摘要
針對一種斷面尺寸較大、壁厚較厚的QT400-15缸套鑄件，通過合理設計化學成分，采用球化和孕育工藝處理，使其組織均勻和性能達標。控制反球化作用因子K1在1附近，選用低稀土Lamet 6124球化劑。采用沖入法球化結合多次復合孕育的處理工藝，使石墨球更圓整、更細。其球化級別達到2級以上，石墨大小達6級左右，球化率和石墨大小都滿足性能要求。將珠光體區(qū)域和大斷面鑄件最后凝固區(qū)容易析出的碳化物和不規(guī)則形狀的石墨控制在了合理范圍之內。最終在大鑄件上多處取樣測試，滿足抗拉強度＞400MPa、伸長率＞15%的力學性能要求。
鑄件毛坯作為零部件機械加工的基礎，其質量水平直接決定了工業(yè)產品的質量，鑄件的組織和性能研究一直是材料研究的熱點。多年來我國鑄件產量一直位居世界第一，為我國經濟和工業(yè)的發(fā)展打下了堅實的基礎。隨著世界范圍內工業(yè)進程的不斷加快，新材料不斷涌現(xiàn)，鑄造工藝水平不斷進步，對鑄件產品的質量要求也越來越高。球墨鑄鐵由于石墨呈球狀，其對金屬基體的割裂作用小，表現(xiàn)出優(yōu)異的力學性能，又因為密度比鋼小、成本較低等優(yōu)點，自20世紀40年代問世以來，迅速在機械制造業(yè)、礦山冶金業(yè)、石油化工和汽車交通運輸?shù)刃袠I(yè)得到了廣泛的應用。近年來在大型結構件、液壓件和風電設備等方面的應用也獲得快速發(fā)展。球墨鑄鐵的牌號也越來越多，有QT-400、QT-500、QT-600、QT-700等，但隨著抗拉強度的提升，基體組織中的珠光體含量增高，其伸長率不斷下降，加工性能較QT400-15變差。
QT400-15具有較高的強度，優(yōu)異的伸長率，以綜合的強韌性表現(xiàn)在發(fā)動機零部件如缸套、凸輪軸上得以廣泛應用。企業(yè)生產的缸套鑄件毛坯外徑450mm，壁厚90mm，質量接近0.3t，屬于具有較為厚大斷面的球墨鑄鐵件。厚壁鑄件的生產由于鑄件冷卻和凝固的時間長，可能產生球化衰退和孕育衰退的現(xiàn)象，導致石墨形態(tài)出現(xiàn)開花、粗大、碎片狀等異常形態(tài)，這些組織形貌的變化會進一步影響鑄件的力學性能，因此需要對鑄造工藝嚴格控制，以期達到理想的組織形態(tài)。本文重點從化學成分控制、球化和孕育處理工藝三個方面進行研究。
1 成分控制
1.1 基本元素
球墨鑄鐵生產中化學成分的控制非常重要，主元素是球墨鑄鐵化學成分中必不可少或無法完全消除的元素，包含F(xiàn)e、C、Si、Mn、P、S，在成分設計時應考慮其作用，進行合理的選擇設計。
鐵液中含C量高能增加石墨球數(shù)量，促進石墨化和球墨化，碳當量選在共晶點附近能提高澆注時液體的流動性，同時共晶石墨化膨脹量大于液態(tài)收縮量，有利于鑄件補縮并降低白口傾向。但是在具有厚大斷面的鑄件中，含量過高的石墨容易產生石墨漂浮，在鑄件上端產生夾雜缺陷，因此在保證完全球化的前提下，含量以不出現(xiàn)石墨漂浮體和白口為宜。C含量一般控制在3.8%~4.1%。
