球墨鑄鐵件常見缺陷的分析與對策

球鐵是近40年來我國發(fā)展起來的重要鑄造金屬材料。由于球狀石墨造成的應力集中小，對基體的割裂作用也較小，故球鐵的抗拉強度，塑性和韌性均高于其他鑄鐵。與相應組織的鋼相比，塑性低于鋼，疲勞強度接近一般中碳鋼，屈強比可達07～0 8，幾乎是一般碳鋼的2倍，而成本比鋼低，因此其應用日趨廣泛。

當然，球鐵也不是十全十美的，它除了會產(chǎn)生一般的鑄造缺陷外，還會產(chǎn)生一些特有的缺陷，如縮松、夾渣、皮下氣孔、球化不良及衰退等。這些缺陷影響鑄件性能，使鑄件廢品率增高。為了防止這些缺陷的發(fā)生，有必要對其進行分析，總結(jié)出各種影響因素，提出防止措施，才能有效降低缺陷的產(chǎn)生，提高鑄件的力學性能及生產(chǎn)效益。本文將討論球鐵件的主要常見缺陷:縮孔、縮松、夾渣、皮下氣孔、石墨漂浮、球化不良及球化衰退。

1　縮孔縮松

1.1影響因素

(1)碳當量：提高碳量，增大了石墨化膨脹，可減少縮孔縮松。此外，提高碳當量還可提高球鐵的流動性，有利于補縮。生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鑄件的經(jīng)驗公式為Ｃ%+1/7Ｓｉ%>39%。但提高碳當量時，不應使鑄件產(chǎn)生石墨漂浮等其他缺陷。

(2)磷：鐵液中含磷量偏高，使凝固范圍擴大，同時低熔點磷共晶在最后凝固時得不到補給，以及使鑄件外殼變?nèi)?，因此有增大縮孔、縮松產(chǎn)生的傾向。一般工廠控制含磷量小于008%。

(3)稀土和鎂：稀土殘余量過高會惡化石墨形狀，降低球化率，因此稀土含量不宜太高。而鎂又是一個強烈穩(wěn)定碳化物的元素，阻礙石墨化。由此可見，殘余鎂量及殘余稀土量會增加球鐵的白口傾向，使石墨膨脹減小，故當它們的含量較高時，亦會增加縮孔、縮松傾向。

(4)壁厚：當鑄件表面形成硬殼以后，內(nèi)部的金屬液溫度越高，液態(tài)收縮就越大，則縮孔、縮松的容積不僅絕對值增加，其相對值也增加。另外，若壁厚變化太突然，孤立的厚斷面得不到補縮，使產(chǎn)生縮孔縮松傾向增大。

(5)溫度：澆注溫度高，有利于補縮，但太高會增加液態(tài)收縮量，對消除縮孔、縮松不利，所以應根據(jù)具體情況合理選擇澆注溫度，一般以1300～1350℃為宜。

(6)砂型的緊實度：若砂型的緊實度太低或不均勻，以致澆注后在金屬靜壓力或膨脹力的作用下，產(chǎn)生型腔擴大的現(xiàn)象，致使原來的金屬不夠補縮而導致鑄件產(chǎn)生縮孔縮松。

(7)澆冒口及冷鐵：若澆注系統(tǒng)、冒口和冷鐵設置不當，不能保證金屬液順序凝固；另外，冒口的數(shù)量、大小以及與鑄件的連接當否，將影響冒口的補縮效果。

1.2　防止措施

(1)控制鐵液成分：保持較高的碳當量(>3 9%)；盡量降低磷含量(<0 08%)；降低殘留鎂量(<0 07%)；采用稀土鎂合金來處理，稀土氧化物殘余量控制在002%～0 04%。

(2)工藝設計要確保鑄件在凝固中能從冒口不斷地補充高溫金屬液，冒口的尺

寸和數(shù)量要適當，力求做到順序凝固。

(3)必要時采用冷鐵與補貼來改變鑄件的溫度分布，以利于順序凝固。

(4)澆注溫度應在1300～1350℃，一包鐵液的澆注時間不應超過25ｍｉｎ，以免產(chǎn)生球化衰退。

(5)提高砂型的緊實度，一般不低于90；撞砂均勻，含水率不宜過高，保證鑄型有足夠的剛度。

2　夾渣

2 .1　影響因素

(1)硅：硅的氧化物也是夾渣的主要組成部分，因此盡可能降低含硅量。

(2)硫：鐵液中的硫化物是球鐵件形成夾渣缺陷的主要原因之一。硫化物的熔點比鐵液熔點低，在鐵液凝固過程中，硫化物將從鐵液中析出，增大了鐵液的粘度，使鐵液中的熔渣或金屬氧化物等不易上浮。因而鐵液中硫含量太高時，鑄件易產(chǎn)生夾渣。球墨鑄鐵原鐵液含硫量應控制在006%以下，當它在0 09%～0 135%時，鑄鐵夾渣缺陷會急劇增加。

