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[摘 要]本文主要探讨了QT500-7和QT450-10球铁阀门材质与生产工艺进行优化的问题。针对不同壁厚和结构来探索材质成分控制规律、原材料的成分要求、微量元素控制和铸造工艺。研究了不同壁厚的组织情况，包括球化率、石墨球大小、珠光体含量。通过比较不同部位的组织情况和两种牌号的组织及性能，探讨了组织随壁厚的变化规律，为球铁生产提供新的参考。
[关键词]球墨铸铁； QT500-7； 壁厚； 金相组织
中图分类号：S362 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）29-0165-02
20世纪30年代德国学者发现特定成分的铁碳合金可以形成石墨钢；1947年H.Morrogh發现在过共晶的灰铸铁铁液中，加入铈和其它稀土元素，并以Si-Mn-Zr合金孕育，当铈的质量分数大于0.02%时，形成球状石墨；1948年A.P.Gangnebin研究发现在铁液中加入镁，用硅铁孕育，当残留ω（Mg）≥0.04%时，得到球状石墨。从此，球墨铸铁进入大规模的工业生产。球墨铸铁在国民经济的众多领域具有重要应用，广泛应用于柴油机缸体、阀门、曲轴等零部件等产品。
1 试验方案
1.1 浇道截面设计
在QT500-7铸件的浇注系统上取不同壁厚铸件，不同壁厚的浇道截面如图1所示，单位mm。
1.2 化学成分确定
影响球铁组织及性能的化学元素主要包括五大元素、合金元素及一些微量元素，总的控制原则主要有[3]：（l） 五大元素按照“两高三低”原则；（2）通过改变Si的含量来改变球铁碳当量；（3）通过提高碳当量提高铸件的自补缩能力，特别是对于薄壁件；（4）铸件的壁厚小，碳当量取小值；铸件的壁厚大，碳当量则取大值；（5）考虑各种合金元素和微量元素对组织的影响。
1.3 球化、孕育和熔炼工艺
1.3.1 球化工艺
可作为球化剂的元素很多，以Mg和RE应用最广泛[6]。国外大多采用纯镁作球化剂，采用压力加Mg或转动包法（纯Mg）；国内由于RE资源丰富，大多使用稀土镁合金作球化剂，采用冲入法、密封流动法、压力加Mg法；也有采用喂丝球化工艺的。本试验采用的球化剂为稀土镁7-8、5-8，所用球化剂的粒度为5-20mm；加入量占铁水重量的1.2%-1.55%；球化方法为包底冲入法；加入前对球化包和浇包用铁水预热，冷铁水回炉升温后方可出铁球化，球化温度为1520℃-1540℃。
1.3.2 孕育工艺
孕育剂为FeSi75AI2.0，化学成分为Si：72%-80%、Mn：0.5%、Cr<0.5%，孕育方法为一次孕育和二次孕育，一次孕育粒度为3-8mm，二次孕育粒度为1-4mm。
1.3.3 熔炼工艺
在熔炼的过程中要严格控制好铁液的成分、球化剂和孕育剂的加入方法和加入量、以及出炉温度。具体熔炼工艺步骤如下：一是中频感应电炉中加热熔炼；二是球化和孕育处理，然后扒渣。控制好球化剂粒度、加入量，球化处理温度控制在1520℃-1540℃； 三是用直读光谱仪检测铁水成分，加硅铁覆盖剂；四是浇注力学性能试棒和铸件，浇注温度控制在1480℃左右，在20分钟内浇注完毕，以防球化衰退。
2 检测分析
2.1 化学成分
取球化、孕育处理后的铁液，浇注出工字型的小式样，用QSN750光谱仪检测其化学成分。经球化及孕育处理后的QT500-7化学成分如表1所示。
通过表1和表3可以看出：碳的含量基本没变；硅含量升高，一方面使碳当量升高，组织按照稳态共晶方式转变，特别是对于薄壁件；另一方面有利于获得铁素体基体，减小铁液在用镁处理时的结晶过冷和白口倾向，细化石墨，提高石墨圆整度；杂质元素硫和锰的含量降低，这是球化作用脱硫和除杂的结果。此外，孕育处理使镁的含量有所提高，Mg和RE是球化元素，同时又是脱硫、脱氧十分强烈的反石墨化元素，所以铁水中Mg和RE的含量不能过低，也不能过高。若残留量过低，会使球化不良，易产生衰退；过高虽能保证球化，但基体中易产生过多渗碳体，同时带来夹渣、气孔、缩松、白口等铸造缺陷，石墨形态恶化，力学性能降低[4]。
2.2 金相检测