球墨鑄鐵根據(jù)需要可以選擇高Si或低Si含量。根據(jù)Fe-C-Si三元合金相圖，在穩(wěn)態(tài)凝固不析出Fe3C時，2%~3%的Si會促進石墨析出，減少滲碳體的析出，強烈促進石墨化，提高鐵素體的含量，在保證有反石墨化元素含量低的前提條件下，常規(guī)含2.3%~2.7%的Si能形成全鐵素體球鐵。關于Si在球墨鑄鐵中固溶到鐵素體中起到固溶強化作用的研究顯示，Si含量過低會影響合金強度，3.7%~3.8%的Si能有效提高全鐵素體球鐵的抗拉強度。含量過高則容易形成異形石墨，超過4.5%時，其伸長率急劇下降，鑄件脆性增大，Si含量一般控制在2.2%~2.6%。
一般認為Mn作為合金化元素能夠提高合金的強度，研究顯示，每增加0.1%的Mn含量，球鐵的屈服強度增加7.4 MPa，對抗拉強度影響很小，而對伸長率的影響較大，是同量Si影響的6倍。Mn在球鐵中可以促進珠光體的形成，因為其可降低奧氏體向珠光體的轉變溫度，低水平的Mn不會導致珠光體析出，但有嚴重的正偏析傾向，容易在晶界上以碳化錳的形式析出，從而使組織脆化。Mn的影響還經常取決于P和其他有害元素的水平，但QT400-15中一般要保證生鐵中含Mn量小于0.3%，甚至0.2%。
P是鑄鐵中公認的有害元素，在球墨鑄鐵中同樣如此。P在鐵液中有一定的溶解度，超過溶解度會偏析形成二元或三元磷共晶。在大斷面鑄件的生產中，隨著鑄件壁厚的增加，在壁厚熱節(jié)部位容易出現(xiàn)磷共晶。應盡可能去除，控制在0.05%以下。
S一般認為是鑄鐵中的有害元素，一方面以FeS的形式溶解于鐵液中，能降低C在鐵液中的溶解度。一方面屬于表面活性物質，能吸附在石墨晶核表面，阻礙C原子由鐵液中向晶核表面擴散，進而阻礙石墨化。當S以（FeMn）S的形式存在于晶界處會降低球鐵的力學性能。但在球墨鑄鐵的球化進程中又不可或缺，S能促進石墨形核與成長，有利于石墨球化。S含量不足將會大幅度降低核心的數(shù)目，促進碳化物析出。為保證球化效果而不惡化組織，S含量應控制在0.015%~0.02%以下。
1.2 干擾元素
1.2.1 反球化元素
Bi、Ti、As、Sn、Pb、Al、Sb能促進片狀、蠕蟲狀和其他不規(guī)則形狀石墨的形成，抑制球狀石墨的生成，從而破壞球化，稱為反球化元素。反球化元素達到一定含量就會阻礙石墨的球化。這些元素有表面活性很高的共同特點，凝固過程中容易偏析在石墨/鐵液和石墨/固相的界面處。
1.2.2 化合物生成元素
Sn、Pb、Bi是珠光體形成的促進元素，Cr、V、Mo、Ti、B是碳化物形成的促進元素，這些元素都是正偏析元素，容易偏析于最后凝固區(qū)，形成晶間碳化物和夾雜物，從而影響合金的組織和性能。當多種元素存在時，往往還存在疊加效應，對石墨形態(tài)影響更強烈。這些干擾元素一方面在球化時，與Mg和稀土（RE）反應形成化合物，消耗球化劑，一方面這些元素在奧氏體中的平衡分配系數(shù)通常非常小，凝固期間，這些元素會在共晶團邊界偏析。且能增加C在鐵液中的活度，使其不形成球形，而趨向形成碎塊狀或厚片狀等有害形狀，平衡分配系數(shù)越小，其破壞作用越強。
1.3 球化元素
（1）鎂元素。Mg是球墨鑄鐵生產過程中的必需元素，直接影響石墨的形態(tài)，可對鐵液中的石墨進行球化，為了得到圓整的石墨球，一般將Mg控制在0.045%~0.065%。為保證石墨的球化，殘余Mg不低于0.03%。
