浅析球化孕育处理的相关影响因素

浅析球化孕育处理的相关影响因素
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（西安长泰特种合金厂王万超邮编710077）
球墨铸铁随着经济的发展而迅速发展起来，材质从QT400-18AL到ADI等材质，还有特殊的如QT500-13、QT600-10等新型材质要求，其生产过程的关键环节就是球化和孕育处理，只有球化率和石墨数量达到相应技术标准，才能满足铸件的机械性能要求，如何合理地选用什么规格型号的球化剂？如何用怎样的孕育方式去孕育？都是十分关键而慎重的问题，这些环节与铸件的材质牌号、重量大小、尺寸壁厚、处理温度、原铁水含硫量等息息相关，怎样稳定地生产，科学地处理，准确地判断方法以及铸造缺陷相关分析等等，现有的大多数论文侧重于学术方面的研究，机理、公式、数据很多，所得出的结论也是在实验室条件下的数据，仅仅是可行性的结果，是否稳定？不得而知，而工厂的现状是需要大量生产的稳定性和可操作性，下面仅就多年来在球化剂、孕育剂在实际生产中的使用问题，谈谈球化孕育处理的相关影响因素，尽可能地起到承上启下的作用，把学术论文的机理数据和实际可操作性联系起来。

一、炉料特征
炉料一般有生铁、废钢、回炉料、增碳剂、硅铁、锰铁等，按照成分要求计算得出一定比例进行熔炼，铁液成分除常规的五大元素之外，主要就是反球化干扰元素的影响，依据球化指数SB=4.4 Ti+2.0As+2.3Sn+5.0Sb+290Pb+370Bi+1.6Al公式，一般只要<1.0，说
从列表中可以看出，国外生铁纯净，SB值很低，国内生铁本溪和林州生铁很纯净，易于生产球铁，其它生铁中干扰元素就多些，由于矿源与生产工艺等因素，大多数含有较高的Ti元素，从SB的公式中可以看出，Ti元素影响不是那么太大，但Ti元素却是强还原剂，回将其它化合状态的干扰元素还原出来，从而影响球化，其中影响最大的是Pb和Bi元素，国内有的企业选用的生铁尽管Ti元素较高，但却实际生产出了铸件，并且还稳定，例如海南某合资公司利用海南生铁（Ti元素＞0.071%）成功地生产了摩托车凸轮轴铸件；四川某企业利用当地生铁（Ti元素＞0.091%）成功地生产了曲轴，至今没有出现任何问题，但必须注意铸件应是QT600-3或QT700-2的珠光体基体材质，铁素体基体材质则应选用比较低含量Ti元素才行。

使用废钢方面，大多数企业比较杂，货源不固定，因而造成成分的波动与偏差，如果是生产铁素体基体材质的铸件，则应选用碳素钢成分的废钢，例如A3钢、45钢等角钢、工字钢等；如果是QT500-7、QT600-3等材质，则可以适度用些合金钢。

在外观方面，最好不得有铁锈、油漆、油圬以及焊缝等，因为铁锈主要是FeO等，在球化反应时会消耗Mg元素，影响球化率；油漆尤其是橘黄色颜色，是由含Pb约64%和Cr约16.1%的颜料配置而成；焊缝金属一般含有O、H、S、P、Sn、Pb等有害杂质，这些干扰杂质元素，尤其是Pb会进入铁液之中，直接会是石墨形态变异。

下面是某合资公司仅仅把废钢进行了挑选，除去那些有铁锈、油漆、油圬以及焊缝等的，并进行了铁液过热处理，用同样工艺、成分等比较，可以看出石墨形态明显差异。

回炉料只要使用同类材质的即可，如果材质较多，在现场管理上千万别混淆，否则会影响铸件的最终性能，报废的铸件回炉时，一定要分清报废的原因，是因造型方面的可以回炉，而因材质方面的则需慎重考虑，否则会影响球化效果和孕育效果。

增碳剂的使用一般影响因素是S含量和H含量，S含量影响球化效果，而H含量则会影响孕育效果。

还有就是增碳剂的微观结构，大致有晶体类与非晶体类的，晶体类石墨增碳剂除增碳之外，还有增加石墨数量的作用，从而提高铸件机械性能。

二、过热处理
各种炉料按一定的比例进行熔炼，有一个主要工艺就是过热处理，其目的就是消除炉料的遗传性，关于铁液的遗传性主要表现在①炉料结构信息的保留（如C原子种类、颗粒粗细以及不均匀性等）：如果废钢，白口铸铁多时，则白口倾向增大，是因为Fe3C分子被保留下来作为核心的缘故，同样，如果炉料中含有粗大石墨的生铁，未彻底熔化的C原子集团会促使粗大石墨的析出，无形中增大了孕育效果的困难，致使石墨数量大大减少，最终影响铸件机械性能；②成分遗传效应：炉料中的Pb、Ti、Sb、Sn、As、Bi…等微量元素以及Ni、Cu、Cr、Mo、V……等合金元素会发生各种遗传效应，如强碳化物形成元素促使铸件收缩、裂纹、白口倾向增大；微量表面活性元素会产生特殊形状的石墨，如水草型，蝌蚪型等；气体元素容易形成气孔等；③物理特征的保存：如粘度、表面张力、凝固时的白口、收缩、气孔、裂纹倾向等都可能存在遗传。

