球墨鑄件球化不良、石墨漂浮和夾渣的金相缺陷分析在球鐵生產(chǎn)中，往往因處理工藝及原材料等原因，會(huì)使鑄件產(chǎn)生各種缺陷，從而影響鑄件的內(nèi)在質(zhì)量，降低鑄件的力學(xué)性能。筆者就多年來在球鐵金相分析中所觀察到的球化不良、石墨漂浮和夾渣三種缺陷作一分析，提出防止缺陷產(chǎn)生的辦法，以減少廢品，提高球墨鑄件合格率。2　球化不良(1)宏觀特征　球化不良表現(xiàn)在鑄件斷面上出現(xiàn)芝麻點(diǎn)的黑斑，愈接近鑄件中心，黑色斑點(diǎn)愈密集，隨著球化不良的嚴(yán)重程度增加，黑點(diǎn)的直徑也隨之增大，數(shù)量也在增加。(2)微觀特征　金相觀察為集中分布的厚片狀石墨，極少量的球狀石墨，且球狀石墨特別圓，見圖1。在厚片狀石墨周圍出現(xiàn)鐵素體組織，這種組織使球鐵的力學(xué)性能急劇下降。(3)原因分析　形成球化不良的主要原因是球化反應(yīng)時(shí)中間合金數(shù)量不夠所造成①合金加入量少;②球化劑數(shù)量合適，但鐵水中含硫量高;③鐵水被氧化致使鎂量燒損而造成球化劑含量不足等原因。(4)生產(chǎn)中防止球化不良應(yīng)采取的措施?、偾蚧瘎┮凶銐虻募尤肓?②在球化處理時(shí)，應(yīng)盡量防止鎂的燒損，提高球化劑吸收率;③嚴(yán)格控制原鐵水含硫量，應(yīng)選用低硫生鐵;④鐵水溫度應(yīng)控制在工藝要求范圍內(nèi)，鐵水溫度過高會(huì)產(chǎn)生球化劑燒損過多，溫度過低合金易“結(jié)死”，均會(huì)產(chǎn)生球化不良。3石墨漂浮(1)宏觀特征　石墨漂浮常出現(xiàn)于鑄件上表面、試塊邊緣及冒口底部，在斷口上表面出現(xiàn)一層界限明顯且平整的黑斑。(2)微觀特征　其石墨聚集，呈開花狀和枝荔狀，有的完全爆裂，見圖2。這種組織嚴(yán)重削弱了球鐵的力學(xué)性能，使材料的強(qiáng)韌性指標(biāo)明顯下降。(3)原因分析　產(chǎn)生石墨漂浮的主要原因?yàn)樘脊璁?dāng)量過高(碳當(dāng)量 4.55%)。當(dāng)碳硅當(dāng)量超過共晶成分，因澆鑄溫度高，鐵水在凝固前就析出石墨，若液態(tài)停留一段時(shí)間，此時(shí)石墨長大并聚集，由于石墨的密度遠(yuǎn)比鐵水輕，聚集石墨易上浮，有時(shí)夾雜物也被帶到鑄件的上表面，從而在鑄件上表面產(chǎn)生石墨漂浮;在同等條件下(碳當(dāng)量相同)，鑄件愈大，澆鑄溫度愈高，冷卻速度越慢，則鐵水在鑄型內(nèi)保持高溫液態(tài)時(shí)間長，石墨有足夠的上浮時(shí)間，因而石墨漂浮愈嚴(yán)重。(4)防止石墨漂浮應(yīng)采取的措施?、賴?yán)格控制碳硅當(dāng)量，碳不應(yīng)超過4%，硅不應(yīng)超過3%，厚大鑄件的碳硅量應(yīng)更低;②提高冷卻速度，在壁厚處放置冷鐵等;③加入少量強(qiáng)烈阻止石墨化的元素，如加入鉬可防止石墨漂浮;④嚴(yán)格控制稀土元素殘留量。4夾渣(1)宏觀特征　夾渣分布于球墨鑄件上表面及鑄件的死角處，夾渣在斷面上呈斷續(xù)的暗黑色區(qū)域或斑點(diǎn)，無金屬光澤。(2)微觀特征　有硫化物(MgS，F(xiàn)eS)及氧化物(MgO，SiO2，F(xiàn)eO，Al2O3)，在夾渣區(qū)除有球狀石墨外，還有類片狀石墨，見圖3。夾渣的出現(xiàn)大大的降低了球鐵的力學(xué)性能，特別是伸長率及沖擊韌性下降更明顯。(3)原因分析　鐵水中硫含量和殘余鎂量過高，加之澆鑄溫度過低，形成了夾渣缺陷。