(3)稀土和鎂：近年來研究認為夾渣主要是由于鎂、稀土等元素氧化而致，因此殘余鎂和稀土不應太高。

(4)澆注溫度：澆注溫度太低時，金屬液內(nèi)的金屬氧化物等因金屬液的粘度太高，不易上浮至表面而殘留在金屬液內(nèi)； 溫度太高時，金屬液表面的熔渣變得太稀薄，不易自液體表面去除，往往隨金屬液流入型內(nèi)。而實際生產(chǎn)中，澆注溫度太低是引起夾渣的主要原因之一。此外，澆注溫度的選取還應考慮碳、硅含量的關系。

(5)澆注系統(tǒng):澆注系統(tǒng)設計應合理,具有擋渣功能,使金屬液能平穩(wěn)地充填

鑄型,力求避免飛濺及紊流。

(6)型砂：若型砂表面粘附有多余的砂子或涂料，它們可與金屬液中的氧化物合成熔渣，導致夾渣產(chǎn)生；砂型的緊實度不均勻，緊實度低的型壁表面容易被金屬液侵蝕和形成低熔點的化合物，導致鑄件產(chǎn)生夾渣。

2.2　防止措施

(1)控制鐵液成分：盡量降低鐵液中的含硫量(<0 06%)，適量加入稀土合金(0 1%～0 2%)以凈化鐵液，盡可能降低含硅量和殘鎂量。

(2)熔煉工藝：要盡量提高金屬液的出爐溫度，適宜的鎮(zhèn)靜，以利于非金屬夾雜物的上浮、聚集。扒干凈鐵液表面的渣子，鐵液表面應放覆蓋劑(珍珠巖、草木灰等)，防止鐵液氧化。選擇合適的澆注溫度，最好不低于1350℃。

(3)澆注系統(tǒng)要使鐵液流動平穩(wěn)，應設有集渣包和擋渣裝置(如濾渣網(wǎng)等)，避免直澆道沖砂。

(4)鑄型緊實度應均勻，強度足夠；合箱時應吹凈鑄型中的砂子。

3　石墨漂浮

3. 1　影響因素

(1)碳當量：碳當量過高，以致鐵液在高溫時就析出大量石墨。由于石墨的密度比鐵液小，在鎂蒸汽的帶動下，使石墨漂浮到鑄件上部。碳當量越高，石墨漂浮現(xiàn)象越嚴重。應當指出，碳當量太高是產(chǎn)生石墨漂浮的主要原因，但不是唯一原因，鑄件大小、壁厚也是影響石墨漂浮的重要因素。

(2)硅：在碳當量不變的條件下，適當降低含硅量，有助于降低產(chǎn)生石墨漂浮的傾向。

(3)稀土：稀土含量過少時，碳在鐵液中的溶解度會降低，鐵液將析

平穩(wěn)澆注，并具有較強的擋渣功能；同時，適當增加直澆道和冒口的高度，以增加金屬液的靜壓力。

4 2　防止措施

(1)嚴格控制鐵液化學成分，使碳當量稍大于共晶點成分，含硫量不大于0 .094%；殘余稀土小于0.043%;殘留鎂含量不大于0.05%;鋁含量在0.03%～0.05%范圍以外。

(2)合理設計鑄件結(jié)構(gòu)，使壁厚不小于25ｍｍ；根據(jù)壁厚確定澆注溫度，薄壁小件不得小于1320℃；中件不得小于1300℃；大件不得小于1280℃。

(3)金屬爐料、孕育劑和所用工具應干燥，表面無銹蝕和油污。同時型砂水分不宜過高，盡量小于4.8%,煤粉、重油等發(fā)氣物質(zhì)的含量要適當控制，減少粘土含量，并可附加一些增加透氣性的物質(zhì)，如木屑等。

(4)合理設計澆注系統(tǒng)，使之為開放式，可在型腔的最高處設置出氣孔，同時應保證澆冒口高度，以提高液態(tài)金屬的靜壓力。

5　球化衰退及球化不良

5.1　影響因素

(1)碳當量：鐵液的碳當量太高時(尤其是硅含量也高時)將使石墨球化受到影響。試驗表明，對于厚壁鑄件，當碳當量超過共晶成分時就有可能產(chǎn)生開花狀石墨。但是提高鐵液的含碳量有利于鎂回收率的提高。因此生產(chǎn)中大多采用高碳低硅的原則，通常含硅量控制在2%左右。此外，碳當量的選取還與鑄件壁厚有關：當壁厚為6.5～76ｍｍ時，碳當量為4.35%～4.7%；當壁厚>76ｍｍ，碳當量為4.3%～4.35%。

