利用垂直分型技术生产高品质球墨铸铁件[1]

铸造用高纯生铁的定标及生产要义钱立;刘武成【摘要】简要介绍了铸造用高纯生铁的定标及生产要义.对球墨铸铁件和高牌号灰铸铁件使用的生铁作了说明.在铸造用高纯生铁的研发和生产中具有一定的指导意义.【期刊名称】《铸造设备与工艺》【年(卷),期】2010(000)005【总页数】4页(P37-39,58)【关键词】铸造高纯生铁;生产技术;质量管理【作者】钱立;刘武成【作者单位】河北工业大学,天津300130;河北龙凤山铸业有限公司,河北武安056300【正文语种】中文【中图分类】TG143我国铸件产量已连续十年居世界之首，但铸件在质量和稳定性方面与工业发达国家还有较大差距。

生铁是铸造业的粮食，是装备制造业发展的基础性保障原料。

铸铁件品质的提高，在相当程度上有赖于生铁的品质。

我国现有《球墨铸铁用生铁》、《铸造生铁》、《炼钢用生铁》、《含钒生铁》和《铸造用磷铜钛低合金耐磨生铁》等五个标准。

球墨铸铁件和高牌号灰铸铁件，主要使用GB/T1412-2005《球墨铸铁用生铁》和GB/T718-2005《铸造生铁》，间或使用YB/T5296-2006《炼钢用生铁》。

随着我国装备制造业的快速发展，现有生铁已不能满足高端铸铁件的需要，亟须开发生铁的升级新品种。

近年来，在辽宁、河北、河南、山西和山东，涌现出了一批优势生铁企业，他们生产低Ti和低P生铁、风电铸件用生铁、“高化”生铁等等。

不过，这些生铁只限于个别品种，并未升华为企业标准，并未在有关质量主管局例行标准审定、备案等程序。

而且在定义和技术要求等方面亦尚不够完备。

河北龙凤山铸业有限公司，装备、人才和管理条件较好，走了一条由优质铸造生铁，而风电铸件用生铁，而铸造用高纯生铁的技术进步之路。

现就《铸造用高纯生铁》研发过程中有关该生铁定标和生产要义简述于后。

生铁是以Si含量确定牌号的。

为了适应低温工作铁素体球墨铸铁件、大件，以及大孕育量等的需要，特设了05和08两个牌号，共有05、08、10和12四个牌号。

科技成果——高韧性耐低温球墨铸铁生产技术成果简介
球墨铸铁是一种高强度铸铁材料，具有优异的力学性能，如较高的强度和屈服强度，较高的伸长率和一定的冲击韧性。

在常温工作条件下，球墨铸铁可以代替铸钢来铸造复杂零件，生产成本低廉，具有广泛的用途，目前我国球墨铸铁的年产量可达600多万吨。

但是一般的球墨铸铁在低温使用时，其韧性急剧下降，使球墨铸铁转变为脆性材料，无法抵抗各种使用环境所产生的冲击，可能造成零件的突然脆断，从而引发重大的人员伤亡和经济损失。

对于一般铁素体基体的球墨铸铁QT400-18L，保证了400MPa的抗拉强度和18%的伸长率，但其-40℃下的标准V型缺口试样的冲击功只有3-5J。

对于一般铁素体基体的球墨铸铁QT350-22L，-40℃下的标准V型缺口试样的冲击功不小于12J的要求，但其抗拉强度则会低于400MPa。

本技术立足于国内原材料，通过合理选择熔炼工艺，严格控制球化和孕育过程，合理控制球墨铸铁的化学成分与组织，可获得高韧性耐低温球墨铸铁，抗拉强度不低于400MPa，伸长率不低于18%，而且-40℃下的标准V型缺口试样的冲击功不小于12J。

