时间：2022-03-24 01:08:38
摘要：分析套筒渗碳体形成原因；通过调整铸件成份、控制使用原辅材料的质量、优化球化和孕育处理工艺等措施，解决了铸态下套筒出现渗碳体问题。
关键词：套筒；薄壁件；渗碳体
中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：
1.问题描述
套筒为外国某公司的风电产品，牌号为QT400-18，铸件单重5kg，壁厚仅6mm。技术要求为：球化率≥90%、石墨大小0.03-0.06mm，基体组织中铁素体≥95%、细小颗粒状渗碳体＜1%，低温（﹣20℃）冲击功≥10J，产品理化指标要求较高。我厂在生产该产品的初期时，铸件球化良好石墨细小，但铸态下珠光体数量较高（多达45%）、渗碳体严重（≥10%），必须通过高温退火处理以消除渗碳体和降低珠光体数量。由于退火处理增加制造成本、延长生产周期。因此，必须研究解决如何在铸态下获得无渗碳体、高铁素体含量的铸件。
2.渗碳体及其成因
2.1渗碳体的分类
铸铁中渗碳体按形成时期可细分为5种，即一次渗碳体、共晶渗碳体、二次渗碳体、共析渗碳体和三次渗碳体。
2.1.1一次渗碳体是从铁液中直接析出的碳化物，其形态为针条状、板条状。球墨铸铁大多为共晶和过共晶铸铁，其碳硅含量高，石墨化作用强烈，按理不会出现渗碳体，但由于球化处理后铁液白口倾向大，在铸件的薄壁及棱角表面处冷却速度极快，铁液结晶处于不平衡状态，因成份不均匀渗碳体可自液相中直接析出；由于冷却速度很快，结晶核心多，析出的碳化物来不及长大，结果沿散热方向生长成细针状分布。而当铁液中反石墨化元素（如铬等）过多时，在缓冷条件下也会形成渗碳体。
2.1.2共晶渗碳体是铁液凝固结晶时共晶转变时形成的，其形态为莱氏体状。在高温下（720℃以上）与奥氏体形成共晶体。同一次渗碳体一样，也主要是铁液冷却过快所致。一次渗碳体和共晶渗碳体形成通常所说的白口，多出现在铸件的表面。而由于成份偏析导致的渗碳体存在于铸件的中心部位、热结等最后凝固部位，则称之为反白口。白口和反白口使铸件塑性、韧性严重下降，硬度提高，恶化机加工性能。
2.1.3二次渗碳体是从奥氏体中析出的碳化物，形态为沿奥氏体晶粒呈细网状或断续网状。它一般出现在经正火处理的铸件中。由于加热温度高，较多的碳溶入奥氏体，使奥氏体含碳量超过共析成份，在随后的冷却中由于冷速不当，沿奥氏体晶界析出了渗碳体。二次渗碳体较薄，生长于晶界处，使材料冲击值大大下降。一般球铁铸件由于冷却较快，石墨化作用强烈，二次渗碳体析出被抑制。
2.1.4共析渗碳体是在共析转变时形成的碳化物，它与铁素体共同组成珠光体。珠光体是铸铁中最常见的组织之一，调整珠光体的含量可很大范围内调整铸件的机械性能。
2.1.5三次渗碳体是从铁素体中析出的碳化物，其形态为极薄的片状，分布在铁素体晶界。三次渗碳体的出现使塑性、韧性严重下降。一般铸铁件由于碳硅含量高不会出现此碳化物。
图1套筒实物图2初期套筒金相
2.2套筒中渗碳体的特征
套筒中渗碳体形态为针条状及莱氏体状，出现在铸件表层，心部很少或没有。因此，套筒的渗碳体是凝固结晶时形成的一次渗碳体和共晶渗碳体，并导致出现宏观的白口组织。套筒本体金相检测为，心部：铁素体+珠光体（25%）+石墨；表面：铁素体+珠光体（45%）+石墨+渗碳体（＞10%）。图1为套筒实物、图2为初期生产的套筒金相组织。
2.3原因分析
根据生产过程实际调查，我们认为导致套筒出现渗碳体主要因素是冷却速度的影响以及化学成份和孕育处理存在缺陷。
2.3.1冷却速度的影响由于套筒壁厚极薄（仅6mm），因此铸件冷却很快，导致在铸件表面尤其是棱角处出现渗碳体。而在铸件心部很少或无碳化物同时珠光体量也较少，以及同一包铁水浇铸的其他铸件无渗碳体都说明了套筒渗碳体与过快的冷速密切相关。
