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微量铋、锑元素对大断面球墨铸铁的影响

收稿日期：2013-08-28稿件编号：1308-326

作者简介：曹伟康（1962-），男，高级技师，从事铸造生产工作

概况

随着球墨铸铁件的广泛应用，

对球铁的理化性能要求也越来越高，除常规的强度、硬度、球化等级等指标外，也提出了如单位面积的石墨球个数、

单一基体的纯净度、低温冲击等特殊性能要求。而其中的大断面球墨铸铁件，由于生产成本低廉，可以替代以往的钢件或铜件，使得其在各个领域的应用越来越广泛。但这类球铁铸件，

由于冷却缓慢，凝固时间长，若存在过量干扰元素或缺乏石墨核心时，在其心部极易出现球化和孕育的衰退现象，

使球铁组织中出现团片状、蠕虫状、碎块状等变异石墨，导致球铁力学性能下降。通过研究，

在实际生产中以适当的比例加入某些微量元素（如Bi 、Sb 、Pb 、Sn ），在采用稀土镁硅合金作为球化剂时，

控制稀土元素和微量铋、锑元素的比例，就可消除变异石墨，改善基体组织，满足一些特殊性能要求。关于球铁石墨变异的原因，有很多说法，其中比较一致的看法是：主要在共晶凝固初期，缺乏石墨的异质形核核心所致。而含有稀土和Bi 、Sb 的高熔点复杂化合物能作

为石墨的结晶核心，数量众多，且比只含有稀土元素的核心更加稳定，如此就能促使石墨球数增加，

形状更加圆整，变异石墨基本消失。通过实践，球铁中加入Bi 、Sb 元素，含量控制在某一范围内时，

表现出上述的有益作用，而过量时，则体现出对石墨形态的危害。同时研究也表明，

铁液中适量的稀土元素不仅能大大扩大Bi 、Sb 元素的加入范围，而且还和Bi 、Sb 元素共同产生作用，使得效果比单一加入

Bi 、Sb 元素更好，但稀土元素和Bi 、Sb 元素之间应有

一个合适的比例，否则也无法取得预期的效果。对于镁球铁，有研究报道，

在25mm 厚基尔试块的检验结果中，当Bi 元素的加入量超过0.003%时，就可能产生片状石墨，当Bi 元素加入量达0.006%时，球状

石墨完全消失。在一定范围内，随着球铁凝固时间的缩短，Bi 元素的加入量可适当增加。另一项研究表

明，加入0.002%Bi 元素并采用型内孕育处理，可显著增加石墨球数。而有些人的结论是，同样加入

0.010%~0.015%的Bi 元素，对于30mm 的圆柱试

样，石墨球数和球化率都增加，

但对于壁厚100mm 以上的球铁件却会导致石墨球的变异。

因此，在镁球铁中，Bi 、Sb 元素都应限制在0.002%之内。而在含稀

土的球铁中，加入0.003%Bi 元素或0.005%Sb 元素可形成含Bi 、Sb 等元素的高熔点、高稳定性的石墨核心，石墨球数增多，基体中铁素体量也略有增加。关于Sb 元素的影响，加入0.005%~0.010%的

Sb 元素能改变石墨的形态，不会形成片状石墨，

且Sb 元素显著促进珠光体的形成，

可提高球化率和力学性能。然而，也有人指出，球铁中即使加入0.004%的Sb 元素也会对石墨形态造成不利影响。在稀土镁球铁中，球化剂中带入的稀土元素会与Bi 、Sb 元素反应，生成金属化合物，如Bi 3Ce 4,BiCe 4，SbCe 等，

不仅中和了Bi 、Sb 元素的有害作用，而且反应生成的

金属化合物还可以作为石墨核心，

加强孕育效果。但当稀土含量超过某一临界值时，可能会促使变异石

微量铋、锑元素对大断面球墨铸铁的影响

曹伟康，张

杰

（南车戚墅堰机车有限公司，

江苏常州213011）摘要：本文概述了微量铋、锑元素在大断面球铁生产中的作用。建议在铁素体基体

球铁中加入0.008%~

0.010%Bi 并控制Re 残/Bi 在1.4~1.9的范围；在珠光体基体球铁中加入0.01%~0.02%Sb 并控制Re 残/Sb 在

1.2~

2.5的范围，可使这两类球铁的综合性能达到最佳。

关键词：大断面球墨铸铁件；

墨的生成。因此，稀土元素和Sb 、Bi 元素间的合理平衡，是生产含Bi 、Sb 元素球铁件的关键。表1和表2为总结了部分文献的研究结果，得到的不同试样中能够中和Sb 、Bi 元素有害性的稀土元素的含量。

