高硅固溶强化球墨铸铁熔炼工艺的研究

高硅固溶强化球墨铸铁熔炼工艺的研究

王晓颖

中车大连机车车辆有限公司 辽宁省大连市 116105

摘要：为生产高硅固熔强化球墨铸铁，对熔炼中铁液的化学成分、孕育处理及热处理技术进行了分析研究，得出高硅固熔强化球墨铸铁比传统球墨铸铁具有更高的抗拉强度，硬度和强度分布更均匀，机械性能及加工性能良好。

关键字：高硅固熔强化 球墨铸铁 熔炼工艺

1.前言

在生产中发现，随着珠光体稳定元素含量的波动，既使是同一批次生产的铸件，在不同铸件的相同部位性能也会产生很大的波动；硬度的波动造成同牌号的球墨铸铁不同位置机加工性能相差可高达50%，HBW230 时的进刀量要比HBW170 时小0.1mm。所以寻找一种基本上是单相基体的球墨铸铁，减少硬度波动，提高球墨铸铁的机械加工性能也十分必要。

硅是铸铁中使用最广泛的元素，它可以固溶于铁素体中起强化作用，从而提

高
铁素体的强度。图1、图2是硅含量对铁素体球墨铸铁抗拉强度和伸长率的影响关系。

图1 Si含量与抗拉强度的关系 图2 Si含量与伸长率的关系

2.工艺原理

2.1 化学成分的分析与确定

依据化学成分对球墨铸铁性能的影响，尤其是硅含量对铁素体球墨铸铁伸长率的影响关系，化学成分按照如下原则确定。

1. CE值。碳当量对球墨铸铁的流动性和缩孔、缩松影响很大，在碳当量的质量分数为4.6%-4.8%时，流动性最好，有利于浇注成形、补缩，缩孔、缩松倾向小，可以获得健全的铸件^[1]。因此，球墨铸铁的碳当量控制在4.6-4.8%范围内。

2. 硅。硅是促进石墨化元素，硅多提高了铸铁共晶转变时的临界冷却速度，使铁水在凝固过程中对冷却速度的敏感性降低，更有利于形成全铁素体球墨铸铁。由图1看出，当球铁中硅含量小于5％时，铸件的抗拉强度、屈服强度和硬度都随Si含量呈增大趋势，而断后伸长率则呈下降趋势，从图2可以看出，当Si含量超过4.5%时，其伸长率急剧下降，故Si含量一般控制在在3.5％-4.5％的范围。

3. 锰。锰是阻碍石墨化、强烈稳定奥氏体的元素，并容易在共晶团边界上富集形成偏析，对力学性能有特别不利的影响^[2]，对于铁素体基体的球墨铸铁来说，则锰的质量分数应在0.3以下。

4. 磷和硫。磷和硫都是有害元素，为保证良好的球化，硫含量应控制在0.03%以下。

2.2 熔炼工艺的制定

铁液化清后加入所需FeSi75进行增硅，控制适当的熔化温度、取样温度、过热温度和出炉温度，保证操作过程紧凑，保证球化处理后的铁液在15min内浇注完成。

2.2.1 炉料配比及化学成分控制

为保证硅固溶强化铁素体球墨铸铁化学成分及性能的稳定性，炉料配比和铁液化学成分控制见表1和表2。

表1 炉料配比

表2 铁液化学成分控制范围

2.2.2 球化处理

球化剂选用稀土镁硅铁球化剂，采用包内冲入法球化处理，将球化剂等合金材料分层装入，保证了铁水在翻入90％以上才开始反应，且反应时间在2.5～3 min。

2.2.3 孕育处理

为了强化孕育，缓解孕育衰退，孕育处理采用出铁随流孕育+包内孕育+球化后浮硅孕育相结合的方案。

3.试验结果与分析

采用上述工艺生产的球墨铸铁铸件，同时使用同包铁水浇注单铸试块，化学成分见表3，力学性能和金相组织见表4：

表3 试样的化学成分

表4 试样的力学性能及金相组织

从表3、表4的检测结果可以看出，随着硅含量的升高，抗拉强度、屈服强度和硬度增大，伸长率降低，珠光体含量小于5%，在生产中发现Mn含量升高后，珠光体含量较高，达到5%左右。

4.结论

1. 高硅固溶强化球墨铸铁具有高的抗拉强度，比传统合金化的球墨铸铁具有更高的屈强比和伸长率；

2. 高硅固溶强化球墨铸铁本体中硬度与抗拉强度分布均匀；机械性能较好，切削加工性能优，降低机械加工成本；

3. 高硅固溶强化球墨铸铁与传统合金化球铁相比，减少了合金元素的使用，降低生产成本和管理成本，合金元素的降低有利于铁水的流动性和降低收缩倾向。

参考文献

[1]齐笑冰,董峰,王鹏华等.碳当量和硅碳比对灰铸铁力学性能的影响[J].铸造,2014,63(12)

[2] 陶令桓.铸造手册.第1卷 铸铁[M].北京：机械工业出版社,2002.1.