(2)硫:當鐵液中的含硫量太高時，硫與鎂和稀土生成硫化物，因其密度小而上浮到鐵液表面，而這些硫化物與空氣中的氧發(fā)生反應生成硫，硫又回到鐵液，又重復上述過程，從而降低了鎂與稀土含量。當鐵液中的硫大于0.1%時，即使加入多量的球化劑，也不能使石墨完全球化。

(3)稀土與鎂:稀土與鎂含量過低時，往往產(chǎn)生球化不良或球化衰退現(xiàn)象。一般工廠要求球化劑的加入量為1.8%～2.2%。

(4)壁厚：鑄件壁太厚也容易產(chǎn)生球化不良及衰退缺陷，主要是因為鐵液在鑄型中長時間處于液態(tài)，鎂蒸汽上浮，造成鎂含量降低；共晶時大量石墨生成而釋放出的結(jié)晶潛熱使奧氏體殼重新熔化，石墨伸出殼外而畸形長大，形成非球狀石墨。

(5)溫度:若鐵液溫度過高，鐵液氧化嚴重，由于鎂與稀土易與氧化物產(chǎn)生還原反應，而使得鎂、稀土含量降低，同時高溫也將增加鎂的燒損和蒸發(fā)；鐵液溫度太低，球化劑不能熔化和被鐵液吸收，而上浮至鐵液表面燃燒或被氧化。

(6)滯留時間：鐵液中鎂的含量是隨孕育處理后停留時間的增加而減少，其主要原因是因硫及鎂、稀土的氧化與蒸發(fā)造成的。一般情況下，滯留時間不超過20min。

(7)澆冒口：澆冒口若設計不合理，會產(chǎn)生澆注時間太長、鐵液飛濺以及卷入空氣，使鎂、稀土氧化嚴重。

5.2　防止措施

(1)嚴格控制鐵液成分：選擇合適的碳當量；鐵液中的含硫量應小于0 08%(其中生鐵含硫不得大于0 03%，焦碳含硫不

得大于0 08%)，可采用小蘇打進行脫硫。

(2)加入足夠的球化劑，一般為1.8%～2.2%；此外應注意球化劑的質(zhì)量，若球化劑破碎后使用，放置時間不得超過一周。處理后的球鐵鐵液中稀土鎂的殘留量不應過低，Ｍｇ殘>002%，ＲＥ殘>0 02%。

(3)合理設計鑄件結(jié)構(gòu),避免壁厚過大，也可在壁厚處加冷鐵以提高凝固速度，縮短液態(tài)時間，從而防止球化衰退及不良。

(4)注意處理溫度。出爐溫度應低于1460℃，以防球化劑嚴重燒損；要防止高溫下的氧化現(xiàn)象，蓋好覆蓋球化劑的鐵板(厚度應>3ｍｍ)；鐵液扒渣后應用草木灰等蓋好；當鐵液溫度>1350℃出現(xiàn)球化不良及衰退時，可補加球化劑；而當<1350℃時就不能補加球化劑，也不得澆注球鐵件，只能補加其它鐵液澆注不重要的灰鑄鐵件或芯骨等。

(5)鐵液出爐后應及時澆注，滯留時間不得超過20min。

(6)合理設計澆冒口,，采用型內(nèi)和型上球化處理，加強孕育。

出大量石墨，加重石墨漂浮。

(4)球化溫度與孕育溫度：為了提高鎂及稀土元素的吸收率，國內(nèi)試驗研究表明，球化處理時最適當?shù)蔫F液溫度是1380～1450℃。在此溫度區(qū)間，隨著溫度升高，鎂和稀土的吸收率增加。

(5)澆注溫度：一般情況下,澆注溫度越高，出現(xiàn)石墨漂浮的傾向越大，這是因為鑄件長時間處于液態(tài)有利于石墨的析出。A.P.Druschitz與Ｗ.Ｗ.Ｃhaput研究發(fā)現(xiàn),若縮短凝固時間，隨著澆注溫度升高，石墨漂浮傾向降低。

(6)滯留時間：孕育處理后至澆注完畢之間的停留時間太長，為石墨的析出提供了條件，一般這段時間應控制在10ｍｉｎ以內(nèi)。

3 2　防止措施

(1)控制鐵液成分：嚴格控制碳當量，不得大于4 6%；鐵液的含碳量不得大于4 0%，可用廢鋼來調(diào)整鐵液的含碳量；采用低硅(<1 2%)生鐵；改進孕育處理，增強孕育效果，這樣可降低孕育硅鐵量。

