影响大断面球铁件石墨形态的因素

球墨铸铁件常见缺陷的分析与对策一、常见的缺陷及分析球墨铸铁件常见缺陷的分析与对策 (1) 球铁是近40年来我国发展起来的重要铸造金属材料。

由于球状石墨造成的应力集中小，对基体的割裂作用也较小，故球铁的抗拉强度，塑性和韧性均高于其他铸铁。

与相应组织的钢相比，塑性低于钢，疲劳强度接近一般中碳钢，屈强比可达0 7～0 8，几乎是一般碳钢的2倍，而成本比钢低，因此其应用日趋广泛。

当然，球铁也不是十全十美的，它除了会产生一般的铸造缺陷外，还会产生一些特有的缺陷，如缩松、夹渣、皮下气孔、球化不良及衰退等。

这些缺陷影响铸件性能，使铸件废品率增高。

为了防止这些缺陷的发生，有必要对其进行分析，总结出各种影响因素，提出防止措施，才能有效降低缺陷的产生，提高铸件的力学性能及生产效益。

本文将讨论球铁件的主要常见缺陷:缩孔、缩松、夹渣、皮下气孔、石墨漂浮、球化不良及球化衰退。

1 缩孔缩松 1.1影响因素 (1)碳当量：提高碳量，增大了石墨化膨胀，可减少缩孔缩松。

此外，提高碳当量还可提高球铁的流动性，有利于补缩。

生产优质铸件的经验公式为Ｃ%+1/7Ｓｉ%>3 9%。

但提高碳当量时，不应使铸件产生石墨漂浮等其他缺陷。

(2)磷：铁液中含磷量偏高，使凝固范围扩大，同时低熔点磷共晶在最后凝固时得不到补给，以及使铸件外壳变弱，因此有增大缩孔、缩松产生的倾向。

一般工厂控制含磷量小于0 08%。

(3)稀土和镁：稀土残余量过高会恶化石墨形状，降低球化率，因此稀土含量不宜太高。

而镁又是一个强烈稳定碳化物的元素，阻碍石墨化。

由此可见，残余镁量及残余稀土量会增加球铁的白口倾向，使石墨膨胀减小，故当它们的含量较高时，亦会增加缩孔、缩松倾向。

(4)壁厚：当铸件表面形成硬壳以后，内部的金属液温度越高，液态收缩就越大，则缩孔、缩松的容积不仅绝对值增加，其相对值也增加。

另外，若壁厚变化太突然，孤立的厚断面得不到补缩，使产生缩孔缩松倾向增大。

提高球铁石墨球化率和圆整度的三大关键影响球墨铸铁的球化率和圆整度的因素有很多，下面分别从化学成分、工艺过程、凝固控制三大方面，对影响球化率的的因素进行分析：一、化学成分1、碳当量和硅碳和硅是影响球铁石墨球圆整度的基本成分。

