn)的原因，并提出相應(yīng)的防止措施。關(guān)鍵詞：滲碳體；石墨化；白口傾向；共晶團(tuán)；孕育鑄鐵凝固時，鐵液按穩(wěn)定系結(jié)晶，碳原子以石墨狀態(tài)析出，鑄鐵斷口呈灰色，得到灰鑄鐵； 鐵液按介穩(wěn)定系結(jié)晶，碳原子與鐵原子結(jié)合成碳化鐵，斷口呈白色，得到白口鑄鐵；介于兩 者之間，得

2、到麻口鑄鐵。鑄鐵中碳原子聚合成石墨的過程，稱石墨化。灰鑄鐵共晶階段冷卻曲線如圖1，TE1穩(wěn)定系共晶轉(zhuǎn)變開始溫度TE介穩(wěn)定系共晶轉(zhuǎn)變開始溫度TETEN共晶生核開始溫度TEU 大量形核溫度TER共晶回升溫度最高值TS共晶轉(zhuǎn)變終了溫度如果TEUTE、TSTE則得到全部灰口組織；如果TENTE、TERTE則得到全 部白口組織。若TEUTE，TsTE，則凝固后出現(xiàn)游離滲碳體；TS略低于TE時，會在 最后凝固區(qū)域或共晶團(tuán)間出現(xiàn)少量游離滲碳體。TERTE，TEUTE則出現(xiàn)萊氏 體。鐵液中生核能力強(qiáng)，則生核開始溫度TEN高，基晶團(tuán)數(shù)量增加，共晶階段冷卻曲線上 移減少共晶轉(zhuǎn)變過冷度，使TSTE促進(jìn)形成灰口組織。

3、因此強(qiáng)化孕育增加生核能力，提高共 晶團(tuán)數(shù)量，必然減少白口傾向。影響鑄鐵共晶階段冷卻曲線的因素有：是化學(xué)元素(合金元素)；冷卻速度；結(jié)晶 核心；生鐵的遺傳性。例如：石墨化過程在TE 一 TE共晶區(qū)間進(jìn)行，Cr、V、Ti縮小TE1 一 TE共晶區(qū)間，石墨尚未析出就下降到介穩(wěn)定共晶轉(zhuǎn)變溫度TE以下，碳原子來不及擴(kuò)散與 聚合成石墨，鑄鐵凝固成白口或麻口。鑄鐵出現(xiàn)滲碳體顯然會降低力學(xué)性能和切削性能?；诣T鐵碳化物按其在大多數(shù)視場中的百分比，分6級評定，見表1。球墨鑄鐵滲碳體數(shù)量分級有國家標(biāo)準(zhǔn)(GWl944l 一 1988)，按數(shù)量最多的視場對照圖譜或用金 相軟件評定，見表2。照圖譜或用金相軟件評定，見表二

4、l 常規(guī)化學(xué)成分的影響碳和硅：都是強(qiáng)石墨化元素，適當(dāng)提高碳、硅量對消除碳化物或滲碳體十分有效?；诣T鐵 降低碳當(dāng)量可減少石墨數(shù)量、細(xì)化石墨、增加初析奧氏體枝晶數(shù)量，從而提高力學(xué)性能；但 同時降低鑄造性能、增大斷面敏感性、增加鑄件內(nèi)應(yīng)力、增加碳化物量，從而增加機(jī)械加工 難度和刀具磨損。降低碳當(dāng)量會增加白口傾向，常用強(qiáng)化孕育來防止。球墨鑄鐵與灰鑄鐵一 樣，采用純凈爐料，綜合考慮鐵液流動性、減少縮孔和縮松等因素，碳當(dāng)量應(yīng)控制在4.6% 一 4.8%最好，w(c)3%滲碳體就可以消失，w(Si)在2.0% 3.0%之間，薄壁件取上限，厚 壁件取下限。錳和硫：是阻礙石墨化元素，能穩(wěn)定碳化物，一般灰鑄鐵含硫

