一、概述

    復相球墨鑄鐵磨球是我廠于2000年開發的新產品，用于原低合金磨球的升級換代。我廠年產該類磨球量近萬噸，在實際生產中，由于不同種類缺陷的存在，使磨球在實際工況條件下常出現不耐磨、失圓等影響磨球使用壽命的不利因素，為此有必要對各類缺陷進行分析，并制定相應的防止方法，用于指導生產實踐。

    二、常見缺陷及特征

    1．球化不良和球化衰退

    二者缺陷特征相同。

    (1)宏觀特征  鑄件斷口為銀灰色上分布芝麻狀黑色斑點，其數量多、直徑大，表明程度嚴重。若全部呈暗灰色粗晶粒，表明球化不完全。

    (2)金相組織  集中分布大量厚片狀石墨，其數量越多、面積越大，表明程度越嚴重，球化不完全時呈片狀石墨。

    (3)產生原因  原鐵液含硫高，以及嚴重氧化的爐料中含有過量反球化元素；處理后鐵液殘留鎂和稀土量過低。鐵液中溶解氧量偏高是球化不良的重要原因。

    選用低硫焦炭和金屬爐料，必要時進行脫硫處理。另外，應進行廢鋼除銹，以及增加球化劑中稀土元素用量，嚴格控制球化工藝。

    2．縮孔和縮松

    特征和產生原因：縮孔產生于鐵液溫度下降發生一次收縮階段。如大氣壓把表面凝固薄層壓陷，則呈現表面凹陷及局部熱節凹陷，否則鐵液中氣體析出至頂部殼中聚集成含氣孔的內壁光滑的暗縮孔，有時也與外界相通形成明縮孔，則內表面雖也光滑，但已被氧化。球墨鑄鐵共晶凝固時間比灰鑄鐵長，呈粥狀凝固，凝固外殼較薄弱，二次膨脹時在石墨化膨脹力作用下使外殼膨脹，松弛了內部壓力。因此在二次收縮過程中，最后凝固的熱節部位內部壓力低于大氣壓，被樹枝晶分隔的小熔池處成為真空區，完全凝固后成為孔壁粗糙且排滿樹枝晶的疏松孔，即縮松缺陷。宏觀縮松產生于熱節區殘余鐵液開始大量凝固的早期，包括了殘余鐵液的一次收縮和二次收縮，因而尺寸略大且內壁排滿枝晶，呈灰暗疏松孔或蠅腳痕狀黑點；微觀縮松產生于二次收縮末期，共晶團或其集團間的鐵液在負壓下得不到補縮凝固收縮而成，常見于厚斷面處。

    3．皮下氣孔

    (1)形貌特征  鑄件表皮下2～3mm處均勻或蜂窩狀分布的球形、橢圓狀或針孔狀內壁光滑孔洞，直徑0.5～3mm，可在熱處理和拋丸清理后暴露或機加工時發現，小件中較多。

    (2)形成原因  含鎂鐵液表面張力大，易形成氧化膜，阻礙析出氣體和侵入氣體排出，滯留于皮下而形成。形膜溫度隨殘留鎂量增加而提高，加劇其阻礙作用。薄壁件冷卻快，形膜早，易形成此缺陷。

    氣體來源主要是降溫過程中鐵液析出的鎂蒸汽，在充型過程中鐵液翻滾促其上浮。鐵液中的鎂與型砂水分反應，以及水和鎂、碳化物反應產生乙炔分解均可能產生氫氣。此外潮濕、銹蝕的爐料、潮濕的硅鐵和中間合金，以及沖天爐高溫鼓風都可帶入氫氣，微量Al可顯著增加皮下氣孔，某些砂芯樹脂粘結劑含氮較多，上述各因素均可促進此缺陷形成。另外，球墨鑄鐵糊狀凝固特點使氣體通道較早被堵塞，也會促進皮下氣孔的形成。

    4．應力變形和裂紋

(1) 形成原因和形貌特征  鑄件冷卻過程中收縮應力、熱應力、相變應力的代數和即鑄造應力超過該斷面金屬抗斷裂能力則形成裂紋。在高溫下(1000～1150℃)形成熱裂，呈暗褐色不平整斷口；在600qC以下彈性范圍內出現冷裂，呈淺褐色光滑平直斷口；在600℃以上鑄造應力超過屈服極限時可產生塑性變形。當球墨鑄鐵成分正常時不易產生熱裂。

    (2)影響因素  增大白口傾向的因素，如碳硅含量低、碳化物形成元素增加、孕育不足及冷卻過快等都可增加鑄造應力和冷裂傾向。磷使冷裂傾向增加，Wp>0.25％還能引起熱裂。另外，鑄件壁厚差大、形狀復雜，易產生變形和裂紋。

