铸态高铁素体球墨铸铁含硅量的探讨

陈世刚

1.问题的提出

铁素体球墨铸铁现在几乎在所有的铸铁厂都有生产，尤其是生产汽车零部件的铸造生产企业更是普及。众所周知，汽车零部件属安保件，由于伸长率优异的铁素体球墨铸铁其抗冲击性能一般比珠光体球墨铸铁高，所以在硫磷含量合格、球化孕育良好的条件下，一般皆采用降低含锰量、提高含硅量的方法，试图使基体达100%铁素体来解决问题。由于铸态获得铁素体需充分石墨化，而稀土有反石墨化的作用，因此不少厂家采用3-7REMg低稀土球化剂的措施。但存在的突出问题是冲击值不理想，且伸长率难以稳定地满足QT450-10的要求。其原因被认为是含硅量高。通常认为终硅量超过3.0%（质量分数）时，由于硅导致脆性反而使韧性降低。

为了进一步提高铸态韧性，我们对包括残余稀土量在内的化学成分、特别对适宜的含硅量进行探讨。经过半年多的生产实践，我公司生产的铸态高铁素体球墨铸铁，标准楔形试块的铸态性能已达到伸长率17%～21%，冲击韧度100～165J／cm2的水平。

2.生产过程

（1）生产条件及工艺 熔化设备为0.5t/h中频感应电炉，采用600kg、30kg浇包。配料比为：本溪Q10、Q12生铁60%～70%、废钢30%～40%。出铁温度为1600～1620℃。

球化剂用包头生产的T-1稀土镁硅铁合金，加入量为1.3%～1.6%。孕育剂为75SiFe，加入量为0.8%～1.5%，粒度≤5mm。关键在于炉前处理技术，只要按炉况正确掌握，反应时不发生球化剂漂浮，若能做到吸收量高，反应完至浇注完的时间缩短，则对含硅量的限制可放宽，所得球墨铸铁的铸态铁素体含量也较高（≥95%）。球化处理采用包底冲入法，用珍珠岩及重铸铁末（厚30mm左右）、硅铁孕育剂捣实覆盖，反应后迅速扒渣，将渣扒净后浮硅处理。

（2）化学成分的选择 国内外对铸态铁素体球墨铸铁低硫、低磷、低锰的研究已有定论，因此试制方案选择wMn≤0.3%、wP≤0.07%、wS终≤0.02%。

考虑到石墨球的圆整度及尺寸大小主要与球化孕育效果有关，只要孕育方法得当、孕育充分且无衰退就不必采用提高碳含量的措施来改善的方法了。这样，低碳将使石墨间距增大，利于韧性的提高。为此，根据在具体的熔炼和铸造条件下切实可行的原则，保证CE=4.6%～4.7%，确定较低的含碳量范围，选择wC＝3.1%～3.6%（随着终硅量增高，含碳量由高限下降到低限附近）。

国内外在稀土和镁残留量上选择的差别很大，且国内普遍采用低稀土残留量。根据我厂的经验，在前述的生产条件下选择wRE＝0.04%～0.07%，wMg＝0.025%～0.050%。

鉴于终硅量过低或过高都会使韧性下降，试制方案选择了较大的幅度，幅度中值的高低是根据除硅以外其他元素含量范围，使其能在铸态下获得95%以上铁素体且有较好的铸造性能而定，因而选择wSi＝2.9%～3.6%。在试制过程中，当硅含量增至3.6%时，已确认冲击韧度降至低限，因此本试验选择wSi＝2.9%～3.6%，取4个档次实测的终硅量值分别为2.95%、3.20%、3.50%、3.60%。

（3）试验结果与分析 试验的全部检测（力学性能、金相组织、化学成分）由试验室抽样检验，结果见表1。

通过数据统计分析列出表2的数据规律，冲击韧度的峰值在wSi=3.13%左右。

结果表明，在wSi≤3.13%时增大终硅量能在前述的生产条件下提高冲击韧度。但当终硅量wSi＞3.13%时，情况相反，特别是wSi高于3.4%时，增硅将使冲击韧度下降。当wSi＝2.9%～3.4%时能使铸态球墨铸铁的冲击韧度超过130J/cm2，是较适宜的终硅量控制范围。

试验所得数据误差较大，反映在不同炉次（或包次）含硅量相同试样的冲击韧度的波动上，这表明生产条件下的试验数据波动大。

3.结语

表1 试验室检测结果

表2 由含硅量变化造成的冲击韧度的变化

（1）在本试验和生产条件下，铸态高铁素体球墨铸铁较适宜的化学成分是；wC＝3.10%～3.6%、wSi＝2.9%～3.4%、wMn≤0.3%、wP≤0.07%、wS≤0.02%、wRE＝0.04%～0.07%、wMg＝0.025%～0.050%。其冲击韧度在130J/cm2以上，伸长率为17%～21%，抗拉强度为465～545MPa。球化级别3级以上，铁素体含量均≥95%，没有反白口出现，利于数控机床加工，减少刀具磨损。

（2）当终硅量wSi在3.13%左右时，冲击韧度达极大值，支架类产品没有出现拉筋断裂现象。

（3）需注意的是，在设计浇注系统时，注意补缩，防止缩松缺陷的产生，最好应用均衡凝固理论设计浇注系统。20140316