5、0.02% 0.15%、含錳0.4% 一 1.2%，化學(xué)反應(yīng)生成MnS、FeS，熔點(diǎn)大于1600C，以顆粒狀分布于基體中，不會對石 墨化產(chǎn)生影響。硫化物是共晶石墨形核的基底，硫化物熱力學(xué)穩(wěn)定性越高，孕育作用越大。為確保孕育效果灰鑄鐵含硫量在0.06%-0.10%之間為好。2反石墨化元素的影響V、zr、Nh、Ti、cr、Mo、w、B、ce、： Mg、Te、H、N、Bi 都是反石墨化元素。壓、Ti、B、 ce、N、cr、Bi等元素含量極低時，有促進(jìn)石墨化的作用，然而超過一定量就是強(qiáng)烈反石墨 化元素。由于珠光體是過冷奧氏體在共析溫度時形成的機(jī)械混合物，是鐵素體和滲碳體按層 片狀交替排列的層狀組織。加

6、人少量合金元素可以促進(jìn)、穩(wěn)定和細(xì)化珠光體，提高力學(xué)性能 和使用性能，過量合金元素肯定會使鑄鐵滲碳體增加。用于合金化處理的原鐵液應(yīng)有較高的 碳當(dāng)量，使其白口傾向小、鑄造性能好，不易產(chǎn)生縮孔和縮松。碳當(dāng)量高應(yīng)使含碳量較高含 硅量較低，防止硅增加鐵素體、粗化珠光體、抵消合金元素作用等有害傾向。提高鑄件強(qiáng)度和斷面均勻性。反石墨化元素的最高加入量見表3。資料介紹：金屬間化合物形式的原子集團(tuán)，可以改變遺傳效果，因此稀土孕育劑的應(yīng)用可 以明顯消除反石墨化元素造成的白口傾向。北京工業(yè)大學(xué)和北京第一機(jī)床廠在北京市科技委 組織下，開展對高強(qiáng)度灰鑄鐵新型孕育劑的研究。在高強(qiáng)度灰鑄鐵中采用稀土孕育劑，降低 鑄鐵的過冷

7、度及形成白口的傾向，降低硬度及形成氣孔的傾向性，提高鑄鐵的抗拉強(qiáng)度。這 一成果具有降低生產(chǎn)成本，熔煉工藝簡單，提高強(qiáng)度明顯等優(yōu)點(diǎn)，值得廣大生產(chǎn)灰鑄鐵的廠 家推廣應(yīng)用。3 O、N、H氣體元素的影響氮、氫、氧是溶解在鐵液中并對鑄鐵組織和性能有重要影響的氣體元素。熔煉過程中，處 于空氣影響下由鐵液吸附、溶解氧氣直到飽和為止。鐵液中的溶解氧化合成氧化物，例如孕 育劑中Si+2O=SiO2作為石墨結(jié)晶非均質(zhì)晶核時，溶解氧起到促進(jìn)石墨化作用；溶解氧未化 合，則阻礙石墨化增加白口傾向。鐵液過熱，溶解氧量增大，白口傾向增大。澆注過程中.鐵液與鑄型中的水分化學(xué)反應(yīng)是鐵液中氫的來源。鐵液中的氫具有類似于s、 se

8、、Te等元素的作用，表現(xiàn)為減少硫?qū)κ奈阶饔?，督促鐵液凝固為白口組織。實驗表 明：Al、B、c、si、cd、cu、Ge、P、s、sn等元素，不同程度的降低氫在鑄鐵中的溶解度， ca、cr、Mn、Ni等元素的加入會提高氫在鐵液中的溶解度。鑄鐵溶解氫量增大，共晶溫度 降低，過冷效應(yīng)產(chǎn)生的白口傾向就嚴(yán)重。隨著氫含量的增加。均勻分布的片狀石墨先轉(zhuǎn)變成 枝晶石墨，再轉(zhuǎn)變成異形石墨，最后轉(zhuǎn)變成緊密狀石墨并伴有滲碳體。溶解氮是阻礙石墨化元素，硅量的增加能抵消這方面的作用。鑄鐵含硅量超過2. 0% 2. 5% 以后，溶解氮不再增加，氮的阻礙石墨化作用，主要體現(xiàn)為易于獲得珠光體和改善灰鑄鐵片 狀石墨的形態(tài)。