在一定的冷却速度和孕育条件下，提高碳当量，可提高石墨球圆整度，并可增加自补缩能力，减少碳化物。

在一定的碳当量条件下，随着硅量的增加，特别是大断面球铁，会产生碎块状石墨。

因此，在不产生石墨漂浮情况下，应尽量提高碳当量；同时在保证孕育条件下，尽量降低硅含量。

2、镁有效残留镁量的控制对提高石墨球圆整度很重要。

当有效残留镁小于0.045%，增加效残留镁量可提高石墨球圆整度；当有效残留镁大于0.045%，会产生变态石墨，降低石墨球圆整度。

3、稀土稀土在铁水中有两个有益的作用：一是脱硫去气，起到球化和间接球化作用；二是与微量元素相互作用，消除有害一面发挥有利一面。

这两方面都可提高石墨球圆整度。

但是过量的残留稀土，特别是大断面球铁，会使石墨形态恶化，尤其易产生碎块状。

理想范围是0.010%～0.019%。

4、微量元素一定量的锑和铋并辅以适量的稀土，可提高石墨球圆整度，提高力学性能。

合适的加入范围：0.0025～0.005%。

二、工艺过程1、球化处理（1）重稀土镁球化剂比轻稀土镁球化剂更能提高石墨球圆整度。

主要是脱硫能力强，抗衰退能力强。

（2）轻稀土镁球化剂如果过程控制得好，并辅以微量元素，也能提高石墨球圆整度。

（3）冲入法比转包法铁液质量更好，故也能提高石墨球圆整度。

2、孕育处理（1）强化孕育可以提高石墨球圆整度。

（2）采用抗衰退的孕育剂可以提高石墨球圆整度。

3、用球铁屑做球化处理时的覆盖剂，可形成与非溶解石墨弥散相类似的钝化石墨核心，产生长时间的浓度起伏，大大增加有效形核率，可以提高石墨球圆整度。

4、尽量降低浇注温度可以提高石墨球圆整度。

三、凝固控制1、使用冷铁可以提高石墨球圆整度。

2、使用铬铁矿砂可以提高石墨球圆整度。

做球墨铸铁的看过来，这些元素质量的影响你一定要记住！许多元素都会以小量存在于铸铁中，并对铸件的组织及性能产生明显的影响。

有些是有意加入的，而另一些则是来自于含有痕量杂质的原料。

在这些元素当中，有的是有懊悔作用的，尤其是在灰铁方面，而有些则是很有害的，必须尽可能加以避免。

下表列出了这些元素的通常来源，可能出现的含量水平，以及它们的主要作用。

表中未包括将其用作主要合金化元素的那些元素（例如Cr）元素通常来源通常含量（%）在铸铁中的作用Al 铝镇静废料、孕育剂、铁合金、轻合金零件及加入的铝达0.03含量高于0.005%时，可使薄壁件出现氢致针孔。

抑制氮的作用。

促使浮渣形成，高于0.08%时对球状石墨有害。

可用Ce加以抑制。

石墨的强稳定剂。

Sb 废钢、废上釉搪瓷、轴承架、有意加入达0.02珠光体和碳化物的强促进剂。

没有稀土时会阻止球化。

As 生铁、废钢达0.05 珠光体和碳化物的强促进剂。

改善球状石墨的形态。

Ba 含Ba孕育剂达0.003 改善石墨的成核和减少衰退。

减小白口倾向和促进石墨生成。

Bi 有意加入、含Bi的铸模涂料很少高于0.01引起白口和不良球形。

增加含稀土（Ce）球铁的球数。

球数过多可引起收缩问题。

B 废上釉搪瓷、成硼铁有意加入达0.01高于5ppm促进铁素体的形成。

高于10ppm促进碳化物形成，尤其是在球铁中。

20ppm改善可锻铸铁的退火。

Ca 铁合金、球化剂、孕育剂达0.01促进石墨球的球化作用。

改善石墨的成核。

减小白口倾向和促进石墨生成。

Ce 大多数镁合金或成铈铁或其它稀土源加入的达0.02灰铁一般不用。

抑制球铁中的有害元素，改善石墨的球化作用。

因析出而稳定碳化物。

Cr 合金钢、镀铬钢板、某些生铁、铬铁达0.3促进白口和珠光体生成。

增加强度。

含量大于0.05%时，在球铁生成碳化物析出物。

Co 工具钢达0.02 在铸铁中无明显作用。

Cu 铜线、铜基合金、废钢、有意加入达0.5促进珠光体。

Y和Sb对厚大断面球墨铸铁石墨形态的影响蔡启舟1，王敬华1，张斗1，魏伯康1 ，尤明2，姚俊邦2，温广敏2，于志斌2（1．华中科技大学，湖北武汉 430074；2.中信重型机械股份有限公司铸锻厂，河南洛阳 471039）摘要：厚大断面球铁冷却缓慢、凝固时间长，易造成球化衰退、石墨畸变，影响厚大断面球铁铸件的力学性能。

