球墨铸铁中常见的冶金缺陷原因和消除方法

C.M.Ecob

客户服务经理，艾肯产品部 侯继康翻译

摘要：

本文的主要目的是提供对球墨铸铁在生产中出现的一些常见的冶金缺的看法和见 解。以下缺陷事故中的例子已被位于挪威的艾肯研发中心的检测所证实。

同时许多铸造工厂对铸造缺陷的所产生的原因的认识是不确定的，因此所采用的防治措 施也不是非常有效的。因此本文中实验室检测了这些缺陷发生的原因以及措施的有效性。本文的重点讨论了球墨铸铁的缩孔缩松问题，球墨铸铁的缩孔缩孔也是艾肯全球的售后服务工程师所遇到的球墨铸铁生产最常见的问题。

引言：

球墨铸铁的冶金缺陷队铸造厂所造成的损失是很大的，因为零件不仅需要重新制造修复，不幸的是很多的缺陷只能在机加工才能被发现，而机加工的成本是很高昂的。因此在原材料的选择下功夫、良好的熔炼过程控制、随后的孕育及球化时对消除缺陷大有裨益的。而且还要保持纪录和检索缺陷的发生情况，这将揭示缺陷发生的主要原因，有助于系统的消除铸造缺陷。

本文将从缩松开始讨论常见的铸造缺陷。艾肯的技术服务工程师团队们观察到：使用劣质的废钢、不合适的球化剂和孕育剂、以及过早的开箱都将大大增加缩松发生的几率。对那些真实的宣传自己没有缩松缺陷的铸造来说，以上的行为对他们来说是个例外，也许不会导致缩松发生。其它的铸造缺陷可以被分成两大类：

与石墨球形状有关的缺陷，如蠕虫石墨、爆炸石墨、短棒状石墨、石墨漂浮、 钉状石墨、以及队列石墨。

与基体内杂质和异物有关的缺陷，如表面片状石墨、夹杂、碳化物和气体。这些问题将被讨论以帮助识别缺陷，其发生的原因将和防止措施一起讨论。

收缩控制

图1显示了典型的表面下方的缩孔缺陷。造成收缩的原因很多，全球的经验表明， 50%的收缩缺陷与型砂及浇注系统有关。其它50%的原因可归为冶金因素，例如碳当量、孕育、温度以及高的残留镁含量。

图1:典型的皮下收缩缺陷，枝晶臂部分的被伸出的石墨所覆盖 15

当在球铁中发现收缩缺陷时，我们可以采取几个简单迅速的方法来判断缺陷发生的 原因：

检查铸件结构确定收缩发生的位置是否位于圆角的急剧变化处或者是可能的热节，检查缺陷附近的砂型看此处的砂型是否强度偏低，或有松软的地方。

型砂粒度的不圆整造成了很大一部分收缩缺陷的发生以及造型机密封垫的磨损，由此导致的型砂比较低的紧实率会造成难以解释的收缩的大量发生。

第二个途径就是检查浇注系统，补缩系统。虽然许多工厂的铸件浇注系统是由计算机设计的，但是很长时间内车间自己对浇注系统轻微的改变也会对收缩产生有着重大的影响。这种改变能影响到补缩到铸件各个部分或者各个铸件的液态金属的体积。

在冶金方面，有许多因素能够影响到球墨铸铁的收缩倾向.图2显示了残余

图2:残余镁含量和收缩率之间的关系

镁除了是一种强烈的碳化物稳定元素外，还对球铁的收缩倾向具有明显的影响。 将残留镁含量保持在0.05%以上的工厂会发现他们的球铁比镁含量在0.035-0.04%的工厂的球铁收缩倾向大得多。

孕育不足和过量孕育也能引起收缩。在孕育不足的情况下，没有足够的溶解碳作为石墨析出。石墨球的密度比基体小并且且以较低的密度析出，大体积的石墨具有很好的膨胀能力，这有助于抵消铁液凝固产生的自然收缩。孕育过量时，铁液在凝固时过早的 形成许多形核点，这种情况导致了铁液过早的膨胀和型壁的较大移动。在随后的凝固过程中，当冒口开始凝固且铁液开始收缩时，铁液却不能析出足够的铁液来抵消凝固收缩， 因此就导致了共晶团之间的缩松。

