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大型球墨铸铁件有问题的解决途径
大型
球墨铸铁件
的类型比较多，如：大型柴油机缸体、大型轮毂、大球磨机端盖、高炉冷却壁、大型轧钢机机架、大型注塑机模板、大型汽轮机轴承座、风电设备中的轮毂及底座以及核电设备中的废渣罐等。这些部件除须满足标准中规定的力学性能外，还有一些特殊性能要求，如风电铸件要求低温冲击韧度，核渣罐有许多附加的特殊验收标准等等。因此，生产这些铸件，事先须做周密的考虑。
1）首先要考虑的是如何获得健全、致密、尺寸合格的铸件 生产大型球墨铸铁件的技术流程与灰铸铁件基本相同，只要结合球墨铸铁的特点在缩尺的选定、砂箱设计等方面稍作修正即可。
2）其次要针对大型球墨铸铁件的共同特点做相应工作 大型球墨铸铁件的共同特点是特别厚重，大多数要求铁素体基体，力学性能须满足标准数据，有时外加低温冲击性能要求等。
1 大型球墨铸铁件生产的_问题 由于大型球铁件冷却速度缓慢，导致共晶凝固期长达数小时，而在此期间要形成球铁的主要组织，因而_出现了大断面球铁或大型球铁件所_的一系列问题：球墨数量少、球墨直径大、球墨畸变、石墨漂浮、化学成分偏析、晶间碳化物以及碎块状石墨（Chunky Graphite）等。这些问题早已受到关注，虽形成机理尚不统一，但对具体问题已有了初步的解决措施。还有一个重要问题是如何满足和解决低温冲击韧度的要求？问题的巧合在于解决这两大难题的方向及措施大致相同。
2 解决大型球墨铸铁件_问题的途径
1）强化冷却以加速凝固 关于碎块状石墨的成因普遍较易接受的说法有二：一是球状石墨破碎而引起；二是由于热流或某些合金元素特别是Ce 和La 的偏析造成奥氏体外壳的稳定性降低，导致球墨的生长模式改变而形成。不管哪种理论或说法，可以肯定的是，共晶阶段凝固时间太长（即缓慢冷却）是形成碎块状石墨的直接和客观因素。因此不管采取什么方法，只要能缩短凝固阶段的时间，都可有效地阻止碎块状石墨的出现。 也有文献指出，球墨畸变有一个临界冷却速度（0.8 ℃/min）[1]。石墨畸变有时是一个突变过程，因此加速冷却，缩短凝固时间，特别是缩短共晶阶段的凝固时间，想方设法使共晶凝固阶段缩短至2 h 以内是有显著效果的。围绕这个原则有不少措施：强制冷却；金属型挂砂；使用冷铁等等。 冷铁的导热率大，特别是蓄热能力强，是被广泛认为可以应用的有力措施。石墨的导热率高于挂砂冷铁（分别为45W/m•℃及17 W/m•℃），但它的蓄热能力比冷铁小，假如有强制冷却的条件，则用石墨是比较合适的。对于大型或特大型球墨铸铁件，进行强制冷却仍不失为一种有力的措施。一般可采用风冷、雾冷或水冷装置，甚至可采用液氮冷却方式加速铸件的凝固速度。有数据表明，20 t 级球墨铸铁乏料容器铸件凝固时，其传热效果为：金属型吸热占58%、石墨及砂型（型芯部分）吸热占3.5%、砂型及其它装置部分吸热占3.5%、水冷导热占3.5%。由此可见，金属型可使铸件50%以上的热量传导出去，而型芯部分传热很少，显然强制冷却是要的。
2）改进工艺技术 （1）精心选择原材料 为了生产出大型球墨铸铁件，无论怎样_炉料都是值得的。原料的干扰元素应尽可能低，特别要注意的是生铁来源、废钢品种、增碳剂的选用。 （2）化学成分设计 CE不能过高（4.2%～4.3%），如w（C）选3.6%～ 3.7% ，w（Si）则须低至1.8% ～2.0% ；另外，w（Mn）＜0.3%，w（P）、w（S）也要严格限制。除殊殊情况外，一般不用合金，因而须严格挑选废钢。 w（Si）低是须做到的，否则易出现碎块状石墨，低温性能也会达不到要求，问题_出在又要w（Si）低，又要不出现因w（Si）低而产生的弊病。日本百吨级乏燃料容器成分为：w（C） 3.6%，w（Si） 2.01%，w（Mn） 0.27%，w（P） 0.025%，w（S） 0.004%，w（Ni） 0.78%，w（Mg） 0.065%。 （3）选择双联熔炼 双联熔炼能充分发挥冲天炉铁液成核能力强、电炉热效率高的特点。