该高韧性耐低温球墨铸铁可以满足大功率高速内电牵引机车的箱体铸件、磁悬浮列车轨道梁铸件、寒冷地区工作的风力发电、石油机械、矿山机械用齿轮箱及箱体的制造。

经济效益分析
该高韧性耐低温球墨铸铁技术符合国情，不需要技改投资，只需
要适当改变现有生产工艺，能在较短时间内取得预期的效果，生产出符合技术指标的高韧性耐低温球墨铸铁件，可取得很好的经济效益，为提高制造企业档次、产品更新换代提供坚实的技术基础。

合作方式
以技术转让费或技术入股的方式进行合作，具体项目签订相应的合同。

金属型铸造与砂型铸造比较：在技术上与经济上有许多优点。

（1）金属型生产的铸件，其机械性能比砂型铸件高。

同样合金，其抗拉强度平均可提高约25％，屈服强度平均提高约20％，其抗蚀性能和硬度亦显著提高；（2）铸件的精度和表面光洁度比砂型铸件高，而且质量和尺寸稳定;（3）铸件的工艺收得率高，液体金属耗量减少，一般可节约15～30％；（4）不用砂或者少用砂，一般可节约造型材料80～100％；此外，金属型铸造的生产效率高；使铸件产生缺陷的原因减少；工序简单，易实现机械化和自动化。

金属型铸造虽有很多优点，但也有不足之处。

如：(1) 金属型制造成本高；(2) 金属型不透气，而且无退让性，易造成铸件浇不足、开裂或铸铁件白口等缺陷;(3) 金属型铸造时，铸型的工作温度、合金的浇注温度和浇注速度，铸件在铸型中停留的时间，以及所用的涂料等，对铸件的质量的影响甚为敏感，需要严格控制。

因此，在决定采用金属型铸造时，必须综合考虑下列各因素：铸件形状和重量大小必须合适；要有足够的批量；完成生产任务的期限许可。

编辑本段金属型铸件形成过程的特点金属型和砂型，在性能上有显著的区别，如砂型有透气性，而金属型则没有；砂型的导热性差，金属型的导热性很好，砂型有退让性，而金属型没有等。

金属型的这些特点决定了它在铸件形成过程中有自己的规律。

型腔内气体状态变化对铸件成型的影响：金属在充填时，型腔内的气体必须迅速排出，但金属又无透气性，只要对工艺稍加疏忽，就会给铸件的质量带来不良影响。

铸件凝固过程中热交换的特点：金属液一旦进入型腔，就把热量传给金属型壁。

液体金属通过型壁散失热量，进行凝固并产生收缩，而型壁在获得热量，升高温度的同时产生膨胀，结果在铸件与型壁之间形成了“间隙”。

在“铸件一间隙一金属型”系统未到达同一温度之前，可以把铸件视为在“间隙”中冷却，而金属型壁则通过“间隙”被加热。

金属型阻碍收缩对铸件的影响：金属型或金属型芯，在铸件凝固过程中无退让性，阻碍铸件收缩，这是它的又一特点。

随着我国经济的飞速发展以及国外高端铸件的引入和吸收，各领域出现的高性能、高效率、高可靠性的设备对铸件的质量要求日益提高。

低温冲击球墨铸铁材料由于在低温下具备较高的冲击韧度，在风电、高铁等领域得到了广泛的应用。

近年来该领域不断发展，行业内外对铸件的质量要求逐渐达成一致，致力于发展-40℃甚至-50℃条件下的高韧性球墨铸铁，铸件的质量优劣对设备的安全、质量、寿命有着决定性的影响。

我公司是河南柴油机重工有限责任公司与上海711研究所合资组建的专业铸铁制造公司，一直秉承把提高产品的品质与质量放在首位的原则，把质量的稳定性与一致性作为管理的重中之重。

我公司生产的齿轮箱体材料为EN GJS400-18LT，属于典型的薄壁球铁壳类铸件，其尺寸精度、重量、内部质量等要求非常高，在铸造工艺方面存在一定难度，铸态下达到-40℃冲击韧度更是难点中的难点。

1.铸件要求毛坯结构如图1所示，材质为EN GJS-400-18LT，重量260/280kg。

技术要求见表1。

图１毛坯结构表1 铸件技术要求2.影响因素低温环境下服役的球墨铸铁的韧性受生产过程中很多因素的影响，包括其化学成分、铸造工艺、熔炼、球化、孕育处理工艺及热处理制度等，这些因素决定了铸件最终的组织和力学性能。

