高镍奥氏体球墨铸铁涡壳的铸造工艺优化.pdf

圆园24/1现代铸铁收稿日期：2023-08-25修订日期：2024-01-22作者简介：程凤军（1975.11），男，汉族，江苏盐城人，高级工程师，主要从事金属材料的研究工作。高镍奥氏体球墨铸铁涡壳的铸造工艺优化程凤军（常州工业职业技术学院，江苏常州213164）摘要：介绍了高镍奥氏体球墨铸铁涡壳铸件的结构及铸造工艺，针对试制过程中出现的表面缩孔、缩松、显微缩松以及组织中的碎块状石墨、表面恶化层、碳化物等问题进行了工艺优化，最后指出：（1）高镍奥氏体球墨铸铁液态收缩量大、石墨化膨胀弱，冒口设计遵循顺序凝固原则是防止涡壳产生缩孔、缩松缺陷的有效措施；（2）涡壳厚处和舌尖易形成碎块状石墨，强化孕育可防止缺陷的产生；（3）表面恶化层超标，可通过较高的残余镁量和砂芯刷涂料进行防止；（4）由于冷却速度较慢，舌尖部位碳化物析出数量较多，良好的孕育可减少碳化物析出量，热处理也可改变碳化物体积分数及其形态。关键词：球墨铸铁；碎块状石墨；碳化物；显微缩松中图分类号：TG255文献标志码：B文章编号：员园园猿原愿猿源缘（圆园24）园1原园园05原06Casting Technology Optimization of High-Ni Austenite Nodular Iron Volute HousingCHENG Feng-jun（Changzhou Vocational Institute of Industry Technology，Changzhou213164，China）Abstract：The structure and production technology of a high-Ni nodular iron volute housing casting were introduced.In orderto eliminate the defects including surface shrinkage cavities，shrinkage porosities，micro-shrinkage porosities and chunkygraphite，surface worsening layer，carbide，the casting technology optimization was conducted.Finally，pointed out：（1）Sincethe liquid contraction rate of the high-Ni austenite nodular iron was high，its graphite expansion volume was less，to designthe riser according the directional solidification principle was the effective measure to prevent shrinkage cavities and porositiesof volute housing.（2）Since chunky graphite was easy to occur in the thick place and the tongue tip of the volute housing，intensifying inoculation could prevent such type defect.（3）Surface worsening layer exceeding standard could be avoided byrelatively higher residual Mg content and brushing the sand cores with coating.