一．前言
近年來(lái)，長(zhǎng)城須崎鑄造股份有限公司（簡(jiǎn)稱CSMF）在開(kāi)發(fā)國(guó)際市場(chǎng)過(guò)程中已成功的為通用公司（GE），日立公司（HITACHI）生產(chǎn)燃?xì)廨啓C(jī)鑄件。國(guó)內(nèi)的燃?xì)廨啓C(jī)生產(chǎn)廠家的部件多從從國(guó)外進(jìn)口。經(jīng)過(guò)近幾年的研究開(kāi)發(fā)，CSMF生產(chǎn)的燃?xì)廨啓C(jī)殼體鑄件從材料到鑄造工藝都取得了非常大的進(jìn)步，尤其是在鑄件材料在生產(chǎn)工藝方法上取得了重大突破，也為今后更進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)市場(chǎng)奠定了基礎(chǔ)。大中型燃?xì)廨啓C(jī)鑄件，規(guī)范要求為ASTM-A395（GE/ ASTM標(biāo)準(zhǔn)），即高溫承壓鐵素體球墨鑄鐵，。此類鑄件因斷面尺寸大，冷卻緩慢，往往導(dǎo)致石墨形狀變壞，尺寸變大，數(shù)量減少，各種元素偏析嚴(yán)重。部分鑄件需要進(jìn)行加鉬（Mo）的合金化處理，因?yàn)殂f的熔點(diǎn)高，可進(jìn)一步改善材料在高溫條件下的機(jī)械性能。加鉬的工藝方法在國(guó)外通常是采用爐內(nèi)熔煉法，采用其它方法很難保證鐵水中鉬的均勻性，而且生產(chǎn)成本高。國(guó)外一些公司也曾嘗試過(guò)用其它加入方法，但都沒(méi)有成功。為了降低生產(chǎn)成本和簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝，克服條件所限，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，尋求了一種含鉬鐵素體球墨鑄鐵的生產(chǎn)工藝方法，這種工藝主要解決的技術(shù)問(wèn)題特點(diǎn)是：一方面是簡(jiǎn)化合金化處理工藝，既能保證合金材料均勻的溶于鐵水又能降低材料成本。以及如何保證在鑄態(tài)下獲得鐵素體基體的球墨鑄鐵，其次如何在進(jìn)行合金化處理后滿足性能要求。
二．鑄件要求及生產(chǎn)難點(diǎn)：
1．鑄件的質(zhì)量要求
燃?xì)廨啔んw鑄件要求有非常大的承載能力和高的安全可靠性，鑄件內(nèi)外均為曲面，且壁厚差異很大（單件壁厚可從38mm到500mm不等），工作環(huán)境惡劣，工作時(shí)承載高壓、高溫、高速的燃?xì)饬?，?duì)鑄件產(chǎn)生熱疲勞沖擊，并伴有化學(xué)腐蝕。結(jié)合的法蘭及殼體內(nèi)部均要進(jìn)行精密加工，并且布滿裝配定子葉片的“T”形槽、孔，加工面不允許有任何缺陷，鑄件任何部位不允許焊補(bǔ)修理。同時(shí)為了提高鑄件的高溫強(qiáng)度，部分鑄件規(guī)范要求在達(dá)到相同性能的前提下，需進(jìn)行加Mo合金化處理，這給材料的生產(chǎn)技術(shù)又帶來(lái)了一定的難度。
訂貨的燃機(jī)鑄件中，有的需要在內(nèi)部或結(jié)構(gòu)之間鑲鑄鋼件，并且熔合要絕對(duì)可靠但又不可過(guò)熔。
2．驗(yàn)收規(guī)范
a．規(guī)范要求為ASTM—A395鐵素體球墨鑄鐵，必須帶有連體試塊供顧客驗(yàn)證。即：σb>418N/mm2、σ0.2>275N/mm2、δ>18%（δMo15%）、HB140~180、基體鐵素體>90%。
b．鑄件要進(jìn)行100%尺寸檢驗(yàn)。
c．外觀檢查，磁粉（MT）、超聲波（UT）及射線透照（RT）等無(wú)損探傷檢驗(yàn)。每件RT供貨規(guī)范為ASTM-F186。
3．生產(chǎn)中的難點(diǎn)
此類鑄件因斷面厚大冷卻緩慢，金屬液體凝固時(shí)間長(zhǎng)，鑄件內(nèi)部很容易產(chǎn)生縮松。
