铸造技术2009年第9期高镍奥氏体球墨铸铁饱和度和碳当量的验证程武超赵新武党波涛靳宝(西峡县内燃机进排气管有限责任公司河南西峡474500)摘要用不同的饱和度和碳当量的铁液浇注不同厚度的高镍奥氏体球墨铸铁试块，从金相组织、力学性能上对高镍奥氏体球墨铸铁的饱和度和碳当量进行了验证。
事实证明，饱和度A 超过4.9时，在不同的厚度上仍能得到球化率和力学性能合格的铸件。
当碳当量取较高值时，降低了铁液的液相线温度，熔炼温度随之下降，反过来又减少了高温熔炼带来的不利影响。
在不产生冷隔的前提下，为降低浇注温度创造了条件。
较高的碳当量有利于凝固过程的石墨化膨胀所产生的自补缩效果，可以减少缩松和缩孔缺陷。
关键词饱和度球化率力学性能缩松和缩孔中图分类号：TG143.5 文献标识码：A 文章编号：100-8365（2009）19-1097-05V erification of Austenite nodular cast ironSaturation and Carbon EquivalentCHENG Wu –chao, ZHAO Xin-wu, DANG Bo-tao, JIN Bao(Xixia Intake & Exhaust Manifold Co., Ltd, Xixia 474500 China)Abstract: Austenite nodular cast iron test block with different thickness were cast from different saturation and CE，and the saturation and CE were verified by microstructure and mechanical properties. It proves that qualified castings with different thickness in nodularity and mechanical properties are still obtained when the saturation (A) value exceeds 4.9. Adopting high value of CE can low the liquidus temperature of molten iron, which makes the melting temperature decrease, and it conversely reduces detrimental affect for high temperature melting. Under the precondition that no cold shut occurs, it creates conditions to decrease pouring temperature. Higher CE is helpful to improve the self-feeding ability of graphitizing expansion during solidification process, and to reduces casting defects, such as shrinkage and blowhole. Keywords: Saturation; Nodularity; Mechanical properties; shrinkage and blowhole 高镍奥氏体球墨铸铁是耐高温、耐腐蚀、抗氧化性能较好的铸铁材料。
目前已成为排气歧管的首选材料，但是受充满度的影响，不少生产厂家不敢越雷池一步。
特别是初次生产这种材质的厂家，试制中一旦出现碎块状石墨，就误认为是充满度过高造成的。
为了获得较好的基体组织，总是在充满度上做文章，结果适得其反。
当把A压的过低的时候，CE随之下降，铁液的流动性下降，缩松、缩孔缺陷更加严重；产生了恶性循环。
使这种材料的正确应用受到了影响。
据资料介绍，高镍奥氏体球铁中的碳、硅、镍含量必须满足饱和度公式：A≥TC%＋0.2Si%＋0.06Ni%式中A称为饱和度，当铁液中的碳、硅、镍大于某一极限值(饱和度A)时则石墨形态就呈碎块状分布；奥氏体枝晶发达，铁液流动性差，补缩困难，极易产生缩松、缩孔缺陷。
有资料介绍A不能大于4.4⑴⑵。
本文通过试验证明饱和度A≥4.4,甚至超过4.9时，在不同厚度的试块上仍能得到球化率和力学性能合格的铸件。
在较高的碳当量下由于石墨化膨胀所产生的自补缩效果，减少了缩松和缩孔缺陷。
现以高镍奥氏体球墨铸铁D5S的铸造工艺为例对上述观点进行阐述。
作者简介：程武超（河南西峡人），高级工程师，铸造工艺研究。
1材料要求1．1 化学成分见表1奥氏体球墨铸铁化学成分（D5S）w(%)Chemical composition of Austenite nodular cast iron (D5S) Table 1注:ASTM A439-83 C≤2.3. DIN1694-1981 C≤2.0. ISO 2892：2007 C≤2.0. 意大利标准C≤2.4. 1．2 力学性能见表2奥氏体球墨铸铁力学性能（D5S）Mechanical properties of Austenite nodular cast iron (D5S) Table 21．3 理化指标基体组织：奥氏体＋少量晶界碳化物+球状石墨。
