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球墨铸铁碎块状石墨形成及改善措施
球墨铸铁碎块状石墨形成及改善措施
球墨铸铁件因具有良好的力学性能而被广泛的应用于工程机械以及汽车行业。球墨铸铁的优良性能得益于良好的石墨球形态，在石墨球形态出现异常时，铸铁的性能会受到很大的影响。碎块状石墨就是其中出现比较频繁的形态异常问题。 球墨铸铁件形成碎块状石墨对其性能影响巨大，通过在同一种厚60 mm的轮形铸件上的同一部位取样可以看出，出现碎块状石墨，其抗拉强度下降30%，伸长率下降50%。这使得铸件的可靠性难以得到保证。
碎块状石墨的形成机理目前尚无明确定论。其在空间上是相连的，大轮廓呈球形（图1），因而可以推断这种石墨是从球状石墨发展而来。有人认为在凝固过程中，在铁液中析出包裹石墨球的奥氏体壳未完全封闭（见图2）或奥氏体壳和球状石墨晶核的耦合性差，石墨在生长过程中碳原子的传递速率不一样，导致碎块状石墨的形成。据Hideo Nakae教授对碎块状石墨的研究表明，其形成是在球墨铸铁凝固过程中，由于碳扩散难度增加产生的明显过冷导致了由球状石墨到碎块状石墨和莱氏体的形貌转变。
实验指出，Ce含量的提高会明显加重碎块状石墨的形成。通过比对碎块状石墨和球状石墨区域元素含量（图3），确实可以看到碎块状石墨区域Ce含量明显偏高。通过对碎块状石墨区域和正常石墨区域的能谱分析发现，碎块状石墨区域偏聚的Ce、La含量较高(见表2)，而正常石墨形态区域Ce、La的含量较低（见表3）。
铸型的冷却速度慢对碎块状石墨的形成有明显的影响。特别是传统的树脂砂造型，由于树脂砂铸型冷却速度较潮模砂和铁模覆砂慢，铁液的偏析作用更强，稀土元素（Ce、La）更容易产生偏析，进而促成碎块状石墨的形成。快速冷却通过加快厚大易形成碎块状石墨区域的冷却速度，可有效改善铸件的石墨形态。由于树脂砂工艺操作较为灵活方便，若碎块状石墨在厚大部位出现，可以对局部厚大部位局部进行加冷铁进行强制冷却。 稀土元素（Ce、La）的过量加入，一方面是由于早期冲天炉铸造焦炭中含有硫（S）比较高，另一方面因为炉料中存在的球化干扰元素较多。前期开发了高稀土球化剂，使球化效果得以改善。由于现在使用冲天炉逐渐被感应电炉取代，铁液含硫（S）得到改善，同时因市场的需要，目前铸件厂商使用的炉料（高纯生铁、优质废钢）品质已得到很大的提升，高稀土球化剂将被逐渐被淘汰。目前FeSiMg5RE1纯镧稀土镁球化剂在铸造厂使用比较广泛，这不仅降低了铁液中稀土元素的含量，使球化效果得到改善，还降低了铁液的收缩倾向。 锑（Sb）和铋（Bi）元素对碎块状石墨的出现有一定的抑制作用。Sb或Bi的加入主要是通过孕育处理时加入。但两种元素的加入量需要得到控制，过低改善效果不明显，过高也会造成石墨形态异常，一般铁液中Bi的含量控制在0.002%～0.003%,Sb控制在0.004%～0.008%可有效的避免碎块状石墨的形成。 高纯炉料的加入量偏高对碎块状石墨的形成有一定的促进作用。笔者曾在同一铸件做过尝试，在相同的控制方法下使用2500 kg高纯生铁+500A3钢进行熔炼时比使用1000 kg高纯生铁+1 000 kg A3钢+1 000 kg回炉料碎块状石墨形成倾向明显严重。
高的碳含量和碳当量会促进碎块状石墨的形成，另外硅的加入量过高对厚大件碎块状石墨的形成有促进作用。需要控制铁液中硅（Si）的含量，正常情况下硅（Si）含量一般不超过3%。 (1）稀土元素Ce的加入在一定程度上对碎块状石墨的形成有促进作用。
(2）通过加快充型后液体的冷却可以减轻碎块状石墨的形成。 (3）在保证球化效果的前提下，使用稀土含量低的球化剂对所块状石墨具有改进作用。 (5）控制高纯炉料的加入，加入量过高对碎块状石墨形成有促进作用。 (6）高的碳当量和碳含量以及硅含量会促进形成碎块状石墨。
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