本文浇注400mm×400mm×450mm的厚大断面球铁试块，研究了重稀土Y 和微量Sb对厚大断面球铁的石墨形态的影响，分析了石墨结晶的核心，并探讨了石墨畸变的原因。

试验结果表明，重稀土Y在铁水中形成高熔点氧化物，残存时间长，作为石墨核心，有利于提高抗衰退性能；Sb具有细化石墨球、增加石墨球数、提高石墨圆整度的作用。

在厚大断面球铁中，晶界上Ti的偏析和球化元素Mg或稀土等氧化形成的氧化夹杂破坏了奥氏体壳的稳定性，造成石墨畸变。

关键词：钇基球化剂；锑；厚大断面球铁；石墨形态厚大断面球墨铸铁是一种高性能铸铁，其力学性能优良，成形性能好，且成本较低，在国内外被广泛用来制造大型重要零件，特别是用来替代大型铸钢件，具有明显的优势。

厚大断面球铁铸件由于冷却速度缓慢，凝固时间长，则铸件中常出现石墨球数减少，石墨球径粗大，球化衰退，石墨畸变，石墨漂浮，元素偏析及晶间碳化物等一系列缺陷[1]，其中，石墨畸变是厚大断面球铁中最常见的一种缺陷。

关于石墨畸变而出现的碎块状石墨的形成原因有两种说法。

一种是球状石墨破碎引起的;另一种是由于热流、某些合金元素等因素破坏了奥氏体外壳的稳定性，致使奥氏体破碎而改变了石墨的生长方式而形成。

由此可见，碎块状石墨的出现，通常都是在厚大断面铸件凝固速度缓慢的条件下产生的。

抑制石墨畸变的措施主要有铁水脱硫、增加冷却速度、控制含硅量等[2]。

在厚大断面球铁中加入少量Sn、Sb或Bi等可以有效防止石墨畸变，并增加石墨球数，提高力学性能。

傅明喜[3]等在大断面球铁中添加0.03%Sn + 0.05%Sb, 提高了石墨的圆整度，抑制了石墨球畸变。

铸件宏观偏析和石墨漂浮成因及防止措施铸件宏观偏析是指在一个宏观尺度上，铸件内部某些部分获得的化学成分比其他相对应的部分多或少，从而导致组织构造和性能不均匀。

目前认为，铸件宏观偏析主要有几个成因，包括原材料成分的不均，熔炼、浇铸和冷却过程中的温度和成分分布不均等。

其中，原材料的成分不均主要是指铁水、熔渣和废铜中的元素浓度不同，对于大多数企业来说，这种情况很难避免。

而石墨漂浮是指在铸铁铸件中，由于石墨比铁密度小，所以在熔铁过程中，石墨容易沉积在熔池底部。

但是，如果熔铁一侧进一定量洁净，石墨在铁水中的浮力就会突然增大，从而导致石墨上浮，形成石墨漂浮现象。

因为在高温均匀熔体中石墨漂浮不易出现，所以现在普遍认为，石墨漂浮是铸件宏观偏析的一种。

那么，为了防止铸件宏观偏析和石墨漂浮，我们应该采取哪些预防措施呢？一、原材料控制1.选用合适的合金原材料能够有效提高原材料中元素浓度的检测方法和设备，通过合理的原材料配料，控制铸件化学成分的浓度范围，进而减少偏析。

