高韧性球墨铸铁生产工艺及应用_王永振
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针对以上的要求，我们对能实现该要求的熔炼 工艺经行了试验研究。
收稿日期： 2014 09 11
化学成 分 对 球 墨 铸 铁 的 性 能 有 较 大 影 响。 合 理的化学成分是铸件力学性能和金相组织合格的 前提。对高韧性球墨铸铁来说，在高碳当量的前提 下，应满足高碳、低锰、低磷、低硫的原则［2］。 2． 1 碳
材料 比例
表 3 高韧性球墨铸铁配料单
生铁 废钢 回炉料 球化剂 孕育剂
75
10
15
1． 5 0． 8 ～ 1
% 镍铁 0． 3
3． 4 球化孕育工艺 球化处理是生产合格球墨铸铁的关键，只有球
化良好，孕育方法得当才能得到石墨球圆整、均匀、 晶粒细小、致密的球墨铸铁。所以生产球墨铸铁球 化、孕育 处 理 是 关 键。 球 化 采 用 的 钢 包 为 球 铁 包， 修筑能盛放所需球化剂、覆盖孕育剂的堤坝。球化 方式采用冲入法球化。具体操作为： （ 1） 球铁包烘 烤至暗红色。（ 2） 将铁液量 1． 4% ～ 1． 5% 、粒度为 10 ～ 25 mm、预热温度 150 ～ 200 ℃ 的球化剂颗粒放 至堤坝包的一侧，冲劲，上面均匀覆盖铁液量 0． 2% ～ 0． 3% 、粒度 15 ～ 20 mm 的 75SiFe 孕育剂，铺平、 冲实，表面 用 珍 珠 岩 覆 盖，最 后 在 孕 育 硅 铁 上 加 盖 和包坝一侧形状类似的球铁板，主要作用是放缓浇 筑前期球化 剂 反 应 速 度，减 少 球 化 剂 烧 损，达 到 良 好球化的目的。（ 3） 出铁 1 /3 左右时开始采用随流 孕育，操作 方 法 是 制 作 工 装，采 用 滑 槽 的 形 式 从 炉 台上随的出铁的铁流均匀的将孕育剂添加至球化 包，铁水出 完，孕 育 剂 也 同 时 添 加 完 毕。 孕 育 剂 采 用 3 ～ 5 mm 的硅铁颗粒，使用量铁液量 0． 4% ～ 0． 6% 。（ 4） 反应完结束，待钢包中铁液平静后反复 扒渣，扒去所有浮渣，铸件浇筑前加入铁液量 0． 1% ～ 0． 15% 粒度再小一些的 75SiFe 孕育剂，放至液面 上，反复搅拌，进行瞬时孕育。本孕育工艺工采用 3 次孕育： 第一次为覆盖在球化剂上的孕育剂，第二 次是随流孕育，第三次是浇筑前的瞬时孕育。以上 的球化和孕育工艺是我们企业生产高韧性球墨铸 铁的关键操作过程。 3． 5 热处理工艺
4． 4． 4 试验结果 本试验 1#、2#两个试样 － 20 ℃ 冲击功见表 6。
于 95% ，满足 QT400 － 18 高韧性球墨铸铁对组织 的要求。 4． 3 机械性能检验
机械性能检验是通过机械拉伸随炉浇筑的 Y 型单铸 试 块 加 工 的 试 棒 来 确 定 材 料 的 机 械 性 能。 本试验采用该工艺熔炼了 2 炉，试棒编号 1#、2#，机 械性能见表 5。
锰是阻碍 石 墨 化 元 素，具 有 稳 定 渗 碳 体，提 高 强度，降低塑性和韧性，所以尽量降低锰量，尤其是 高韧性球墨铸铁。 2． 4 磷
磷是有害 元 素，极 易 偏 析，含 量 较 高 会 形 成 硬 而脆的磷共晶，降低塑性和韧性。应尽可能降低磷 元素的含量，控制在 0． 04% 以下。 2． 5 硫
碳是强石墨形成元素，促进石墨化。一般来说 含碳量高，易保证球化，获得球形石墨，且增加石墨 数量。若石墨球形态好，数量多，直径小，则对基体 的割裂就 越 小，力 学 性 能 也 就 越 高。 因 此，应 选 择 较高的碳量，碳含量不够的话可以采用增碳的方法 实现［3］。但含碳量也不能过高，否则容易产生石墨 漂浮、石 墨 破 碎 等 缺 陷。 一 般 碳 的 质 最 分 数 为： 3． 5% ～ 3． 8% 。 2． 2 硅
3． 1 原、辅材料选择 熔炼高 韧 性 球 墨 铸 铁 的 主 要 材 料 是 废 钢、生
铁、球化剂、孕育剂，镍板等。原材料应无油、无锈、 成分明确，对原、辅材料的要求见表 1、表 2。