炉料中的这些金属结构组织及成分信息的遗传因子（或载体）遗传下来形成弥散质点成为潜在的结晶核心，这些核心与石墨结晶的核心质点有着很大的差异，势必造成石墨形态的变异，降低球化率，减少石墨数量。

过热处理实际操作一般选择1510-1530℃，保温时间20分钟，从而是铁液的熔体结构发生明显变化，微观均匀性明显提高。

三、球化剂、孕育剂的合理选择
球化剂主要由Mg、RE、Ca、Ba、Si、Bi、Sb…等元素组成，孕育剂是在硅铁的基础上附加Ba、Ca、Sr、RE、Mn、Bi、Sb、Cr、Sn等元素，国内外大致有上百种规格牌号，无非就是上述元素的不同比例组合而形成不同的作用，怎样合理地选择与生铁、废钢等炉料、处理温度、铸件材质、铸件壁厚或结构、原铁水含S量、车间布局、浇注时间、浇包形状等等因素有关。

球化剂的选择主要是Mg、RE、Ca、Ba等元素，其中Mg元素在5-6-7-8%的范围，RE
元素在0-1-2-3-4-5-6%等范围，Ca元素在1-2-3-4%的范围，Ba元素在0-1-2%的范围，Mg 与RE元素是重点，Ca元素与Ba元素是参考，下面列举一些事例：①用电炉生产汽车排气管，壁厚4-5㎜，QT450-10的材质，原铁水含S量在0.02-0.03%，处理温度在1500℃以上，适合的球化剂应是Mg6-7%、RE2.5-3.0%、Ca2.5-3.0%的成分范围，适合的孕育剂应是含Bi强烈增加石墨数量的特效功能；②用电炉生产QT400-18AL材质的风电铸件叶轮毂，壁厚60-200㎜，处理温度1450-1460℃，适合的球化剂应是Mg7%以上、钇基重稀土YRE ＜2.5%、Ca2.0-3.0%，适量的Ba元素、微量的Bi、Sb、C等元素的成分范围，适合的孕育剂应是含Ba元素的具有长效的特点以及含Bi、Sb元素，既强烈增加石墨数量又改善石墨形态的特效功能。

孕育剂的选择方面，大致与炉料组分、铸件材质、壁厚状况等因素有关，例如薄壁铁素体基体铸件，由于冷却速度快，对石墨的形态和数量有好处，但同时也增加了白口倾向，所以就应该选择强烈促进石墨球数的高效孕育剂。

如果是薄壁珠光体基体铸件，则应选择强烈促进石墨化的高效孕育剂，石墨的球数不必太多，否则会影响珠光体的含量，最终影响铸件的硬度指标。

在炉料组分中，废钢的比例较大，势必造成铁液的白口倾向增大，这是就应选择既高效又长效的复合型孕育剂。

现在由于生铁大幅度涨价，使得许多工厂在炉料方面大量使用废钢和增碳剂，这样就会使铁液中的含S、H量增加，白口倾向增大
四、处理温度
从球化反应角度来讲，处理温度愈低愈好，一般建议在1420-1480℃，这样的温度使Mg元素有最大的吸收率，然而实际并非如此，因为在实际生产中，铸件的壁厚状况、不均匀程度，熔炼设备与造型浇注的距离，特殊的造型工艺，特殊材质等，必须有高的处理温度，才能满足综合生产，例如在铸件壁薄、珠光体基体、铁模覆砂、消失模、铁液成分中含有高熔点元素（如Mo、Cr等）条件下，必须选择具有延缓起爆，耐高温的球化剂，使反应平稳，现场操作安全，然而，如果各方面可以满足生产要求，还是选择仅可能低的处理温度，例如在广东中山某公司，仅用1440℃处理温度，铁水几乎在出70%时，球化剂才开始起爆，反应非常平稳，镁光烟尘很少，工人现场操作非常安全，球化率在92%，石墨数在200个，残余Mg在0.04-0.05%，而加入量仅仅为1.0-1.3%。

有些工厂，由于选用球化剂不合适，球化反应剧烈，处理后降温大，不得不提高球化处理温度，致使球化剂加入量增大，不但增加了成本，更主要的是炉前操作危险性加大。

五、合金的粒度与形状
合金的粒度从各个生产企业的情况来看，大致有3-6㎜、3-15㎜、5-20㎜、5-25
㎜、5-30㎜、10-30㎜、10-40㎜等粒度分布，究竟那种粒度最合适，这与处理包的大小、处理的温度有很大关系，一般小包小粒度，大包大粒度，处理温度高时，粒度应小些，其原则就是粒度的分布使其紧实后堆积密度最大，从而使起爆延缓，使Mg元素有最大的吸收率。