（2）RE。Mg作為球化劑的缺點是沸點比鐵液溫度低，加入后會沸騰甚至引起爆炸，安全性差，對反球化元素的抵抗能力低。RE的沸點高（約1400℃），可以中和Ti、Pb、Sb、Bi、As、P等有害元素對鎂球化石墨時的破壞作用，減少夾渣、縮松等缺陷。
為保證球化，Mg和RE要有一定的殘留量，在有RE的情況下，Mg可控制在0.03%~0.05%，RE的殘留量應低于Mg。隨著RE殘留量的增加，S的殘留量明顯下降，珠光體含量上升。
球化元素由球化劑的添加引入，球化處理和孕育處理與球鐵的組織形成、缺陷分布、性能表現(xiàn)都有著密切的關系。
2 熔煉工藝
2.1 球化處理
原材料熔煉選用含Mn、P、S含量較低的高純生鐵和合金元素含量較低的碳鋼，采用中頻感應加熱，熔煉過程保證熔化速度快，避免長時間加熱對金屬液的氧化。
選用目前應用最廣泛的球化劑Lamet 6124，在此合金的基礎上添加適量的Ca、Ba等元素，Ca也能起到有效的球化作用，Ba跟Mn較為容易生成硫化物，具有很強的脫S、脫O能力，BaS在凝固過程中可以成為有效的石墨形核核心，含Ba的球化劑可以增加石墨數(shù)量，減小鑄鐵的白口傾向。球化劑具體成分見表1，是一種低稀土球化劑。
球化過程中要保證球化效果，一方面要降低S、O和干擾元素的含量，避免球化劑的過度消耗，一方面要在保證球化效果的基礎上降低Mg和RE的含量，因為過量的Mg會促使碳化物形成，過量的稀土殘留會使珠光體的含量上升。 沖入法因其設備簡單，操作方便，是目前各類球墨鑄鐵件應用最普遍和廣泛的方法。采用沖入法進行球化處理，球化劑放置在包內凹坑，粒度3~20 mm，加入量為1%~1.1%。球化每包處理300kg鐵液，澆注1件。控制球化溫度在1500~1520℃。
球化劑中的Mg密度小，生成的MgS密度低，可上浮至鐵液表面，但其穩(wěn)定性差，容易與O反應，生成MgO，釋放的S又回到鐵液中生成MgS，這種反應不斷發(fā)生對Mg的消耗大，造成球化衰退。球化處理后應將浮渣扒干凈并盡快澆注。本鑄件球化后在5min之內澆注完成?？焖偕郎刂脸鰻t溫度后，扒渣去掉氧化皮等浮渣，控制鐵液出爐溫度1500~1520℃，澆注溫度1360~1400℃。采用水冷金屬型離心鑄造法生產缸套毛坯，單工位離心澆注機澆注，澆注機轉速1500~1600r/min?？刂瞥鲨F液的速度，先快后慢，將液體金屬注入高速旋轉的鑄型內，金屬液做離心運動充滿鑄型，形成鑄件。
2.2 孕育處理
盡管球墨鑄鐵的C含量高于灰鑄鐵，但仍有較大的白口傾向，需要在球化后進行必要的孕育處理進行消除白口傾向。孕育處理可以增加石墨的形核核心，從而促進石墨的球化，細化球狀石墨。通過細化共晶團，減小晶間偏析，改善合金的力學性能。
孕育處理在鐵液溫度1480~1530℃下進行，在此高溫下氧化夾渣少，澆注溫度選擇余地大。孕育效果通常在剛加入時最大，隨后即發(fā)生衰退，5min后孕育效果會減小50%，因此盡可能縮短孕育到凝固的時間。
孕育劑添加過多會導致缺陷；另一方面，球化處理使O和S大幅度降低，而O和S能促進石墨形核與成長，O和S含量不足會大幅度降低核心的數(shù)目，促進碳化物的析出，孕育時還要考慮補充適量的S，是通過含S和O的孕育劑作為隨流孕育劑加入、加入量0.05%~0.1%，在澆注前將隨孕育劑倒入澆注機孕育斗倉內，澆注時澆注機將隨鐵液沖入型腔完成最后一次孕育。