（1）球墨铸铁组织对冲击韧度的影响实际生产应用中，在碳含量一定的情况下，球化率和石墨球数对冲击性能影响显著，其关系如图2、图3所示。

同时，圆整的石墨球可以改善球墨铸铁的冲击韧度，而石墨体积分数增加或石墨球数增多均可使脆性转变温度下降，并提高上限冲击吸收能量。

因此，在实际生产中必须严格控制球化处理和孕育工艺，要控制原材料（生铁、废钢、回炉料等）中的微量元素含量，特别是要限制反球化及干扰元素的含量。

图4 显示球墨铸铁的基体组织对其冲击性能有明显的影响。

由图4 可知，随着珠光体体积分数的增加，冲击性能降低，因此要保证低温高韧性球墨铸铁为全铁素体基体。

（2）球墨铸铁化学成分对冲击韧度的影响在工艺条件一定的情况下，球墨铸铁的化学成分对组织及会产生决定性的作用，从而决定其性能。

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材料成型技术基础第二章铸造一、铸造的定义、优点、缺点:铸造指熔融金属、制造铸型并将熔融金属浇入铸型凝固后，获得具有一定形状、尺寸和性能的金属零件或毛坯的成型方法.优点：铸造的工艺适应性强，铸件的结构形状和尺寸几乎不受限制;工业上常用的合金几乎都能铸造；铸造原材料来源广泛，价格低廉，设备投资少;铸造适于制造形状复杂、特别是内腔形状复杂的零件或毛坯，尤其是要求承压、抗振或耐磨的零件.缺点：铸件的质量取决于成形工艺、铸型材料、合金的熔炼与浇注等诸多因素，易出现浇不到、缩孔、气孔、裂纹等缺陷，且往往组织疏松,晶粒粗大。

二、充型能力的定义、影响它的三个因素:金属液的充型能力指金属液充满铸型型腔，获得轮廓清晰、形状准确的铸件的能力.影响因素：①金属的流动性；②铸型条件；③浇注条件。

三、影响流动性的因素;纯金属和共晶成分合金呈逐层凝固流动性最好；影响充型能力的铸型的三个条件；浇注温度和压力对充型能力是如何影响的：影响流动性的因素：①合金成分:纯金属和共晶成分的合金,结晶过程呈逐层凝固方式，流动性好;非共晶成分的合金,呈中间凝固方式,流动性较差；凝固温度范围过大，铸件断面呈糊状凝固方式，流动性最差。

结晶温度范围越窄，合金流动性越好。

②合金的质量热容、密度和热导率:合金质量热容和密度越大、热导率越小，流动性越好.影响充型能力的铸型的三个条件：①铸型的蓄热系数:铸型从其中金属液吸收并储存热量的能力.蓄热系数越大，金属液保持液态时间短,充型能力越低。

垂直分型射压造型线型砂质量控制及生产应用在粘土砂铸造生产过程中，型砂是关键，其性能控制得好与坏，质量稳定与否，将对铸件质量产生巨大的影响。

我公司的造型线为ZZ416垂直分型射压造型线，铁液采用中频电炉熔炼，铸件以薄壁铸铁（灰铸铁和球墨铸铁）件为主，产品包括汽车零配件、管道件、阀门件等。

我公司经过多年生产实践，在型砂质量控制方面做了大量工作，并取得了良好效果。

1原材料质量要求1.1原砂选用河北围场擦洗砂，含泥量<1.0%,SiO2>85%，原砂粒度70/140目。

由于垂直分型射压造型属高密度造型，为减少砂型受热膨胀，避免因砂粒受挤压从砂型表面脱落而引起铸造缺陷，粒度要求不宜过于集中，原砂最好采用4筛集中率85%以上，主峰筛（100目）量控制在40%以内。

