解決大型球墨鑄鐵件特有問題的途徑

 強化冷卻以加速凝固

 關于碎塊狀石墨的成因普遍較易接受的說法有二：一是球狀石墨破碎而引起；二是由于熱流或某些合金元素特別是Ce 和La 的偏析造成奧氏體外殼的穩定性降低，導致球墨的生長模式改變而形成。不管哪種理論或說法，可以肯定的是，共晶階段凝固時間太長（即緩慢冷卻）是形成碎塊狀石墨的直接和客觀因素。因此不管采取什么方法，只要能縮短凝固階段的時間，都可有效地阻止碎塊狀石墨的出現。也有文獻指出，球墨畸變有一個臨界冷卻速度（0.8 ℃/min）[1]。石墨畸變有時是一個突變過程，因此加速冷卻，縮短凝固時間，特別是縮短共晶階段的凝固時間，想方設法使共晶凝固階段縮短至2 h 以內是有顯著效果的。圍繞這個原則有不少措施：強制冷卻；金屬型掛砂；使用冷鐵等等。

 冷鐵的導熱率大，特別是蓄熱能力強，是被廣泛認為可以應用的有力措施。石墨的導熱率高于掛砂冷鐵（分別為45W/m?℃及17 W/m?℃），但它的蓄熱能力比冷鐵小，假如有強制冷卻的條件，則用石墨是比較合適的。對于大型或特大型球墨鑄鐵件，進行強制冷卻仍不失為一種有力的措施。一般可采用風冷、霧冷或水冷裝置，甚至可采用液氮冷卻方式加速鑄件的凝固速度。有數據表明，20 t 級球墨鑄鐵乏料容器鑄件凝固時，其傳熱效果為：金屬型吸熱占58%、石墨及砂型（型芯部分）吸熱占3.5%、砂型及其它裝置部分吸熱占3.5%、水冷導熱占3.5%。由此可見，金屬型可使鑄件50%以上的熱量傳導出去，而型芯部分傳熱很少，顯然強制冷卻是必要的。

 改進工藝技術

（1）精心選擇原材料 為了生產出優質大型球墨鑄鐵件，無論怎樣精選爐料都是值得的。原料的干擾元素應盡可能低，特別要注意的是生鐵來源、廢鋼品種、增碳劑的選用。

（2）化學成分設計 CE 不能過高（4.2%～4.3%），如w（C）選3.6%～ 3.7% ，w（Si）則必須低至1.8% ～2.0% ；另外，w（Mn）＜0.3%，w（P）、w（S）也要嚴格限制。除殊殊情況外，一般不用合金，因而必須嚴格挑選廢鋼。

w（Si）低是必須做到的，否則易出現碎塊狀石墨，低溫性能也會達不到要求，問題就出在又要w（Si）低，又要不出現因w（Si）低而產生的弊病。日本百噸級乏燃料容器成分為：w（C） 3.6%，w（Si） 2.01%，w（Mn） 0.27%，w（P） 0.025%，w（S） 0.004%，w（Ni） 0.78%，w（Mg） 0.065%。

（3）選擇雙聯熔煉雙聯熔煉能充分發揮沖天爐鐵液成核能力強、電爐熱效率高的特點。鐵液必須高溫出爐，有條件時可脫S，在電爐內的時間不要太長。根據情況決定球化溫度，不能太高亦不能太低。筆者主張大型件球化處理不要用沖入法，因為時間太長。至少用蓋包法，最好用特色法或喂絲法，在固定地方喂絲，甚至可連同喂孕育絲。球化劑千萬不要用常用的，最好重稀土球化劑和輕稀土球化劑混合使用。如采用沖入法，球化劑中w（Mg） 6%，w（RE） 1.0%～ 1.5%就可以了；如生鐵較純，w（RE） 0.5％～1.0％亦可。如采用喂絲法，可用高w（Mg）量的球化劑，但w（RE）要低，稍含些Ca 即可。

     澆注溫度要合適（1300～1350 ℃），不要太高，否則液態收縮太大；宜采用分散內澆道中速澆注，盡可能用高剛度鑄型以充分利用石墨化膨脹進行球墨鑄鐵的自補縮，減輕冒口負擔，確保鑄件內部致密。

