2021年 第2期 热加工
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铸
造
C a s t i n g
曹琨1，2，胡克潮2，赵子文1，2，苏义祥3
1.兰州兰石能源装备工程研究院有限公司 甘肃兰州 730314
2.甘肃省高端铸锻件工程技术研究中心 甘肃兰州 730314
3.兰州理工大学材料科学与工程学院 甘肃兰州 730050
摘要：采用光学显微镜、扫描电镜分析了合成球墨铸铁生产过程中常见金相组织缺陷，包括石墨漂浮、球化不良、球化失败、碳化物超标、缩松和缩孔等问题，并提出工艺控制要点及解决措施，为生产同类铸件提供了可借鉴经验。 关键词：合成铸铁；金相组织；球墨铸铁；工艺控制
1 序言球墨铸铁铸造
球墨铸铁件具备中高强度和韧性、优异的耐磨
性和减振性以及良好的铸造工艺性能等特点，是目前最具发展潜力的“以铁代钢”的铸造材料[1，2]。目前，许多铸造企业开始采用废钢增碳技术（即合成铸铁）替代铸造生铁生产球墨铸铁件的方法来降低成本。用该方法熔炼的球墨铸铁力学性能十分优异，铸态下力学性能可达到QT700-2级别材料要求，无需进行正火处理（只进行去应力退火），能够减少一火次能源消耗，符合国家倡导的绿可持续发展理念[3]。与传统生铁熔炼方式不同，合成球墨铸铁熔炼过程中原铁液化学成分发生改变，生产过程中如果控制不当容易出现较多铸造缺陷。目前，应用合成球墨铸铁技术的报道较多[4-12]，但是对于合成球墨铸铁在生产过程中的自身特性、容易出现的质量问题及关键控制要点的报道甚少。本研究主要从金相组织角度出发，针对生产过程中常见的金相组织缺陷进行分析并提出解决方案。 2 石墨漂浮
合成球墨铸铁的核心是将废钢中的碳含量
（w C 为0.2%左右）增至工艺要求范围（w C 为3.6%~3.9%），如果碳含量超标（w C ≥4.0%），
则会出现石墨漂浮现象，如图1所示。从图中可
以看出石墨呈开花状、爆裂状，这种组织降低了球墨铸铁力学性能和表面质量。腐蚀态金相照片显示，
石墨周围铁素体组织呈破碎状，使珠光体含量达到95%，抗拉强度453~532M P a ，屈服强度431~477M P a ，伸长率1.5%~3%，硬度208~214HBW ，表明开花、爆裂状石墨对基体组织产生明显割裂作用，降低了产品力学性能。
a ）抛光态
b ）腐蚀态
图1 石墨漂浮时石墨大小与形貌
合成球墨铸铁容易出现石墨漂浮的原因有：1）配料计算时石墨增碳剂吸收率小于实际值，导致碳含量超标，我厂目前使用的增碳剂吸收率为80%左右。
2）未准确按照配料称量，炉料中如有废钢、生铁、回炉料时必须准确称量，生铁和回炉料加入过多会导致碳当量超标，只有采用全废钢冶炼时可不用准确称量，通过观察炉内铁液高度的方法根据经
基金项目：甘肃省科技计划资助项目（2015GS05896）。
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验预估铁液量。如果发现碳当量超标应及时采取有
效措施，如倾倒部分铁液、加入废钢等方法降碳。
3 球化不良
合成球墨铸铁熔炼时，出现球化不良现象的金
相照片如图2所示。由图可以看出，石墨呈团块、
枝晶状、蠕虫状等不规则形状，球化级别为4~5
级，石墨球数量较少，石墨大小为5级。从腐蚀后
金相照片可以看出，珠光体含量为90%以上，铁素
体包围在石墨周围，无碳化物、磷共晶。抗拉强
度600~750M P a，屈服强度466~541M P a，伸长率
3%~5%，硬度239~257HBW，此时产品力学性能只
能达到QT600-3牌号性能要求。
a）抛光态 b）腐蚀态
图2 球化不良时石墨大小与形貌
球化不良的产生原因很多，与球化剂中稀土元
素种类、球化剂加入量、孕育剂、球化孕育操作方
法、浇注温度及浇注时间等因素密切相关。此外必
须选择合适增碳剂，高温石墨化增碳剂晶体组织呈
有方向层片状，石墨溶解于铁液中围绕形核质点规
则生长为球形，而非石墨化增碳剂虽然含量能够满
足内控要求，但球化效果较差，球化级别低，也影
响产品综合力学性能。
4 球化失败
球化失败的金相组织如图3所示，可见大部分
石墨呈条、线、蠕虫状，只有少量石墨呈圆形，
近似于蠕墨铸铁金相组织，蠕虫状石墨周围析出
少量铁素体，呈菊花状，虽然珠光体含量为85%，
但是球化效果极差，抗拉强度只有382~447MPa，
屈服强度345~412M P a，伸长率2.5%~3%，硬度
209~210HBW，力学性能大幅降低。
由于废钢中硅含量低（w Si＝0.35%~0.5%），
所以原铁液必须进行增硅。如果增硅量不足，原铁
液硅含量过低（w Si≤0.8%，w
终硅量
≤1.7%）会造成
球化失败。因此铁液化清后应根据检测结果，加入
大块硅铁、SiC粉等调整铁液Si含量。最好使用SiC
粉，既能起到增碳作用，也能起到增硅作用。
5 碳化物超标
铁液冷却速度过快时容易出现碳化物，金相照
片如图4所示。从图中可以看出球化级别为4级，石
墨大小为5级，石墨数量很少。腐蚀后发现块状、鱼
骨状碳化物含量为10%，珠光体含量为90%，铁素
体呈游离状。抗拉强度443~530MPa，无屈服强度，
伸长率1%~1.5%，硬度275~345HBW，脆性大，硬
度高，机械加工性能差，必须使用线切割才能加工
试样。
a）抛光态 b）腐蚀态
图3 球化失败时石墨大小与形貌
a）抛光态 b）腐蚀态
图4 碳化物超标时石墨大小与形貌
合成球墨铸铁熔炼时由于原铁液Si含量低，因
此如果为尽快出铁，将增硅和孕育过程合二为一，
铁液包内加入大量硅铁和孕育剂，采用铁液冲入方
法熔化，会导致铁液冷却速度过快，无法起到消除
白口、细化石墨的作用，反而出现大量碳化物。采
用高温石墨化退火后，部分碳化物消除，铸件硬度
显著降低，但是仍然有部分硬而脆的共晶碳化物无
法消除，对基体组织产生明显的负面作用，力学性
能仍然很低，因此在生产过程中应尽量避免产生此
类问题。
6 缩松及缩孔
大量废钢的加入增大了铸造收缩率，易出现
缩松、缩孔、裂纹等铸造缺陷。为分析其出现缺陷
的机理，采用扫描电镜和能谱仪对缩松、缩孔位
5 SEM 50
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