生產(chǎn)鐵素體球墨鑄鐵時(shí)，為了獲得較高的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率，以往均要進(jìn)行鐵素體化熱處理，熱處理溫度是根據(jù)鑄態(tài)組織中是否存在游離滲碳體或珠光體，而采用900-950℃的高溫?zé)崽幚?。但生產(chǎn)成本高，工藝復(fù)雜，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，給生產(chǎn)組織以及交貨期帶來(lái)非常大的困難，這就要求必須在鑄態(tài)下獲得鐵素體基體。因此生產(chǎn)這種材料的難點(diǎn)主要有以下幾方面：
a．鑄件要進(jìn)行指定區(qū)域的射線探傷，如何解決鑄件的內(nèi)部縮松；
b．如何保證在鑄態(tài)下獲得鐵素體基體90%以上；
c．如何使材料有足夠的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度；
d．如何獲得足夠的延伸率（>18%），在合金化處理后,獲得規(guī)定的延伸率；
e．采用最優(yōu)的合金化處理工藝；
三．厚大斷面鑄態(tài)鐵素體球墨鑄鐵件的質(zhì)量控制技術(shù)
1．化學(xué)成份的控制
1）C、Si、CE的選擇
由于球狀石墨對(duì)基體的削弱作用很小，故球墨鑄鐵中石墨數(shù)量的多少，對(duì)力學(xué)性能的影響不顯著，當(dāng)含碳量在3.2%~3.8%范圍內(nèi)變化時(shí)，對(duì)力學(xué)性能無(wú)明顯的影響。所以過(guò)程中確定碳硅含量時(shí)，主要考慮保證鑄造性能，將碳當(dāng)量選擇在共晶成分左右。具有共晶成分的鐵液的流動(dòng)性能最好，形成集中縮孔的傾向大，鑄件組織的致密度高。但碳當(dāng)量過(guò)高時(shí)，容易產(chǎn)生石墨漂浮的同時(shí)，一定程度上對(duì)球化有影響，主要表現(xiàn)在要求的殘余Mg量高。使鑄鐵中夾雜物的數(shù)量增多，降低鑄鐵性能。
硅球墨鑄鐵中使鐵素體增加的作用比灰鑄鐵大，所以硅含量的高低，直接影響球墨鑄鐵基體中的鐵素體量。硅在球墨鑄鐵中對(duì)性能的影響很大，主要表現(xiàn)在硅對(duì)基體的固溶強(qiáng)化作用的同時(shí)，硅能細(xì)化石墨，提高石墨球的圓整度。所以球鐵中的硅含量的提高，很大程度上提高強(qiáng)度指標(biāo)，降低韌性。球墨鑄鐵經(jīng)過(guò)球化處理過(guò)的鐵液有較大的結(jié)晶過(guò)冷和形成白口傾向，硅能夠減少這種傾向。但是硅量控制過(guò)高，大斷面球鐵中促使碎塊狀石墨的生成，降低鑄件的力學(xué)性能。資料顯示，球墨鑄鐵中硅以孕育的方式加入，一定程度上提高性能。
根據(jù)上述分析，從改善鑄造性能的角度出發(fā)，鐵水的碳當(dāng)量選在共晶點(diǎn)附近最好，此時(shí)鐵水的流動(dòng)性最好，集中縮孔傾向較大，易于補(bǔ)縮等。但碳當(dāng)量過(guò)高會(huì)引起石墨漂浮，石墨漂浮層的厚度會(huì)隨著碳當(dāng)量的增加而加厚。應(yīng)當(dāng)指出，碳當(dāng)量太高是產(chǎn)生石墨漂浮的主要原因，但不是唯一的原因，鑄件大小、壁厚、澆注溫度也是一些重要因素。
顯然鑄件壁薄碳當(dāng)量可以選擇得高一些，不會(huì)出現(xiàn)石墨漂浮，相反厚大鑄件的碳當(dāng)量應(yīng)當(dāng)選得低些。總之碳當(dāng)量上限以不出現(xiàn)石墨漂浮為原則，下限以不出現(xiàn)滲碳體，保證完全球化為準(zhǔn)，在這樣的前提下，應(yīng)盡可能提高碳當(dāng)量以便獲得致密的鑄件。
錳在球墨鑄鐵中起的作用與灰鑄鐵不同?；诣T鐵中，錳除了強(qiáng)化鐵素體和穩(wěn)定珠光體外，還能減少硫的危害作用。球墨鑄鐵中，球化元素具有很強(qiáng)的脫硫能力，錳不再具有這種作用。由于錳具有嚴(yán)重的正偏析傾向，往往富集于共晶團(tuán)晶界處，促使形成晶間碳化物，顯著降低球墨鑄鐵的韌性。對(duì)厚大斷面球鐵來(lái)說(shuō)，錳的偏析傾向更嚴(yán)重。同時(shí)錳含量的提高，基體中的珠光體含量提高，所以提高了強(qiáng)度指標(biāo)的同時(shí)，降低韌性。對(duì)高韌性球墨鑄鐵中錳含量控制應(yīng)更嚴(yán)格。
