【热坛学习】薄壁球墨铸铁件生产注意事项
研发和生产薄壁球墨铸铁件首先由汽车工业开始。汽车零件中约有13%~14%是铸铁件。其中球墨铸铁件占有较大比重。例如每台9t卡车中就有约1000kg球墨铸铁件。其中发动机汽缸头、桥壳、排气歧管、涡轮增压器等零件都是球墨铸铁件。汽车企业投入资金研究薄壁球墨铸铁件的生产工艺，一方面是为了减轻汽车重量、降低汽车制造成本；减少燃料消耗和二氧化碳排放量。更重要的是汽车发动机中有些薄壁铸件在高温下工作，经受热循环，要求尽快散去零件工作时内部产生的热量，提高零件寿命。
当前，国内生产壁厚5~6mm球墨铸铁件的技术已很成熟。例如已成批生产最小壁厚只有5mm的硅钼球墨铸铁或高镍奥氏体球墨铸铁汽车排气歧管。近些年已有些汽车发动机公司把铸件最小厚度缩减到2.5~3mm。
铸造2.5~3mm薄壁球墨铸铁件需要解决的主要技术问题有：避免薄壁组织中存在碳化物，铸件出现白口；薄壁铸型对狹窄空间中铁水流动阻力增加，铁水温度快速下降，较难充满铸型，因此要避免铸件产生冷隔、缺肉等缺陷；避免薄壁部分出现厚度误差；防止球墨铸铁的力学性能发生变化。
避免薄壁球墨铸铁件出现白口的措施是选用合适的化学成分和提高铁水孕育效果。其中选择好铸件碳当量是最主要的。提高碳当量能增强铁水的碳活度，减少铁水共晶转变过冷度，促进石墨形核。薄壁铸件的碳当量应高于一般球墨铸铁。根据科研试验数据和现场生产试验结果，为了避免出现碳化物，壁厚2.5~3mm球墨铸铁件的碳当量不宜低于4.6%。
判断碳当量是否合适除了进行化验外，还可以观察浇注薄壁件的铁水凝固后产生的石墨球数来判断碳当量是否合适。这是一项非常实用和有效的方法。薄壁球墨铸铁件碳化物的生成与该铸件石墨球数之间存在着一定关系。增加球数可以减少碳化物生成。球状石墨数量不但能判断铸件碳当量是否合适，而且是铁水孕育处理效果、铸件冷却速度、铁水过热程度和浇注温度等诸多因素的综合反映。
除碳、硅含量外，铁水中存在碳化物形成元素（锰、铬、钼、钒等）也促进薄壁产生白口。试验表明：薄壁球墨铸铁件是否出现晶间碳化物与铁水內碳化物形成元素的质量分数有关。锰促使碳化物生成，磷会形成磷共晶。必须严格限制这两种元素的含量。如果没有降低含硅量的特殊要求，薄壁球铁件的含锰量不应超过0.2%。一般在0.1%~0.2%之间。含磷量也应尽可能低。含磷量超过0.06%，即可在金相组织中看到磷共晶的存在。铸态使用的薄壁球墨铸铁件中，磷的质量分数不宜超过0.03%。铬、钼、钒、钛等碳化物形成元素大多数来源于炉料。生铁或回炉料中可能含有这些元素。因此，熔炼前应检查炉料中这些元素的总量，一般不要超过0.25%。
除了常存元素和合金元素外，还应注意残余镁量。球化处理时加入球化剂过多或镁的收率超过预期都能导致铸件残余镁量过多，而使薄壁球墨铸铁件产生白口。采用稀土镁球化剂时，残余镁量为0.04%即可使2.5~3.0mm断面中出现碳化物。铸造壁厚≤3mm薄壁球墨铸铁件一般应采用过共晶成分铁水，建议在下列范围内选择。
(CE)=4.60%~4.85%
(Si)=2.40%~2.70%
(Mn)=0.10%~0.20%
(P)≤0.03%
增加铁水内有效石墨晶核数量是增加石墨球数的重要途径。在快速冷却凝固的薄壁球墨铸铁件中增加石墨球数必须进行强效孕育处理，这种处理应能产生足够的有效石墨晶核，而且成核稳定，易于接受碳原子在其上结晶,形成球状石墨。