此外，一些添加剂能有效改善铸铁的质量，如添加剂“CA”能够吸附氧气，降低铁水渣浇口中氧气含量，减少铸件收缩缺陷和夹杂等。

2.严格实行原材料加工规范制定相应的铸造工艺和加工操作规范，精确测量和严格控制铁水、熔渣和废铜等原材料的成分，合理制定合金组成比例，减少铸件化学成分的偏析。

二、铸造工艺控制1.控制铸造温度和速度铸造温度和速度的联合控制，对减少铸件宏观偏析和石墨漂浮是非常重要的。

因为熔铁在不同的温度下，石墨的浮力不同，所以通过控制铸造温度和速度的变化规律，可以降低石墨漂浮发生的可能性。

2.优化浇注系统采用合适的型腔布置，降低熔铁入口和浇口的压力和速度，控制浇注和逐层凝固的速度和方向，减少冷却后的残余热量和热应力，提高铸件的质量和尺寸精度。

三、金相分析进行组织和成分分析，检测铸件的偏析程度和石墨形态，从而减少宏观偏析和石墨漂浮发生的可能性。

总之，对于铸造企业来说，防止铸件宏观偏析和石墨漂浮是非常重要的工作。

球墨铸铁的石墨球数及其影响因素球墨铸铁(以下简称球铁)组织中，游离析出的石墨以球形存在和生长是改善球铁性能的重要因素。

石墨球圆整度和数量同样影响球铁的性能。

生产中．通常期望获得球形圆整、分布均匀、球径较小、数目较多的球墨。

我国标准GB9441—88中，对球化级别(球化率)、石墨大小(球径)进行了详细的分级．但没有对石墨球数进行评定。

美国铸造师学会(AFs)编写的《球墨铸铁金相图谱》(简称AFS图谱)将石墨球数从25个／mm2到300个mm2分成7个级别(递增值50个mm 2)。

在球化良好、球墨分布均匀的球铁中．石墨球数与石墨大小、球径有着如表l所示的对应关系。

从表1可见:用石墨球数来评价球铁中石墨均匀程度要比以石墨大小(或球径)作为评价参数更为准确。

目前．国内对石墨球数的研究较少．国外却始终将石墨球数作为球铁生产的一个重要影响因素进行研究。

表2列举了几个厚大断面球铁件实例的有关资料。

可以看出．国外在石墨球数和基体组织上的控制水平较好。

此表列举的铸件均为高韧性球铁件．生产该类球铁件要保证基体组织中铁素体占9O %以上以确保韧性．石墨球数的多少直接影响铁素体量。

在球铁核废料贮运容器研制中．我们认识到了石墨球数的重要性。

几年来．查阅了大量国外关于石墨球数及其影响因素的报导．择其精要做一综述，其目的在于：(1)阐明球铁生产中．石墨球数的重要性(2)更好地理解石墨球数各影响困素的作用(3)总结出生产中控制石墨球数的方法。

一、石墨球数对球铁组织和性能的影响一般认为．无任何缺陷的球铁的力学性能基本上取决于基体组织中铁素体和珠光体含量。

球光体增加．抗拉强度、屈服强度、硬度增大，延伸率下降。

球铁共晶凝固的冷却速度是影响基体组织的关键困素．石墨球数也对基体珠光体和铁素体的转变有重要影响。

球铁组织中．石墨球增多．碳在共晶时向溶体扩散的行程被缩短．铁素体量增加。

因此．铁素体基体的球铁应要求较多的石墨球数。

据报导，石墨球数增加时，抗拉强度、屈服强度降低．延伸率增加；石墨球教减少，珠光体增加．硬度变大较高的石墨球数减弱碳化物的形成趋向．但不能消除初生渗碳体。

生产厚大断面球磨铸铁的关键控制点1 如何防止厚大断面球铁的石墨畸变和球化衰退石墨形态是影响球铁铸件性能的关键性因素，厚大断面球铁件断面厚、热节多、凝固时间长，极易发生石墨畸变，一般有以下几种石墨形态：不规则的球状石墨、团絮状石墨、片状石墨、蠕虫状石墨、开花状石墨、碎块状石墨。

球化衰退也就是绝大数石墨成球失败，出现求化衰退的原因是镁量和稀土随着铁液停置时间的延长而发生衰减。

镁和稀土与氧的亲和力大于与硫的亲合力，所以浮在铁液表面的 MgS、Ce 2 S 3 夹杂物与空气中的氧反应生成S，S 与 Mg 和 Ce 反应消耗镁量和稀土，出现回硫现象，使铁液中球化元素的残留量低于石墨化所需的临界值时而产生球化级别严重下降。