新砂补加量在5%以下。

1.2煤粉煤粉灰份应<10%，煤粉含灰量过高，使得型砂含泥量增加，影响型砂使用性能。

含硫量≤1.5%；煤粉粒度≥95%以上的颗粒通过140目筛，并且煤粉不允许有大颗粒存在，因其在浇注过程中遇金属液燃烧时间长，阻止铁液靠近型壁，待铁液凝固后，便会造成铸件表面凹坑，影响铸件表面粗糙度。

挥发分的高低是衡量煤粉质量好坏的主要指标之一，好的煤粉挥发分含量较高，浇注时，型腔内易形成还原性气体，析出大量的光亮碳，提高铸件的外观质量。

但挥发分超过40%，型砂发气量增大，铸件易产生气孔、浇不足等缺陷。

因此，挥发分一般在30%-38%。

1.3膨润土选用钠基膨润土。

湿压强度≥120kPa，吸蓝量（g/100g）≥38，粒度过200目≥90%。

2型砂性能质量控制2.1湿压强度如果型砂湿态强度不足，在起模、搬运砂型、下芯、合型等过程中，砂型有可能破损和塌落；浇注时砂型承受不住金属液的冲刷和冲击造成砂孔缺陷，甚至铁液泄漏。

一般用湿压强度来表示型砂湿态强度，一般控制在150-200kPa。

2.2透气性型砂的透气率不可太低以免浇注过程中发生呛火和铸件产生气孔缺陷，但绝不能理解为型砂透气率越高越好。

球墨铸铁700-10生产技术工艺关注我们请点这里铸造工业网7月10日近年有关高强度、高伸长率球墨铸铁的研究与生产技术开发受到相关研究机构的关注。

通过采用合理的成分设计、铁液净化、多元素合金固溶强化、晶粒细化等一系列生产工艺措施，探讨了铸态QT700-10工艺开发的可行性。

随着汽车工业的进步，商用车、重卡朝着重载、高速、低耗、低成本及良好的舒适性等方向发展，汽车底盘支架、托臂梁等零部件对高强度、高伸长率材料的综合性能要求也越来越高。

就材料的综合性能和成本而言，高强度、高伸长率球墨铸铁备受青睐，目前国家标准中关于球墨铸铁的要求，一般是低强度高伸长率或是高强度低伸长率，对于那些不仅要求高强度、还要求高韧性、高疲劳性能等的铸件，传统国标的球墨铸铁材料不能满足性能要求。

因此我公司与湖北汽车工业学院联合开展了高强度、高伸长率球墨铸铁研究工作，以满足汽车零部件轻量化需求。

1国内外球墨铸铁发展现状目前球墨铸铁的生产，都是根据GB/T 1348-2009《球墨铸铁件》标准，球墨铸铁的力学性能从QT350-22L到QT900-2共14个牌号，生产工艺己非常成熟，随着铸造企业质量控制水平的提高，绝大多数企业都能大批量稳定地生产。

然而，国内对高强度、高伸长率球墨铸铁技术研究与应用的报道并不多。

通过对国外球墨铸铁技术检索发现，SiboDur球墨铸铁是GF公司最新研发的铸态高强度高韧性球墨铸铁，对其化学成分及性能进行解读，SiboDur球墨铸铁形成了SiboDur450-17、SiboDur550-12、SiboDur700-10、SiboDur800-5系列，力学性能指标在传统球墨铸铁力学性指标中分布见图1 。

SiboDur球墨铸铁以Si和B作为合金化元素，其综合力学性能远远高于传统珠光体-铁素体球铁，适合制造承受冲击的铸件，广泛应用国外汽车行业。

2化学成分对球铁性能的影响2.1化学成分与金相组织SiboDur球墨铸铁是以Si和B作为合金化元素，实现铸态球铁高强度、高韧性综合力学性能，据此我们设计铸态QT700-10的主要化学成分见表1。