因此，在原材料可能的情況下Mn越低越好。對(duì)與大型鑄件錳的控制上限為Mn<0.3%。
3）磷：
磷在球墨鑄鐵中有嚴(yán)重的偏析傾向，易在晶界處形成磷共晶，嚴(yán)重降低球墨鑄鐵的韌性。磷還增大球墨鑄鐵的縮松傾向。當(dāng)要求球墨鑄鐵有高的韌性時(shí)，應(yīng)將磷控制在0.06%以下。
4）硫：
球墨鑄鐵中的硫與球化元素有很強(qiáng)的化合能力，生成硫化物和硫氧化物，不僅消耗球化劑，造成球化不穩(wěn)定，而且還使夾雜物數(shù)量增多，球化衰退速度加快。熔煉中硫涉入從增碳劑中，過(guò)程控制盡可能降低原材料中硫含量的同時(shí)，采取爐前脫硫措施。
用Re—Mg合金處理后，一般硫的殘留量S<0.02% ，這對(duì)球化衰退和硫化物夾渣都沒(méi)有影響，當(dāng)原鐵水中的S>0.02%時(shí)，必須采用脫硫處理。
5）鉬： Mo提高了材料的高溫強(qiáng)度和常溫強(qiáng)度，由于的使用，容易形成一定量的珠光體和碳化物，降低韌性，對(duì)于有Mo合金化的球墨鑄鐵，材料規(guī)范要求Mo含量0.3~0.7%控制。
6）鎂和稀土的含量
鎂是主要的球化元素，稀土具有脫硫，中和反球化元素，對(duì)Mg具有保護(hù)作用，提高鐵水的抗衰退能力。但是稀土元素是碳化物形成元素，因此在保證球化良好的情況下盡可能控制稀土的殘留量。Re=0.01~0.04%，Mg=0.03~0.06%時(shí)可以保證球化。
根據(jù)上述分析計(jì)算，最終確定化學(xué)成份如下：
C：3.3-3.8%；Si：2.2-2.7%；Mn：<0.30%；S<0.02%；Re=0.01~0.04%；Mg=0.03~0.06%，Mo：0.3~0.7%
四．熔煉控制
1．原材料的選擇
鐵素體球鐵的生產(chǎn)，選擇高純的原材料是非常必要的，原材料中的Si、Mn、S、P含量要少（Si<1.0%,
Mn<0.3% S<0.03%, P<0.03%），對(duì)Cu、Cr、Mo等一些合金元素要嚴(yán)格控制含量。由于很多微量元素對(duì)球化衰退最為敏感，如，鎢、銻、錫、鈦、釩等。鈦對(duì)球化影響很大應(yīng)加以控制，但鈦高是我國(guó)生鐵的特點(diǎn),這主要與生鐵的冶金工藝有關(guān)。
2．脫硫
原鐵液含硫量決定球化劑的加入量，原鐵液中的含硫量越高，則 球化劑的加入量越多，否則不能獲得球化良好的鑄件。球化處理前原鐵液中的S含量控制在0.02%以下。對(duì)球化處理前原鐵液的含硫量高時(shí)，必須進(jìn)行脫硫處理。
3．Mo合金處理：
Mo合金化處理，采用渦流工藝，加入量控制在0.5~1.0%，具體根據(jù)最終Mo含量進(jìn)行調(diào)整。為了確保Mo的有效吸收，對(duì)合金的粒度應(yīng)該嚴(yán)格要求。
4．球化劑和球化處理
生產(chǎn)厚大斷面球鐵件時(shí)，為了提高抗衰退能力，在球化劑中加入一定比例的重稀土，這樣既可以保證起球化作用的Mg的含量，同時(shí)也可以增加具有較高抗衰退能力的重稀土元素，如，釔等。根據(jù)國(guó)內(nèi)很多工廠的試驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐，采用Re—Mg與釔基重稀土的復(fù)合球化劑作為厚大斷面球鐵件生產(chǎn)的球化劑是非常理想的，使用這種球化劑在我們公司的實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用過(guò)程中也取得了很好的效果。據(jù)有關(guān)資料表明，釔的球化能力僅次于鎂，但其抗衰退能力比鎂強(qiáng)的多，且不回硫，釔可過(guò)量加入，高碳孕育良好時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)滲碳體。另外，釔與磷可形成高熔點(diǎn)夾雜物，使磷共晶減少并彌散，從而進(jìn)一步提高球鐵的延伸率。在球化處理時(shí)，為了提高鎂的吸收率，控制反應(yīng)速度及提高球化效果，采用特有的球化工藝。對(duì)球化處理的控制，主要是在反應(yīng)速度上進(jìn)行控制，控制球化反應(yīng)時(shí)間在2分鐘左右。