孕育劑的添加不能一次過多，也不能過少，因此采用包內孕育和隨流孕育結合的方式。包內選用CaBaSi孕育劑進行孕育處理，將CaBaSi孕育劑和矽鋼片加入包內，覆蓋在球化劑上，粒度為1~3mm，加入量為0.5%~1.1%，控制上限，防止出現(xiàn)過孕育。CaBaSi孕育劑進行前期孕育處理，能對鐵液進行有效的脫氧，減少O與球化劑中加入的Ca的化合，為Ca與C結合為CaC2發(fā)揮形核核心的作用打下基礎，從而提升球化效果。
第二次在澆注時進行隨流孕育處理， 選用加入粒度為0.2~0.7mm的硫氧孕育劑，加入量為0.05%~0.1%，粒度更小的孕育劑的加入能夠促進異質相的形成，提高石墨的形核率，增加石墨球數(shù)量，既能保證石墨球數(shù)，又能細化鐵素體。隨流硫氧孕育劑中微量的Bi元素，Bi同樣能夠促進石墨的形核且對石墨進行細化，同時可以促進鐵素體的形成，也可以防止和減少異常形態(tài)石墨的產生。
硫氧孕育劑具體成分見表2。
表2 硫氧孕育劑的主要化學成分
沖入法球化結合復合孕育工藝，能夠促使石墨球更細、更圓整，提高其球化等級和單位面積石墨球數(shù)，有助于提升鑄件質量。3 鑄件分析3.1 成分與組織形貌對實際生產后的缸套鑄件不同部位進行切樣分析，最終得到的鑄件主要化學成分范圍見表3，試驗時球化處理前、后的化學成分分別見表4。
表3 鑄件的主要化學成分
在缸套近外圓面處、中間處和近內圓面處分別進行金相觀察，其組織形貌見圖1。由圖1可見，其無論在近內圓面處、中間處，還是近外圓面處，石墨球化效果都較好，石墨大小達到6級，球化等級達到1~2級，鐵素體總體含量大于90%。
表4 原鐵液及球化后鐵液主要化學成分
圖1 缸套近外圓面處（a、d）、中間處（b、e）和近內圓面處（c、f）的組織形貌
Thielemann為了評估干擾元素對石墨形態(tài)的影響，提出評估因子K1，用來計算化學成分對形成形態(tài)良好的石墨球的影響。K1計算公式如下：Thielemann指出當K1=1±0.0625時，可以獲得超過85%的球狀石墨的球墨鑄鐵，這個因子也通常被稱為反球化作用因子。將本鑄件合金最終成分帶入公式1，得到其范圍為1.0098~1.0164，可見完全滿足可以形成良好球狀石墨的條件。
3.2 組織分析
宏觀上，鑄件中間偏外圓面處出現(xiàn)反白口傾向，如圖1b圓圈標定出所示，組織中部分區(qū)域石墨球含量較少，析出少量碎片狀石墨，并伴有部分不規(guī)則組織，見圖1e箭頭所示。分析其成因，鑄件壁厚和質量較大，凝固時間長，因為離心工藝生產厚壁缸套的凝固特點，中心偏外圓處的最后凝固區(qū)容易出現(xiàn)孕育衰退的現(xiàn)象，反石墨化元素會富集在最后凝固區(qū)，為反偏析元素，這些白口化元素與碳的親和力大于鐵，產生反白口傾向。
進一步用掃描電鏡對不規(guī)則組織區(qū)域進行分析，如圖2所示，區(qū)域1黑色析出物為不規(guī)則形狀的石墨，區(qū)域2白色長條狀組織為滲碳體（Fe3C），板條狀的Fe3C和鐵素體組成了珠光體，珠光體片間距約0.5μm，珠光體的析出呈連續(xù)狀，碎片狀石墨通常分布在這些局部出現(xiàn)的珠光體組織內。鐵素體和珠光體的比例對鑄件局部冷卻速度非常敏感，最初基體為奧氏體，冷卻過程中臨近石墨球的奧氏體首先發(fā)生奧氏體到鐵素體的相變，而鐵素體的含碳量遠低于奧氏體，碳原子從鐵素體中向石墨球擴散，隨著距離的增加，擴散速度會急劇減小。當一旦開始形成珠光體，因為珠光體中鐵素體和滲碳體呈層片狀排列，碳的擴散距離很短，因此珠光體的生長非常迅速，通常為連續(xù)的組織。后續(xù)可通過短時高溫熱處理后連續(xù)冷卻，消除珠光體，保證鐵素體含量100%。
