大型球铁汽车模具铸件球化等级的提升

田万刚，徐达义，韩书章

（安徽芜湖瑞鹄铸造有限公司，安徽芜湖 241009）

随着中国汽车工业的快速发展，中国汽车模具行业的发展也是突飞猛进，其设计和制造水平大幅提升，与发达国家的水平差距不断缩小，一些从前需要从国外进口的高端汽车模具，现在基本自足，而且有些模具已出口国外，参与到世界级车企的配套。汽车模具的发展，尤其是大型拉延模，离不开优质高端的球铁铸件；这类铸件不但需要优越的机械性能，而且要有良好的金相组织，对球铁来说，球化等级就是衡量球铁金相组织的一个关键指标。大型球铁模具铸件，按照国际汽车模具行业（NAAMS）标准要求，铸件本体试样球化等级稳定达到90%，也就是球化等级达到2 级，这对模具铸件，尤其是十几吨，二十几吨的厚壁铸件，是一个不小的挑战。我公司通过对球化、孕育处理工艺及球化剂、孕育剂进行分析、改进，使此类球墨铸铁本体试样的球化等级达到2 级以上，现以D6510 材质为例，进行简要说明（以下实验选用铸件单件重量均大于10 t）。

1 原生产工艺

原生产工艺：熔炼设备采用10 t 一拖二日本富士电机中频电炉，最大熔炼吨位20 t，通过倒包，可一次浇注30 t 铁液；D6510 原铁液成分:w（c）:3.5%～3.6%，w（si）：1.2%～1.3%，w（Mn）≤0.40%，w（P）≤0.06%，w（S）≤0.035%，w（Mo）:0.4%～0.6%，w（Ni）:0.4%～0.6%,w（Cu）:0.5%～0.7%;球化处理所用球化剂为1.4%～1.5%的RE2Mg6SiFe 合金，孕育处理采用1.0%的75Si-Fe 合金，先加入球化剂，再覆盖75Si-Fe，上面覆盖铁屑和铁板，采用直接冲入法进行球化处理，Mg残：0.035%～0.060%,RE残：0.02%～0.04%，用直径45 mm 本体试棒，测得球化等级，部分的在3级，很多在4、5 级，达不到NAAMS 的材质标准要求，金相组织如图1。

图1 原工艺处理后的金相组织（原图：150×）

2 提高球化等级的实验方案

为提高球化等级，对原来的球化剂和孕育工艺进行了改进实验。

（1）球化剂的选择

通过对前期的大量球化等级进行分析，发现5 t以下球铁件平均球化率为85%，5～10 t 的平均球化率为80%，10 t 以上的平均球化率仅有70%。

通过对铸件吨位与石墨形态关系的分析，认为随铸件吨位的提高，铸件壁厚也相应增大，铁液凝固时间长，若使用轻稀土球化剂会出现球化衰退，使石墨形态畸变，导致球化等级下降。以前使用的主要是铈基轻稀土球化剂，抗球化衰退能力差；而重稀土元素具有深度脱氧、脱硫的作用，促进铁液中形成大量细小的石墨球，延长铁液保持球化效果时间，所以重稀土球化剂具有良好的抗衰退能力。但是完全使用重稀土球化剂，易造成石墨球周围不光滑，因此决定重稀土球和轻稀土搭配使用，根据处理铁液量调配比例，重稀土球化剂牌号为龙钇OGRC-4.5，其主要成分如下：

Mg:5.0%～6.0%；Ca:1.6%～2.4%；RE:1.6%～2.4%；Si:43%～47%；Al＜1.0%。

球化剂粒度为5～25 mm,采用冲入法，加入量为1.4%，使用70%的重稀土球化剂，加30%的的轻稀土球化剂，浇注15 t 重的D6510 材质铸件，金相组织如图2。

图2 70%重稀土球化剂处理金相组织图（原图150×）

（2）孕育方式的完善

通过使用重稀土球化剂，球化等级有明显的提升，大部分球化等级达到3 级，但是石墨大小和数量达不到要求，根据球铁形核理论分析认为，石墨大小和数量受孕育效果影响较大，原来主要采用球化剂上覆盖孕育剂进行孕育，球铁的CE 当量很高，球铁原铁液过冷度很小（大大低于灰铁原铁液），可是球化反应后，球铁铁液的过冷度就增大很多，原因是球化元素Mg、RE 同时也是白口化倾向非常大的元素，整个球化反应结束后，铁液的过冷度将达到最大，覆盖和延缓球化反应进行的作用，其孕育功效非常有限，而孕育的目的一方面是降低过冷度，减少白口化倾向，另一方面增加结晶核心，提高形核能力，而最有效的孕育方式为随流孕育（又称瞬时孕育），为此，我们专门设计制做了随流孕育装置，同时选择具有抗孕育衰退的硅钡随流孕育剂，粒度为≤1 mm，加入量为0.2%～0.5%，其化学成分如下：

Si:65%～70%；Ba:2.0%～4.0%；Ca 微量；Al≤3%。

调整孕育方式为：一次孕育，球化剂覆盖75Si-Fe；二次孕育，浇注时在浇口杯对铁液进行随流孕育Si-Ba。

（3）最后确定的改进方案

通过球化剂的调整和孕育方法的改变，球化率级逐步稳定在90%以上，最后采用的改进方案：

（a）球化剂采用50%的轻稀土和重稀土混合使用，根据原铁液的含S 量确定球化剂的加入量，残留镁为0.04%～0.06%，残留稀土为0.02%～0.04%；

（b）孕育剂采用两次孕育，一次孕育为球化剂覆盖，加入量为1.0%～1.2%，二次孕育为随流孕育，孕育剂为硅钡，孕育量为0.25%。

（c）球化处理工艺优化,根据处理铁液量的不同,对5 t、10 t 等浇包分别制定了球化控制标准。球化剂、孕育剂覆盖，制定了专用紧实工具，确保捣实，上面覆盖专用铁板，严格控制球化反应时间，防止球化反应剧烈，球化剂氧化烧损。反应时间：5 t 以下60～80 s，5 t 以上80～120 s，从球化结束到浇注完毕必须在15 min 以内完成。

通过以上述球化改进实验，金相组织图片如图3所示。

图3 最终改进后金相组织图（原图：150×）

3 结论

生产汽车模具大型球铁铸件时，要求辅助试样球化等级达到2 级，可以采取以下措施：

（1）选用优质炉料，减少炉料中的反球化元素;

（2）选用轻稀土和重稀土搭配使用，充分利用两种球化剂的优点，解决了大断面球铁件球化衰退和石墨畸变的问题，提升了球化级别;

（3）采用一次孕育和瞬时孕育相结合的方式，提高孕育能力，增加单位面积石墨球数，延长有效孕育时间，减少衰退；

（4）严格规范球化处理工艺，控制过程参数，保证生产的稳定性。

[1]Shannon Kruse.wind’s cast group [J].MODERN CASTING,2006(9):25-29.

[2]陈子华.厚大球墨铸铁件生产技术[J].现代铸铁，2009（2）.

[3]姜志超.球墨铸铁铸造新工艺新技术与产品质量缺陷控制[M].北京:北方工业出版社,2006.