随流孕育对高镍奥氏体球墨铸铁的影响.pdf

圆园24/1现代铸铁收稿日期：2023-08-21修订日期：2024-01-26作者简介：刘铭（1984.8），男，河南西峡人，毕业于合肥工业大学材料加工工程专业，硕士，主要从事铸造材料检测和分析研究工作。随流孕育对高镍奥氏体球墨铸铁的影响刘铭，张成，张君（西峡县内燃机进排气管有限责任公司，河南南阳474500）摘要：介绍了高镍奥氏体球墨铸铁排气歧管铸件的结构及首次交付的样件在试验中的断裂问题，通过生产试验，验证了排气歧管断裂的原因是在浇注过程中不进行随流孕育，导致铸件金相中产生碎块状石墨，使铸件力学性能下降，加速了铸件开裂失效的风险。最后指出：（1）高镍奥氏体球墨铸铁件在生产过程中，除了保证球化处理严格按照工艺要求外，在浇注过程中还必须进行随流孕育；（2）在保证球化处理过程符合工艺要求的前提下，随流孕育会进一步增加铁液在凝固过程中石墨结晶的核心，增加共晶团数，避免碎块石墨的产生。关键词：球墨铸铁；高镍；随流孕育；碎块状石墨中图分类号：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01原04Influence of Stream Inoculation on High Ni Austenite Nodular IronLIU Ming，ZHANG Cheng，ZHANG Jun（Xixia Intake&Exhaust Manifold Co.,Ltd.，Nanyang474500，China）Abstract：An introduction was made on the structure of high Ni austenite nodular iron exhaust manifold，and the fractureproblem occurring during test of the first-delivered sample.Through production test，it was validated that the fracture reasonof the exhaust manifold was that since stream inoculation being not conducted during the pouring process and thereby causedchunky graphite and caused mechanical properties decreasing and accelerating risk of casting cracking and failure.Finallypointed out：（1）Beside strictly complying with the process requirements during production process of high Ni austenite nodulariron，it was also needed to conduct stream inoculation.（2）Under the precondition to ensure the nodularizing process meetingrequirements，stream inoculation could further increase graphite crystallizing nucleus，increase eutectic cell number，avoidchunky graphite formation.Key words：nodular iron；high nickel；stream inoculation；chunky graphite高镍奥氏体球墨铸铁由于其优异的耐高温性能，被广泛应用于汽车排气歧管和涡轮增压器壳体1-3。这些零部件长期在高温下使用，冷热交替，工作环境恶劣，当零件受到的热应力大于材料所能承受的极限时，零件就会产生裂纹，断裂是这些零部件最为严重的失效形式。笔者公司生产的一种 QTANi35Si5Cr2 排气歧管在客户端试验中断裂，客户检测结果为铸件金相不合格导致开裂，笔者就该排气歧管断裂的原因进行分析和问题再现，验证高镍奥氏体球墨铸铁随流孕育的重要性。1铸件结构及存在的问题1.1铸件结构及技术要求QTANi35Si5Cr2 排气歧管铸件的外形尺寸302 mm伊116 mm伊96 mm，质量 3.6 kg，壁厚 46mm，金相组织要求为：球化级别 13 级，石墨大小 57 级。Nodular Iron1现代铸铁 圆园24/11.2存在的情况QTANi35Si5Cr2 排气歧管在客户端试验中断裂，图 1 为排气歧管断裂件，在客户处检测结果为球化率 48%，球化级别低于 6 级，石墨大小7 级，球化率不合格，导致铸件开裂。客户将断裂件退回笔者公司后，笔者公司对断裂件进行金相检测，检测结果如图 2 所示。可见，断裂件法兰金相石墨球稀少粗大，金相检测结果为球化率70%，球化级别 4 级，石墨大小 6 级，腐蚀后碳化物偏多；断裂件管壁金相石墨呈碎块状，金相检测结果为球化率 52%，球化级别 6 级，石墨大小7 级，试样腐蚀后碳化物多，奥氏体枝晶发达，综上分析，断裂件金相组织不合格，与客户判定结果基本一致。2原因分析由于该铸件是笔者公司为客户提供的试验样件，当时只生产一包铁液的铸件，生产和检测记录均可精准追溯，样件的炉前快速金相和本体金相检测均合格，金相检测合格件和发生断裂的金相不合格件为同一包铁液浇注，因此，该断裂件的金相不合格是由浇注过程中的不稳定因素引起的个别现象。结合生产情况分析，浇注过程中的随流孕育为生产过程中的不稳定因素，该生产线为人工浇注，人工手持孕育漏斗进行随流孕育，存在随流孕育断流或不孕育的风险。由于 QTANi35Si5Cr2高镍奥氏体球墨铸铁中镍、硅含量较高，碳含量较低，凝固过程中石墨化能力弱4，孕育不充分导致铁液在凝固过程中石墨结晶核心减少，共晶团数减少，进而促进了碎块状石墨的形成。