例如日本的铸造工厂一般使用3-12㎜的粒度，欧洲的铸造工厂则使用1-12㎜的粒度，国内西峡的铸造工厂现在都使用3-15㎜的粒度，较小的粒度在反应过程中上浮的速度相对缓慢，从而提高Mg元素的吸收率，减少加入量。

合金的形状应是多面体形，最佳是球状，主要使合金难于熔化，当然目前的破碎工艺是机械式的，各种形状都有，压力成型的椭圆球状、立体圆柱的球化剂就是此目的，
六、处理包的深径比
许多铸造厂由于种种原因，仍然使用直径与深度大致相当的处理包，球化反应时，铁液的深度很浅，合金在没有完全熔化就漂浮在铁液上面，表面看起来在反应，其实是Mg 元素在燃烧，烟尘镁光很大，不仅浪费，而且不安全，最后残余Mg元素较低，铸件质量不稳定。

还有就是尽管处理包的深径比在1.5-1.8，但是由于造型所需的铁液大，而熔炼的设备熔量小，所以进行处理时，铁液仅仅是处理包容量的1/2-1/3，表面上用的标准的球铁包，实际造成铁液深度很浅，和上述情形相同。

实践证明，使用深径比在1.5-1.8的处理包，不仅球化剂加入量会相应减少，而且操作安全，球化成功率好，综合铸件成品率高而稳定。

七、熔炼设备极其容量与造型的布局和同步性
有些工厂的熔炼设备与造型距离较远，这样铁水球化处理后需要运送到造型现场浇注，在运送的过程中，空气会不断地进入到铁液中，不但造成球化衰退，如果没有瞬时孕育工艺的话，还会造成孕育衰退，最终导致铸件机械性能下降。

也有些工厂的熔炼设备与造型的节拍不协调、不同步，从材质角度讲，宁可让砂箱等铁水，也不能让铁水等砂箱，否则熔化好的铁水在炉内等待的过程中，空气不断地进入铁液，造成O、H等元素的含量上升，影响球化效果。

还有就是造型的数量小于熔炼的容量，同一炉铁液分多次进行球化处理，现场计量困难，势必造成每次出铁量误差较大，势必造成球化效果的波动，最终导致产品质量的波动。

八、合金的填充与覆盖
合金的填充与覆盖注意几个方面：①填充后应进行紧实，使合金之间的空隙或缝隙最小，堆积密度最大；②必须有覆盖物，覆盖物可以说是千差万别，主要目的是延缓起爆、预处理等，大致有各种孕育剂、45硅铁、25硅铁、SiC、冰晶石、预处理剂、铁屑、钢屑、钢板、石墨粒、珍珠岩等等，体现在预脱S、脱O与覆盖的双重作用，要有重量；③现场操作操作注意一定要覆盖严实，不要有缝隙，充分体现既覆又盖的目的；④覆盖后的体积最好和处理包凹槽相吻合。

九、孕育的方法与效果
孕育的方法很多，但其核心是既要保证良好的效果，又要操作方便，两者是互为矛盾
的，目前大多数有以下几种：
①覆盖在球化剂的上面，既孕育又覆盖，操作简便，但由于孕育时间与球化反应
同时进行，存在着孕育衰退倾向，尤其在运输距离长或厚大件上更为严重；
②二次出铁水时随铁液流加入，效果比①类方式略好些，但存在有加入时刻不准，
孕育剂漂浮在铁液上面，有时会与炉渣熔在一起而被扒掉，经常与A方式一起
操作；
③倒包时加入，由大包倒入小包时加入，效果好，但要注意的是一定要在倒入1/3
铁水时，随铁水流加入，还未充满时就加完，铁水最后冲击搅拌，否则一方面
会加入过早粘结在包底，另一方面加入过晚时，漂浮在铁液上面而浪费；
④浮硅孕育，就是用低熔点的一定重量孕育块，放在铁水表面或浇口杯中，一边
浇注，一边孕育，效果非常好，但不可避免地带入了部分熔渣，同时存在着不
均匀现象；
⑤瞬时孕育，就是一边浇注，一边用定量装置或人工漏斗随铁水流进行孕育，但
不可避免地带入了部分熔渣，同时存在着不均匀现象；
⑥孕育块孕育，就是用低熔点的一定重量孕育块提前安放在浇注系统内，在铁水
的冲型过程中，一边溶解，一边孕育，效果最好，但不可避免地带入了部分熔
渣，浇注系统相对复杂，铸件工艺出品率降低。

从上述的孕育方法上讲，①方法最方便，但孕育效果最差，相反⑥方法效果最好，但操作最麻烦，大多数情况下，以上几种方法联合操作，即保证孕育效果，又使现场操作简便、安全，每个工厂依据自己实际条件合理选择最佳的孕育方式。