成分 材料
表 1 废钢和生铁的成分
C
Si
Mn
P
% S
废钢 0． 14 ～ 0． 22 ＜ 0． 30 0． 03 ～ 0． 65 ＜ 0． 045 ＜ 0． 05
The Production Process and Application of High Toughness Nodular Cast Iron
Wang Yongzhen
（ China Ｒailway Large Maintenance Machinery Co． Ltd． ，Kunming 650215，China）
1 引言
2 化学元素的影响及选择
球墨铸铁是一种重要的工程材料，在工业中有 广泛的应用。高韧性球墨铸铁更因优良的性能，尤 其是在恶劣工况下的冲击韧性，在风电、核电、铁路 机车、工程车辆等领域具有重要的应用［1］。昆明中 铁主要产品为大型养路机械，大型养路机械的工作 条件较为恶 劣，作 业 过 程 承 受 较 大 的 冲 击 载 荷、震 动载荷，在高温、高寒的自然环境下，要求铸件具有 较好的强度、韧性、抗疲劳性和抗冲击性，在选用材 料方面自然就要考虑其机械性能，对材料提出抗拉 强度 400 MPa 以上，延伸率 18% 以上，－ 20 ℃ 的冲 击功为 12 J / mm2 以上的要求。
硫也是有 害 元 素，硫 与 稀 土 的 亲 和 力 很 强，消 耗球化剂，对球化效果和韧性、冲击性能影响较大， 因此将硫控制在 0． 03% 以下。 2． 6 镍
镍是一种石墨化元素，加入镍合金化处理能提 高球墨铸铁的低温 冲 击 韧 性［4］。加 入 量 0． 2% ～ 0． 4% 。
3 高韧性球墨铸铁的熔炼工艺
为保证材质要求，采用高温石墨化和低温组织 转变两阶段退火，消除白口、降低硬度、改善切削性
118
铁道建筑技术 ＲAILWAY CONSTＲUCTION TECHNOLOGY 2014 （11）
·其 它·
能，并获得铁素体。
4 检验
检验包括 化 学 成 分 检 验、金 相 检 验、机 械 性 能 检验、冲击性能检验，通过检验验证配料的合理性、 工艺的可行性，得出材料是否满足技术要求的结论。 4． 1 成分检验
将加工好的夏比冲击试块放入 DWC － 60A 冲 击试验低温槽中冷却→ － 20 ℃ 保温 20 min→快速 取出并在 JB － 30B 冲击试验机冲击→记下数据，每 试样做 3 个冲击试块，取平均值作为该方案的结果。
通过对晶相照片分析，得出球化级达到 2 级，石 墨大小 6 级左右，晶粒细小，热处理后铁素体含量大
% Fe
余量 余量
3． 2 配料 高韧性球墨铸铁的熔炼配料单见表 3。
3． 3 熔炼操作 按比例称 料，然 后 按 顺 序 向 中 频 炉 内 加 料，加
料顺序为： 回炉料→废钢→回炉料→废钢。送电开 始熔炼。全部炉料添加完毕，熔炼至 1 400 ～ 1 430 ℃ 时，扒渣取样进行光谱分析。若成分符合原铁液 成分要求，升温至 1 450 ～ 1 470 ℃ 的要求出铁温度， 开始出铁球化孕育处理。若成分不满足要求，按比 例调整成分，取样化验，直至满足要求为止，升温至 工艺要求的球化孕育温度出铁。
·其 它·
高韧性球墨铸铁生产工艺及应用
王永振
（ 昆明中铁大型养路机械集团有限公司 昆明 650215）
摘 要 介绍了材料的技术要求，分析了球墨铸铁中各元素的影响； 采用低硅、低锰、低硫、低磷的优质生铁及纯净 低合金废钢，通过采取合理设计化学成分、中频电炉熔炼、强化球化处理和孕育处理，热处理采用高温低温两段退 火工艺等技术措施，满足了各项技术要求，实现了该类铸件的大批量生产。 关键词 球墨铸铁 低温冲击性 球化 孕育 中图分类号 TG255； TF593． 2 文献标识码 A 文章编号 1009-4539 （ 2014） 11-0117-03
抗拉强度和延伸率是球墨铸铁检验的最终指 标，通过对随炉浇筑的 Y 型单铸试块试棒的拉力试 验，达到 QT400 － 18 高韧性球墨铸铁对机械性能的 要求。 4． 4 低温抗冲击性能检验
