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铸态QT550


铸 · 628 · ------经验交流 --



J un. 2010 Vol.59 No.6

FOUNDRY

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铸态QT550- 5球墨铸铁熔炼过程控制
李俊刚1,吕 迎1,邵喜俊2,刘承尧1,孙文双1
( 佳木斯大学材料科学与工程学院,黑龙江佳木斯 154007;2. 佳木斯兴联机械制造有限公司,黑龙江佳木斯 154002 1. )

摘要:从QT550-5球墨铸铁材质的要求出发,对铸态QT550-5球墨铸铁熔炼过程中化学成分的选择、铸造工艺、原材 料选择、熔炼工艺、球化处理、孕育处理、质量检测等方面进行了分析说明。提出合理的成分配比、熔炼、球化、孕 育处理工艺。经检测,所得材料的力学性能达到了QT550-5的要求,金相组织符合标准。 关键词:球墨铸铁;化学成分;球化;孕育;力学性能 中图分类号:TG255 文献标识码:B 文章编号:1001-4977 ( ) 06-0628-04 2010

Melting Process Control of As-Cast QT550-5 Ductile Iron
LI Jun-gang1, L譈 Ying1, SHAO Xi-jun2, LIU Cheng-yao1, SUN Wen-shuang1 ( School of Materials Science and Engineering, Jiamusi University, Jiamusi 154007, Heilongjiang, 1. China; 2. Jiamusi Xinglian Machine Limited Company, Jiamusi 154002, Heilongjiang, China )

Abstract: In order to meet materials requirement for the QT550-5 ductile iron, the analysis was carried out on the aspects such as the confirmation of chemical composition, design of foundry technology, selection of raw materials, melting technology, spheroidization and inoculation treatment, and quality inspection. The optimal technological parameters were obtained at last, and the testing results show that the mechanical properties and the microstructure of the materials met the requirement for the QT550-5 ductile iron. Key words: ductile iron; chemical composition; nodularizing treatment; inoculation; mechanical properties
球墨铸铁具有良好的综合性能,较高的强度、硬 度、良好的塑性和韧性 ,被广泛应用于机械制造、冶
[1]

组织基体为铁素体+珠光体,石墨球化等级为2-3级 ( 参 考GB/T 9441—1988 ),石墨大小为6-8级,磷共晶<1%。

金矿山、石油化工、交通运输等部门。球墨铸铁是指 向原铁液中加入球化剂和孕育剂,通过球化及孕育处 理,改变一次结晶时石墨的形核和生长条件,使铁液 在凝固时碳以球状石墨的形式形核和生长,凝固后铸 铁的组织中得到球状石墨的铸铁 [2-3]。影响铸态球墨铸 铁生产稳定性的因素很多,要稳定地生产球墨铸铁, 必须把握好化学成分设计,原铁液熔炼、球化处理、 孕育处理、炉前处理、浇注、清理及热处理和铸件质 量检验等环节[4-6]。采用铸态工艺生产球墨铸铁件能减 少热处理设备的投资,简化生产工艺,缩短生产周期, 节约能源,节省工时,减少热处理对环境的污染,避 免热处理过程中铸件的变形及氧化,减少废品,提高 铸件尺寸精度 [7-8]。本文针对铸态QT550-5球墨铸铁熔 炼工艺过程,从化学成分、铁液熔炼,球化处理、孕 育处理等方面介绍熔炼过程的控制。

2

化学成分分析与选择
球墨铸铁的化学成分与其组织、力学性能及铸造

性能都有很大关系,选择合适的化学成分是保证生产
9] 优良铸件的前提[7, 。

2.1

1

QT550- 5球墨铸铁材质的要求
QT550-5球墨铸铁要求σb=550 MPa,δ≥5%,铸态

碳和硅 碳、硅元素对球墨铸铁的性能有很大的影响。球 墨铸铁的性能不仅与碳、硅含量有关,还与碳当量的 高低有关[9]。 选择含碳量应保证球墨铸铁具有良好的铸造性能 和力学性能[8]。高碳量有助于获得健全铸件。碳能促进 镁的吸收,改善球化效果,能够促进石墨化,减小白 口倾向,增加石墨核心,使石墨细化,提高石墨球的 圆整度;可以提高铁液的流动性,增加凝固时的体积 膨胀,减少铸件的缩孔体积和缩松面积,使铸件致密。 过高的碳容易产生石墨飘浮,碎块状石墨等铸造缺陷, 使铸件综合性能降低 [7-15]。QT550-5球铁原铁液碳含量 应控制在3.4%~3.8%;球化后应控制在3.3%~3.7%。