铸铁件材料采购技术标准要求1、相关技术引用标准：(1)球墨铸铁件（GB/T1348—2019）(2)室温试验方法(GB/T228.1—2010)(3)金属材料布氏硬度试验（GB/T 231.2）(4)铸件尺寸公差、几何公差与机械加工余量（GB/T6414 ）(5)铸件重量公差（GB/T11351）(6)铸件表面粗糙度（GB/T 6060.1）备注：主要包括但不限于上述标准、规范、规程；上述规范、标准或规程若有不一致或矛盾之处,以较为严格标准执行，若有国家新标准时，按国家新标准执行；编制要点若与现行规范、行政法规不一致，以现行规范、法规为准。

2、技术要求2.1铁素体珠光体球墨铸铁2.1.1拉伸性能铁素体珠光体球墨铸铁试样的拉伸性能应符合表1的规定。

表1铁素体珠光体球墨铸铁试样的拉伸性能2.1.2 冲击吸收能量表2给出了室温和低温下的冲击吸收能量值。

如果需方要求时，可以做冲击试验。

三个试样的平均值和个别值应符合表2的规定。

表 2 铁素体球墨铸铁试样上加工的 V 型缺口试样的最小冲击吸收能量2.2 固溶强化铁素体球墨铸铁固溶强化铁素体球墨铸铁的铸造试样的拉伸性能应符合表3的规定。

表 3 固溶强化铁素体球墨铸铁铸造试样的拉伸性能2.3 几何形状及其尺寸公差2.3.1 铸件的几何形状及其尺寸应符合图样的规定。

2.3.2 铸件的尺寸公差按GB/T6414 的规定执行。

有特殊要求的可按图样或有关技术要求执行。

2.4 重量偏差铸件的重量偏差按GB/T11351的有关规定执行。

有特殊要求的可按图样或有关技术要求执行。

2.5铸件表面质量2.5.1 铸件应清理干净，修整多余部分。

2.5.2 浇冒口残余、粘砂、氧化皮及内腔残余物等去除要求应符合技术规范或供需双方订货协定。

2.5.3 采用等离子方法切割铸件后，应加工掉热影响区。

2.5.4 铸件表面粗糙度应符合 GB/T 6060.1 的规定，或需方图样和产品技术标准的要求。

中国铸造装备与技术6/20131前言常州南车公司承接了一批牌号为QT400-15的低温高韧性球铁件，客户要求铸态达到QT400-15,同时在-30℃低温冲击功最低要达到70J/cm 2。

为减轻汽车自重，该铸件设计壁厚大部分小于6mm ，这给铸造带来了较大的难度。

我们在铸件化学成分的选择、原材料的控制、球化孕育及熔炼工艺等方面做了大量工作，取得了预期效果，产品满足了客户要求。

2化学成分的控制2.1碳铸态低温高韧性球铁件其基体组织几乎是全铁素体，而且石墨球应细小圆整。

因本公司生产的铸件壁厚较薄，大部分小于6mm ，为确保铸件的力学性能，又要使铁液有良好的流动性和充型能力，减少冷隔和气纹等缺陷，可在不出现石墨漂浮的前提下，碳含量尽量高，w （C ）尽量控制在3.5%~3.7%。

2.2硅硅是促进石墨化的元素，w （Si ）量高有利于铁素体生成，同时硅又能固溶于铁素体基体，起强化作用，能显著提高强度和硬度，但w （Si ）过高会导致球铁的韧-脆性转变温度提高，使低温冲击韧度明显下降，因此w （Si ）应控制在2.4%~2.6%。

2.3锰锰对球墨铸铁的冲击韧度和脆性转变温度都有特别不利的影响。

锰阻碍渗碳体和珠光体的分解[1]，有利于渗碳体和珠光体的形成，提高球铁的韧-脆性转变温度。

因此含锰量w （Mn ）应低于0.2%。

2.4磷磷对球铁韧性的影响极为明显。

因为磷在球铁中有严重的偏析倾向，易在晶界处形成磷共晶，急剧恶化球铁的力学性能，使球铁韧性下降[1]。

因此含磷量w （P ）应低于0.03%。

2.5硫硫是反球化元素与球化剂中的镁及稀土生成较多的硫化物或硫氧化物，不但消耗球化剂，而且还增加了铸件的夹渣，严重影响韧性[1]。

因此含硫量w （S ）应低于0.02%。

2.6镁镁是主要球化元素。

适量的残留镁能保证石墨球化良好，提高球铁的强度和伸长率，但过高则使石墨形状恶化，球化率下降，增加渗碳体数量，降低塑性和韧性，影响机械加工性能，或出现夹渣、缩松、皮下气孔等缺陷[2]。