（4）Since cooling rate being slower，more amountcarbide precipitated in the tongue tip place，good inoculation could reduce carbide precipitating amount，and heat treatmentcould also change the volume fraction and morphology of the carbide.Key words：nodular iron；chunky graphite；carbide；micro-shrinkage porosity高镍奥氏体球墨铸铁具有良好的高温强度和抗氧化性能，是汽车发动机涡轮增压器壳体、排气管的选用材料，可在 950 益 的高温下工作。高镍奥氏体球墨铸铁合金含量高，铸造性能差，铸件的工艺设计难度大。在高镍奥氏体球墨铸铁牌号中，D5S 球墨铸铁用途最广，其镍含量为34%耀38%，金相组织为奥氏体基体与球状石墨，外加少量的碳化物，综合性能优越1-4。D5S 球墨铸铁由于 Ni 元素的含量高，生产成本较高，为节约成本，一些增压器生产厂家提出了一种新牌号高镍奥氏体球墨铸铁，其含镍量降低到 28%30%，增加了 0.8%耀1.2%的钼，材料的性能同样优异，铸造性能与 D5S 球墨铸铁相似。笔者针对高镍奥氏体球墨铸铁涡壳的试制过程，对铸件的缩孔、缩松、显微缩松、石墨形态异常、碳化物超标等方面进行分析和工艺优化，为高镍涡壳的批量生产奠定基础。1铸件结构及铸造工艺高镍球墨铸铁涡壳铸件结构复杂、壁厚不Nodular Iron5现代铸铁 圆园24/1均、热节分散，铸件主要壁厚 810 mm，最大壁厚25 mm，最小壁厚 5 mm，铸件单重 1.84 kg，铸件结构如图 1 所示。图 2 为铸造工艺方案，在进气法兰面、涡端和废气阀凸台上分别设置 1 个冒口，尺寸为65mm。在三角出气法兰端的三个角上分别设置冷铁，冷铁尺寸为15 mm伊20 mm。铸件采用封闭式浇注系统，直浇道截面尺寸为35 mm，横浇道截面尺寸为 30 mm伊30 mm，2 个内浇道截面尺寸均为 40 mm伊6 mm。采用中频感应电炉熔化铁液，出炉前铁液的化学成分为 w（C）2.06%，w（Si）4.57%，w（Mn）0.091%，w（P）0.02%，w（S）0.006%，w（Ni）36.31%，w（Cr）2.16%。熔化温度为 1 6201 640 益，取样经光谱分析成分合格后开始扒渣出铁，并进行球化处理，采用镍镁球化剂w（Mg）20%，加入量0.7%，球化覆盖剂采用碎钢片，加入量为 1%，出铁温度控制在 1 5901 610 益，加入 1%的硅钡合金进行孕育，浇注温度为 1 4801 530 益，浇注时间为 1012 s。浇注时采用 0.1%的硅钡孕育剂（粒度 0.20.7 mm）进行随流孕育，最后对铸件进行各项检测。2结果与分析2.1缩孔与缩松对首次试制的铸件进行密实度检查，结果发现，除舌尖部位存在缩孔、缩松，其余部位未发现问题。图 3 为凝固模拟结果，可以看出，进气法兰、废气阀凸台处的冒口满足顺序凝固原则，补缩良好，而舌尖部位在凝固过程中出现了孤立的液态区。由于高镍奥氏体球墨铸铁 w（Ni）28.0%38.0%，w（Si）4.9%5.5%，w（C）臆2.3%，这种高镍低碳球墨铸铁液态收缩量大，石墨化膨胀能力弱，最终在舌尖部位形成缩孔、缩松。因此，需要进行工艺优化，在涡端冒口根部增加工艺补贴（冒口颈宽度由 12 mm 增加到 20 mm），使冒口对舌尖的补缩尽可能按顺序凝固原则进行。再次试制后，舌尖部位缩孔、缩松缺陷基本消除，图 4是工艺改进后铸件 X 射线探伤照片，未发现明显的缩孔、缩松缺陷。2.2显微缩松金相取样发现舌尖部位存在显微缩松，如图5（b）所示，光学显微镜下观察其形貌为形状不规则的连续孔洞，如图 5（c）所示。分析认为，高镍奥氏体球墨铸铁的显微缩松形成原因与宏观缩松基本相同：舌尖部位的形状复杂、壁厚不均，涡端冒口与舌尖部位不能遵循严格的顺序凝固（舌尖凝固后期仍有少许孤立液相区）。另外，显微缩松也与高镍奥氏体球墨铸铁的凝固特点有关5-7，图 1涡壳铸件结构Fig.1Structure of volute housing（a）（b）（c）图 圆铸造工艺方案Fig.