基金项目:黑龙江省教育厅2009年骨干教师基金 ( 1054G014 )。收稿日期:2009-09-15收到初稿,2009-10-22收到修订稿。 作者简介:李俊刚 ( 1971),男,讲师,硕士,研究方向为铸造合金及熔炼,耐磨材料。E-mail:ljg7136@163.com

铸造

李俊刚等: 铸态QT550- 5球墨铸铁熔炼过程控制

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QT550-5球墨铸铁化学成分

硅强烈促进石墨化,减小白口倾向,增加铁素体, 改善球铁塑性;可以固溶强化铁素体,使屈服点和硬 度提高。能使石墨晶核大量增加,细化石墨,使其分 布均匀且能提高圆整度;细化共晶团,提高韧性。但 是,硅显著提高球铁韧-脆转变温度,降低冲击韧性。 硅过高易形成异形石墨,室温下出现“白脆”现象, 因此,硅量不能过高
[7, 12] 10,

表1
C

Table 1 Composition of the QT550-5 ductile iron
Si Mn P S RE残 原铁液 3.4~3.8 1.3~1.5 0.4~0.6 <0.06% <0.030

wB /%
Mg残

球化后 3.3~3.7 2.5~2.9 0.4~0.6 <0.06% <0.025 <0.04 <0.06

。原铁液含硅量选择在1.3%

3
3.1

生产条件

~1.5%,终硅量控制在2.5%~2.9%。 碳当量确定的原则是保证完全球化,在该范围内 尽量提高碳当量,且采取高碳、低硅。碳当量控制在 4.2%~4.6%。

锰 锰阻碍共析转变的石墨化,促进碳化物的形成, 增加白口倾向,锰溶入Fe3C形成的 ( Mn 3C,稳定、 Fe, ) 细化珠光体,提高铸件强度和硬度,降低塑性和韧性, 易产生偏析,铸态下在共晶团边界极易形成碳化物, 降低铸件的力学性能。锰可与稳定渗碳体的元素硫 ) ( 或氮、氧 反应生成化合物,所以,能使硫、氮、氧 之类元素稳定渗碳体的作用消失,从而间接地促进石 墨化[7-16]。锰含量应控制在0.4%~0.6%。 2.3 磷 磷在铸态球墨铸铁中的主要危害是在晶界形成磷 共晶,易偏析,使材料的伸长率下降,增加脆性,使 球铁的缩孔、缩松以及开裂 ( ) 倾向增加,磷还 冷裂 [8, 提高球墨铸铁的脆性转变温度 10],必须严格控制,要 求其含量<0.06%。 2.4 硫 硫与镁、稀土亲和力很强,消耗铁液中的球化元 素,形成MgS、稀土硫化物渣,降低球化率;硫高易 造成球化元素残留量少而导致球化不良,还易形成皮 下气孔、夹渣等缺陷,严重影响球铁的性能。故要求 铁液中含硫量尽可能的低 [10]。含硫量要控制在0.03% 以下。 2.5 残留稀土和残留镁 在铸铁中有一定数量的镁和稀土元素的残留量才 能保证石墨成球 [8]。稀土元素主要有脱硫、去气、净 化铁液和球化,促进珠光体的形成、细化珠光体等 有利作用,排 除 干 扰 元 素 的 影 响 ,减 少 铸 造 缺 陷 , 稳定生产;镁主要起球化作用,同时能脱去原铁液 中部分硫。适量的RE 残 和Mg 残 ,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,且偏析严重,降低塑性和韧 性,会增大白口倾向影响机械加工性能,出现夹渣、 缩松、皮下气孔等铸造缺陷,球墨铸铁在保证球化 12] 合格的条件下尽可能降低RE残和Mg残[10, 。RE残<0.04%, Mg 残 <0.06%。QT550-5球墨铸铁化学成分范围如表1 所示。 2.2