9、因此鑄鐵含氮量增加.抗拉強(qiáng)度能增加6080MPa。4冷卻速度的影響鑄件壁厚不均勻或邊緣部位，平板鑄件某些部位產(chǎn)生局部白口，都是該部位冷卻速度太快， 使鑄鐵按介穩(wěn)定系結(jié)晶而析出滲碳體。其他條件相同，冷卻速度越大共晶轉(zhuǎn)變的過冷度越大， 白口傾向越大。凝固過程溫度的變化受共晶團(tuán)生長速度的影響。凝固過程過冷度大則共晶團(tuán)生長速度快。 孕育劑的加入使共晶團(tuán)數(shù)量迅速增多，同時減少過冷度。因此孕育后力求獲得68C的相 對過冷度，相對過冷度小于4C則孕育過度。孕育使石墨和共晶團(tuán)細(xì)化，使D、E型枝晶石 墨轉(zhuǎn)變成細(xì)小均勻分布的A型石墨。生產(chǎn)實踐中，硅鋇孕育劑能有效改善鑄件斷面均勻性， 防止鑄件局部白口。改變澆口位置

10、可以改變鑄件溫度場分布，有利于局部白口的改善。鑄鐵件斷面外部呈灰口，而內(nèi)部出現(xiàn)局部白口，稱為反白口。一般認(rèn)為：鑄件已凝固部位 使中心厚大部位迅速冷卻，落入介穩(wěn)定系結(jié)晶范疇而致。有時型砂水分高，澆注溫度低，也 會出現(xiàn)反白口傾向。另外.鑄鐵的成分偏析、孕育衰退、鐵液含氫量高，均易產(chǎn)生反白口。 防止方法仍然應(yīng)從鑄件化學(xué)成分、反石墨化元素、強(qiáng)化孕育、提高熔煉及澆注溫度、控制型 砂水分、減少球化劑稀土含量、保證球化前提下減少殘鎂、殘稀土量人手。5鑄鐵熔煉的影響同一爐料用沖天爐和感應(yīng)電爐熔化，結(jié)果不一樣。相比沖天爐，電爐熔煉易于產(chǎn)生過冷石 墨，使鑄鐵的強(qiáng)度、硬度較高。電爐熔煉使鐵液過熱白口傾向增大，主要原

11、因是：鐵液 過熱含氮量增加；鐵液長時間加熱，生成的CO揮發(fā)導(dǎo)致貧氧，孕育效果差形核率低，石 墨化能力減弱。廢鋼、錳鐵、鉻鐵、增碳劑、涂料、樹脂都會增加含氮量。沖天爐爐料銹蝕 或熔煉過程鐵液氧化嚴(yán)重，增硫、脫碳反應(yīng)劇烈進(jìn)行：10FeO+SO2fFeS+3Fe3O4，F(xiàn)e0+CfFe+CO硫是強(qiáng)阻礙石墨化元素，脫碳是削減石墨化元素，二者疊加促進(jìn)白口傾向。6爐料的遺傳性鑄造生產(chǎn)中，爐料的微觀組織和結(jié)構(gòu)，由于鐵碳平衡圖D=4000C，C=11470C，鑄鐵共 晶熔點(diǎn)以及過熱溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于使鐵液結(jié)構(gòu)無序化的溫度，由此鐵碳合金的近程有序結(jié)構(gòu)產(chǎn)生 遺傳效應(yīng)，強(qiáng)烈影響到后續(xù)生產(chǎn)鑄鐵的組織和結(jié)構(gòu)。鑄鐵熔融狀態(tài)下，

12、存在未溶解的石墨分 子蔟和滲碳體分子簇。在爐料鐵液一鑄件的過程中，爐料含廢鋼、白口鐵、低硅生鐵較多時， 未被溶解的滲碳體簇作為形成滲碳體核心在熔煉后被保留于鑄件，其中強(qiáng)碳化物元素督促鑄 件收縮、裂紋、白口傾向增大。同樣，爐料中生鐵石墨粗大，在未被溶解的碳原子簇影響下， 灰鑄鐵凝固時會有粗大石墨或D、E型石墨保留遺傳。這時應(yīng)考慮提高熔煉溫度，減少孕育 前鐵液含硅量，保證灰鑄鐵0.06% 0.1%的含硫量，以加強(qiáng)孕育效果。廢鋼、生鐵、回爐 料、添加合金中微量元素Ti、Pb、sb、Bi、As及合金元素v、Ti、cr、No、Cu、Ni都會在重 熔時產(chǎn)生累積效應(yīng)，增加鑄件白口傾向。7灰鑄鐵晶間碳化物共晶