對(duì)此采用中低Mg、Re球化劑和釔基重稀土的復(fù)合球化劑，球化劑的加入量根據(jù)殘留Mg量確定。
球化衰退防止：球化衰退的原因一方面和Mg、RE元素由鐵液中逃逸減少有關(guān)，另一方面也和孕育作用不斷衰退有關(guān)，為了防止球化衰退，采取以下措施：A、鐵液中應(yīng)保持有足夠的球化元素含量；C、降低原鐵液的含硫量，并防止鐵液氧化；C、縮短鐵液經(jīng)球化處理后的停留時(shí)間；D、鐵液經(jīng)球化處理并扒渣后，為防止Mg、RE元素逃逸，可用覆蓋劑將鐵液表面覆蓋嚴(yán)，隔絕空氣以減少元素的逃逸。
5．孕育劑和孕育處理
球化處理是球鐵生產(chǎn)的基礎(chǔ)，孕育處理是球鐵生產(chǎn)的關(guān)鍵，孕育效果決定了石墨球的直徑、石墨球數(shù)和石墨球的園整度，為了保證孕育效果，孕育處理采用多級(jí)孕育處理。孕育處理越接近澆注，孕育效果越好。從孕育到澆注需要一定的時(shí)間，該時(shí)間越長(zhǎng)，孕育衰退就越嚴(yán)重。為了防止或減少孕育衰退，采用以下措施：A、使用長(zhǎng)效孕育劑（含有一定量的鋇、鍶、鋯或錳的硅基孕育劑）；B、采用多級(jí)孕育處理（包內(nèi)孕育、孕育槽孕育、水口瞬時(shí)孕育等）；C、盡量縮短孕育到澆注時(shí)間。
孕育劑的加入量控制在0.6~1.4%，孕育劑加入量過(guò)少，直接造成孕育效果差，孕育量過(guò)大，導(dǎo)致鑄件夾雜。
6．澆注工藝控制
澆注應(yīng)采用快澆，平穩(wěn)注入的原則。為了提高瞬時(shí)孕育的均勻性及防止熔渣進(jìn)入型腔，水口盆的總?cè)萘繎?yīng)與鑄件的毛重相當(dāng)，澆注時(shí)將孕育劑放入水口盆中，將鐵水一次全部注入水口，使鐵水與孕育劑充分混合，扒去表面浮渣，提出水口堵澆注。
五．鑄造工藝的控制原則
1）合理的鑄造工藝是至關(guān)重要的因素，
2）通過(guò)鑄造工藝對(duì)凝固時(shí)間加以控制，其原則是在厚大斷面處放置冷鐵來(lái)調(diào)節(jié)溫度場(chǎng)加速鐵水凝固。（同行業(yè)中有些工廠采用強(qiáng)制冷卻工藝，既在使用冷鐵的條件下再增加水冷或空氣冷卻等強(qiáng)制措施以強(qiáng)化鑄件凝固，減少凝固時(shí)間，效果非常好。但有一定的危險(xiǎn)性，技術(shù)要求高。除此之外，為獲得鐵素體基體開(kāi)箱溫度要控制600℃以下。）
六．結(jié)果分析
根據(jù)上述工藝方法，在生產(chǎn)實(shí)踐中完全可以在鑄態(tài)下獲得顧客標(biāo)準(zhǔn)要求，具體結(jié)果如下表：
圖4為金相組織，從圖中可以看出基體完全為鐵素體，球化等級(jí)為ASTM標(biāo)準(zhǔn)I-II級(jí)。
七．結(jié)論
通過(guò)對(duì)影響鑄鐵鐵素體球鐵的各個(gè)因素進(jìn)行分析，對(duì)其進(jìn)行控制，各項(xiàng)性能指標(biāo)完全滿足要求；在獲得高的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的前提下，得到高的延伸率；合理控制球化孕育工藝，鑄態(tài)下得到全鐵素體組織，避免后續(xù)的熱處理 。
根據(jù)上述鐵素體球墨鑄鐵的控制技術(shù)，我們?cè)谏a(chǎn)美國(guó)GE公司球鐵件時(shí)已得到充分的驗(yàn)證，取得了較好的結(jié)果。有關(guān)厚大斷面球墨鑄鐵的生產(chǎn)技術(shù)國(guó)內(nèi)外都有報(bào)道，雖然各自的方法不同，但所遵循的原則是相同的。
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