从表1和表2可见，稀土元素发挥其中和作用

的比率不尽相同，范围较大，RE/Bi 为0.2~0.4；RE/Sb 为0.2~1.5。2生产试验（W46主轴承盖，GE 前端）2.1

试验内容和方法

铁液采用6t 中频炉熔炼，化学成份使用直读

光谱仪测定。根据W46主轴承盖和GE 前端产品的理化性能要求。在附铸试样（60mm ×70mm ×180

mm ）上进行性能测定，

并浇注25基尔试块。而W46主轴承盖更是要求本体取样，取样部位在铸件最大

壁厚200mm 处中心。

为排除其他因素的干扰，

选用纯净的炉料，生铁为本溪Q10生铁，其中十种微量元素总量小于

0.08%；废钢用成份稳定的碳素钢，球化剂为Q-3型

球墨铸铁铸造

专用合金，孕育剂采用75SiFe 合金及特殊合金（Z-5型）。各种材料的化学成份如下：生铁：C4.5%、

Si0.7%、Mn ≤0.1%、P ≤0.04%、S ≤0.03%；废钢：C

0.22%、Si0.25%、Mn ≤0.4%、P ≤0.04%、S ≤0.05%；Q-3合金：Mg7.5%、Si40%;Z-5合金：Si70%、Bi3.0%。采用包内冲入法球化处理，

球化剂加入量1.4%~1.6%，孕育剂加入总量1.2%~1.4%，其中包内覆盖

0.4%，随流孕育0.5%~0.9%，瞬时孕育0.15%。球化处理温度1450~1480℃。为适应大断面球铁的特点，化学成分设计为：C3.6%~3.8%、Si2.2%~2.4%、

Mn ≤0.4%。

2.2

试验结果与讨论

W46主轴承盖和GE 前端产品各试验包次分别见表3和表4。其中的包次编号即为产品顺序号。2.2.1

Bi 元素的作用

根据试验结果和普通球铁的对比，我们发现加入铋和不加入铋，基体中的金相组织有着很大区别。加入铋元素后，石墨球细小，

球形圆整，球化率和石墨球数明显增多，基体中的铁素体略有增加。当然铋的加入量应有一个合适的范围，

通过大量的比较，我们认为其最佳加入量在0.008%~0.010%之间，

而且残余稀土含量不可超过0.025%（一般Re 残/Bi=1.4

~1.9）。否则，对石墨形态产生不利影响，

显微组织中出现团片状石墨，球化率下降，

石墨球数减少。而铋在纯镁球铁中的作用，则未进行试验论证。2.2.2

Sb 元素的作用

在试验中我们发现，锑元素加入量范围大约为

0.01%~0.02%，它能提高球化率和单位面积石墨球

数，而且锑元素不同于铋元素，其对基体的强化作用远远大于铋元素。表现为加入锑元素后，基体中珠

光体量急剧增加，强度和硬度显著提高。然而，在其含量超过合适范围时，锑元素的有害作用是相当强

烈的，它不仅严重恶化石墨形态，降低强度，而且会在基体中产生白口组织，影响加工性能。稀土元素

可以很好地中和Sb 元素的有害作用，我们发现，

较高的稀土含量（Re 残/Sb=1.2~2.5）效果就更好些。3生产应用

3.1

Bi 元素在大断面球铁铸件生产中的应用

如前所述，微量的Bi 元素能显著提高球铁球化

表1不同试样中能够中和Bi 元素有害性的稀土元素

的含量

Bi/%

RE/%

RE/Bi 试样/mm

0.0050.020RE 4

ø30圆棒0.0500.1000RE

2ø30圆棒

0.0060.021RE 3.5

25基尔试块

0.0050.006Ce 1.2

25基尔试块0.250

0.050Ce 0.20

25基尔试块0.02~0.030.01~0.05Ce 0.50~16.738×38×38

0.0500.050Ce 1.0ø100圆棒

0.025

0.025Ce

1.0

178×178×178

表2不同试样中能够中和Sb 元素有害性的稀土元素的含量

Sb/%

RE/%RE/Sb 试样/mm

0.050

0.0100.200ø30圆棒0.070

0.023

0.330ø30圆棒

0.0220.02810270

25基尔试块0.00240.0150.62525基尔试块0.0100.015 1.50025基尔试块0.0500.050 1.00025基尔试块0.0100.010 1.000铸件400厚处