(4)防止產(chǎn)生夾渣的措施　可采用降低鐵水中硫含量(硫含量應(yīng)控制在0.03%～0.04%)及殘留鎂量≤0.05%;控制足夠的稀土量、提高澆鑄溫度(≥1300℃)，使熔渣易于上浮，減少夾渣;球化處理后須多次扒渣，以免非金屬夾渣物留在鐵水中造成夾渣。此外，在澆鑄時(shí)，減少鐵液在空氣中停留的時(shí)間，以免鐵液流在澆鑄時(shí)產(chǎn)生氧化而生成二次渣的機(jī)會(huì)。5結(jié)論對(duì)上述生產(chǎn)中出現(xiàn)的球化不良、石墨漂浮和夾渣三種球鐵金相缺陷，通過采取相應(yīng)地措施，控制各種缺陷的產(chǎn)生，減少廢品，提高了球墨鑄件的內(nèi)在質(zhì)量。球墨鑄鐵以其優(yōu)良的性能，在使用中有時(shí)可以代替昂貴的鑄鋼和鍛鋼，在機(jī)械制造工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。國際冶金行業(yè)過去一直認(rèn)為球墨鑄鐵是英國人于1947年發(fā)明的。西方某些學(xué)者甚至聲稱，沒有現(xiàn)代科技手段，發(fā)明球墨鑄鐵是不可想象的。1981年，我國球鐵專家采用現(xiàn)代科學(xué)手段，對(duì)出土的513件古漢魏鐵器進(jìn)行研究，通過大量的數(shù)據(jù)斷定漢代我國就出現(xiàn)了球狀石墨鑄鐵。有關(guān)論文在第18屆世界科技史大會(huì)上宣讀，轟動(dòng)了國際鑄造界和科技史界。國際冶金史專家于1987年對(duì)此進(jìn)行驗(yàn)證后認(rèn)為：古代中國已經(jīng)摸索到了用鑄鐵柔化術(shù)制造球墨鑄鐵的規(guī)律，這對(duì)世界冶金史作重新分期劃代具有重要意義。鑄鐵件在凝固和以后的冷卻過程中要發(fā)生體積收縮或膨脹，這種體積變化往往受到外界和鑄件各部分之間的約束而不能自由地進(jìn)行，于是便產(chǎn)生了鑄造應(yīng)力。如果產(chǎn)生應(yīng)力的原因消除后，鑄造應(yīng)力隨之消除，這種應(yīng)力叫做臨時(shí)鑄造應(yīng)力。如果產(chǎn)生應(yīng)力的原因消除后鑄造應(yīng)力仍然存在，這種應(yīng)力叫做鑄造殘留應(yīng)力。鑄件在凝固和隨后的冷卻過程中，由于壁厚不同，冷卻條件不同，其各部分的溫度和相變程度都會(huì)有所不同，因而造成鑄件各部分體積變化量不同。如果此時(shí)鑄造合金已經(jīng)處于彈性狀態(tài)，鑄件各部分之間便會(huì)產(chǎn)生相互制約。鑄造殘留應(yīng)力往往是這種由于溫度不同和相變程度不同而產(chǎn)生的應(yīng)力。研究表明，鑄造殘留應(yīng)力與鑄件冷卻過程中各部分的溫差及鑄造合金的彈性模量成正比。過去很長的時(shí)期里，人們認(rèn)為鑄造合金在冷卻過程中存在著彈塑性轉(zhuǎn)變溫度，并認(rèn)為鑄鐵的彈塑性轉(zhuǎn)變溫度為400℃左右?；谶@種認(rèn)識(shí)，去應(yīng)力退火的加熱溫度應(yīng)是400℃。但是，實(shí)踐證明這個(gè)加熱溫度并不理想。近期的研究表明，合金材料不存在彈塑性轉(zhuǎn)變溫度，即使處于固液共存狀態(tài)的合金仍具有彈性。為了正確選擇去應(yīng)力退火的加熱溫度，首先讓我們看看鑄鐵在冷卻過程中應(yīng)力的變化情況。圖1是用應(yīng)力框測(cè)定的灰鑄鐵冷卻過程中粗桿內(nèi)應(yīng)力的變化曲線。