铸态高强度球墨铸铁的生产工艺分析
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【摘要】 分析了采用中频炉熔炼生产QT500-7球墨铸铁件的工艺过程。讨论了如何合理控制铁水成分、选择合适球化处理方法，生产出符合标准要求的合格铸件。
球墨铸铁自1947年问世以来，以其优良的性能，在很多领域可以替代铸钢，所以在机械制造行业被广泛应用。球铁优良的性能与其石墨形态关系密切，球形的石墨改善其对基体的割裂作用，使其具有高力学性能的同时还具有较好的耐磨性、减震性等优点。
球墨铸铁按其基体组织的不同分为铁素体基、铁素体一珠光体基和珠光体基球墨铸铁。球铁的强度、硬度随着珠光体含量增加而提高，塑性和韧性则往往会下降。本文通过对石墨形态和基体组织的控制，通过试验结果分析高强度QT500-7球墨铸铁的生产工艺。
一、性能要求
QT500-7球墨铸铁的力学性能要求：抗拉强度≥500Mpa，屈服强度≥320Mpa，伸长率≥7%，布氏硬度170-230HB。
二、化学成分的选择
从性能要求来看，既要保证有较高的抗拉强度，同时还要保持断后伸长率达到较高的水平，成分的合理选择是关键。我们主要考虑以下几种元素。
1、碳。碳是促进石墨化元素。碳的含量不但影响石墨的形态、数量，还会影响铁液的铸造性能，同时增加碳会增加铁素体，使强度下降。所以在保证有足够数量的石墨球的情况下，含碳量不宜过高，可以选择在3.6%～3.8%之间。
2、硅。硅是促进石墨化和稳定铁素体元素。增加硅可以增加铁素体含量，因而降低强度、硬度，同时提高塑性。从QT500-7性能来看，需要保证有足够的珠光体，同时还有一定量的铁素体才能满足要求。故硅的质量分数控制在2.5%～2.6%。
3、锰。锰是稳定和细化珠光体元素。锰对珠光体的促进作用是有限的，加入过多会增加碳化物、白口层，反而使力学性能下降。因此，锰不能作为增加珠光体的主要元素，可以控制在0.3%～0.4%。
4、硫和磷。硫和磷会引起脆性增加，过多会显著影响断后伸长率。硫、磷含量要控制在0.03%以下。如果硫含量过高可以脱硫处理，磷只能通过原材料的成分控制。
5、镁。镁是球化元素，铁液中必须保留一定的残留量才能保证良好的球化效果。同时镁含量不能过多，过多会影响石墨形态和产生白口，一般会将镁控制在0.45%～0.55%之间。
6、铜。铜不但对石墨化有利，还会细化稳定珠光体，抑制铁素体。铜含量增加会提高强度，而不会对伸长率有太多影响。铜的含量可以选择在0.2%～0.25%的范围。
三、原材料的选择
3.1 炉料的选择
生铁选用球墨铸铁专用Q10生铁，废钢选用纯净低锰碳素钢，增碳剂选用含硫≤0.15%、灰分≤2%高碳石墨电极。
3.2 球化剂和孕育剂选用
球化剂的选择与铁液和铁液的含硫量有关，同时还要考虑衰退情况，中频炉熔炼容易球化衰退和产生白口，可以选择稀土球化剂。硅钡孕育剂有较强的抗衰退能力，并促进石墨化，增加石墨球数量，抑制渗碳体和磷共晶的生成，同时有脱氧脱氮，巩固球化剂的作用，故考虑选用硅贝孕育剂。
四、球化孕育处理
采用堤坝式球铁包进行球化处理。球化剂加入球铁包堤坝一侧，采用铁液质量0.2%的硅钡孕育剂覆盖。按比例要求加入电解铜。球化处理采用冲入法处理，处理时铁液分两次出水，先倒入质量的三分之二，等到球化反应充分后再倒入另外的三分之一，同时冲入铁液质量0.6%的硅钡孕育剂。
浇注是为了防止孕育衰退，采用随流孕育，孕育比例质量分数为0.2%。这样石墨球个数才会越多，球径越小、越圆整，分布越均匀，低温冲击韧性才会有保障。为防止衰退，从球化起爆开始到浇注的时间应控制在15min之内。
五、试验结果
采用中频炉熔炼，浇注Y型单铸试块进行力学性能分析，试样1抗拉强度535Mpa，屈服强度345Mpa，伸长率11-5，硬度184HB；试样2抗拉强度505Mpa，屈服强度325Mpa，伸长率13.5，硬度171HB；试样3抗拉强度560Mpa，屈服强度350Mpa，伸长率11，硬度189HB。从实验结果来看三个试样均达到标准性能要求。
六、结语
（1）球铁生产要严格控制化学成分，碳、硅、锰和铜含量符合工艺要求，降低磷和硫的含量。保证铁素体―珠光体基组织的合理比例。（2）严格控制球化和孕育处理过程，保证石墨形态。（3）按工艺要求控制生产过程，试样性能完全符合QT500-7的性能要求即合格。