圆Casting method scheme球墨铸铁Nodular Iron6圆园24/1现代铸铁图 5（d）是显微缩松的 SEM 形貌，可以看出，奥氏体枝晶发达，方向不一，并相互形成骨架，周围液相受枝晶的阻碍，不能填充骨架间的空隙，从而形成了显微缩松。但客户装机试验表明，少量显微缩松不影响涡壳的使用寿命。为了验证该措施在高镍奥氏体球墨铸铁中是否有效，采用混合的镧系稀土球化剂和镍镁球化剂进行球化处理，结果发现石墨形态发生了异常，出现了碎块状石墨。上述结果表明，高镍奥氏体球墨铸铁中不能含有稀土元素，会促使碎块状石墨的形成。2.3石墨形态图 6 分别为薄壁处（约 8 mm）、厚壁处（约20 mm）、舌尖处（厚薄连接部位，约 10 mm）金相检测部位。图 7 为蜗壳不同部位正常的金相检测结果，可以看出，其中薄处的石墨球数量较多，厚处的石墨球数量相对薄处明显少，而舌尖部位（a）（b）图 3涡壳的凝固模拟结果Fig.3Solidification simulation result of volute housing图 4铸件的 X 射线探伤Fig.4X-ray detection of casting（a）取样切片部位（b）抛光试样（c）微观形貌（d）电镜照片50 m20园 滋m图 5铸件的显微缩松Fig.5Micro-shrinkage porositiesNodular Iron7现代铸铁 圆园24/1的石墨球数量最少，石墨球直径最大。但在试制过程中，一些铸件出现了碎块状石墨，由图 8 可见，不同壁厚处碎块状石墨严重程度不一，薄壁处基本为球状石墨，厚壁处出现了部分碎块状石墨，舌尖处全部为碎块状石墨。分析其原因为：高镍球墨铸铁中镍、硅含量高，碳含量较低，凝固过程中容易析出发达的奥氏体枝晶如图 9（a）所示。舌尖部位由于冷却速度慢，长时间处于过热状态，孕育衰退导致石墨球不易形核长大，但奥氏体却极易析出，滞后形核的石墨只能在残余液相中生长，此时生长空间受限，最终形成分布于奥氏体枝晶间的非正常石墨碎块状石墨，如图 9（b）所示（正常石墨球则分布于奥氏体基体上）。因此，强化孕育可使石墨球析出时机尽可能提前3，是消除碎块状石墨的主要措施，根据上述分析，对孕育工艺进行改进：取消出铁槽孕育（球化时孕育），而改成转包孕育（温度 1 5001 550 益），且采用漏斗随流加入，另外，孕育后尽快浇注，减少液态存在时间，上述措施有效消除了碎块状石墨，批量生产稳定。图 6金相试样的检测部位Fig.6Detection location of the metallurgical specimen厚壁舌尖薄壁图 7涡壳不同部位正常的金相检测结果Fig.7Normal metallurgical detection results indifferent locations of volute housing（c）舌尖处（b）厚壁处（a）薄壁处10园 滋m10园 滋m10园 滋m图 8有碎块状石墨的金相组织Fig.8Metallurgical structure with chunky graphite（a）薄壁处（b）厚壁处（c）舌尖处10园 滋m10园 滋m10园 滋m球墨铸铁Nodular Iron8圆园24/1现代铸铁（下转第 53 页）图 10涡壳表面恶化层对比Fig.10Surface worsening layer comparison ofvolute housing（a）表面恶化层（b）表面正常球状石墨10园 滋m10园 滋mL=305.3 滋m2.4表面恶化层客户标准要求铸件表面的恶化层小于 200滋m，而试制发现舌尖部位恶化层超标，图 10（a）为铸件舌尖部位的表面恶化层照片，恶化层厚度约 300 滋m。恶化层产生的原因是在凝固过程中由于过热舌尖部位表面长时间与砂芯接触导致球化衰退。可从两方面进行改善：首先是对砂芯浸刷优质锆英粉涂料，防止舌尖处氧化或渗硫；其次是铁液的残余镁量控制在上限（0.08%0.1%），保证舌尖处表面球化不易衰退。