13、結(jié)晶末期，鑄件內(nèi)部已經(jīng)形成的奧氏體枝晶與共晶團(tuán)邊界之間存在尚未凝固的殘余鐵 液.由于奧氏體和共晶團(tuán)形成，必然向晶界析出合金元素。因此，當(dāng)正偏析元素（如Cr、v、 Ti）富集，縮小穩(wěn)定系共晶轉(zhuǎn)變開始溫度與介穩(wěn)定系共晶轉(zhuǎn)變開始溫度的距離，容易促進(jìn)晶界 碳化物生成。壁厚引起的慢冷加重偏析，不含cr、V、Ti的厚壁鑄件不會有晶問碳化物產(chǎn)生。 如果冷卻速度加快，凝固終了溫度降到介穩(wěn)定系共晶轉(zhuǎn)變開始溫度以下，將督促碳化物形成。碳當(dāng)量低、正偏析元素高的鐵液容易在最后凝固區(qū)域生成共晶碳化物。當(dāng)合金含量大時.共 晶團(tuán)內(nèi)凝固較晚存有殘余鐵液的蜂窩結(jié)構(gòu)中也會出現(xiàn)碳化物。如果碳化物形成元素被推移到鑄件中心部位，分布于

14、奧氏體枝晶間，會生成萊氏體形成白 口凝固，常稱為反白口現(xiàn)象。由此推論，這種反白口現(xiàn)象的防止，應(yīng)該從鐵液的冶金指標(biāo)及 合金元素的含量與冷卻速度人手。一般孕育劑難以改變反白口現(xiàn)象，但是最近推出的硅鑭孕 育劑對反白口有較好的效果，因為單一稀土元素鑭，可以有效促進(jìn)最后凝固區(qū)域鐵液的石墨 化。8薄壁球墨鑄鐵晶間碳化物球墨鑄鐵凝固終了，奧氏體枝晶和共晶團(tuán)析出后，殘留在枝晶與共晶團(tuán)邊界問最后凝固的 鐵液迅速冷卻，會形成晶問碳化物。鑄態(tài)產(chǎn)生：鐵素體碳化物，珠光體+碳化物，混合基體 +碳化物組織。綜合分析可以采取下列措施：采用Q12、Q14、Q16等Si1.1%，低Ti球 生鐵。選擇純凈的不含反石墨化元素的爐料

15、。薄壁鑄件應(yīng)提高碳硅當(dāng)量（CE=4.6% 4.8%）， 熔煉時預(yù)加SiC或75SiFe增Si；選用低鎂低稀土球化劑，降低殘鎂量至w（Mg殘）=0.03% -0.045%、降低殘留稀土量至w（RE殘）=0.01%-0.02%；熔化溫度控制在1480C-1520C 之間，加強(qiáng)孕育，采用高效、長效孕育劑，采用二次孕育。提高單位面積石墨球數(shù)。其中增 加石墨球數(shù)是消除薄壁球墨鑄鐵出現(xiàn)碳化物的最有效的方法。因為。隨球數(shù)增加早期凝固的 體積分?jǐn)?shù)加大，晶間的殘余鐵液減少，提前結(jié)束共晶凝固，從而防止碳化物的產(chǎn)生。密布細(xì) 小的石墨球縮短碳原子擴(kuò)散距離，加速固相轉(zhuǎn)化時Fe3CfC+3Fe的相變。9結(jié)論總之，灰口鑄鐵、球墨鑄鐵產(chǎn)生白口的原因比較復(fù)雜，有時是幾種因素疊加的結(jié)果。目前 工廠尚難于檢測鑄件中的氣體元素和微量元素準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，但總體的防止方法是不變的。1）嚴(yán)格控制鑄鐵的常規(guī)化學(xué)成分和合金元素成分，化學(xué)成分控制精度含碳量0.05%，含 硅量0.1%，除微量元素外的其他元素控制在0.02%以內(nèi)。2）提高鐵液的冶金質(zhì)量，熔煉溫度1480C 1520C，爐料配比