低温冲击性能主要是指材料在低温工作、有冲 击载荷存在情况下的抗冲击性能。 4． 4． 1 试验设备
CSL － B 冲击试样缺口电动 拉 床、DWC － 60A 冲击试验低温槽、JB － 30B 冲击试验机。 4． 4． 2 冲击试样制备
生铁
≥3． 4 1． 00 ～ 1． 4 ≤0． 02 ≤0． 05 ＞ 0． 02 ～ 0． 03
表 2 球化剂和孕育剂成分
成分 Mg
ＲE
Si
Ca Mn
Al
材料
QＲMg 7． 0 ～ 6． 0 ～ 35 ～ 8ＲE7 9． 0 8． 0 44． 0 ≤4． 0 4． 0 0． 5
75SiFe
74 ～ 80 1． 5 0． 40 2． 00
成分检验就是采用直读光谱仪对浇筑的炉前 和球化后的光谱检验试块进行成分检验，本试验材 料的化学成分见表 4。
成分 类别
炉前
球化后
表 4 高韧性球墨铸铁的化学成分
C
Si
Mn
P
S
3． 85 3． 61
1． 15 2． 46
0． 25 0． 23
0． 03 0． 017 0． 022 0． 015
% Ni 0． 35 0． 33
表 5 高韧性球墨铸铁的机械性能
试样编号
1#
2#
强度 / MPa
445
453
延伸率 /%
22． 5
21
表 6 冲击试样 － 20 ℃冲击值
试样编号
1#
－ 20 ℃ 冲击功
16． 5
J / mm2 2# 15
冲击值超过 12 J / mm2 的要求数值，满足材料对 低温抗冲击的要求。 4． 4． 5 － 20 ℃冲击断口形貌分析
Abstract The paper introduces the technical requirements of material and analyzes the influence of each element of nodular cast iron． The measures proposed in the paper meet the technical requirements and achieve the mass production of this kind of castings． These measures include the low silicon，low manganese and low sulfur，low phosphorus high-quality pure iron and low alloy steel scrap and technical measures like reasonable chemical composition design，intermediate frequency electric furnace smelting，strengthening the spheroidizing and inoculation treatment，heat treatment measures such as high temperature and low temperature two-stage annealing process． Key words nodular cast iron； low temperature impact； spheroidizing； inoculation
硅是强促进石墨化元素，硅若以孕育方式加入
铁道建筑技术 ＲAILWAY CONSTＲUCTION TECHNOLOGY 2014 （11）
117
·其 它·
其作用更 显 著。 含 硅 量 增 加，白 口 倾 向 减 少，细 化 石墨，提高 石 墨 球 的 圆 整 度。 但 硅 量 过 高，会 提 高 韧性 － 脆性转变温度，引发铸件脆性。含硅量控制 在 2． 3% ～ 2． 6% 之间。 2． 3 锰
冲击试样从拉伸试棒的端头加工，冲击试样按 GBZ 106 － 80《金属夏比（ V 型缺口） 冲击试验方法》 的标准加工，尺寸和形状见图 3。
4． 2 金相检验 本试验材料铸态和热处理态晶相组织见图 1、
图பைடு நூலகம்2。
