原标题：高强度铸态球墨铸铁整体桥壳材质及工艺的研究开发
针对树脂砂铸造工艺生产的QT600-5整体铸造桥壳的材质及工艺进行研究攻关，通过改进、优化其化学成分、合金含量、球化处理及孕育处理工艺等，解决了球铁桥壳强度和伸长率低以及碎块状石墨的质量问题；通过工艺优化，解决了桥壳的缩松问题，桥壳台架疲劳强度试验由40万次断裂，提高到150万次不断裂。
1.整体铸造桥壳的材质要求
材质要求为QT600-5，要求有较高的抗拉强度及伸长率，金相组织及力学性能符合表1要求。
2.原生产工艺及桥壳质量
原生产桥壳化学成分，见表2。合金化处理主要选择Cu、Mn、Sn三种元素，考虑生产成本的影响，Cu含量比较低。
2010年，我厂生产的整体铸造桥壳本体抗拉强度基本在600 MPa左右，有时本体抗拉强度达到500MPa，伸长率在3%~4%。台架试验要求达到80万次以上，实际在底盘做台架试验，只做到40万次即发生断裂，断裂后解剖本体进行检测，发现本体试棒位置和断口位置均存在不同程度的碎块状石墨，断口位置球化率达到5级，见图1-图4。因此，如何提高球化率和本体抗拉强度及伸长率，就是亟待解决的问题。
3.进行试验攻关，提高桥壳本体强度和性能
3.1废钢代替生铁
使用3t中频炉熔炼，原先配料采用20%的生铁，40%打包废钢，40%回炉料，生铁中的P、S、Ti、V等微量元素容易形成磷共晶、磷锰化合物、硫化锰等夹杂物，影响桥壳本体的性能。随着桥壳缩松问题的解决，为提高铁液纯净度，减少微量元素的危害，取消了生铁，改为废钢60%，回炉料40%。
3.2球化和孕育
铁液球化处理是球铁生产的重要环节，对于高强度球铁桥壳来说，球化处理更是关键，球化处理工艺的好坏直接影响到桥壳的金相组织和力学性能。
采用3 t 中频炉熔化，炉料采用废钢加增碳剂，冲入法球化处理工艺，由于车间厂房环境限制，从球化到浇注时间比较长，大约12~15min，另外整体铸造桥壳壁厚比较厚，整体厚度20mm，局部热节处厚度达到50mm，树脂砂工艺散热条件也比较差，铸件冷却速度比较慢。考虑这些因素，为防止球化衰退，球化剂采用适量的钇基重稀土球化剂和稀土镁球化剂。球化处理时，要求球化包内无剩余铁液，称量准确，铁液出炉温度为1490~1510℃，出水量每包1.5t，球化反应后采用高效聚渣剂多次打渣。
孕育处理同样是球铁生产的关键工序，球墨铸铁原铁液中添加球化剂后过冷倾向增大，在添加孕育剂后减小过冷，抑制渗碳体的析出，促进析出大量细小圆整的石墨球。孕育是保证凝固结晶过程中析出正常球状石墨的重要条件之一。
目前，孕育处理工艺方法有很多种，如炉前孕育、倒包孕育、浇口杯孕育、随流孕育、型内孕育，孕育丝法等。我厂树脂砂车间采用球化处理包直接浇注，孕育采用二次孕育：淤炉前孕育既球化处理时的一次孕育，使用含Ba的高效复合孕育剂0.4%，另根据原铁液Si量加0~0.4%的75SiFe孕育剂；于浇注时随流孕育，既瞬时孕育，采用含Ba、Ca高效孕育剂，加入量0.1%~0.15%，粒度0.2~0.7 mm。
3.3合金化处理
通常Cu、Sn、Mn、Cr、Ni、Mo等合金元素都是球墨铸铁中提高珠光体含量的合金化元素，但对于高强度，又有高伸长率的整体铸造桥壳来说，选择哪些合金元素、含量多少既能保证强度和伸长率，又不大幅增加成本。根据生产实践和理论分析，综合考虑，选择Cu，Mn、Sn做为合金化处理元素。