铁液须高温出炉，有条件时可脱S，在电炉内的时间不要太长。根据情况决定球化温度，不能太高亦不能太低。 笔者主张大型件球化处理不要用冲入法，因为时间太长。至少用盖包法，好用特色法或喂丝法，在固定地方喂丝，甚至可连同喂孕育丝。球化剂千万不要用常用的，好重稀土球化剂和轻稀土球化剂混合使用。如采用冲入法，球化剂中w（Mg） 6%，w（RE） 1.0%～ 1.5%_可以了；如生铁较纯，w（RE） 0.5％～1.0％亦可。如采用喂丝法，可用高w（Mg）量的球化剂，但w（RE）要低，稍含些Ca 即可。 浇注温度要合适（1300～1350 ℃），不要太高，否则液态收缩太大；宜采用分散内浇道中速浇注，尽可能用高刚度铸型以充分利用石墨化膨胀进行球墨铸铁的自补缩，减轻冒口负担，确保铸件内部致密。 （4）注意孕育问题 孕育是主要的工艺技术措施之一，只有解决好这个问题，才有可能既_低w（Si）量又不出现问题，也才能_低温性能过关。而孕育问题无非是孕育剂及孕育处理方法的选择。可以选择孕育作用时间长的孕育剂，如含Ba 剂（含Sr 剂对灰铸铁更有效，而且Ca要低）、含石墨的孕育剂或在孕育剂中适当地混些RESiFe。 目前，有不少企业都有自制孕育剂，我猜想遵循的都是这个原则。总之，孕育“要滞后，要瞬时”，不但效果好，而且剂量可大大减少。那种老的方法如处理时覆盖，效果很差，但w（Si）倒是降低了。现在的问题是，要w（Si）低，又要效果好，出路只有改变方法。事实证明，w（Si）量2.0%是可以做到的，成功的标识是石墨要小，要多。小了_多，小了球化率_高，小了_不出渗碳体，小了偏析程度_轻。大件如能做到石墨球在200 个/mm2 或以上，大小5～6 级，球化率、铁素体量自然不出问题。总之一句话，去和石墨斗争，为争取小而多的石墨努力，主要手段_是通过孕育处理。w（Si）低了，而且又没有自由渗碳体，塑性及常温、低温冲击韧度_很容易过关。对于大型铸件来说，在浇杯中进行大块孕育处理，以及浇道内放一块孕育块是轻而易举的事，问题是须有正确的理念。 （5）合金及微量元素的利用 在特大型球墨铸铁件中能考虑利用的合金元素只有Ni，因有其特殊的作用。从技术角度看，w（Ni）＜1%是有好处的，但用还是不用要根据具体情况、从经济角度考虑决定。微量元素在大件中有成熟使用经验的是Bi 和Sb，认为加w（Bi） 0.008%～0.010%，使w（RE）/w（Bi）=1.4～1.5 的比例，对增加球数、降低出现碎块状石墨的危险性有利。Sb 亦可在厚大件中应用，有人认为会增加珠光体量，但有人却在铁素体球铁中应用，可能是量的问题在作怪，用50 ppm 的量应该是没有问题的。周继扬教授曾指出，用w（Sb） 0.005%～0.007%还可抑制铁液中有过量Ti 及RE 时的有害作用[2]。 虽然业界对于加入Bi和Sb的作用与机理意见还不统一，但对于Ni的加入已经形成共识。 （6）预处理作用很关键 对球铁原液在球化前用石墨性预处理剂进行预处理有提升和稳定铸件质量的积_效果[3]。方法如下： 调整成分后［预处理会使w（C）增加0.2%］→脱S→倒回电炉→1/4 量时加入0.2%～0.25%的预处理剂→全部倒回电炉后略升温至1 470～1 480 ℃→球化处理→孕育处理（可用Ultraseed）→浇注。 （7）抗缩孔剂QKS 的使用 ，球墨中心存在1 μm 的外来夹杂，成双层核心；其内层为MgS、CaS（0.5 μm），外层为MgO、SiO 及硅酸盐。因而在孕育剂中加入量的O 及S，使之能与孕育剂中的金属元素结合，产生更多的硫化物及氧化物，从而形成更多的石墨核心，这_产生了含Ca、Ce 及S、O 的硅铁孕育剂。这种孕育剂能显著增加石墨球数，而且在结晶后期析出，后期的石墨化膨胀能有效地抵消凝固后期的缩松。特别是对局部热节部位的缩松更有效[4]。实验指出：对于5～40 mm 的阶梯试块，用SrSiFe 时石墨球从300 个/mm2减少到150 个/mm2；而用Ca-Ce-O-S 剂时，石墨球数量不受壁厚的影响。与BaSiFe和75SiFe 相比都是如此。在十字试块热节上的收缩缺陷表明，用含Ba、含Sr 孕育剂，断面热节处皆有缩孔，而用Ca-Ce-O-S 剂则没有。