图 3 铸态组织金相 V 型缺口冲击
4． 4． 3 试验方法
图 1 铸态组织金相
图 2 热处理后组织金相
收稿日期： 2014 09 11
化学成 分 对 球 墨 铸 铁 的 性 能 有 较 大 影 响。 合 理的化学成分是铸件力学性能和金相组织合格的 前提。对高韧性球墨铸铁来说，在高碳当量的前提 下，应满足高碳、低锰、低磷、低硫的原则［2］。 2． 1 碳
材料 比例
表 3 高韧性球墨铸铁配料单
生铁 废钢 回炉料 球化剂 孕育剂
75
10
15
1． 5 0． 8 ～ 1
% 镍铁 0． 3
3． 4 球化孕育工艺 球化处理是生产合格球墨铸铁的关键，只有球
化良好，孕育方法得当才能得到石墨球圆整、均匀、 晶粒细小、致密的球墨铸铁。所以生产球墨铸铁球 化、孕育 处 理 是 关 键。 球 化 采 用 的 钢 包 为 球 铁 包， 修筑能盛放所需球化剂、覆盖孕育剂的堤坝。球化 方式采用冲入法球化。具体操作为： （ 1） 球铁包烘 烤至暗红色。（ 2） 将铁液量 1． 4% ～ 1． 5% 、粒度为 10 ～ 25 mm、预热温度 150 ～ 200 ℃ 的球化剂颗粒放 至堤坝包的一侧，冲劲，上面均匀覆盖铁液量 0． 2% ～ 0． 3% 、粒度 15 ～ 20 mm 的 75SiFe 孕育剂，铺平、 冲实，表面 用 珍 珠 岩 覆 盖，最 后 在 孕 育 硅 铁 上 加 盖 和包坝一侧形状类似的球铁板，主要作用是放缓浇 筑前期球化 剂 反 应 速 度，减 少 球 化 剂 烧 损，达 到 良 好球化的目的。（ 3） 出铁 1 /3 左右时开始采用随流 孕育，操作 方 法 是 制 作 工 装，采 用 滑 槽 的 形 式 从 炉 台上随的出铁的铁流均匀的将孕育剂添加至球化 包，铁水出 完，孕 育 剂 也 同 时 添 加 完 毕。 孕 育 剂 采 用 3 ～ 5 mm 的硅铁颗粒，使用量铁液量 0． 4% ～ 0． 6% 。（ 4） 反应完结束，待钢包中铁液平静后反复 扒渣，扒去所有浮渣，铸件浇筑前加入铁液量 0． 1% ～ 0． 15% 粒度再小一些的 75SiFe 孕育剂，放至液面 上，反复搅拌，进行瞬时孕育。本孕育工艺工采用 3 次孕育： 第一次为覆盖在球化剂上的孕育剂，第二 次是随流孕育，第三次是浇筑前的瞬时孕育。以上 的球化和孕育工艺是我们企业生产高韧性球墨铸 铁的关键操作过程。 3． 5 热处理工艺
4． 4． 4 试验结果 本试验 1#、2#两个试样 － 20 ℃ 冲击功见表 6。
于 95% ，满足 QT400 － 18 高韧性球墨铸铁对组织 的要求。 4． 3 机械性能检验
机械性能检验是通过机械拉伸随炉浇筑的 Y 型单铸 试 块 加 工 的 试 棒 来 确 定 材 料 的 机 械 性 能。 本试验采用该工艺熔炼了 2 炉，试棒编号 1#、2#，机 械性能见表 5。
锰是阻碍 石 墨 化 元 素，具 有 稳 定 渗 碳 体，提 高 强度，降低塑性和韧性，所以尽量降低锰量，尤其是 高韧性球墨铸铁。 2． 4 磷
磷是有害 元 素，极 易 偏 析，含 量 较 高 会 形 成 硬 而脆的磷共晶，降低塑性和韧性。应尽可能降低磷 元素的含量，控制在 0． 04% 以下。 2． 5 硫
碳是强石墨形成元素，促进石墨化。一般来说 含碳量高，易保证球化，获得球形石墨，且增加石墨 数量。若石墨球形态好，数量多，直径小，则对基体 的割裂就 越 小，力 学 性 能 也 就 越 高。 因 此，应 选 择 较高的碳量，碳含量不够的话可以采用增碳的方法 实现［3］。但含碳量也不能过高，否则容易产生石墨 漂浮、石 墨 破 碎 等 缺 陷。 一 般 碳 的 质 最 分 数 为： 3． 5% ～ 3． 8% 。 2． 2 硅
3． 1 原、辅材料选择 熔炼高 韧 性 球 墨 铸 铁 的 主 要 材 料 是 废 钢、生
铁、球化剂、孕育剂，镍板等。原材料应无油、无锈、 成分明确，对原、辅材料的要求见表 1、表 2。
成分 材料
表 1 废钢和生铁的成分
C
Si
Mn
P
% S
