球墨铸铁的石墨漂浮及其防止

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石墨漂浮是球墨铸铁特有的缺陷，通常发生在壁厚>25mm的铸件上，因此也是大型、厚壁球墨铸铁件的一种常见缺陷。石墨漂浮的特征是在铸件的上表面聚集了大量石墨，宏观断口呈均匀黑斑状。在石墨漂浮的密集区，可看见球状石墨形态已被破坏，成为“开花形”，并通常与硫化镁和氧化镁聚合在一起。经化学分析，碳、镁、稀土及硫含量有偏高的现象。通常认为，石墨漂浮的产生过程是由于碳、硅含量高，铁液冷却速度缓慢，析出多量的大径石墨，并在铸件上部偏析而集聚。石墨漂浮的存在，降低了铸件的力学性能，也影响了铸件的表面质量。

石墨漂浮的产生主要与碳当量有关。经验表明，在生产厚壁球墨铸铁件选择化学成分的时候，既要注意防止缩孔、缩松，又要防止石墨漂浮。为了防止缩孔等收缩缺陷的出现，可用设置冒口或冷铁的方法来解决。

除了碳当量过高，还与铁液中存在过多的氧化物浮渣和硫化物浮渣有关，由于它们的存在而加剧了石墨的漂浮。

防止石墨漂浮，除了控制碳当量以外，还需采取如下具体措施：

(1)Mn量限制在最低的需求量，并尽量降低原铁液的S量。

(2)控制残余稀土含量，其含量(质量分数)应<0．06％。

(3)保持在还原性气氛中熔炼。

(4)浇包应清铲干净，彻底去除残渣。

(5)用纯镁处理时要扒尽铁液表面的浮渣。

(6)孕育处理要迅速搅拌，充分除渣。

(7)在高温(1480~1510℃)下孕育。

(8)采用高温熔炼，低温浇注。

(9)尽量加快铸件的凝固速度，例如在铸件厚壁处设置冷铁。

(10)在生产特大断面铸件时，可添加适量的石墨化阻碍元素。 

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收稿日期:2007201210 ; 　　修订日期:2007204218
基金项目:黑龙江省自然基金资助项目( E2004221)
作者简介:王丽萍(19622 　) ,黑龙江哈尔滨人,博士生,教授. 研究方向:
凝固理论及技术.
Email :lp_wang2003 @126. com
Vol. 28 No. 6
J un. 2007
铸造技术
FOUNDRY TECHNOLOGY
成分及工艺因素对球墨铸铁石墨漂浮的影响
王丽萍,郭二军,陈洪彬,任善之,李大勇
(哈尔滨理工大学材料科学与工程学院,黑龙江哈尔滨150040)
摘要:采用金相观察法研究了成分及工艺参数对球墨铸铁石墨漂浮程度的影响规律。结果表明,石墨漂浮带的深度将随碳当
量增加(尤其是碳量的增加) 和铸件壁厚、浇注温度的增加而增大。碳当量高是引起石墨漂浮的主要原因。石墨漂浮的出现
有一个临界碳当量值,但这个临界值不是固定的,它还与铸件厚度和浇注温度有关,碳当量对石墨漂浮的影响对壁厚很敏感,
铸件壁厚越大,随碳当量增加石墨漂浮增加的幅度越大。
关键词:球墨铸铁;石墨漂浮;碳当量;铸件壁厚;浇注温度
中图分类号: TG143. 5 ; TG255 　　文献标识码:A 　　文章编号:100028365 (2007) 0620741204
Eff e c t of Comp os i t i o n a n d s c he d ul e o n Gr ap hi t e Fl oa t a t i o n
i n No d ul a r Gr ap hi t e Ca s t Ir o n
WANGLi2ping , GUO Er2jun , CHEN Hong2bin , REN Shan2zhi , LI Da2Yong
(Materials Science and Engineering College , Harbin University Science Technology , Harbin 150040 , China)
Abs t rac t : The effect of composition and schedule on extent of graphite floatation was studied by
observing metal graphics. The results show that the depth of the graphite floatation band will be
increasing (in particular carbon quantity increase) along with the carbon equivalent and section size ,