成分调整和工艺选择在球墨铸铁生产中的运用实践高连国（湖北荆州，434000 ）【摘要】在铁水球化质量得到保证的前提下，要确保球墨铸铁铸件机械性能和内在质量，调整成分，选择工艺，只要方法得当，是能够取得预期效果的。

对不同的产品、不同的生产工艺要区别对待；冷铁的运用，造型工艺方法的选择也很重要。

【关键词】碳当量；球墨铸铁；冷铁；石墨漂浮一、概述限于篇幅，本文所立论的前提是球化质量都是得到保证的合格铁水，对保证铁水的球化质量不做论述，由于铁水球化质量的原因对产品产生的影响也不述及。

1.1 生产球墨铸铁的一般性原则球墨铸铁流动性差——以糊状方式凝固，铸件容易形成缩孔、缩松；镁基球化剂的加入——导致铸件夹渣倾向增加、气孔倾向增加、“白口化”倾向增加；石墨要成球状——铸型容易受挤压胀大，导致缩孔、缩松倾向增加；提高铁水温度——导致铁水收缩性增加，缩孔、缩松倾向增加，铁水高温吸气增加，铸件气孔倾向增加；另外球墨铸铁还固有球化衰退、石墨漂浮等缺陷。

为了解决球墨铸铁生产过程中上述种种问题，在生产时我们一般采取提高碳当量——选择高碳量和高硅量，取碳当量在共晶点附近，尽量减少“糊状凝固”温度区间；控制温度，高温出炉、静置除气、降温浇注、加强孕育；增加铸型刚度；增加铁水冷却速度；控制浇注速度——厚大件慢浇、薄小件快浇等等措施。

1.2 几种典型的球墨铸铁的化学成分不是铸造工作者的大多数人可能不了解，GB1348-88/09规定了我国几个常用的球墨铸铁牌号，而考虑到生产具体情况：工艺方法、铸件大小、炉料特性等却没有规定相应的化学成分，也就是说在我国只要满足机械性能要求的球墨铸铁件其化学成分是不做要求的，美国国家标准（ASTM）中对球墨铸铁也只规定了机械性能和仅供参考的化学成分，并且特别提到只是在军方以及有特殊要求的订单中可以由供需双方商定化学成分。

通常情况下，我们在实际生产中根据基体组织要求，确定几种典型的球墨铸铁的化学成分如下：QT400-18/QT420-15/QT450-10是以铁素体为基体的球墨铸铁，要求铁素体含量≥85%，而硅能促进铁素体形成，一般化学成分范围：C w3.2%～3.80%、Si w2.6%～3.20%、0.4%≤Mn w≤0.6%、P w≤0.05%、S w≤0.02%;QT500-7/QT500-5/QT600-3是混合基体类型的球墨铸铁，珠光体或者铁素体可以分别在55%左右，所以典型的化学成分范围：C w3.4%～3.85%、Si w2.2%～2.60%、Mn w≤0.4%、P w≤0.05%、S w≤0.02%;QT700-2/QT800-2/QT900-2是以珠光体为基体的球墨铸铁，要求珠光体量≥75%，这时候就要控制硅的含量，选择的典型化学成分范围：C w3.5%～3.85%、Si w1.8%～2.20%、Mn w≤0.3-0.7%、P w≤0.05%、S w≤0.02%;这样就将所有的球墨铸铁按基体组织组成分成：①以铁素体为基体的高延伸率的所谓高韧性类球墨铸铁；②以铁素体＋珠光体混合基体为基体的普通类球墨铸铁；③以珠光体基体为主的所谓高牌号高强度类球墨铸铁等等三大类。