对QT500-7的不同厚度的截面（如图2所示）和不同位置的金相组织进行检测。根据所拍的不同厚度截面的边缘和中心部位的金相图片，用石墨球化率评级专用软件测试石墨球化率、石墨直径大小和石墨含量；随后用3%硝酸酒精腐蚀截面观察统计珠光体和铁素体含量。为了提高信息的准确性和说明性，每个边缘和中心部位分别取不同位置，用石墨球化率评级专用软件测试，其测试结果取其平均值。统计结果如表2所示：
通过横向比较“石墨平均直径”可以看出，截面中部的石墨球要比截面边缘的石墨球稍微大些，这主要是由于边缘和中部的冷却速度不同，边缘的组织在冷却凝固的过程中过冷度要大些。而在球铁的共晶转变过程中，石墨析出使周围铁液贫碳，有利于析出奥氏体，然后碳通过奥氏体向石墨球扩散。过冷度过大，碳没有充分的时间从奥氏体向石墨球扩散，奥氏体外壳封闭快，石墨球长大受到限制。相反，浇道中部的组织在凝固的过程中，过冷度相对较小，碳有充分的时间从奥氏体向石墨球扩散，奥氏体外壳封闭的也慢，更利于石墨球的长大。
2.3 力学性能测试
力学性能测试用取自于“Y”型单铸试块，即从“Y”型试块的下部截取后加工成标准试样，使用微机控制电子万能试验机测球墨铸铁抗拉强度和延伸率，QT500-7标准式样标号为1、2，结果如表3：
从表3标准拉伸试样力学性能测试结果可以看出，该QT500-7铸件的抗拉强度和延伸率都达到该牌号的要求，延伸率更是超出标准的7%，主要是由于化学成分特别是Si含量较高和冷却工艺，促进软化相铁素体的生成，并具占有一定比例，在性能上表现为具有良好的塑性。其次可看出珠光体的含量也比通常牌号的经过热处理的球墨铸铁件的含量要少，只有15%-20%，这主要是因为合理控制化学元素的成分以及优化球化孕育处理等工艺，得到理想的铸态球墨铸铁。
3.结论
通过对比QT500-7和QT450-10研究得到：对于牌号越低的球铁，为获得更多的铁素体组基体织，Si含量要求越高；对于高牌号的球铁，可以通过增加Cu含量来稳定并细化珠光体组织，使强度增加。但是，本研究QT500-7和QT450-10两种球铁生产的差别主要在于Si和Cu含量的区别，而C含量相近，这在生产上不是很规范；应综合考虑碳当量，并结合Fe-C相图及相关合金、微量元素的作用进行成分和工艺上的调节，关于不同牌号球铁的生产控制有待进一步研究和探讨。
参考文献
[1] 龙文元，谭绍武，徐建辉.铸件壁厚对低温球墨铸铁组织和力学性能的影响[J].铸造技术，2015.36（6）：1507-1509.
[2] 陆文华.铸造合金及熔炼[M].北京：机械工业出版社.2000：52-74.
[关键词]球墨铸铁； QT500-7； 壁厚； 金相组织
中图分类号：S362 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）29-0165-02
20世纪30年代德国学者发现特定成分的铁碳合金可以形成石墨钢；1947年H.Morrogh發现在过共晶的灰铸铁铁液中，加入铈和其它稀土元素，并以Si-Mn-Zr合金孕育，当铈的质量分数大于0.02%时，形成球状石墨；1948年A.P.Gangnebin研究发现在铁液中加入镁，用硅铁孕育，当残留ω（Mg）≥0.04%时，得到球状石墨。从此，球墨铸铁进入大规模的工业生产。球墨铸铁在国民经济的众多领域具有重要应用，广泛应用于柴油机缸体、阀门、曲轴等零部件等产品。
1 试验方案
1.1 浇道截面设计
在QT500-7铸件的浇注系统上取不同壁厚铸件，不同壁厚的浇道截面如图1所示，单位mm。
1.2 化学成分确定
影响球铁组织及性能的化学元素主要包括五大元素、合金元素及一些微量元素，总的控制原则主要有[3]：（l） 五大元素按照“两高三低”原则；（2）通过改变Si的含量来改变球铁碳当量；（3）通过提高碳当量提高铸件的自补缩能力，特别是对于薄壁件；（4）铸件的壁厚小，碳当量取小值；铸件的壁厚大，碳当量则取大值；（5）考虑各种合金元素和微量元素对组织的影响。
1.3 球化、孕育和熔炼工艺
1.3.1 球化工艺
可作为球化剂的元素很多，以Mg和RE应用最广泛[6]。国外大多采用纯镁作球化剂，采用压力加Mg或转动包法（纯Mg）；国内由于RE资源丰富，大多使用稀土镁合金作球化剂，采用冲入法、密封流动法、压力加Mg法；也有采用喂丝球化工艺的。本试验采用的球化剂为稀土镁7-8、5-8，所用球化剂的粒度为5-20mm；加入量占铁水重量的1.2%-1.55%；球化方法为包底冲入法；加入前对球化包和浇包用铁水预热，冷铁水回炉升温后方可出铁球化，球化温度为1520℃-1540℃。