石墨类型：球状。
石墨大小5～6。
球化率：≥80%。
2工艺分析从表1中可以看出C在不同国家所定标准是不一样的。
按照饱和度学说，无论采用哪个标准，饱和度很容易超过4.4。
造成石墨形态恶化。
我们刚开始采用的是DIN标准，按C ≤2.0.来配制炉料。
Si、Ni取下限。
即便如此，饱和度也在5.0左右。
当我们生产菲亚特产品时，按照标准C≤2.4。
在制定工艺文件时，把C确定在≤2.3。
生产中实测化学成分见表3。
按照公式CE=C%+0.33(Si%)+0.047(Ni%)-0.0055(Si%)(Ni%)。
CE计算结果见表3。
按照公式CE=15.7826-0.0096575T1T1的计算结果见表3。
生产中实测化学成分从计算结果可以看出，1～4次试验饱和度在4.95～5.15范围内波动，CE在4.35 ～4.44范围内波动。
T1在1174℃～1192℃范围内波动。
5～8次试验饱和度在5.27～5.31范围内波动,CE在4.49～4.62范围内波动。
T1在1156℃～1170℃范围内波动。
在保证化学成分的前提下饱和度相差0.36，CE量相差0.27，温度相差36度。
当然T1是推算结果。
在实际生产中由于采用了较高的碳当量，铁液的流动性提高了，并且熔炼温度从最初的1680℃下调到1620℃。
在生产涡轮壳产品时甚至出炉温度在1575℃，浇注温度低于1500℃，残留镁量≤0.09%（质量分数）的情况下，同样生产出了金相组织和力学性能合格的铸件。
3试验方法3．1阶梯形试块见图1。
图1 阶梯状试块Figure 1 Stepped test block为了验证在不同厚度、不同饱和度、不同碳当量、不同温度下的球化效果和力学性能，我们制作了阶梯形试块。
试验在生产高镍产品时进行。
试块厚度6mm、12mm、24mm、36mm。
试块的球化处理工艺与产品相同（原铁液碳高，硅低。
包底用75硅铁覆盖，硅锶孕育剂二次孕育）。
出炉温度1620℃，包头浇注温度1530℃，包尾浇注温度1460℃。
饱和度5.19。
碳当量4.46。
推算出液相线温度T11172℃。
包头、包尾各浇一箱。
随流孕育。
冷却后分别对6mm、12mm、24mm、36mm的部位解剖后检测球化率。
任取5个视场取其平均值。
见表4。
不同壁厚的球化率在包尾测试温度较低的情况下，仍然生产出了5mm厚的薄壁铸件。
见图2。
图2 高镍产品Figure 2 High nickel product从表4 包头、包尾的球化率来看，随着试块厚度的增加，球化率有所下降，从图3的图片可以看到36mm处已有团絮状石墨出现。
但笔者认为这不是充满度过高造成的。
这种现象符合球墨铸铁的凝固规律。
球化处理一旦结束，球化衰退已经开始了，随着时间的推移非球状石墨会越来越多。
从表中可以看出球化率随着厚度的增加而逐渐下降。
也可以说当残留镁量相同时，越厚的地方，凝固时间越长；球化率就越低。
由于包头的残留镁量高，浇注温度也高，凝固缓慢。
包尾的残留镁量低，浇注温度也低，凝固较块。
使得包头包尾的球化率在规定的时间内都在要求的范围。
以上分析可以这样认为，残留镁量、浇注温度、凝固时间、球化率都建立了一一对应的关系。
包头6mm壁厚球化率94% 包头36mm壁厚球化率84%包尾6mm壁厚球化率92% 包尾36mm壁厚球化率82%图3 同一包铁水浇铸的试块Figure 3 Produce test block with the same ladle of molten iron3．2 对高碳当量的认识按照上述成分设计，饱和度A是5.19。
碳当量CE为4.46%。
从铸件加工、解剖和X 光探伤未发现缩松。
为什么饱和度A超过4.4而未出现缩松呢?本文认为饱和度A是受多种因素影响的数值，如壁厚大小，温度高低，合金的用量，合金的选用，凝固速率等⑶。
高的碳当量可降低浇注温度，提高铁水的流动性，采用多次孕育不但细化了组织，提高了球化率，而且可以消除缩松。
实践证明，高镍奥氏体球墨铸铁具有和普通球铁类似的凝固特性，同样适合采用高温出炉，低温浇注，高碳低硅大孕育量的球化处理工艺。
利用石墨化膨胀产生的自补缩效果，特别是在提高冒口径处的球化率方面，利用均衡凝固技术⑷能达到非常满意的效果。
见图4。
通过前后冒口径的改变，完全消除了缩松。
由于冒口径厚度的改变，加快了冒口径的冷却速度，使球化率明显提高。
见图5。
通过以上分析可以说高镍奥氏体球墨铸铁较低的碳当量，厚冒口颈（缩松严重）较低的碳当量，薄冒口颈（没有缩松）图4 工艺更改前后的比较Figure 4 Comparison of pre and post technology change的饱和度的理论按现在的球化处理工艺应该重新认识。
冒口颈球化率78.7%（ISO标准）冒口颈球化率89%（ISO标准）图5 工艺更改前后的比较Figure 5 Comparison of pre and post technology change3．3不同炉料的分析应该说高镍奥氏体球墨铸铁对炉料的要求是比较严格的，特别是对微量元素特别敏感。
为了消除微量元素的影响，配制炉料采用南非生铁，生产正常。
由于南非生铁价格昂贵，图6 冒口放置处Figure 6 Riser location我们试图用林州产的Q10生铁。