减少球化衰退的措施有以下几点：1）通过合理的生产组织安排，缩短铁液停置时间；2）降低原铁液含硫量（＜0.012%）；3）转运铁水过程中合理覆盖液面；4）适当增加球化剂加入比例。

开花状石墨是厚大断面球墨铸铁中最常见的畸变石墨，开花状石墨恶化了铸件上表面的质量和力学性性，增加了铸件装机后运转的风险。

开花状石墨的形成机理如下：共晶前期形成的石墨球在浮力作用下向上漂浮，聚集在铸件的上表面形成开花石墨。

当石墨的固-液界面前沿存在过量的Ce、Mg 的不均匀吸附时，破坏规则分支的生长，使石墨分支的基面生长速度远大于石墨分支柱面的生长速度，造成石墨在过冷区发生不均匀的包状分叉，导致开花石墨形成。

厚大铸件的上表面往往 RE、Mg 偏高，容易提供漂浮的生长环境。

开花状石墨与碳当量和铁液的冷却速度有关，还与浇注温度有关。

碳当量越高、铁液冷却速度越慢、浇注温度越高石墨漂浮开花的可能性就越大；中小型铸件的碳当量4.3%-4.7%，但是对于厚大断面的球铁碳当量控制在4.3%-4.4%，浇注温度在不影响铁水流动性的条件下尽可能低，一般在1300℃-1360℃为宜；控制碳硅与残余稀土的含量以及提高冷却速度可以减少漂浮石墨形成。

球铁开花状石墨成因分析解答一：球铁曲轴法兰部位有时发现开花状石墨，“热节顶面没冷冒口、避开内浇道”属常规办法，如你厂曲轴铸件难以做到，建议：①首先考虑降低w(Si)量，如果w(Si)量不能降低，再适当降低CE。

CE不大于4.4％，石墨就不太容易开花。

②尽量增加石墨球数，球数越多、越细小，越不容易开花。

可考虑降低原铁液w(Si)量，加大炉后孕育量和增加随流孕育。

③适当降低浇注温度，加快共晶凝固速度。

④如果上述几条都难以做到，可考虑在容易出现缩孔缩松的部位(曲拐内圆角)设置冷铁，不必完全依赖高CE补缩。

对于中型以下的曲轴，只要冷铁尺寸合适，不会造成碳化物超标。

一般认为，造成开花状石墨的原因是：球铁中w(c)量过高，使得铁液中的碳浓度增高，导致石墨球生长过快、过大，造成石墨球开花。

Si能降低C在铁液中的溶解度，促进石墨析出、并扩大共晶温度区间，所以高w(Si)量会进一步加剧石墨开花。

原理大致如下：①从铁液中析出的石墨，按螺旋形位错生长成球状。

石墨球外围是一层共生的奥氏体壳，铁液中的C原子渗过奥氏体壳不断堆积到石墨球表面。

在结晶潜热或热扰流下奥氏体壳局部可能会被瞬间重熔，使得C原子直接向石墨球表面快速堆积，形成开花状石墨。

②因CE过高，使石墨球成长加速，导致奥氏体壳应力迅速提高并破裂，形成石墨球开花。

总之，开花状石墨直接与高CE和奥氏体壳生长不稳定有关，一个是必要条件，一个是充分条件。

值得注意的是，开花石墨和石墨球衰退是两个不同的概念，尽筲两者都降低球铁的球化率评级。

解答二：试验研究和生产实践证明，球铁件产生开花状石墨的根本原因是CE过高，超过共品成分，由于过共晶石墨析出发生石墨漂浮而引起的。

对铸件的石墨漂浮层进行观察会发现如下规律：在漂浮层的顶部，石墨一般保持良好的球形，尺寸相对较小，数量较多，石墨球互相紧靠聚集在一起，石墨球与石墨球邻接邮位没有金属基体隔离，说明这些过共晶球状石墨周围并没有奥氏体外壳包围，由于石墨的密度小于铁液密度，因而容易上浮。