采用上述方法后，舌尖部位恶化层基本消除，如图 10（b）所示。2.5碳化物高镍奥氏体球墨铸铁含有较高的铬、钼等元素，在铸件中会形成碳化物，图 11（a）为涡壳舌尖部位铸态碳化物，可以看出，碳化物呈骨骼状分布在奥氏体晶间。客户标准要求碳化物体积分数控制在 15%以下，但实际有时会超标。对各部位的碳化物进行检测，结果表明，碳化物的析出与冷却速度有关，厚壁处或舌尖冷却速度慢，碳化物可充分析出，而薄壁处由于冷却速度相对较快，析出数量相对较少。为防止碳化物超标，工艺上采取强化孕育措施，提高石墨的析出能力，从而减小碳化物形成倾向。当铸态碳化物超标时，也可采用热处理减少碳化物数量和改善碳化物形态，950耀1 000 益保温 4耀5 h 后空冷的涡壳舌尖图 9奥氏体枝晶与异常石墨Fig.9Austenite dendrite and abnormal graphite（a）奥氏体枝晶（b）碎块状石墨10园 滋m10园 滋m（a）铸态碳化物（b）热处理后碳化物图 11碳化物的形态与分布Fig.11Morphologies and distribution of carbide2园 滋m2园 滋mNodular Iron9圆园24/1现代铸铁部位碳化物如图 11（b）所示，骨骼状的碳化物分解转变成弥散分布的细小碳化物，二次碳化物的体积分数与热处理的温度和冷却速度有关8，热处理温度越高，冷却速度越快，碳化物数量越少。3结论（1）高镍奥氏体球墨铸铁液态收缩量大，石墨化膨胀能力弱，冒口与铸件之间遵循顺序凝固原则可防止铸件产生缩孔缩松缺陷。显微缩松形成的主要原因是冒口不能完全按顺序凝固原则补缩到舌尖部位，凝固后期发达的奥氏体枝晶形成微小孔隙。（2）高镍奥氏体球墨铸铁厚大部位易产生碎块状石墨，主要是由于厚大部位铁液长时间过热并发生孕育衰退、石墨相对奥氏体滞缓析出而导致的，强化孕育措施可以消除碎块状石墨。（3）舌尖部位表面恶化层超标是由于表面球化衰退导致的，适当增加铁液的残余镁含量和砂芯浸刷涂料可以有效防止恶化层超标。（4）高镍奥氏体球墨铸铁中含较高的铬、钼，在凝固过程中会形成碳化物，舌尖部位碳化物体积分数超标主要原因是冷却速度慢，碳化物能够充分析出，强化孕育可以减少碳化物体积分数，热处理也可改善碳化物的数量与形态。参考文献1崔晓鹏，刘海峰，王成刚.汽车用排气歧管材料的应用现状及发展方向J.铸造，2008（10）：1001-1004.2高顺，程凤军，史朝龙，等.高镍奥氏体球墨铸铁涡壳的开发J.铸造，2013（4）：287-295.3李鹏明，孔祥玲，王光玉，等.球墨铸铁真空泵腔体铸件的生产工艺J.现代铸铁，2023（2）：1-5.4曹德水，裴泽辉，潘红，等.硅固溶强化球墨铸铁的生产工艺及应用J.现代铸铁，2023（2）：5-8.5程凤军，高顺，莫俊超，等.球墨铸铁中碎块状石墨的形成原因及防止措施J.现代铸铁，2015（3）：29-34.6高世爽.浅谈球墨铸铁缩孔缩松问题（1）J.现代铸铁，2023（2）：9-14.7高世爽.浅谈球墨铸铁缩孔缩松问题（2）J.现代铸铁，2023（3）：11-16.8程凤军，罗广思，潘安霞.高镍奥氏体球墨铸铁显微缩松与碳化物的研究J.铸造，2017（3）：282-285.（编辑：吕姗姗，E-mail：xdzt_）（上接第 9 页）（a）解剖件（b）铸件外观图 7实际生产的铸件Fig.7Actual production castings图 远辅助浇道设置和布局Fig.远Auxiliary runner settings and layout5生产验证目前按此方案生产了多件，对每个铸件的吊耳、内部筋板、法兰圆角位置等进行磁粉检测，对铸件所有可以检测的位置进行 100%超声波检测，结果显示，铸件缺陷情况符合技术质量要求，铸件废品率由原来的 16.6%降到 4.76%，铸造缺陷明显减少，镶铸件连接部位质量得到改善，铸件质量有了质的提高。实际生产的铸件解剖图和外观如图 7 所示。辅助通道Problems and Countermeasures53