1.3.2 孕育工艺
孕育剂为FeSi75AI2.0，化学成分为Si：72%-80%、Mn：0.5%、Cr<0.5%，孕育方法为一次孕育和二次孕育，一次孕育粒度为3-8mm，二次孕育粒度为1-4mm。
1.3.3 熔炼工艺
在熔炼的过程中要严格控制好铁液的成分、球化剂和孕育剂的加入方法和加入量、以及出炉温度。具体熔炼工艺步骤如下：一是中频感应电炉中加热熔炼；二是球化和孕育处理，然后扒渣。控制好球化剂粒度、加入量，球化处理温度控制在1520℃-1540℃； 三是用直读光谱仪检测铁水成分，加硅铁覆盖剂；四是浇注力学性能试棒和铸件，浇注温度控制在1480℃左右，在20分钟内浇注完毕，以防球化衰退。
2 检测分析
2.1 化学成分
取球化、孕育处理后的铁液，浇注出工字型的小式样，用QSN750光谱仪检测其化学成分。经球化及孕育处理后的QT500-7化学成分如表1所示。
通过表1和表3可以看出：碳的含量基本没变；硅含量升高，一方面使碳当量升高，组织按照稳态共晶方式转变，特别是对于薄壁件；另一方面有利于获得铁素体基体，减小铁液在用镁处理时的结晶过冷和白口倾向，细化石墨，提高石墨圆整度；杂质元素硫和锰的含量降低，这是球化作用脱硫和除杂的结果。此外，孕育处理使镁的含量有所提高，Mg和RE是球化元素，同时又是脱硫、脱氧十分强烈的反石墨化元素，所以铁水中Mg和RE的含量不能过低，也不能过高。若残留量过低，会使球化不良，易产生衰退；过高虽能保证球化，但基体中易产生过多渗碳体，同时带来夹渣、气孔、缩松、白口等铸造缺陷，石墨形态恶化，力学性能降低[4]。
2.2 金相检测
对QT500-7的不同厚度的截面（如图2所示）和不同位置的金相组织进行检测。根据所拍的不同厚度截面的边缘和中心部位的金相图片，用石墨球化率评级专用软件测试石墨球化率、石墨直径大小和石墨含量；随后用3%硝酸酒精腐蚀截面观察统计珠光体和铁素体含量。为了提高信息的准确性和说明性，每个边缘和中心部位分别取不同位置，用石墨球化率评级专用软件测试，其测试结果取其平均值。统计结果如表2所示：
通过横向比较“石墨平均直径”可以看出，截面中部的石墨球要比截面边缘的石墨球稍微大些，这主要是由于边缘和中部的冷却速度不同，边缘的组织在冷却凝固的过程中过冷度要大些。而在球铁的共晶转变过程中，石墨析出使周围铁液贫碳，有利于析出奥氏体，然后碳通过奥氏体向石墨球扩散。过冷度过大，碳没有充分的时间从奥氏体向石墨球扩散，奥氏体外壳封闭快，石墨球长大受到限制。相反，浇道中部的组织在凝固的过程中，过冷度相对较小，碳有充分的时间从奥氏体向石墨球扩散，奥氏体外壳封闭的也慢，更利于石墨球的长大。
2.3 力学性能测试
力学性能测试用取自于“Y”型单铸试块，即从“Y”型试块的下部截取后加工成标准试样，使用微机控制电子万能试验机测球墨铸铁抗拉强度和延伸率，QT500-7标准式样标号为1、2，结果如表3：
从表3标准拉伸试样力学性能测试结果可以看出，该QT500-7铸件的抗拉强度和延伸率都达到该牌号的要求，延伸率更是超出标准的7%，主要是由于化学成分特别是Si含量较高和冷却工艺，促进软化相铁素体的生成，并具占有一定比例，在性能上表现为具有良好的塑性。其次可看出珠光体的含量也比通常牌号的经过热处理的球墨铸铁件的含量要少，只有15%-20%，这主要是因为合理控制化学元素的成分以及优化球化孕育处理等工艺，得到理想的铸态球墨铸铁。
3.结论
通过对比QT500-7和QT450-10研究得到：对于牌号越低的球铁，为获得更多的铁素体组基体织，Si含量要求越高；对于高牌号的球铁，可以通过增加Cu含量来稳定并细化珠光体组织，使强度增加。但是，本研究QT500-7和QT450-10两种球铁生产的差别主要在于Si和Cu含量的区别，而C含量相近，这在生产上不是很规范；应综合考虑碳当量，并结合Fe-C相图及相关合金、微量元素的作用进行成分和工艺上的调节，关于不同牌号球铁的生产控制有待进一步研究和探讨。
参考文献
[1] 龙文元，谭绍武，徐建辉.铸件壁厚对低温球墨铸铁组织和力学性能的影响[J].铸造技术，2015.36（6）：1507-1509.
[2] 陆文华.铸造合金及熔炼[M].北京：机械工业出版社.2000：52-74.