the pouring temperature increase increases. The increase of carbon equivalent is primary reason for
graphite floatation. When graphite floatation appears , there is critic carbon equivalent , which is not
constant but varies with section size and pouring2temperature of castings. The effect of carbon
equivalent on graphite floatation is sensitive to the section size of castings. The larger section size is ,
the larger increments of the graphite flotation are with the increment of the carbon equivalent.
Ke y w ords : Nodular graphite ca st iron ; Graphite floatation ; Carbon equivalent ; Section size ;
Pouring2temperature
　　目前,铸态球铁的生产已稳定化。但在生产中
有时也会出现一些问题,例如汽车后桥件易出现石
墨漂浮,且炉前无法预测,成为造成废品的主要因素
之一。
石墨漂浮是球铁特有的缺陷之一,近年来倍受
关注[ 1～3 ] 。一般均认为碳当量高是引起石墨漂浮的
主要原因,石墨漂浮的出现有一个临界碳当量,但不
同的研究者得到的临界值差异较大。石墨漂浮除与
碳当量有关外,还与铸件壁厚、浇注温度和微量元素
的加入等工艺因素有关,不同的研究者得到的结论
也不同。文献[ 4 ]认为浇注温度愈高,在有可能出现
石墨漂浮的前提下,石墨漂浮层会愈厚,而文献[ 5 ]
却认为铸件石墨漂浮的深度随着浇注温度的升高而
减小。可见,对石墨漂浮的生成条件、影响因素的认
识还存在分歧。为了适应生产条件,研究成分及工
艺因素对球铁石墨漂浮的影响规律,进而指导生产
是十分必要的。
1 　实验材料及实验方法
1. 1 　实验方案的确定
对碳当量影响的探索,既要考虑到C、Si 元素的综
合作用,又要考察单一元素的影响。因而选择成分时,
既要固定Si 调整C ,又要固定C 调整Si ,分别使CE 值
从低值变化到高值。根据上述原则,按表1 和表2 方
案进行研究。
表1 　固定Si (2. 51 %) 时碳当量的变化
Tab. 1 　Change of carbon equivalent in fixed Si
C( %) 4. 36 4. 18 3. 98 3. 82 3. 60 3. 34 3. 12
CE( %) 5. 20 5. 02 4. 82 4. 66 4. 44 4. 18 3. 96
炉号01 02 03 04 05 06 07
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FOUNDRY TECHNOLOGY
Vol. 28 No. 6
J un. 2007
表2 　固定碳时碳当量的变化
Tab. 2 　Change of carbon equivalent in fixed C
C( %) 3. 90 3. 60
Si ( %) 3. 15 2. 76 2. 28 4. 05 3. 66 3. 18
CE( %) 4. 95 4. 82 4. 66 4. 95 4. 82 4. 66
炉号11 12 13 14 15 16
　　为了考察铸件壁厚和浇注温度的影响,对表1 和
表2 的16 种成分,在湿砂型中分别以浇注温度1 400 ℃
和1 320 ℃浇注阶梯试块和厚50 mm、长140 mm、高
170 mm 的方块试样。阶梯试块各阶梯厚度为10 、20 、
30 mm ,件重9 kg。
1. 2 　熔铸工艺
取每种成分的合金10 kg , 在酸性高频感应电炉
中熔化并过热到1 550 ℃,保温10 min 后铁液出炉。
利用冲入法进行球化处理. 在预热的铁液包中加入
质量分数为1. 8 %的球化剂,上面覆盖质量分数为
0. 8 %的75SiFe 进行包底孕育,再加珍珠岩覆盖。球
