球铁球化处理工艺

第三节 球化处理工艺

球化处理主要包括以下内容：

（1）铸铁化学成分的选择；

（2）球化剂的选择、加入量；

（3）球化处理方法；

（4）球墨铸铁的孕育处理；

（5）球化效果的检验。

球墨铸铁球化处理工艺的制订应充分考虑球墨铸铁的牌号及其对组织的要求、铸件几何形状及尺寸、铸型的冷却能力、浇注时间和浇注温度、铁液中微量元素的影响以及车间生产条件等因素。

一、球墨铸铁化学成分的选择

同普通灰铸铁一样，球墨铸铁化学成分主要包括碳、硅、锰、硫、磷五大常见元素。对于一些对组织及性能有特殊要求的铸件，还包括少量的合金元素。同普通灰铸铁不同的是，为保证石墨球化，球墨铸铁中还须含有微量的残留球化元素。下面着重介绍这些元素在球墨铸铁中的作用及其选择原则。

1、碳及碳当量

碳是球墨铸铁的基本元素，碳高有助于石墨化。由于石墨呈球状后石墨对机械性能的影响已减小到最低程度，球墨铸铁的含碳量一般较高，在3.5～3.9%之间，碳当量在4.1～4.7%之间。铸件壁薄、球化元素残留量大或孕育不充分时取上限；反之，取下限。将碳当量选择在共晶点附近不仅可以改善铁液的流动性，对于球墨铸铁而言，碳当量的提高还会由于提高了铸铁凝固时的石墨化膨胀提高铁液的自补缩能力。但是，碳含量过高，会引起石墨漂浮。因此，球墨铸铁中碳当量的上限以不出现石墨漂浮为原则。

2、硅

硅是强石墨化元素。在球墨铸铁中，硅不仅可以有效地减小白口倾向，增加铁素体量，而且具有细化共晶团，提高石墨球圆整度的作用。但是，硅提高铸铁的韧脆性转变温度（见图4—6），降低冲击韧性，因此硅含量不宜过高，尤其是当铸铁中锰和磷含量较高时，更需要严格控制硅的含量。球墨铸铁中终硅量一般在1.4—3.0%。选定碳当量后，一般采取高碳低硅强化孕育的原则。硅的下限以不出现自由渗碳体为原则。

图4—6 硅对铁素体球墨铸铁脆性转变温度的影响

球墨铸铁中碳硅含量确定以后，可用图4—7进行检验。如果碳硅含量在图中的阴影区，则成分设计基本合适。如果高于最佳区域，则容易出现石墨漂浮现象。如果低于最佳区域，则容易出现缩松缺陷和自由碳化物。

图4—7 球墨铸铁中碳硅含量

3、锰

由于球墨铸铁中硫的含量已经很低，不需要过多的锰来中和硫，球墨铸铁中锰的作用就主要表现在增加珠光体的稳定性，促进形成(Fe、Mn)3C。这些碳化物偏析于晶界，对球墨铸铁的韧性影响很大。锰也会提高铁素体球墨铸铁的韧脆性转变温度，锰含量每增加0.1%，脆性转变温度提高10～12℃。因此，球墨铸铁中锰含量一般是愈低愈好，即使珠光体球墨铸铁，锰含量也不宜超过0.4～0.6%。只有以提高耐磨性为目的的中锰球铁和贝氏体球铁例外。

4、磷

磷是一种有害元素。它在铸铁中溶解度极低，当其含量小于0.05%时，固溶于基体中，对力学性能几乎没有影响。当含量大于0.05%时，磷极易偏析于共晶团边界，形成二元、三元或复合磷共晶，降低铸铁的韧性。磷提高铸铁的韧脆性转变温度，含磷量每增加0.01%，韧脆性转变温度提高4～4.5℃。因此，球墨铸铁中磷的含量愈低愈好，一般情况下应低于0.08%。对于比较重要的铸件，磷含量应低于0.05%。

