曹琨，胡克潮，赵子文，苏义祥

1.兰州兰石能源装备工程研究院有限公司 甘肃兰州 730314

2.甘肃省高端铸锻件工程技术研究中心 甘肃兰州 730314

3.兰州理工大学材料科学与工程学院 甘肃兰州 730050

1 序言

球墨铸铁件具备中高强度和韧性、优异的耐磨性和减振性以及良好的铸造工艺性能等特点，是目前最具发展潜力的“以铁代钢”的铸造材料[1，2]。目前，许多铸造企业开始采用废钢增碳技术（即合成铸铁）替代铸造生铁生产球墨铸铁件的方法来降低成本。用该方法熔炼的球墨铸铁力学性能十分优异，铸态下力学性能可达到QT700-2级别材料要求，无需进行正火处理（只进行去应力退火），能够减少一火次能源消耗，符合国家倡导的绿色可持续发展理念[3]。与传统生铁熔炼方式不同，合成球墨铸铁熔炼过程中原铁液化学成分发生改变，生产过程中如果控制不当容易出现较多铸造缺陷。目前，应用合成球墨铸铁技术的报道较多[4-12]，但是对于合成球墨铸铁在生产过程中的自身特性、容易出现的质量问题及关键控制要点的报道甚少。本研究主要从金相组织角度出发，针对生产过程中常见的金相组织缺陷进行分析并提出解决方案。

2 石墨漂浮

合成球墨铸铁的核心是将废钢中的碳含量（wC为0.2%左右）增至工艺要求范围（wC为3.6%～3.9%），如果碳含量超标（wC≥4.0%），则会出现石墨漂浮现象，如图1所示。从图中可以看出石墨呈开花状、爆裂状，这种组织降低了球墨铸铁力学性能和表面质量。腐蚀态金相照片显示，石墨周围铁素体组织呈破碎状，使珠光体含量达到95%，抗拉强度453～532MPa，屈服强度431～477MPa，伸长率1.5%～3%，硬度208～214HBW，表明开花、爆裂状石墨对基体组织产生明显割裂作用，降低了产品力学性能。

图1 石墨漂浮时石墨大小与形貌

合成球墨铸铁容易出现石墨漂浮的原因有：

1）配料计算时石墨增碳剂吸收率小于实际值，导致碳含量超标，我厂目前使用的增碳剂吸收率为80%左右。

2）未准确按照配料称量，炉料中如有废钢、生铁、回炉料时必须准确称量，生铁和回炉料加入过多会导致碳当量超标，只有采用全废钢冶炼时可不用准确称量，通过观察炉内铁液高度的方法根据经验预估铁液量。如果发现碳当量超标应及时采取有效措施，如倾倒部分铁液、加入废钢等方法降碳。

3 球化不良

合成球墨铸铁熔炼时，出现球化不良现象的金相照片如图2所示。由图可以看出，石墨呈团块、枝晶状、蠕虫状等不规则形状，球化级别为4～5级，石墨球数量较少，石墨大小为5级。从腐蚀后金相照片可以看出，珠光体含量为90%以上，铁素体包围在石墨周围，无碳化物、磷共晶。抗拉强度600～750MPa，屈服强度466～541MPa，伸长率3%～5%，硬度239～257HBW，此时产品力学性能只能达到QT600-3牌号性能要求。

图2 球化不良时石墨大小与形貌

球化不良的产生原因很多，与球化剂中稀土元素种类、球化剂加入量、孕育剂、球化孕育操作方法、浇注温度及浇注时间等因素密切相关。此外必须选择合适增碳剂，高温石墨化增碳剂晶体组织呈有方向层片状，石墨溶解于铁液中围绕形核质点规则生长为球形，而非石墨化增碳剂虽然含量能够满足内控要求，但球化效果较差，球化级别低，也影响产品综合力学性能。

4 球化失败

球化失败的金相组织如图3所示，可见大部分石墨呈条、线、蠕虫状，只有少量石墨呈圆形，近似于蠕墨铸铁金相组织，蠕虫状石墨周围析出少量铁素体，呈菊花状，虽然珠光体含量为85%，但是球化效果极差，抗拉强度只有382～447MPa，屈服强度345～412MPa，伸长率2.5%～3%，硬度209～210HBW，力学性能大幅降低。

由于废钢中硅含量低（wSi＝0.35%～0.5%），所以原铁液必须进行增硅。如果增硅量不足，原铁液硅含量过低（wSi≤0.8%，w终硅量≤1.7%）会造成球化失败。因此铁液化清后应根据检测结果，加入大块硅铁、SiC粉等调整铁液Si含量。最好使用SiC粉，既能起到增碳作用，也能起到增硅作用。

图3 球化失败时石墨大小与形貌

5 碳化物超标

铁液冷却速度过快时容易出现碳化物，金相照片如图4所示。从图中可以看出球化级别为4级，石墨大小为5级，石墨数量很少。腐蚀后发现块状、鱼骨状碳化物含量为10%，珠光体含量为90%，铁素体呈游离状。抗拉强度443～530MPa，无屈服强度，伸长率1%～1.5%，硬度275～345HBW，脆性大，硬度高，机械加工性能差，必须使用线切割才能加工试样。

图4 碳化物超标时石墨大小与形貌

合成球墨铸铁熔炼时由于原铁液Si含量低，因此如果为尽快出铁，将增硅和孕育过程合二为一，铁液包内加入大量硅铁和孕育剂，采用铁液冲入方法熔化，会导致铁液冷却速度过快，无法起到消除白口、细化石墨的作用，反而出现大量碳化物。采用高温石墨化退火后，部分碳化物消除，铸件硬度显著降低，但是仍然有部分硬而脆的共晶碳化物无法消除，对基体组织产生明显的负面作用，力学性能仍然很低，因此在生产过程中应尽量避免产生此类问题。

6 缩松及缩孔

大量废钢的加入增大了铸造收缩率，易出现缩松、缩孔、裂纹等铸造缺陷。为分析其出现缺陷的机理，采用扫描电镜和能谱仪对缩松、缩孔位置的微观形貌进行分析（见图5），可以看到明显的树枝状组织和基体组织。对图5中两个位置进行能谱分析，其中图谱1处结果：wC为84.51%，wFe为15.49%，总量100%；图谱2处结果：wC为18.24%，wFe为80.38%，wSi为1.38%，总量100%。结果表明，黑色树枝状物相为石墨，周围大块银灰色区域主要元素为Fe、Si、C，应该为铁液凝固后形成的铁基体组织。枝晶间可明显看到存在大量空隙，应该为典型的缩松缺陷，这是由于在二次收缩过程中，析出的球状石墨体积膨胀无法完全补偿铁液收缩而导致的。

一般认为当碳当量越高时铸件越致密，此外，较低的浇注温度可以减少液态收缩量，因此浇注过程必须严格控制浇注温度，尽量采用低温浇注，浇注时间不宜超过15min，以免产生球化衰退。为此，必须设计合理的铸造工艺，凝固过程中要不断补充铁液，保证金属液顺序凝固，必要时可采用冷铁来改变铸件温度分布。

图5 铸件缩松部位SEM图像（50×）

7 结束语

与传统生铁熔炼方式不同，合成球墨铸铁熔炼过程原铁液化学成分发生改变，生产过程中如果控制不当容易出现石墨漂浮、球化不良甚至球化失败、碳化物超标、缩松、缩孔等质量问题，因此必须严格按照工艺进行控制。此外，废钢的大量加入增大了铁液收缩率，在浇注过程中必须严格控制浇注温度，设计合理的铸造工艺，避免出现缩松、缩孔、裂纹等铸造缺陷。