废钢 0． 14 ～ 0． 22 ＜ 0． 30 0． 03 ～ 0． 65 ＜ 0． 045 ＜ 0． 05
The Production Process and Application of High Toughness Nodular Cast Iron
Wang Yongzhen
（ China Ｒailway Large Maintenance Machinery Co． Ltd． ，Kunming 650215，China）
1 引言
2 化学元素的影响及选择
球墨铸铁是一种重要的工程材料，在工业中有 广泛的应用。高韧性球墨铸铁更因优良的性能，尤 其是在恶劣工况下的冲击韧性，在风电、核电、铁路 机车、工程车辆等领域具有重要的应用［1］。昆明中 铁主要产品为大型养路机械，大型养路机械的工作 条件较为恶 劣，作 业 过 程 承 受 较 大 的 冲 击 载 荷、震 动载荷，在高温、高寒的自然环境下，要求铸件具有 较好的强度、韧性、抗疲劳性和抗冲击性，在选用材 料方面自然就要考虑其机械性能，对材料提出抗拉 强度 400 MPa 以上，延伸率 18% 以上，－ 20 ℃ 的冲 击功为 12 J / mm2 以上的要求。
硫也是有 害 元 素，硫 与 稀 土 的 亲 和 力 很 强，消 耗球化剂，对球化效果和韧性、冲击性能影响较大， 因此将硫控制在 0． 03% 以下。 2． 6 镍
镍是一种石墨化元素，加入镍合金化处理能提 高球墨铸铁的低温 冲 击 韧 性［4］。加 入 量 0． 2% ～ 0． 4% 。
3 高韧性球墨铸铁的熔炼工艺
为保证材质要求，采用高温石墨化和低温组织 转变两阶段退火，消除白口、降低硬度、改善切削性
118
铁道建筑技术 ＲAILWAY CONSTＲUCTION TECHNOLOGY 2014 （11）
·其 它·
能，并获得铁素体。
4 检验
检验包括 化 学 成 分 检 验、金 相 检 验、机 械 性 能 检验、冲击性能检验，通过检验验证配料的合理性、 工艺的可行性，得出材料是否满足技术要求的结论。 4． 1 成分检验
将加工好的夏比冲击试块放入 DWC － 60A 冲 击试验低温槽中冷却→ － 20 ℃ 保温 20 min→快速 取出并在 JB － 30B 冲击试验机冲击→记下数据，每 试样做 3 个冲击试块，取平均值作为该方案的结果。
通过对晶相照片分析，得出球化级达到 2 级，石 墨大小 6 级左右，晶粒细小，热处理后铁素体含量大
% Fe
余量 余量
3． 2 配料 高韧性球墨铸铁的熔炼配料单见表 3。
3． 3 熔炼操作 按比例称 料，然 后 按 顺 序 向 中 频 炉 内 加 料，加
料顺序为： 回炉料→废钢→回炉料→废钢。送电开 始熔炼。全部炉料添加完毕，熔炼至 1 400 ～ 1 430 ℃ 时，扒渣取样进行光谱分析。若成分符合原铁液 成分要求，升温至 1 450 ～ 1 470 ℃ 的要求出铁温度， 开始出铁球化孕育处理。若成分不满足要求，按比 例调整成分，取样化验，直至满足要求为止，升温至 工艺要求的球化孕育温度出铁。
·其 它·
高韧性球墨铸铁生产工艺及应用
王永振
（ 昆明中铁大型养路机械集团有限公司 昆明 650215）
摘 要 介绍了材料的技术要求，分析了球墨铸铁中各元素的影响； 采用低硅、低锰、低硫、低磷的优质生铁及纯净 低合金废钢，通过采取合理设计化学成分、中频电炉熔炼、强化球化处理和孕育处理，热处理采用高温低温两段退 火工艺等技术措施，满足了各项技术要求，实现了该类铸件的大批量生产。 关键词 球墨铸铁 低温冲击性 球化 孕育 中图分类号 TG255； TF593． 2 文献标识码 A 文章编号 1009-4539 （ 2014） 11-0117-03
抗拉强度和延伸率是球墨铸铁检验的最终指 标，通过对随炉浇筑的 Y 型单铸试块试棒的拉力试 验，达到 QT400 － 18 高韧性球墨铸铁对机械性能的 要求。 4． 4 低温抗冲击性能检验
低温冲击性能主要是指材料在低温工作、有冲 击载荷存在情况下的抗冲击性能。 4． 4． 1 试验设备