在许多铸造厂当中，微观组织显示了均匀大小的石墨球（这种解释了石墨球是从两 个方向截取而得到的这样一个事实），许多工程师仍认为这是一种好的组织，即使铁液存在着较大的收缩倾向，现在有专门的球化剂和孕育剂被用来产生大小不一的石墨球分布来抵消收缩，图3显示了石墨的这种分布形态

图3:用两种不同的球化剂处理相同的铁液得到的两种石墨分布形态：a)大小不一 的石墨球分布b)石墨球大小基本相同

大小不一的石墨分布形态是一种很好的消除球铁缩孔缩松的办法，这表明一些石墨球是在凝固后期产生和从固溶体中析出的。大多数孕育剂是迅速起作用的，导致了大小均匀的石墨分布形态，在凝固后期一旦孕育剂的孕育能力发挥完毕，因此就没有足够的石墨球析出，从而导致了缩松的产生。最近艾肯已经开发出了具有生成不均匀石墨大小和减少石墨分布直线度的球化剂。

如果铁液的碳当量较低，或者由于设备的损坏而使铁液保温时间过长，铁液就会易于产生收缩缺陷（缩孔、缩松），这种情况下，铁液内的固有晶核数就会很低，因此就 需要一些预处理以使铁液恢复到较好的形核水平。

组织内的蠕虫状石墨

图4显示了很好的蠕虫石墨的例子，形成这种组织有几种原因，最主要的就是球化处理部分失败，即使保温铁液在浇包内保温较长时间或者是处理温度过高有影响，但 球化剂加入量不准确或者是使用错误的球化剂仍是造成这种组织的主要原因。

图4球化部分失败所产生的蠕虫状石墨的例子另一个引起蠕虫状石墨的原因就是原铁液S的含量异常。许多铸造厂同时生产灰铁和球铁，因此分离回炉料就很重要。

在球化反应过程中，首先进行的反应就是脱硫和氧化反应，O和S优先与镁反应， 原铁液的S含量必须在有MgSiFe球化剂所计算出的范围之内。另外还必须注意向处理包或处理器内加球化剂的问题。提前向热的包内加入球化剂然后等到造型线需要浇注时在处理铁液是一个不好的行为，因为这会造成球化剂在包内的烧损和氧化。当出铁水时向包内随流加入球化剂能够或得高的镁的吸收率。

低的石墨球数

如上面所提到的蠕虫状石墨的产生归因于球化剂，而单位面积上少的石墨球数就归 因于孕育剂，图5显示了低的石墨球数和正常的石墨球数的对比。减少铁液在炉内的保 温时间和减少孕育后的浇注时间有助于或得稳定的石墨球数，这将会增加预处理铁液时 铁液的响应性。使用专门的强效孕育剂有助于或得稳定的石墨球数。

图5：相同铁液处理方法得到的两个铸件的组织a)较长的浇注时间导致的低的石 墨球数b)正常处理条件下或得的高的石墨球数

爆炸石墨

图6是一副爆炸石墨的照片，典型的爆炸石墨看起来就像它的名字一样：石墨球被炸得支离破碎。大部分MgFeSi合金含有稀土元素如Ce、La、Nd，这些元素在中和一些微 量元素如Bi、Pb、Sb、Ti的有害作用时是有益的，它们也是球化剂，帮助镁起球化作 用。但是过量的稀土会引起石墨开花，特别是使用含有微量元素少的高纯炉料时。常 能在冷却速率很慢的厚大断面以及高碳当量的铸件中发现爆炸石墨。

                 图6：稀土元素过量集中引起的爆炸石墨

当使用感应炉熔炼铁液时应注意稀土元素在铁液中的累积。稀土元素有很高的熔点，并且不易挥发，虽然它们能够氧化和随熔渣排出。可以使用零含量的球化剂来解决这种问题，但是这需要一段时间稀释回炉铁中的稀土。

爆炸石墨是怎么发生的，如何检测高稀土量的来源一般是球化剂，使用生铁、废钢来熔炼原铁液是能够很快检查出稀土是来源于球化剂还是回炉铁，拉丁美洲国家和远东 国家倾向于在球化剂使用高含量的稀土。降低碳当量有助于减少爆炸石墨的发生。