实践证明，生产薄壁(2.5~3m)球墨铸铁件通常需要采用含有铋和稀土元素的硅系孕育剂或采用碳硅(SiC)孕育剂，进行瞬时孕育。在硅铁孕育剂中加入少量铋和稀土元素可使孕育后的球状石墨数量显著增加。
有报道指出，成分为CE=4.68%~4.88%,(Si)=2.73%~2.95%的球墨铸铁水采用多种孕育剂及不同加入方法进行试验，其中以75硅铁+铋+稀土进行复合孕育(孕育剂加入总量1%)，所产生的石墨球数远超过一般硅铁孕育后产生的石墨球数。当铈和铋的残存量均为0.008%时，增加石墨球数的效果最好采用上述方法生产的3mm厚铸件，金相组织中消除了碳化物。
在孕育处理工艺方面，生产超薄壁球墨铸铁件应采用瞬时孕育。第一次孕育时把孕育剂加在出铁槽上，随流加入铁水或覆盖在置于处理包底的球化剂上面。孕育剂的加入量约为0.7%~1.0%。第二次采用瞬时孕育，孕育剂放置于铸件的浇注系统内，铁水流经浇注系统时，使孕育剂熔化，并随即进入铸件型腔。由于孕育剂熔入铁水中的时间短，铁水凝固时正处于孕育剂发挥作用的高峰时段，因此这种孕育方法的效率很高。型内孕育所需的孕育剂量一般是浇入铸型铁水总量的0.02%~0.05%。使用含铋孕育剂时，即使同时加入稀土元素，也需要严格控制铋在铁水中的积累含量。因为铋在球墨铸铁中会干扰球化作用。积累含量越多，它的干扰作用越明显。
在浇注薄壁铸件的铁水中加入碳微粒进行孕育处理，对于促进石墨形核、提高孕育效果非常有效。很早就有人提出碳微粒形核理论。提出在铁水中加入碳微粒能促进石墨形核，抑制白口生成。这个理论认为铁水中存在大量超微尺寸碳微粒。当铁水到达凝固温度时，这些微粒和已经发生偏聚的碳原子集团便成为石墨形核基质，使碳原子方便地在其上沉积，形成石墨晶核。由于碳微粒和石墨晶核的原子尺寸相近，晶体结构相同，碳原子在石墨粒上形核比在其他物质上形核要容易得多。
上述理论向人们提出一种设想，如果在铁水中直接投入一些能够直接形成碳微粒区或碳原子集团的物质，应当可以增加石墨晶核数量。这方面的研究发现：在适当温度下，向铁水中添加具有良好晶体结构的SiC可以达到显著增加石墨体积分数的目的。曾进行的生产试验也表明，浇注薄壁球墨铸铁件时在铁水中加入晶态SiC，确有显著增加石墨球数，消除白口组织的作用。
SiC是由金属硅与石墨晶体复合后加工制成。所用石墨必须具有完整的石墨晶体结构(工业生产所用的电极石墨或作为铸铁件涂料用的粉状石墨均不能应用)。SiC中含碳量约为40%~45%,含硅约38%~42%。还含有钙、铝、钡等元素。国外已有碳硅(SiC)孕育剂专利产品。
SiC在铁水中的作用与一般孕育剂相似。但是由于它在铁水中直接形成碳活度很高的区，形核过程进行很快，形核效率高。因此，特别适用于浇注凝固过程短暂的薄壁件铁水。这一种孕育剂能使灰铸铁中产生非常细小均匀的A型石墨。在球墨铸铁件生产中可使石墨球数显著增加。
利用SiC对铁水进行预处理也能获得很好的孕育效果。碳硅钙合金也能利用碳元素增加石墨晶核、避免碳化物生成。这种由石墨晶体与硅铁、硅钙合金混匀后压块而制成的孕育剂，在抑制碳化物生成方面与SiC有相近的效果，值得进一步研究应用。
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