CSL － B 冲击试样缺口电动 拉 床、DWC － 60A 冲击试验低温槽、JB － 30B 冲击试验机。 4． 4． 2 冲击试样制备
生铁
≥3． 4 1． 00 ～ 1． 4 ≤0． 02 ≤0． 05 ＞ 0． 02 ～ 0． 03
表 2 球化剂和孕育剂成分
成分 Mg
ＲE
Si
Ca Mn
Al
材料
QＲMg 7． 0 ～ 6． 0 ～ 35 ～ 8ＲE7 9． 0 8． 0 44． 0 ≤4． 0 4． 0 0． 5
75SiFe
74 ～ 80 1． 5 0． 40 2． 00
成分检验就是采用直读光谱仪对浇筑的炉前 和球化后的光谱检验试块进行成分检验，本试验材 料的化学成分见表 4。
成分 类别
炉前
球化后
表 4 高韧性球墨铸铁的化学成分
C
Si
Mn
P
S
3． 85 3． 61
1． 15 2． 46
0． 25 0． 23
0． 03 0． 017 0． 022 0． 015
% Ni 0． 35 0． 33
表 5 高韧性球墨铸铁的机械性能
试样编号
1#
2#
强度 / MPa
445
453
延伸率 /%
22． 5
21
表 6 冲击试样 － 20 ℃冲击值
试样编号
1#
－ 20 ℃ 冲击功
16． 5
J / mm2 2# 15
冲击值超过 12 J / mm2 的要求数值，满足材料对 低温抗冲击的要求。 4． 4． 5 － 20 ℃冲击断口形貌分析
Abstract The paper introduces the technical requirements of material and analyzes the influence of each element of nodular cast iron． The measures proposed in the paper meet the technical requirements and achieve the mass production of this kind of castings． These measures include the low silicon，low manganese and low sulfur，low phosphorus high-quality pure iron and low alloy steel scrap and technical measures like reasonable chemical composition design，intermediate frequency electric furnace smelting，strengthening the spheroidizing and inoculation treatment，heat treatment measures such as high temperature and low temperature two-stage annealing process． Key words nodular cast iron； low temperature impact； spheroidizing； inoculation
硅是强促进石墨化元素，硅若以孕育方式加入
铁道建筑技术 ＲAILWAY CONSTＲUCTION TECHNOLOGY 2014 （11）
117
·其 它·
其作用更 显 著。 含 硅 量 增 加，白 口 倾 向 减 少，细 化 石墨，提高 石 墨 球 的 圆 整 度。 但 硅 量 过 高，会 提 高 韧性 － 脆性转变温度，引发铸件脆性。含硅量控制 在 2． 3% ～ 2． 6% 之间。 2． 3 锰
冲击试样从拉伸试棒的端头加工，冲击试样按 GBZ 106 － 80《金属夏比（ V 型缺口） 冲击试验方法》 的标准加工，尺寸和形状见图 3。
4． 2 金相检验 本试验材料铸态和热处理态晶相组织见图 1、
图பைடு நூலகம்2。
图 3 铸态组织金相 V 型缺口冲击
4． 4． 3 试验方法
图 1 铸态组织金相
图 2 热处理后组织金相