由于碎块状石墨会导致球墨铸铁件的力学性能严重下降，根据碎块石墨的严重程度，会使铸件的抗拉强度下降 20%耀40%，伸长率下降 50%耀80%，冲击韧度下降 50%5，从而导致铸件在试验过程中图 1铸件断裂实体照片Fig.1Photo of fractured casting图 圆断裂铸件的金相组织100伊Fig.圆Metallurgical structure of fractured casting100伊（a）法兰处石墨形态（b）法兰处基体组织（c）管壁处石墨形态（d）管壁处基体组织20园 滋m20园 滋m20园 滋m20园 滋m球墨铸铁Nodular Iron2圆园24/1现代铸铁wB/%wB/%断裂。初步断定试验样件断裂的原因为：操作人员在浇注过程中个别箱数未进行随流孕育引起铸件碎块状石墨的形成，进而导致铸件力学性能严重下降，最终铸件在客户端试验中断裂。3生产试验为了验证此次排气歧管断裂的根本原因是由浇注过程中未进行随流孕育引起的，需重新浇注铸件再次进行试验。按照笔者公司生产 QTANi35Si5Cr2 的工艺要求，使用中频电炉熔炼铁液，炉料配比为 65%高镍球墨铸铁回炉料+15%镍板+15%废钢+5%Q10 生铁，增碳剂、碳化硅、锰铁、铬铁、硅铁按材料标准要求的化学成分计算加入，采用冲入法球化处理工艺，球化剂为 0.7%的镍镁合金和 0.2%的硅镁合金，用 0.4%的硅锶孕育剂覆盖，出铁约2/3 时加入 0.4%的 75SiFe 孕育剂进行孕育处理，铁液处理完成后，取浇包内铁液用直读光谱仪进行化学成分检测，检测结果如表 1 所示。浇注方案分为两种：方案一是用球化处理后的铁液在造型线上浇注 2 箱铸件，浇注过程中人工手持孕育漏斗加入 0.08%0.12%的硅锶锆孕育剂进行随流孕育；方案二是用同一包铁液浇注 2 箱铸件，不进行随流孕育，其他生产过程与方案一完全相同。用覆膜砂制成的取样杯从铸型浇口杯取铁液，待其冷却至暗红色时快速冷却，进行炉前快速金相检测，金相组织如图 3 所示，从铸件本体上切取试样进行本体金相检测，金相组织如图 4所示。由图 3 可见，进行随流孕育的铸件炉前金相组织中球化率 90%，球化级别为 2 级，石墨大小7 级，满足标准要求；未进行随流孕育的铸件炉前金相石墨球稀少，石墨形态差，球化率 68%，球化级别 5 级，石墨大小 6 级，不满足标准要求。由图 4 可见，进行随流孕育的铸件本体法兰处球化率 92%，球化级别为 2 级，石墨大小 7 级，管壁处球化率 91%，球化级别为 2 级，石墨大小 7 级，满足标准要求；未进行随流孕育的铸件本体法兰处石墨球稀少，石墨形态差，球化率 78%，球化级别为 4 级，石墨大小 6 级，管壁处金相碎块状石墨严重，球化率 56%，球化级别为 6 级，石墨大小 7级，不满足标准要求，腐蚀后金相奥氏体树枝晶发达，碳化物多。该试验验证了高镍奥氏体球墨铸铁件浇注过程中不进行随流孕育会引起铸件碎块状石墨的产生，导致金相组织达不到标准要求，引起铸件力学性能下降，从而加速了铸件在使用过程中断裂失效的风险。4工艺改进及验证为了避免高镍奥氏体球墨铸铁在生产过程中出现金相不合格现象，按照球化处理工艺对铁液进行球化处理并保证其稳定性，在浇注过程中按照方案一的要求进行随流孕育，并对相关员工进行相应培训，对未按照作业指导书要求进行随流孕育的铸件进行隔离报废。在后续的铸件样件生产中，严格按照工艺要求把控生产过程，理化检测过程中未发现金相不合格现象，新样件在客户试验中未发生故障，目元素含量C1.92Si4.93Mn0.57P0.025S0.012Cr1.85Ni34.86Cu0.026表 1球化处理后铁液的化学成分Tab.1Chemical compositions of iron liquidafter nodularizing treatment图 3炉前快速取样的金相组织Fig.3Metallurgical structure of rapid sampled base iron（a）方案一（b）方案二20园 滋m20园 滋mNodular Iron3现代铸铁 圆园24/1前该铸件已批量生产供货。5结论（1）高镍奥氏体球墨铸铁件在生产过程中，除了保证球化处理严格按照工艺要求外，在浇注过程中还必须进行随流孕育。如果不进行随流孕育，会引起铸件金相组织中产生碎块状石墨，导致金相组织不合格，达不到材料标准要求。碎块石墨会引起铸件力学性能的下降，加速铸件开裂风险。（2）在保证球化处理过程符合工艺要求的前提下，随流孕育会进一步增加铁液在凝固过程中石墨结晶的核心，增加共晶团数，避免碎块石墨的产生。参考文献1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）：5-8.2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）：1-5.3轩世成，程可飞，何帅伟，等.球墨铸铁重型辅板的消失模试制工艺J.现代铸铁，2023（3）：1-4，29.4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）：29-34.5C.哈通，O.克奴斯塔特，K.瓦尔典内尔.球墨铸铁件的碎块状石墨问题J.现代铸铁，2009（2）：43-48.（编辑：吕姗姗，E-mail：xdzt_）图 4铸件本体的金相组织Fig.4Metallurgical structure of casting body（a）方案一本体法兰石墨形态（b）方案一本体法兰基体组织（c）方案一本体管壁石墨形态（d）方案一本体管壁基体组织（e）方案二本体法兰石墨形态（f）方案二本体法兰基体组织（g）方案二本体管壁石墨形态（h）方案二本体管壁基体组织20园 滋m20园 滋m20园 滋m20园 滋m20园 滋m20园 滋m20园 滋m20园 滋m球墨铸铁Nodular Iron4