1）首先要考虑的是如何获得健全、致密、尺寸合格的铸件 生产大型球墨铸铁件的技术流程与灰铸铁件基本相同，只要结合球墨铸铁的特点在缩尺的选定、砂箱设计等方面稍作修正即可。
2）其次要针对大型球墨铸铁件的共同特点做相应工作 大型球墨铸铁件的共同特点是特别厚重，大多数要求铁素体基体，力学性能须满足标准数据，有时外加低温冲击性能要求等。
1 大型球墨铸铁件生产的_问题 由于大型球铁件冷却速度缓慢，导致共晶凝固期长达数小时，而在此期间要形成球铁的主要组织，因而_出现了大断面球铁或大型球铁件所_的一系列问题：球墨数量少、球墨直径大、球墨畸变、石墨漂浮、化学成分偏析、晶间碳化物以及碎块状石墨（Chunky Graphite）等。这些问题早已受到关注，虽形成机理尚不统一，但对具体问题已有了初步的解决措施。还有一个重要问题是如何满足和解决低温冲击韧度的要求？问题的巧合在于解决这两大难题的方向及措施大致相同。
2 解决大型球墨铸铁件_问题的途径
1）强化冷却以加速凝固 关于碎块状石墨的成因普遍较易接受的说法有二：一是球状石墨破碎而引起；二是由于热流或某些合金元素特别是Ce 和La 的偏析造成奥氏体外壳的稳定性降低，导致球墨的生长模式改变而形成。不管哪种理论或说法，可以肯定的是，共晶阶段凝固时间太长（即缓慢冷却）是形成碎块状石墨的直接和客观因素。因此不管采取什么方法，只要能缩短凝固阶段的时间，都可有效地阻止碎块状石墨的出现。 也有文献指出，球墨畸变有一个临界冷却速度（0.8 ℃/min）[1]。石墨畸变有时是一个突变过程，因此加速冷却，缩短凝固时间，特别是缩短共晶阶段的凝固时间，想方设法使共晶凝固阶段缩短至2 h 以内是有显著效果的。围绕这个原则有不少措施：强制冷却；金属型挂砂；使用冷铁等等。 冷铁的导热率大，特别是蓄热能力强，是被广泛认为可以应用的有力措施。石墨的导热率高于挂砂冷铁（分别为45W/m•℃及17 W/m•℃），但它的蓄热能力比冷铁小，假如有强制冷却的条件，则用石墨是比较合适的。对于大型或特大型球墨铸铁件，进行强制冷却仍不失为一种有力的措施。一般可采用风冷、雾冷或水冷装置，甚至可采用液氮冷却方式加速铸件的凝固速度。有数据表明，20 t 级球墨铸铁乏料容器铸件凝固时，其传热效果为：金属型吸热占58%、石墨及砂型（型芯部分）吸热占3.5%、砂型及其它装置部分吸热占3.5%、水冷导热占3.5%。由此可见，金属型可使铸件50%以上的热量传导出去，而型芯部分传热很少，显然强制冷却是要的。
2）改进工艺技术 （1）精心选择原材料 为了生产出大型球墨铸铁件，无论怎样_炉料都是值得的。原料的干扰元素应尽可能低，特别要注意的是生铁来源、废钢品种、增碳剂的选用。 （2）化学成分设计 CE不能过高（4.2%～4.3%），如w（C）选3.6%～ 3.7% ，w（Si）则须低至1.8% ～2.0% ；另外，w（Mn）＜0.3%，w（P）、w（S）也要严格限制。除殊殊情况外，一般不用合金，因而须严格挑选废钢。 w（Si）低是须做到的，否则易出现碎块状石墨，低温性能也会达不到要求，问题_出在又要w（Si）低，又要不出现因w（Si）低而产生的弊病。日本百吨级乏燃料容器成分为：w（C） 3.6%，w（Si） 2.01%，w（Mn） 0.27%，w（P） 0.025%，w（S） 0.004%，w（Ni） 0.78%，w（Mg） 0.065%。 （3）选择双联熔炼 双联熔炼能充分发挥冲天炉铁液成核能力强、电炉热效率高的特点。铁液须高温出炉，有条件时可脱S，在电炉内的时间不要太长。根据情况决定球化温度，不能太高亦不能太低。 笔者主张大型件球化处理不要用冲入法，因为时间太长。至少用盖包法，好用特色法或喂丝法，在固定地方喂丝，甚至可连同喂孕育丝。球化剂千万不要用常用的，好重稀土球化剂和轻稀土球化剂混合使用。