锰使球墨铸铁的白口倾向增加，对于厚大断面的铸件来说，锰又是偏析倾向特别显著的元素，锰是在残余铁液中富集的元素。锰被不断长大着的共晶团所排挤，以致富集在共晶团边界上，因此便在共晶团的边界上形成富锰的组织成分，最后则以碳化物形式凝固，如果形成的碳化物呈网状分布在共晶团边界上，则对力学性能非常有害。锰对稳定珠光体的作用也很明显，在生产珠光体球墨铸铁时，可以利用锰的稳定珠光体的作用，消除铁素体组织，特别是消除石墨球周围的牛眼状铁素体组织，但是，锰促进珠光体的作用毕竟是有限的，适当的锰量可以提高球铁的强度、硬度和耐磨性，但锰量过高则降低韧性、塑性甚至降低强度。锰还是一种阻碍石墨化的元素，随着锰量的增加，石墨球的数量明显减少。因此，即使是对于珠光体基体的球墨铸铁来说，锰也不应该超过0.6%。因此我们将锰量由原来的0.6%~0.8%调整为0.4%~0.6%。
锡是生产高牌号球墨铸铁常用的合金，强烈稳定珠光体元素，并使石墨细化，分布均匀，不会促进生成渗碳体。但根据生产实践证明，锡促进珠光体的作用太过强烈，我们把锡由原来的0.03%~0.045% 降到0.02%~0.035%后，伸长率基本能达到5%，为进一步提高伸长率，彻底取消了锡的加入，而改为了铜。
铜促进珠光体形成的作用十分强烈，一般认为铜单独加入1.0%就可以使得球墨铸铁在铸态下得到全部珠光体基体。铜对球墨铸铁基体组织的影响主要为：在共晶转变时，促进石墨化，可减少或消除游离渗碳体的形成；在共析转变时，促进珠光体的形成，可减少或完全抑制铁素体的形成；改善铸件断面组织与性能的均匀性；对基体固溶强化；对基体沉淀硬化；不形成游离渗碳体，不与碳形成碳化物；成负偏析，铜元素富集在共晶团内部。同时，铜的熔点低，加入方便，且在熔化过程不烧损，因此，铜成为球铁和灰铁生产中最理想的合金化元素。在取消锡的基础上，将铜提高到0.6%~1.0%。
3.4化学成分
碳含量高，则析出的石墨数量大，石墨球数多，球径尺寸小，圆整度增加，并且可以减少缩松、缩孔的面积，但有一体化桥壳的壁厚比较大，并且树脂砂工艺散热条件差，碳高容易产生石墨漂浮。因此，在保证不产生缩孔、缩松的条件下，碳控制在3.6%~3.80%。
硅是促进石墨化元素，同时具有强铁素体化的作用，硅提高球墨铸铁的抗拉强度和硬度，同时也使塑性指标降低，另外硅高还会促使碎块状石墨的形成；硅低则容易形成白口、缩松等缺陷。实际生产中将硅控制在2.1%~2.4%。表3 为生产中最终的化学成分。
3.5结构调整
为了进一步提高强度，对桥壳结构进行了更改，分别采用两种方案。第一种，在桥壳重要受拉应力面增加3道加强筋，筋宽8mm，高度5mm，间距30mm（图5、图6）；第二种，将桥壳桥腿处下部重要受力面内部和外部由圆弧面改为平面，平面宽度30mm，更改后不减小桥壳壁厚，受最大拉应力由圆弧面的一点改为整个平面，降低其对应力集中的敏感性（图7、图8）。此两种方案在底盘各做台架试验2件，均达到了150万次不断。
4.改进工艺，解决桥壳本体碎块装石墨金相组织
4.1形成机理
碎块状石墨是厚大断面球墨铸铁中或是热节部位经常出现的畸变石墨，在宏观断口上，可看到1~mm大小的黑色斑点在逐渐缓慢冷却的中心区域，出现碎块状石墨的部位，质地疏松，恶化力学性能，特别是塑性指标明显下降。
关于碎块状石墨形成的机制，至今尚不完全清楚。由扫描电子显微镜观察表明，铁液对碎块状石墨有冲蚀作用。首先生成的是碎块状石墨共晶团，由于凝固过程进行十分缓慢，形成的共晶团尺寸粗大。这种碎块状石墨分枝频繁和细小，因而在其端部的联系松散，在铁液热对流的作用下，有可能使靠近共晶团边界的石墨，被冲蚀而形成游离的碎块。另外，较大尺寸的碎块状石墨在热对流作用下，分裂成尺寸更小的碎块状石墨，从共晶团游离出来，漂浮在共晶团边界处。
