球化剂及孕育工艺对球墨铸铁组织及低温冲击性能的影响

■ 陈孝先，周文军，纳小明

现代球墨铸铁自20世纪40年代研制成功以来，以其优异的综合性能备受人们青睐。特别是高寒地区装配的球墨铸铁件设备，都要求有一定的低温韧性，以免低温脆断造成事故。尤其是最近几年，我国新能源战略把大力发展风力发电设为重点，而铸件是风力发电设备的重要部件，都是要求很高的铁素体基体球墨铸铁。风电铸件运行环境恶劣，有的铸件要求在–20℃甚至–40℃环境下服役20年。因此，除了常规性能指标外，还有低温冲击性能的要求。我公司结合欧洲标准，已成功为国内外多家风力发电企业生产出合格的球墨铸铁轮毂、底座和轴类零件。

1. 试验方法

（1）工艺方案 铁液采用感应电炉熔炼，球化工艺采用冲入法，具体的变质工艺见表1。

（2）合金的熔炼及试样的制备 所用炉料主要为生铁、废钢与回炉料，用增碳剂与75SiFe调整C、Si含量，应用表1中的工艺方案各浇注了28件铸件，开箱后把附铸试块收集进行理化检测。铁液的化学成分控制见表2。

从70mm厚的U形附铸试块上制取抗拉、金相与V型缺口冲击试样，冲击试样在–20℃与–30℃的液氮中冷却10min，然后在摆锤冲击试验机上进行冲击试验。

2. 试验结果及分析

（1）金相结果及分析 在金相显微镜下观察试样的金相组织。通过对试样的微观结构进行比较、分析，发现工艺2、工艺3能显著提高球化率，特别是工艺3石墨球的圆整度及球径均匀性都有明显的提高，如附图所示。

通过分析各工艺的化学成分，发现工艺2的炉后wS为0.009%，工艺3的炉后wS为0.0085%，而工艺1的炉后wS为0.0069%。硫是一种反石墨化元素，属于有害元素，铁液中硫若与镁反应，则导致球化衰退，因此我公司一直采用高纯生铁熔炼球墨铸铁。但通过生产实践发现，硫的数量对球化效果影响很大，适当的硫含量可获得石墨球数多、石墨球形好、碳化物减少、缩孔倾向减弱的铸件。在炉前铁液S含量相同的情况下，各工艺炉后铁液S含量却有这样的差别，有可能是变质剂中带入的S不同导致的。

表1 工艺方案

表2 主要成分（质量分数） （%）

各工艺的平均金相参数见表3。

从表3可知，工艺2、工艺3能显著提高球化率，这是因为这两个工艺采用的是含镁量较低的稀土球化剂，相比较工艺1的硅镁合金球化剂的优点是球化反应平稳，镁的吸收率较高，另外6RE稀土球化剂所含的稀土元素也可以中和铁液中的有害元素，因此球化率显著提高。但工艺2、工艺3的石墨球数明显减少。通过研究发现，两个工艺孕育量加大，使铁液在凝固期间向已有核心析出容易，长大速度快，使石墨球数相对减少，且工艺2、工艺3球化反应较工艺1的平稳，反应时搅拌力较小，致使石墨有充足的时间长大，改善了石墨球的圆整度。

（2）力学性能结果及分析 铸件附铸试块的平均性能结果见表4。其中屈服强度与伸长率指标合格率达到100%，在此不做表述。

从表3中的数据可见，性能合格率略有降低，冲击韧度大幅提高，一是因为工艺2、工艺3的球化反应较工艺1延后，能更大限度地发挥球化剂的作用，且工艺2、工艺3的孕育采用多层次孕育，特别是工艺3还在球化剂上面埋入325孕育剂，使孕育过程更接近于浇注，可最大限度地防止孕育衰退。二是因为铁液终硅含量（质量分数）由工艺1的2.09%降到工艺2的2.02%，再到现在的1.90%，所以导致抗拉强度略有下降，冲击韧度上升。

各工艺金相组织图（×100）

表3 金相检验结果

表4 力学性能检测平均结果

3. 结语

（1）工艺3由于采用高品质的球化剂+多层次孕育工艺，因此能显著提高球化率，保证抗低温冲击球墨铸铁的生产。

（2）工艺3的抗拉强度合格率较低，在后续生产中应该适当提高硅含量。

（3）工艺3的石墨球数较少，还应做必要的工艺改进，以增加石墨球数。