化反应结束后,扒除铁液表面浮渣,然后在铁液表面
加人质量分数为0. 2 %的微粒状75SiFe 并加以搅
拌,进行瞬时孕育。铁液温度降至1 400 ℃时,浇注
阶梯试块和方块, 为第1 套试样。第2 套试样为
1 320 ℃浇注。
1. 3 　试样制备
阶梯试样按图1 切取试样,观察A2A 面石墨漂浮
带的深度和分布情况。方块试样按图2 切取,观察
B2B面石墨漂浮带的深度和分布情况。
图1 　阶梯试样取样位置
Fig. 1 　Sample sites on step block
图2 　方块试样取样位置
Fig. 2 　Sample site on block
1. 4 　石墨漂浮的评定方法
采用2 种方法来评定石墨的漂浮。
(1) 测量机加表面上能看见的不同位置黑色区域
石墨漂浮深度。利用该方法按图3 和图4 的取点位
置,测量所有炉次的每个阶梯厚度及方块试样上的石
墨漂浮深度及分布情况,提供一套完整的数据,分析影
响漂浮的因素。
(2) 金相检查。从各截面的底部到顶部连续观察
石墨的形态,考察各因素对石墨漂浮区、过渡区和正常
区石墨形态、大小及分布的影响。
图3 　阶梯试样上测量漂浮深度的点
Fig. 3 　Testing sites of the depth of graphite floatation on
step block
图4 　方块试样上测量漂浮深度的点
Fig. 4 　Testing sites of the depth of graphite floatation on block
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《铸造技术》06/ 2007
　
王丽萍等:成分及工艺因素对球墨铸铁石墨漂浮的影响
2 　试验结果及分析
通过对阶梯试块不同厚度A2A 面及方块B2B 面
石墨漂浮带的初步观察和金相分析,发现10 mm 和
20 mm 厚阶梯的A2A 面上, 仅在高碳当量( CE ≥
5. 02 %) 时才出现不连续轻微的石墨漂浮,而大量可见
的石墨漂浮发生在碳当量大于4. 66 %的30 mm 厚阶
梯上和50 mm 厚方块上。因此,进一步详细的研究漂
浮带深度及分布规律,仅对30 mm 厚阶梯和50 mm
厚方块进行测量。
根据石墨漂浮程度的检验结果,可做出如图5 、图
6 、图7 所示的影响规律。
图5 　固定Si 时方块成分、浇注温度对漂浮的影响
Fig. 5 　Effection of composition and pouring2temperature on
floatation in fixed Si
图6 　固定C 时方块成分、浇注温度对漂浮的影响
Fig. 6 　Effection of composition and pouring2temperature on
floatation in fixed C
2. 1 　浇注温度对石墨漂浮的影响
从图5 和图6 可直观看到,浇注温度越高,在有可
能出现石墨漂浮的前提下,石墨漂浮带越深,石墨漂浮
越严重。但CE < 4. 66 %时,提高浇注温度不会引起石
墨漂浮。
2. 2 　铸件壁厚对石墨漂浮的影响
铸件壁厚对石墨漂浮的影响与碳当量、浇注温度
有关。CE < 4. 66 %时,所有壁厚上都不出现石墨漂
浮。CE > 4. 66 %后在相同浇注温度和相同CE 值下,
铸件壁厚越大石墨漂浮程度越大,如图7 所示。
图7 　2. 51 % Si 、浇注温度为1 400 ℃时,铸件壁厚对石墨漂
浮的影响
Fig. 7 　Effection of section size on graphite floatation
(2. 51 % Si ,pouring2temperature 1 400 ℃)
2. 3 　碳当量对石墨漂浮的影响
CE 高是引起石墨漂浮的主要原因。CE < 4. 66 %
时,所有厚度的试样上都不出现石墨漂浮。CE =
4. 66 %时,10 mm 和20 mm 厚阶梯上仍不出现石墨
漂浮,30 、50 mm 厚阶梯上出现石墨漂浮,但当碳量
较低(3. 60 %) 和浇注温度低(1 320 ℃) 时,30 mm 厚
阶梯上仍不出现石墨漂浮。可以认为,石墨漂浮的
出现有一个临界碳当量值,但这个临界值不是固定
的,它还与铸件壁厚和浇注温度有关。本研究中,在
2. 51 % Si 、浇注温度为1 400 ℃时,壁厚30 、50 mm
的临界CE 值为4. 66 % ,壁厚10 、20 mm 的临界CE
值为5. 02 %。铸件壁厚越大,浇注温度越高,这个临