0.0500.050 1.000ø100圆棒0.010

0.015

1.500

178×178×1780.0250.025 1.000178×178×178

表3W46主轴承盖产品试验结果

表4GE前端产品试验结

果率，增加石墨球数，略微促进基体铁素体量，因此可

用于生产以铁素体基体为主的高韧性球铁铸件。一般加入量为0.008%~0.012%，Re残/Bi=1.4~1.9时，可获得最佳综合机械性能，加入量作适当调整，亦可用于QT400-18LT产品的生产，铸件具有良好的低温韧性，其-20℃的KV（60mm×70mm×180mm附铸试样）最高可达18J以上。

3.2Sb元素在大断面球铁铸件生产中的应用

大断面球铁中，Sb元素对球化率和石墨球数的影响与Bi元素相同，但Sb元素强烈促使基体中珠光体的形成。0.015%Sb元素可使球铁珠光体由60%增至90%，作用相当于Mn元素的5倍，Cu元素的稀土或其他元素（如Cu元素），在一定程度上缓和了Sb元素的白口倾向。Sb-Cu合金化在高强度铸态球铁中应用较多，采用0.010%~0.020%Sb元素和

0.3%~0.5%Cu元素合金化，基体珠光体量可达90%以上，抗拉强度可稳定在700MPa以上。因此，Sb元素可广泛用于珠光体球铁铸件生产中。

4结论

（1）试验中，在有合适稀土元素的条件下，在大断面球铁中，加入0.008%Bi元素或0.015%Sb元素，可有效地细化石墨，提高球化率和石墨球数，加

Bi 元素对球铁力学性能影响不大；加Sb 元素可显著增加球铁强度和硬度。但当Bi 、Sb 元素加入量分别达到0.01%和0.02%以上时，二者对石墨形态的有害作用体现出来，在球铁显微组织中出现了变异

石墨，球化率和石墨球数均下降。其中，稀土元素含量合适的范围是1.5Bi 和1.8Sb 。

（2）在总结了部分大断面球铁铸件的实际生产结果后发现，Bi 元素适用于以铁素体基体为主的高

韧性球铁，经过微调，可很好地用于QT400-18LT 铸件的生产，一般Bi 元素加入量为0.008%~0.010%，

稀土元素控制范围为1.4~1.9Bi，可取得最佳效果；

对于以珠光体基体为主的高强度球铁，Sb 元素加入量为0.01%~0.02%，稀土元素控制范围为1.5~2.5Sb ，可保证球化率在80%以上。若复合加入0.3%~0.5%的Cu 元素，则珠光体可稳定地达到90%以上。

参

考文献

[1]许峰，赵红，范希营.微量铋锑对大断面球墨铸铁的影响[J].铸造,1998(12).

[2]

许峰，赵红，张博.微量铋和锑在大断面球墨铸铁中的冶金行为[J].现代铸铁,1999(3).

The Influence of Trace Elements Bi and Sb on S.G.Iron with Large Section

CAO WeiKang

（CSR Qishuyan Locomotive Co.Ltd.,Changzhou 213011,Jiangsu China ）

Abstract :The effect of trace elements Bi and Sb on production iron with large section has been

summarized with proposal that for an optimal comprehensive performance of two types iron,0.008%~0.010%Bi should be added into that with ferrous base and the ratio of Re residual/Bi be controlled within 1.4~1.9while

0.01%~0.02%Sb should be added into that with pearlite base and the ratio of Re residual/Sb be controlled within

1.2~

2.5.

Keywords :S.G.Iron with large section ；Bi ；Sb

磨机是继破碎机之后对矿石或其他物料继续粉碎，旨在获得不同工艺所需要的更细颗粒产品的

设备[1]。磨机产品在工作中承受较大的冲击和交变应

力，若铸造工厂生产的端盖、壳体等产品在缺陷返修过程中本体、焊缝及热影响区硬度差异较大会造成

铸件开裂倾向，引发质量事故。因此，实际生产的铸件在返修过程中需要控制铸件本体、焊缝区硬度值

及硬度差异。

铸造用低碳钢材质ASTM A2770-40

焊接热影响区硬度差值的控制

雷永红，曹鹏，张俊勇

（宁夏共享铸钢有限公司，宁夏银川750021）

摘要：通过低碳钢材质ASTM A2770-40焊缝热影响区硬度控制的焊接工艺实践，使该区硬度差控制在40HB 以内，达到提高机械性能、优化铸件质量的目的。该工艺广泛应用在同材质铸件上，有效控制焊缝热影响区硬度差值，满足顾客需求。

关键词：低碳钢；焊接工艺；硬度控制

中图分类号：TG246鸦文献标识码：A ；文章编号：1006-9658（2013）06-0026-03DOI ：10.3969/j.issn.1006—9658.2013.06.008收稿日期：2013-08-16稿件编号：1308-320

作者简介：雷永红（1982-），女，助理工程师，主要从事铸钢焊接工艺

及铸件生产工艺编制、

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