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圖2 鑄件中心區(qū)域的不規(guī)則組織
組織中出現(xiàn)了珠光體，珠光體影響因子計算公式如下：
Px=3.0（%Mn）-2.65（%Si-2.0）+7.75（%Cu）+90（%Sn）+357（%Pb）+333（%Bi）+20.1（%As）+9.60（%Cr）+71.7（%Sb） （2）
Px用來表征各元素促進珠光體和碳化物形成的趨勢，值越大，越趨向于形成珠光體和碳化物，也通常用來表示球墨鑄鐵的純凈度，Px>2時，會出現(xiàn)明顯的珠光體組織，Px越低，球墨鑄鐵純凈度越高，計算獲得本鑄件Px=0.94~1.70，形成珠光體和碳化物的趨勢較小，因此只在局部區(qū)域出現(xiàn)滲碳體和珠光體組織。
表5 鑄件組織特征與力學性能
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從表5可見，在力學性能上，在近外圓面處，軟鐵素體基體提供了較低強度與高延展性的結合，抗拉強度和伸長率都達到QT400-15的性能要求。在近內圓面處，出現(xiàn)局部珠光體，鐵素體-珠光體的共有態(tài)較全鐵素體強度上有所上升，伸長率有所下降。而在鑄件中間處，有反白口的趨勢，出現(xiàn)部分滲碳體、珠光體混雜不規(guī)則的碎片狀石墨，但其總量控制在合理范圍內，仍能保證達到性能要求。
研究發(fā)現(xiàn)，Mn和P的含量、鐵液的冶金質量、球化劑加入量、孕育效率、反球化因子K1和珠光體影響因子Px對球墨鑄鐵QT400的性能有重要影響，獲得完全鐵素體鑄態(tài)組織的條件需要P<0.03%，Mn<0.2%，Px<2.0。在Px>2.0時，即使P、Mn的含量都低，仍能形成一定量的珠光體，其組織可以通過短時間的退火處理消除。低P、低Px可以允許較高的含Mn量，Px較小的情況下（Px<2），即使具有較高的含P（0.04%~0.06%）量和含Mn（0.25%~0.35%）量，QT400仍能獲得達標的性能，這在本成分的鑄件。中進一步得到驗證。
4 結論
（1）通過合理設計化學成分，選用低稀土Lamet6124專用球化劑，采用沖入法球化結合包內CaBaSi孕育劑和硫氧隨流孕育劑多次復合孕育的處理工藝，可以獲得金相組織和生產力學性能完全達到要求的QT400-15的鑄態(tài)厚壁缸套類球墨鑄鐵件。
（2）采用CaBaSi孕育劑和硫氧孕育劑多次復合孕育工藝，可以促使石墨球更圓整、更細，其球化級別達到2級以上，石墨大小達6級左右，球化率和石墨大小均滿足性能要求。
（3）大斷面鑄件在最后凝固區(qū)域有反白口傾向，局部區(qū)域出現(xiàn)滲碳體和珠光體組織，部分不規(guī)則石墨從中析出，后續(xù)可進一步熱處理進行改善。