2.3.2化学成分的影响由于套筒要求较高的低温冲击功，故采用了较低的碳硅含量，结果铁液石墨化作用削弱；又由于生铁中锰含量过高（0.4%）增强了铁液的反石墨化作用；而采用Mg8RE3球化剂，铁液残留稀土量较高，铁液球化处理后白口倾向较大。
2.3.3孕育处理的影响 球化处理可使石墨呈球状，孕育处理可促进石墨析出。球化剂加入后铁液过冷倾向很大，必须辅以孕育处理，尤其是随流孕育可显著增加石墨核心，具有强烈的促进石墨化作用。原生产工艺未采用二次随流孕育，存在工艺缺陷。
3.解决渗碳体和降低珠光体量的措施
3.1设计合理的铁水成份
成份是影响铸件性能的根本。原铸件经检测成份为：碳3.40%、硅1.96%、锰0.42%、硫0.018%、磷0.060%、稀土0.028%、镁0.045%。为获得所需的金相组织，我们对此分析后作如下调整：
（1）适当提高碳硅含量，以促进石墨化和提高铁素体数量。但过高的碳会导致石墨漂浮，硅高时会降低低温冲击功，综合考量选择为：碳3.55-3.75%、硅2.15-2.35%。图3是因碳硅当量过高造成的石墨飘浮金相。
（2）严格限制反石墨化元素和促进珠光体元素的含量。若想获得高塑性和高韧性铸件，首先要保证基体几乎全为铁素体。因此，除适量增加碳硅外，对于反石墨化元素和促进珠光体元素（如锰、铬、钒、钛、铜等）要严格限制。我们要求原铁水含硫量≤0.02%、磷≤0.04%、锰≤0.15%、铬≤0.03%、钛≤0.03%、铜≤0.03%。由于套筒壁薄有利于球化，规定铁液残留稀土≤0.015%、镁0.025-0.035%。
（3）可添加适当的有益元素镍是非碳化物元素，在球铁中加入少量的镍可降低脆性转变温度，提高冲击韧性，同时可增强抗腐蚀性能。在生产实际中加入0.1-0.2%的镍即可获得较理想的效果。
图3 碳硅当量过高造成的石墨飘浮
3.2选用适宜的原辅材料
原辅材料的特性是决定铸件品质的基础。必须选择合适的原辅材料以保证生产出所需要求的产品。
3.2.1生铁和废钢的选择 后期生产中选择用低牌号Q10生铁为主要原料，其硅、锰、硫、磷越低越好。为控制干扰元素，对生铁中微量元素总量加以限制，我们规定微量元素总量≤0.1%；废钢选择成份稳定低含锰量的碳素钢，同样限制杂质总量。废钢板厚度不小于5mm，无锈蚀、油污油漆。
3.2.2球化剂选择选用球化效果好的低稀土球化剂，牌号由Mg8RE3改为Mg5RE，球化剂粒度为10-25mm，加入量为1.3%左右。
3.2.3孕育剂的选择采用二次孕育生产工艺，首次孕育用75硅铁合金，加入量1%左右，粒度为20-30mm。二次随流孕育采用长效含锆孕育剂，粒度0.2-0.5mm，加入量为0.1%左右。
图4 改进后生产的套筒金相组织
3.3控制生产工艺过程
生产工艺过程的控制是保证铸件品质的关键。生产中采用3T/小时的中频炉熔炼；用直读光谱仪实时检控铁水成分，采用增碳剂、废钢等调整成分；电子吊钩称控制出铁水质量；用一次性热电偶快速测量出铁温度和浇注前浇包内铁水温度，用红外线测温仪测定瞬时浇注温度。铁水采用高温熔炼（1500-1550℃）、低温浇注（1350℃）；盖包法球化处理，浇铸时进行二次随流孕育处理。
4.产品结果验证
按照改进方法后生产的套筒本体经解剖做理化检测，结果球化良好（球化率≥90%）、石墨细小（6级）、珠光体＜5%、未见渗碳体。随炉试块的抗拉强度、延伸率、低温冲击功均符合技术要求。铸件上表面无石墨飘浮现象。图4是改进后生产的套筒金相组织。
5.结束语
通过调整成分设计、选择合适的原辅材料，控制生产工艺过程，后期批量生产的套筒质量优良，表面棱角等处无渗碳体，各项技术指标符合要求。该套筒的成功生产，提升了我厂铸造技术水平，增加了企业经济效益。
参考文献：
1.《现代铸铁》2012.4
2.《.铸造技术》2012.11-12
3.《铸造》 2013.2