在a點(diǎn)前灰鑄鐵細(xì)桿已凝固完畢，粗桿處于共晶轉(zhuǎn)變期，粗桿石墨化所產(chǎn)生的膨脹受到細(xì)桿的阻礙，產(chǎn)生壓應(yīng)力，到達(dá)a點(diǎn)時(shí)，粗桿的共晶轉(zhuǎn)變結(jié)束，應(yīng)力達(dá)到極大值。從a點(diǎn)開始，粗桿冷卻速度超過細(xì)桿，二者溫差逐漸減小，應(yīng)力隨之減小，到達(dá)b點(diǎn)時(shí)應(yīng)力降為零。此后由于粗桿的線收縮仍然大于細(xì)桿，加上細(xì)桿進(jìn)入共析轉(zhuǎn)變后石墨析出引起的膨脹，粗桿中的應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力。到達(dá)c點(diǎn)時(shí)粗桿共析轉(zhuǎn)變開始，細(xì)桿共析轉(zhuǎn)變結(jié)束，兩桿溫差再次增大，粗桿受到的拉應(yīng)力減小。到達(dá)d點(diǎn)時(shí)，粗桿受到的拉應(yīng)力降為零，粗桿所受到的應(yīng)力又開始轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力。從e點(diǎn)開始，粗桿的冷卻速度再次大于細(xì)桿，兩桿的溫差再次減小，粗桿受到的壓應(yīng)力開始減小。到達(dá)f點(diǎn)時(shí)，應(yīng)力再度為零。此時(shí)兩桿仍然存在溫差，粗桿的收縮速度仍然大于細(xì)桿，在隨后的冷卻過程中，粗桿所受到的拉應(yīng)力繼續(xù)增大。從上述分析可以看出，灰鑄鐵在冷卻過程中有三次完全卸載（即應(yīng)力等于零）狀態(tài)。如果在其最后一次完全卸載（即f點(diǎn)）時(shí)，對(duì)鑄件保溫，消除兩桿的溫差，然后使其緩慢冷卻，就會(huì)使兩桿間的應(yīng)力降到最小。對(duì)灰鑄鐵冷卻過程中的應(yīng)力測(cè)定表明，灰鑄鐵最后一次完全卸載溫度在550～600℃。這與實(shí)際生產(chǎn)中灰鑄鐵的退火溫度相近。為了提高去應(yīng)力退火的實(shí)際效果，加熱溫度最好能達(dá)到鑄件最后一次完全卸載溫度。在低于最后一次完全卸載溫度時(shí)，加熱溫度越高，應(yīng)力消除越充分。但是，加熱溫度過高，會(huì)引起鑄件組織發(fā)生變化，從而影響鑄件的性能?；诣T鐵件，加熱溫度過高，會(huì)使共析滲碳體石墨化，使鑄件強(qiáng)度和硬度降低。對(duì)于白口鑄鐵件，加熱溫度過高，也會(huì)使共析滲碳體分解，使鑄件的硬度和耐磨性大幅度降低。普通灰鑄鐵去應(yīng)力退火的加熱溫度為550℃。當(dāng)鑄鐵中含有穩(wěn)定基體組織的合金元素時(shí)，可適當(dāng)提高去應(yīng)力退火溫度。低合金灰口鑄鐵為600℃，高合金灰口鑄鐵可提高到650℃。加熱速度一般為60～100℃/h。保溫時(shí)間可按以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：H＝鑄件厚度/25＋H"，式中鑄件厚度的單位是毫米，保溫時(shí)間的單位是小時(shí)，H"在2～8范圍里選擇。形狀復(fù)雜和要求充分消除應(yīng)力的鑄件應(yīng)取較大的H"值。隨爐冷卻速度應(yīng)控制在30℃/h以下，一般鑄件冷至150～200℃出爐，形狀復(fù)雜的鑄件冷至100℃出爐。表1為一些灰鑄鐵件的去應(yīng)力退火規(guī)范，供參考。網(wǎng)址:www.btjlx.comhttp://www.jlxzz.com/