界值越小。
CE > 4. 66 %时,无论是通过固定Si 增C (图5) ,
还是固定C 增Si (图6) 来提高CE 值,都使石墨漂浮
层加厚,但碳量的影响比硅量的影响大。在一定碳当
量下,石墨漂浮程度随C 量增加的幅度大,而随Si 量
增加的幅度小(如图6) 。
CE 对石墨漂浮程度的影响对铸件壁厚很敏感,
如图7 所示。对于薄壁件(30 mm) ,随CE 值增加石
墨漂浮程度增加较缓慢,壁厚增大到50 mm 时,随CE
值增加石墨漂浮程度急剧增加。
对于石墨漂浮产生的机理至今看法不一,但比较
多的研究者认为[6 ,7 ] ,过共晶球墨铸铁中初生石墨球
的形核和生长在液相中进行,如果在铸件凝固以前有
足够的时间上浮,就会在靠近铸件的顶部和型芯的下
部形成石墨漂浮区。根据这一理论,碳当量增高,初生
石墨增多,上浮到表面的石墨数量增加,漂浮程度增
大。浇注温度越高,液态停留时间越长,越有利于石墨
的上浮;同时浇注温度越高,铁液的粘度越小,石墨上
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Vol. 28 No. 6
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浮的速度越快,也加重石墨漂浮。铸件壁厚越大,凝固
时间越长,也越有利于石墨漂浮的生成。铸件壁较薄
时,即使CE 值较高,初生石墨较多,但冷却速度很快,
石墨来不及上浮铸件已凝固完毕,也不产生石墨漂浮。
因此,浇注温度和铸件壁厚对石墨漂浮的影响,都可归
结为冷却速度的影响,冷却速度低是造成石墨漂浮的
一个重要原因。
3 　结论
(1) 碳当量高是引起石墨漂浮的主要原因。石墨
漂浮的出现有一个临界碳当量值,但这个临界值不是
固定的,它还与铸件厚度和浇注温度有关。本试验条
件下:浇注温度为1 400 ℃时,壁厚30 、50 mm 的临界
CE 值为4. 66 % , 壁厚10 、20 mm 的临界CE 值为
5. 02 %。
(2) 石墨漂浮带的深度随碳当量增加(尤其是碳
量的增加) 和铸件壁厚、浇注温度的增大而增加。
(3) 碳当量对石墨漂浮程度的影响对壁厚很敏
感,铸件壁越厚,随CE 值增加石墨漂浮程度增加的幅
度越大。
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(上接740 页)
性影响的判据,见式(1) [ 8 ] ,选取合金元素加入量的平
均值:0. 25 %Mo 、0. 45Ni 、0. 6Cu、0. 2 %Mn ,计算的距淬
火端面无珠光体的临界距离J dp = 144. 7 mm ,表明合金
元素的加入量能够满足ADI 引锭杆淬透性的要求。
J dp = 2. 9 ( Tr ) 1/ 2 + 18. 2 (Mn) + 25. 3 (Mo) + 6. 0 (Cu)
+ 28. 6 (Mo + Cu) + 38. 6 (Mo + Ni)
+ 13. 6 (Mn + Ni) + 50. 9 (Mo + Cu + Ni) - 82. 2
(1)
式中　J dp ———距淬火端面无珠光体的临界距离,mm;
Tr ———奥氏体化温度, ℃;
Mn 、Mo 、Cu 、Ni ———合金元素含量。
(2) 根据引锭杆重量,等温淬火盐浴炉的设计考
虑了加热与冷却系统的匹配以及盐槽大小,保证该盐
浴炉具有足够的热容,以控制等温淬火时的温度波动,
并且在引锭杆等温淬火时,以压缩空气搅拌盐池,提高
盐浴炉的冷却能力。
随机选取一件引锭杆(该铸件的附铸试块的力学
性能合格) 进行解剖,检查其厚壁处的心部力学性能,
其力学性能为:抗拉强度为879 MPa 、伸长率为8 %。
因此,基本上可以认为本ADI 引锭杆已经淬透。
3 　结论
(1) 最大壁厚为140 mm 的ADI 引锭杆需要进行
必要的合金化,合金化元素的加入量为:0. 2 %～0. 3 %
Mo 、0. 4 %～0. 5 %Ni 、0. 5 %～0. 8 %Cu 。
(2) 牌号为Q T90028 的ADI 引锭杆的合适热处
理工艺是:奥氏体化温度为900 ℃,奥氏体化时间为
90 min ;等温淬火温度为360 ℃,等温“时间窗口”为
90～120 min 。
(3) 在该成分和等温淬火工艺条件下,引锭杆可
以淬透,可获得针状铁素体+ 残余奥氏体为基体的组
织,其力学性能可达到Q T90028 。
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