铸造工艺 铸件毛重200~300 kg,最大尺寸为600 mm,壁厚 为15~25 mm的简单箱体件。采用湿型砂造型,干型黏 土砂砂芯并涂刷石英粉涂料,在分型面引入浇道,直 浇道底部放置陶瓷纤维过滤网,顶浇,采用倾转包挡 渣浇注。 3.2 原材料的选择 铸态球墨铸铁用的原材料包括生铁、回炉铁、废 钢、焦炭、脱硫剂、球化剂、孕育剂、增碳剂等。选 用优质原材料是保证稳定生产的关键,其中最主要的 是生铁、焦炭、球化剂及孕育剂[8]。 熔炼球墨铸铁用生铁应选择定点供应商,按 GB 1412—1985 《 球墨铸铁用生铁 的要求,选用锰、 》 磷、硫含量较低的生铁,主要成分符合要求,同时还 必须严格控制干扰球化的元素,如Ti、Sn、Zn、Al等, 其含量总和≤0.09%。选用Q12一级生铁。 焦炭选择厂家固定,质量稳定;要求强度高,不 易破碎,质量轻,干燥,高固定碳、低硫分、低灰分, 低挥发分,碳碳相撞或掷地有发脆回音的好,焦炭尺 寸一般应为冲天炉直径的1/6~1/10。采用铸造焦应符合 GB 8729—1988 《 铸造焦炭 Ⅱ级的要求,采用冶金焦 》 17] 冶金焦炭 Ⅱ级的要求[8, 。 》 应符合GB 1996—1980 《 废钢:为降低炉料的含碳量,往往在冲天炉内加 5%~15%的废钢。废钢的截面厚度不小于3 mm,长度 不大于1/3炉膛内径,以防搭棚和氧化严重。废钢选用 合金元素含量较低的碳钢,应单独堆放,不应混入合 金钢,不得锈蚀。 回炉铁:球铁的回炉料因经球化处理,硫、氧含量 都较少,是生产球铁极好的炉料,最好用同牌号回炉 铁,回炉料应无粘砂和污物,其单块质量不大于10 kg, 长度不大于1/3炉膛内径。应与未经球化灰口铸铁的回 炉料分开堆放,不得混入合金球墨铸铁回炉铁。 脱硫剂:60%CaO+30%CaC2+10%CaF2颗粒粒度小 于2 mm。 球化剂、孕育剂:我国在生产上应用较广泛的是 稀土镁合金[18]。国内大多采用含硅质量分数为75%的硅 铁作为孕育剂。球化剂、孕育剂合金应预热。球化剂 粒度为10~25 mm,孕育剂粒度为3~20 mm。球化剂选 用GB 4138—1984的FeSiMg8RE7,粒度20 mm;孕育 ),粒 剂为75硅铁 (牌号为GB 2272—1987的FeSi75-C

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度10 mm。

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预热至暗红色或红色,清除浇包内残渣铁。球化剂加 入量为铁液质量的1.5%~1.8%,球化剂含硅量按44%计 算 [16],炉前加入1%~1.2%的75硅铁孕育剂,孕育剂含 硅按75%计算,其中2/3覆盖在球化剂上,表面用稻草 灰+废砂覆盖并紧实。冲入铁液,铁液冲向球化剂的另 一侧,不得直冲球化剂。铁液处理时应使用电子吊钩 秤,当冲入包内铁液达2/3时,暂停冲入铁液,以防因 球化反应剧烈而引起飞溅,造成球化剂的损失。球化 处理沸腾时间不宜过早或过迟,一般情况在出铁达1/3 时开始沸腾,时间2~3 min为宜。 ,当反应平稳后再补 加其余1/3铁液,将剩余的1/3 75硅铁孕育剂放在出铁 槽中冲入,进行孕育处理,处理完毕加集渣剂,搅拌 后,彻底扒渣,再覆盖稻草灰保温剂,测温后可进行 浇注
[19, 20]