如采用冲入法，球化剂中w（Mg） 6%，w（RE） 1.0%～ 1.5%_可以了；如生铁较纯，w（RE） 0.5％～1.0％亦可。如采用喂丝法，可用高w（Mg）量的球化剂，但w（RE）要低，稍含些Ca 即可。 浇注温度要合适（1300～1350 ℃），不要太高，否则液态收缩太大；宜采用分散内浇道中速浇注，尽可能用高刚度铸型以充分利用石墨化膨胀进行球墨铸铁的自补缩，减轻冒口负担，确保铸件内部致密。 （4）注意孕育问题 孕育是主要的工艺技术措施之一，只有解决好这个问题，才有可能既_低w（Si）量又不出现问题，也才能_低温性能过关。而孕育问题无非是孕育剂及孕育处理方法的选择。可以选择孕育作用时间长的孕育剂，如含Ba 剂（含Sr 剂对灰铸铁更有效，而且Ca要低）、含石墨的孕育剂或在孕育剂中适当地混些RESiFe。 目前，有不少企业都有自制孕育剂，我猜想遵循的都是这个原则。总之，孕育“要滞后，要瞬时”，不但效果好，而且剂量可大大减少。那种老的方法如处理时覆盖，效果很差，但w（Si）倒是降低了。现在的问题是，要w（Si）低，又要效果好，出路只有改变方法。事实证明，w（Si）量2.0%是可以做到的，成功的标识是石墨要小，要多。小了_多，小了球化率_高，小了_不出渗碳体，小了偏析程度_轻。大件如能做到石墨球在200 个/mm2 或以上，大小5～6 级，球化率、铁素体量自然不出问题。总之一句话，去和石墨斗争，为争取小而多的石墨努力，主要手段_是通过孕育处理。w（Si）低了，而且又没有自由渗碳体，塑性及常温、低温冲击韧度_很容易过关。对于大型铸件来说，在浇杯中进行大块孕育处理，以及浇道内放一块孕育块是轻而易举的事，问题是须有正确的理念。 （5）合金及微量元素的利用 在特大型球墨铸铁件中能考虑利用的合金元素只有Ni，因有其特殊的作用。从技术角度看，w（Ni）＜1%是有好处的，但用还是不用要根据具体情况、从经济角度考虑决定。微量元素在大件中有成熟使用经验的是Bi 和Sb，认为加w（Bi） 0.008%～0.010%，使w（RE）/w（Bi）=1.4～1.5 的比例，对增加球数、降低出现碎块状石墨的危险性有利。Sb 亦可在厚大件中应用，有人认为会增加珠光体量，但有人却在铁素体球铁中应用，可能是量的问题在作怪，用50 ppm 的量应该是没有问题的。周继扬教授曾指出，用w（Sb） 0.005%～0.007%还可抑制铁液中有过量Ti 及RE 时的有害作用[2]。 虽然业界对于加入Bi和Sb的作用与机理意见还不统一，但对于Ni的加入已经形成共识。 （6）预处理作用很关键 对球铁原液在球化前用石墨性预处理剂进行预处理有提升和稳定铸件质量的积_效果[3]。方法如下： 调整成分后［预处理会使w（C）增加0.2%］→脱S→倒回电炉→1/4 量时加入0.2%～0.25%的预处理剂→全部倒回电炉后略升温至1 470～1 480 ℃→球化处理→孕育处理（可用Ultraseed）→浇注。 （7）抗缩孔剂QKS 的使用 ，球墨中心存在1 μm 的外来夹杂，成双层核心；其内层为MgS、CaS（0.5 μm），外层为MgO、SiO 及硅酸盐。因而在孕育剂中加入量的O 及S，使之能与孕育剂中的金属元素结合，产生更多的硫化物及氧化物，从而形成更多的石墨核心，这_产生了含Ca、Ce 及S、O 的硅铁孕育剂。这种孕育剂能显著增加石墨球数，而且在结晶后期析出，后期的石墨化膨胀能有效地抵消凝固后期的缩松。特别是对局部热节部位的缩松更有效[4]。实验指出：对于5～40 mm 的阶梯试块，用SrSiFe 时石墨球从300 个/mm2减少到150 个/mm2；而用Ca-Ce-O-S 剂时，石墨球数量不受壁厚的影响。与BaSiFe和75SiFe 相比都是如此。在十字试块热节上的收缩缺陷表明，用含Ba、含Sr 孕育剂，断面热节处皆有缩孔，而用Ca-Ce-O-S 剂则没有。
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