(2)控制稀土的加入量：在保證球化的前提下，加入量要少。

(3)改進鑄件的結(jié)構(gòu)，使壁厚盡量均勻，且小于60ｍｍ；若壁厚相差很大、熱節(jié)很大，可在厚壁或者熱節(jié)處加放冷鐵；若是熱節(jié)或厚壁位置在鑄件頂部，可在此處加冒口。

(4)嚴格控制溫度：通常要求在1380～1450℃進行球化處理，1360～1400℃進行澆注。同時，盡量縮短鐵液出爐到澆注之間的滯留時間。

(5)必要情況下，可以加入鉬等反石墨化元素，提高碳在鐵液中的溶解

度，從而減少石墨析出。

4　皮下氣孔

4. 1　影響因素

(1)碳當量：適當增加含硅量有助于皮下氣孔的減少。同時，在硅量保持不變的情況下，隨著含碳量的增加，球鐵中皮下氣孔的個數(shù)呈現(xiàn)出單峰曲線，且峰值點總保持在共晶點左右，因此，最好將碳硅含量選擇得高一些，以使球鐵的碳當量稍大于共晶點。

(2)硫：硫高會引起皮下氣孔等缺陷，這是因為產(chǎn)生Ｈ2Ｓ氣體而形成。當含硫量超過0 .094%時就會產(chǎn)生皮下氣孔，含硫量越高，情況越嚴重。

(3)稀土:鐵液中加入稀土元素能脫氧、脫硫，提高鐵液表面張力，因此有利于防止產(chǎn)生皮下氣孔。但稀土含量太高，會增加鐵液中氧化物的含量，使氣泡外來核心增加，皮下氣孔率增加。殘余稀土量應控制在0.043%以下。

(4)鎂：過高的鎂將會加劇鐵液的吸氫傾向，大量的鎂氣泡和氧化物進入型腔，增加氣泡的外來核心；此外鎂蒸汽直接與砂型中的水分作用，產(chǎn)生ＭｇＯ煙氣及氫氣，也會產(chǎn)生皮下氣孔。試驗表明，殘鎂量大于0.05%后便易出現(xiàn)皮下氣孔，殘鎂越高越嚴重。因此在保證球化基礎上，盡量降低殘留鎂量。

(5)鋁：鐵液中的鋁是鑄件產(chǎn)生氫氣孔的主要原因。據(jù)報道,當濕型鑄造球墨鑄鐵的殘留鋁量為 0.030%～0 .050%時，將產(chǎn)生皮下氣孔。E.R.Kaczmarek等人研究認為，鐵液與鑄型中的水反應生成ＦｅＯ與Ｈ2，由于鋁的脫氧作用，又生成Ａｌ2Ｏ3，其即為氣泡生成的核心而又

能吸附一定的氣體，增加了球鐵產(chǎn)生皮下氣孔的傾向。但是在減少渣中的ＦｅＯ成分時，鎂的存在使得鋁顯得多余，故鋁的敏感含量是有一定范圍的。

(6)壁厚：皮下氣孔還有“壁厚效應”特征，即氣孔的產(chǎn)生在一定壁厚范圍內(nèi)，實際上這與鑄件的凝固速度有關。鑄件壁厚大時，其凝固結(jié)皮時間推遲，有利于氣泡逸出。因此，一般來說壁厚小于6ｍｍ或大于25ｍｍ時不易產(chǎn)生皮下氣孔。

(7)澆注溫度：澆注溫度類似于壁厚效應，也有一個溫度范圍，在1285～1304℃時，皮下氣孔相當嚴重。筆者進一步研究認為，不同的壁厚其危險溫度也不相同，因此，應根據(jù)鑄件壁厚共同確定澆注溫度。當然，提高澆注溫度能延緩氧化膜的生成，防止熔渣進入型腔，同時對砂型烘烤時間加長使水分向外遷移。

(8)型砂含水率：鑄型產(chǎn)生皮下氣孔的傾向按下列順序依次減?。簼裥汀⒏尚?、水玻璃型、殼型。司乃潮的研究也證明了這一點，即隨著型砂水分的提高，球鐵產(chǎn)生皮下氣孔的傾向增大，而當型砂水分小于4.8%時，皮下氣孔率接近于零。

(9)型砂緊實度與透氣性：型砂的透氣性太低，導致型壁所產(chǎn)生的氣體不能排出型外，而向金屬侵入，致使鑄件產(chǎn)生氣孔；隨著型砂緊實度的增加，皮下氣孔的傾向也加大，但當緊實度相當高時，傾向又減小，這可能是由于表層砂緊實度高，增大了水分向鑄件方向的遷移阻力，但若型砂水分也高，將使水蒸氣爆炸的可能性增加。