由于凝固缓慢，析出的石墨球比一般的初生石墨球要大得多，当超过某一尺寸时，这些石墨球中的铁包含物增多。随着这些石墨球在铁液中的进一步长大，因尺寸变化会形成内应力。由于在长大过程中所引起的内应力不断增加，当超过一定值时，致使石墨球开始破裂形成碎块。在凝固过程中，铁液对流可使这些碎块变得更小，并且它们被铁液的热紊流作用冲入枝晶间，形成碎块状石墨的结晶核心。
4.2试验解决方案
方案一。降低C含量，由3.8%~3.9%降到3.6%~3.8%，随流孕育量由0.1%~0.15% 降到0.06%，降低重稀土球化剂。据资料介绍适当降低碳当量可消除碎块状石墨，孕育过量将导致碎块状石墨的形成，另外过量的稀土将导致碎块状石墨的加剧，建议残余稀土量不得超过0.03%。实际我们检测的稀土含量为0.042%。试验结果如图9、10、图11所示，碎块状石墨没有解决。
方案二。原来配料使用50%的回炉料，球化剂使用重稀土球化剂0.8%，考虑到回炉料中遗传重稀土的影响，试验了一炉取消回炉料，配料为生铁30%，废钢70%，球化剂加入量不变，检测稀土含量0.038%，比原先略有下降。结果如图11、图12所示，碎块状石墨没有解决。
方案三。为进一步确认重稀土对碎块状石墨的影响，又试验了一炉取消重稀土球化剂，轻稀土球化剂用量改为1.7%。试验结果如图13、图14所示，碎块状石墨依然存在。
方案四。另据有关资料介绍，碳当量对碎块状石墨的影响最大，在不产生石墨漂浮的前提下，应尽量提高碳当量，含硅量的增加则促使碎块状石墨的形成。又试验了一炉，提高碳量，降低硅量，3.93% C、2.2% Si，试验结果如图15、图16所示，碎块状石墨依然存在。
方案五。采用钇基重稀土球化剂时加入适量的微量元素X可消除碎块状石墨，又试验了一炉加适量微量元素X，试验效果比较理想，如图17、图18所示，碎块状石墨基本解决并且细化了石墨。经过五轮的工艺试验，最终通过加X的工艺方法，解决了本体各部位包括冷却缓慢的工艺热节处存在的碎块状石墨。
5..优化工艺，解决桥壳内部缩松问题
5.1产品介绍
一体化桥壳轮廓尺寸为2218 mm×440mm×268mm要求内部缩孔缩松不超过3 级。由于产品结构原因，铸件各个部位壁厚差别较大，壁厚在15~48 mm，热节分布在桥壳不同的部位（图19）且铁液的牌号较高。因此铸件产生缩孔、缩松倾向较大，要达到产品技术要求难度相当大。
图19 一体化铸造桥壳热节分布图
5.2原工艺介绍
砂箱轮廓尺寸为2500 mm×1500 mm×280 mm，一箱两件，砂芯4个，其中桥肚芯2个，采用树脂砂手工制芯；两个端头桥退芯2个，用874壳芯机制芯。使用冷铁36块，补缩边冒口4个（φ130 mm×200 mm）每件2个冒口，冒口封腰40 mm×25mm，通气针5个分布在桥壳的最高点及桥壳的端头处（图20）。浇注温度1380~1420℃，浇注时间控制在35~50s。现工艺的主要问题为冒口封腰处缩松，缩松废品率高达25%。
图 20 型板布置图及通气针分布
5.3解决缩松试验方案
针对生产过程中产生的缩松问题，进行了一系列试验方案，分别从配料、浇注温度、冒口工艺等几方面验证了对缩松问题的影响。具体方案和结论见表4。经过几轮工艺方案试验，方案6基本解决了缩松问题。
6.结论
（1）重稀土球化剂可以防止浇注时间长和铸件壁厚大、冷却缓慢造成的球化衰退问题。
（2）减少Sn的含量，适当提高Cu含量，可以有效地提高球墨铸铁的强度和伸长率。
（3）加入适量的微量元素X，可以有效解决厚大类铸件易产生的碎块状石墨。
（4）球墨铸铁中如果冒口工艺有问题，依靠调整配料和浇注温度不可能完全解决缩松问题。
转自：砂型铸造
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