5、硫

硫是一种反球化元素，它与镁、稀土等球化元素有很强的亲合力，硫的存在

会大量消耗铁液中的球化元素，形成镁和稀土的硫化物，引起夹渣、气孔等铸造

缺陷。球墨铸铁中硫的含量一般要求小于0.06%。

6、球化元素

目前在工业上使用的球化元素主要是镁和稀土。镁和稀土元素可以中和硫等

反球化元素的作用，使石墨按球状生长。镁和稀土的残留量应根据铁液中硫等反

球化元素的含量确定。在保证球化合格的前提下，镁和稀土的残留量应尽量低。

镁和稀土残留量过高，会增加铁液的白口倾向，并会由于它们在晶界上偏析而影

响铸件的机械性能。

表4—2 球墨铸铁推荐化学成分 （%）

基体组织 C Si Mn P S Mg RE Cu Mo

铸态铁素体 3.5～

3.9

2.5～

3.0

≤0.3 ≤0.07≤0.02

0.03～

0.06

0.02～

0.04

退火铁素体 3.5～

3.9

2.0～

2.7

≤0.6 ≤0.07≤0.02

0.03～

0.06

0.02～

0.04

铸态珠光体 3.6～

3.8

2.1～

2.5

0.3～

0.5

≤0.07≤0.02

0.03～

0.06

0.02～

0.04

0.5～

1.0

0～

0.2

表4—2给出了不同组织球墨铸铁的化学成分，供参考。

二、球化剂的选择

在选用球化剂时，应考虑以下几个因素：

（1）对铸件铸态组织的要求。 铸态铁素体球墨铸铁选用低稀土球化剂 ，铸态珠光体球墨铸铁选用含铜或镍的球化剂。

（2）铁液中干扰元素的含量。如果干扰元素，诸如钛、钒、铬、锡、锑、铅、锌等含量较高，须选用稀土含量较高的球化剂。如果干扰元素含量较低（总量小于0.1%），可选用纯镁或镁合金球化剂。

（3）铁液含硫量。硫含量较高时，一般采用稀土和镁含量较高的球化剂，如有条件，可进行脱硫处理。硫含量较低时，可选用低稀土低镁的稀土硅铁镁球化剂。

（4）铸件冷却条件。冷却速度较快的金属型铸造条件下,可选用低稀土球化剂。冷却速度较慢的大型厚断面铸件可选用钇基重稀土球化剂。

三、球化处理方法

球化处理方法主要指球化剂的加入方法。球化处理方法不同，球化剂被铁液吸收率不同，球化效果就大不一样。目前常用的球化处理方法主要有冲入法、自建压力加镁法、转包法、盖包法、型内法、钟罩法、密封流动法以及型上法等。下面简要介绍其中常用工艺方法的特点及适用范围。

1、冲入法

将球化剂破碎成小块，放入处理包底部一侧，或在处理包底部设置堤坝或凹坑，将球化剂放在堤坝内侧或凹坑内，然后在球化剂上面覆盖孕育剂、无锈铁屑、或草灰、苏打、珍珠岩集渣剂等，然后冲入1/2～2/3铁液，待铁液沸腾结束时，再冲入其余铁液。处理完毕后加集渣剂彻底扒渣。冲入法要求处理包的深度与内径之比在1.5～1.8之间，处理包要预热到600～800℃，铁液温度应高于1400℃。

冲入法的优点是设备简单，操作简单。缺点是镁的吸收率低，一般只有30～40%，而且烟尘闪光较严重。目前这种方法广泛应用于各种温度和含硫量的各种生产规模的球墨铸铁件生产。

2、自建压力加镁法

镁的沸点与压力呈正比，如果铁液中有6～8个大气压时，镁的沸点就会提高到1350～1400℃。在这样的条件下加镁，就可以避免镁的沸腾。自建压力法是在密封的条件下将装有镁的钟罩压入铁液，使镁在铁液中有控制的沸腾，从而提高镁的回收率，稳定球化质量。