 （4）注意孕育問題孕育是最主要的工藝技術措施之一，只有解決好這個問題，才有可能既保證低w（Si）量又不出現問題，也才能保證低溫性能過關。而孕育問題無非是孕育劑及孕育處理方法的選擇。可以選擇孕育作用時間長的孕育劑，如含Ba 劑（含Sr 劑對灰鑄鐵更有效，而且Ca 要低）、含石墨的孕育劑或在孕育劑中適當地混些RESiFe。

目前，有不少企業都有自制孕育劑，我猜想遵循的都是這個原則。總之，孕育“要滯后，要瞬時”，不但效果好，而且劑量可大大減少。那種老的方法如處理時覆蓋，效果很差，但w（Si）倒是降低了。現在的問題是，要w（Si）低，又要效果好，出路只有改變方法。事實證明，w（Si）量2.0%是可以做到的，成功的標識是石墨要小，要多。小了就多，小了球化率就高，小了就不出滲碳體，小了偏析程度就輕。大件如能做到石墨球在200 個/mm2 或以上，大小5～6 級，球化率、鐵素體量自然不出問題。總之一句話，去和石墨斗爭，為爭取小而多的石墨努力，主要手段就是通過孕育處理。w（Si）低了，而且又沒有自由滲碳體，塑性及常溫、低溫沖擊韌度就很容易過關。對于大型鑄件來說，在澆杯中進行大塊孕育處理，以及澆道內放一塊孕育塊是輕而易舉的事，問題是必須有正確的理念。

合金及微量元素的利用

 在特大型球墨鑄鐵件中能考慮利用的合金元素只有Ni，因有其獨特的作用。從技術角度看，w（Ni）＜1%是有好處的，但用還是不用要根據具體情況、從經濟角度考慮決定。

微量元素在大件中有成熟使用經驗的是Bi 和Sb，認為加w（Bi） 0.008%～0.010%，使w（RE）/w （Bi）=1.4～1.5 的比例，對增加球數、降低出現碎塊狀石墨的危險性有利。Sb 亦可在厚大件中應用，有人認為會增加珠光體量，但有人卻在鐵素體球鐵中應用，可能是量的問題在作怪，用50 ppm 的量應該是沒有問題的。周繼揚教授曾指出，用w（Sb） 0.005%～0.007%還可抑制鐵液中有過量Ti 及RE 時的有害作用[2]。雖然業界對于加入Bi和Sb的作用與機理意見還不統一，但對于Ni的加入已經形成共識。

預處理作用很關鍵

  對球鐵原液在球化前用石墨性預處理劑進行預處理有提升和穩定鑄件質量的積極效果[3]。方法如下：

      調整成分后［預處理會使w（C）增加0.2%］→脫S→倒回電爐→1/4 量時加入0.2%～0.25%的預處理劑→全部倒回電爐后略升溫至1 470～1 480 ℃→球化處理→孕育處理（可用Ultraseed）→澆注。

 抗縮孔劑QKS 的使用

  發明者認為，球墨中心存在1 μm 的外來夾雜，成雙層核心；其內層為MgS、CaS（0.5 μm），外層為MgO、SiO 及硅酸鹽。因而發明者在孕育劑中加入一定量的O 及S，使之能與孕育劑中的金屬元素結合，產生更多的硫化物及氧化物，從而形成更多的石墨核心，這就產生了含Ca、Ce 及S、O 的硅鐵孕育劑。這種孕育劑能顯著增加石墨球數，而且在結晶后期析出，后期的石墨化膨脹能有效地抵消凝固后期的縮松。特別是對局部熱節部位的縮松更有效[4]。實驗指出：對于5～40 mm 的階梯試塊，用SrSiFe 時石墨球從300 個/mm2 減少到150 個/mm2；而用Ca-Ce-O-S 劑時，石墨球數量不受壁厚的影響。與BaSiFe和75SiFe 相比都是如此。在十字試塊熱節上的收縮缺陷表明，用含Ba、含Sr 孕育劑，斷面熱節處皆有縮孔，而用Ca-Ce-O-S 劑則沒有。