    5．夾渣

    (1)形貌特征分布于鑄件澆注位置上表面、型芯的下面及鑄件死角處，斷面上顯現暗黑色無光澤、深淺不一的夾雜物且呈斷續分布。金相觀察可見條狀、塊狀夾雜物，鄰近的石墨可呈片狀或球狀。磁粉探傷時磁痕呈條狀分布，條紋多且粗，堆積密度表明夾渣嚴重。電子探針分析表明夾渣含Mg、Si、O、S、C、Al等，是由硅酸鎂、氧硫化合物、鎂尖晶石等組成。

    (2)形成過程球化處理時Mg、RE與鐵液中O、S反應形成渣。當鐵液溫度低、稀渣劑效果不佳、渣上浮不充分或扒渣不凈而殘留于鐵液中，此為一次渣；鐵液在運輸、倒包、澆注，充型翻滾時氧化膜破碎并被卷入鑄型，在型內上浮過程中吸附硫化物并聚集于上表面或死角處，此為二次渣。一般以二次渣為主。

    三、防止措施

    1．球化衰退原因及防止措施

    高硫、低溫且氧化嚴重的鐵液經球化處理后形成的硫化物、氧化物夾渣未充分上浮，扒渣不充分，鐵液覆蓋不好，以及空氣中的氧通過渣層或直接進入鐵液，使有效的球化元素氧化，并使活性氧增加是球化衰退的主要原因。渣中的硫也可重新進入鐵液而消耗其中的球化元素，鐵液在運輸、攪拌、倒包過程中鎂聚集上浮逸出被氧化，因此使有效殘留球化元素減少，造成球化衰退。此外孕育衰退也使石墨球數減少而導致石墨形態惡化，上述造成球化不良的因素也會加快球化衰退。

    為防止球化衰退，應盡量降低原鐵液硫、氧含量，適當控制溫度。可添加稀渣劑使渣充分上浮并及時扒渣，扒凈渣后加草灰、冰晶石粉、石墨粉或其他覆蓋劑以隔離空氣；加包蓋或采用密封式澆注包，采用氮氣或氬氣保護可有效地防止球化衰退；應加快澆注速度，盡量減少倒包、運輸及停留時間；另外，采用釔基重稀土鎂球化劑，其衰退時間可延長1.5～2倍。輕稀土鎂球化劑衰退時間也略長于鎂球化劑，且必要時也可適當增加球化劑添加量。由于孕育衰退引起的石墨形態惡化，補充孕育后可得到改善。

    2．縮孔、縮松影響因素及預防措施

    碳當量低會增加縮孔、縮松傾向；此外磷共晶會削弱凝固外殼強度，三元磷共晶減少石墨化膨脹，因此含磷量高可顯著增大縮松傾向；鉬增加碳化物穩定性，尤其在高磷條件下易形成碳化物—磷共晶復合物，更增加縮松、縮孔傾向；殘留鎂量過高，增大縮松、縮孔傾向，而適量殘留稀土量可減少縮松。因此應提高鐵液碳當量，降低磷含量，在保證球化條件下盡可能降低稀土鎂殘留量，并合理使用鉬。另外，提高鑄型剛度，提高鐵液碳當量，適當降低澆注溫度，采用薄而寬的內澆道使其在二次膨脹前凝固封閉，以及利用石墨化膨脹補償鐵液液態收縮和凝固收縮，可以消除縮孔、縮松。

    3．皮下氣孔的預防措施

    澆注溫度不得低于1300℃。殘留鎂量高時，應相應提高澆注溫度；在保證球化條件下盡量降低殘留鎂量，適當使用稀土；采用開放式多流道澆注系統，使鐵液平穩流人型腔，避免在型腔內翻動；控制型砂水分≤4.5％，配入煤粉8％～15％可燃燒生成CO抑制水氣與鎂反應形成H2(鑄型表面噴涂錠子油也可起同樣作用)；鑄型表面撤冰晶石粉，高溫下與水氣反應形成HF氣體保護鐵液。另外，還應控制鐵液含鋁量低，爐料干燥少銹，沖天爐除濕送風，減少鐵液中氣體，以及采用少氮或無氮樹脂砂等。

    4．應力變形和裂紋防止措施

    適當提高碳當量，降低含磷量，加強孕育，以及采取必要的鑄型工藝措施。

    5．夾渣的影響因素及預防措施

    形成一次夾渣的重要原因是原鐵液硫量高，氧化嚴重。預防措施是降低原鐵液硫、氧含量，提高澆注溫度。

    生成二次渣的主要原因是殘留鎂量過高，提高了氧化膜形成溫度。主要措施是在保證球化條件下盡量降低殘留鎂量(中小件WMg不超過0.055％)，加入適量稀土可降低形膜溫度；球化處理時加0.16％冰晶石，處理后表面再撒入0.3％冰晶石用以稀渣，并生成AlF3氣體和MgF2膜以減少二次氧化。這種方法主要用于防止大件的夾渣，澆注溫度不得低于1300℃，使澆注溫度高于形膜溫度，可防止二次渣形成。另外，澆注系統設計應保證充型平穩，在易出現夾砂的部位設置排渣冒口，此外設置過濾網可阻止一次渣進入型腔。