熔炼工艺 采用3 t/h两排风口热风冲天炉和1 t中频电炉双联 熔炼。双联熔炼可以提高铁液冶金质量,保证铁液温 度,稳定化学成分。 冲天炉生产铁液成本低、产量大,熔炼过程中要 严格炉料管理,严格配料。金属炉料为45%回炉铁+ 45%生铁+10%废钢,造渣剂选用石灰石+萤石,硅、 锰含量可加入Fe-Si75与Fe-Mn65来调整。确保原铁液 化学成分稳定,碳当量CE的波动值应控制在±0.1%以 型号HF-2002T 测定铁 ) 内。炉前铁液用碳硅当量仪 ( 液的碳硅当量成分。 熔 化 球 铁 料 时 , 底 焦 和 层 焦 块 度 控 制 在 100~ 200 mm,减少增硫,保持熔化区域的高度,以便稳定 铁液的温度。维持底焦高度,除层焦外,每隔5~6批料 需多加一批焦炭。石灰石增加渣中CaO含量,提高炉 渣的碱度,萤石稀释渣的粘度,促使铁液中的硫向渣 中扩散转移。炉内脱硫过程是:铁液下落时与具有一 定碱度的炉渣相遇,穿过炉渣进入炉缸,在界面上与 炉渣接触,这时,铁液中的硫向炉渣扩散至平衡。通 过改变炉渣的碱度,促进渣相的离子反应,提高硫在 渣中的含量,达到排渣的目的[10]。根据铸件质量要求, 应熔炼出低硫、磷及低含气量的铁液,防止铁液氧化。 用手持式便携接触式温度仪 ( 型号HF-05BX 测定铁 ) 液的温度,铁液出铁温度为1 350~1 400 ℃。 浇包使用前须预热至暗红色或红色,清除浇包内残 渣铁。包内脱硫,将冲天炉铁液冲入包底放有1.0%脱 硫剂的铁液包内进行脱硫,并及时扒渣,然后倒入炉 底放有0.5%脱硫剂的感应电炉内再进行脱硫并升温 [7]。 控制中频炉铁液出炉温度,铁液温度过高会使铁液翻 腾过于剧烈,Mg吸收率下降,且孕育效果衰退快,造 成球化不良或衰退;铁液温度过低又会导致铁液起爆 迟缓甚至不反应。出炉铁液温度1 450~1 520 ℃。 3.4 球化处理和孕育处理工艺 15, 球化处理方法应用最广泛的是浇包冲入法 [14, 19]。 根据中频炉容量,设计浇包容量为1 t,高度与直径之 比为1.6,铁液包底修成堤坝式,堤坝高度要合适,堤 坝一侧底部由下至上放置球化剂、孕育剂、覆盖剂后, 堆积高度与堤坝高度相等如图1所示。采用冲入法球化 处理,包底孕育与出铁槽孕育相结合,浇包使用前须 3.3
表2

。浇注温度控制在1 350 ℃以上,浇注时间不

宜过长,炉前检验合格后,快速浇注,如时间过长, 易产生球化衰退及孕育衰退。在制定工艺和生产过程 的控制中,不同类别的铸件在砂箱中停留的时间不同, 要控制铸件落砂的温度。

球化情况判断 火苗判断法:根据火苗数量、高度判断球化情况 及残镁量,火苗越高、越有力,说明球化良好。 三角试块法:取铁液,浇成试块,在冷至暗红色 时可水淬冷却。球化良好的试块,有银白色或银灰色 瓷状断口,尖端有1~3 mm白口清晰,中间有缩松。若 断口呈黑色粗粒状,表明球化失败。 3.6 理化检测结果 附铸试块在铸件本体上;浇注完毕后保温36 h落 砂清理后,加工成标准拉伸试样,做硬度测试,分析 化学成分,金相检验。化学成分和力学性能如表2所 示,从表2可以看出,试样基本满足QT550-5球墨铸铁 的要求。图2是试块金相组织。图2a为未腐蚀金相组 3.5

QT550-5球墨铸铁试样化学成分和力学性能分析结果
化学成分wB /% 力学性能 S 0.021 0.020 0.023 RE残 0.023 0.022 0.025 Mg残 0.045 0.043 0.050 σb /MPa 563 572 553 δ /% 7.3 6.9 7.4 硬度HBS 205 213 195

Table 2 Composition and mechanical properties of the QT550-5 ductile iron specimen
序号 1 2 3 C 3.36 3.31 3.50 Si 2.76 2.69 2.78 Mn 0.45 0.50 0.48 P 0.045 0.041 0.045

铸造

李俊刚等: 铸态QT550- 5球墨铸铁熔炼过程控制

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织,可以看出球化级别为3级,球化率85%,石墨球大 小为7级。图2b为腐蚀后金相组织,可以看出组织由 40%铁素体+40%珠光体+球状石墨组成。

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() 未腐蚀金相组织 a 图2

b () 腐蚀后金相组织 试块金相组织

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Fig. 2 Microstructure of the specimen

4

结语
生产铸态QT550-5球墨铸铁件应保证原材料纯净,

双联熔炼可保证原铁液出铁温度,化学成分均匀。采 用冲入法球化处理简便,球化,孕育良好,球化剂加 入量为铁液质量的1.5%~1.8%,75硅铁孕育剂加入量 为1.0%~1.2%。控制Mg 残 量在0.03%~0.06%,适当的 RE残量。
参考文献:
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( 编辑:刘冬梅,ldm@foundryworld.com )


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