短棒状石墨

短棒状石墨显示在图7中，短棒状石墨发生的原因几乎和开花状石墨一样，同时也在薄壁截面中发现，对碳当量不敏感。

                    图7:稀土元素聚集引起的短棒状石墨

石墨漂浮

在厚大的铸件缓慢凝固过程中或缓慢冷却过程中，由于大量大的密度小的石墨球的形成 就会造成石墨漂浮，由于石墨球密度小，倾向于浮向铸件表面，因此会对铸件表面的力 学性能（表面粗糙度）能造成负面的影响

降低碳当量可控制此种情况的发生，同时通过降低浇注温度和使用冷铁加快冷却速 度都会减少石墨漂浮的发生。应当仔细检查一下孕育系统，因为大的石墨是在凝固初期 就开始形成的，良好的孕育能够产生大量细小的石墨球。

图8显示了石墨漂浮的金相组织

                            图8:高碳当量造成的石墨漂浮

队列石墨

图9是一副经典的队列石墨组织照片，一般没有比这更清楚更多的例子了，因为这是来 自我们的实验室，这是由于在凝固过程中形成好了很大的枝晶，而石墨在枝晶间析出造 成的，因此石墨看起来就排成了一列直线。虽然这种组织没什么严重的影响，但是对强 度和冲击韧性也有一定的有害影响。

形成该种组织的原因有由于碳当量低而造成没有足够的石墨析出，孕育不足和浇注温度 过高也是可能的原因。

图9：石墨在枝晶间析出造成的队列石墨组织

钉状石墨

当使用含稀土量较低的球化剂时球铁组织中出现钉状石墨的几率很小。正常情况下，球 化剂中的稀土是来中和微量的有害元素如Bi、Te、As、Pb、、Sb的有害影响的，当使用不含稀土的球化剂就会造成钉状石墨。这种情况在转炉熔炼生铁当中比较常见，因为 稀土是单独加入的，而常常稀土加入被遗忘。

钉状石墨会造成球铁机械性能的迅速下降，因为钉状石墨是基体中比较脆弱的地方。 图10是典型的钉状石墨的照片。消除这种石墨**的办法就是使用含有稀土的球化剂。

图10:钉状石墨组织

铸件表面的片状石墨

这种情况经常能够在铸造厂中见到，由于这种组织是在机械加工余量以内，因此许 多铸造厂就忽视了这种状况。图11显示这种组织的照片并且清晰的显示了与型壁相邻 铸件表面的片状石墨，这种情况王要在粘土砂中出现，粘土砂中的S与球化剂中的Mg 反应生成MgS，而MgS会强烈的使石墨片状化。使用含Mg或稀土量高的球化剂可以 克服此种现象的发生，但却要承受铸件发生缩孔或缩松的风险。常用的做法就是使用含 Ce的孕育剂，Ce能够使片状石墨在凝固过程中重新球化

图11:型砂中高的S含量造成的铸件表面的片状石墨组织

碳化物

在球铁生产中也应该明白Mg也是一种强烈的碳化物形成元素，Mg和随后激烈的球 化反应会破坏铁液中的晶核，因此球铁需要的孕育量也比灰铁要大，孕育不足或者使用 错误的孕育剂也会造成白口或碳化物。图12是碳化物的组织照片，孕育不足不仅是形 成碳化物的原因之一，而且还要检查碳化物形成的其它因素。

图12：孕育不足形成的碳化物

像前面提到的一样，废钢种含有微量杂质元素如TiMo,Cr、V等都会促使碳化物的 形成。碳化物常常能够在铸件的中心或晶界上出现，共晶凝固是中心或晶界上的碳化物 形成元素的浓度达到形成碳化物的临界值，除了废钢，使用含Mo的回炉铁也能促进碳 化物的形成。低的碳当量和高的浇注温度也能促进碳化物的形成，在薄壁铸件中尤其如此。

即使使用含低的碳化物形成元素的球化剂，使用专用的孕育剂是消除碳化物的主要方法。

结论：

本文讨论了球铁生产中的大部分组织缺陷，由于篇幅的限制，本文在不讨论渣和其它因素的影响，其它因素也可以单独总结成一篇文章。缩松缩孔是球铁生产中的主要缺陷，本文的重点也就在此。

无论是在清理过程或者其它过程中所发现的缺陷都要系统的纪录，这对发现常见的 缺陷和重大的缺陷是很有用的。这些可以按重要性的顺序排列纪录。