Prevention of Flake Graphite in the Surface of the Grey
Iron With Outer Layer Spheroidal Graphite

LI Shu-jiang, WANG Ming-jie, LIAO Jin-ming
(Fuzhou University, Fuzhou 350002, China)

Abstract： The gray iron with spheroidal graphite, in the outer layer, produced by the mold coating containing rare-earth, prossesses the structure of graphite morphology transition layer from outer layer to inner, and the graphite morphology transfers from spheroidal to flake. But under some conditions the flake graphite can appear in the spheroidal graphite zone in the surface layer. So that the research on formation and prevention of such flake graphite was carried out in this paper.
Key Words: Gray iron； Outer layer; Graphite spheroidal; Flake graphite

　　工程中相当数量的构件，由于其外表面和内部的受载状态不同，对构件不同部分的组织和性能要求也不相同。在研究蠕墨铸铁钢锭模时^［1］发现表面层具有高球化率的钢锭模使用寿命特别高。解剖分析表明，其中心部位依然是高蠕化率的。可以认为这种钢锭模之所以具有较高的使用寿命，是因为其表面层具有高的球化率，改善了表面层的机械性能，提高了表面层的抗裂性。中心部位的高蠕化率，保证了钢锭模具有良好的导热性能，降低了钢锭模内、外部分的温度梯度，减少了热应力，对提高钢锭模的使用寿命特别有利。假设使钢锭模表面层是球墨组织，中心部位是片状石墨组织，那么这种钢锭模导热性能会更好，更有利于降低钢锭模内、外部分的温度梯度，减少热应力，对提高钢锭模的使用寿命将更加有利。于是进行了灰铸铁表面层石墨球化工艺的研究。
　　但在使用稀土基涂料进行表层石墨球化处理的过程中，发现某些试样球化层的外表层却出现了片状石墨。这种石墨形态对钢锭模在高温条件下，反复使用的寿命特别不利^［1］。同时，在球铁实际生产过程中，球铁液体与铸型或涂料会发生界面反应，使一些有害元素(如硫)进入铁液中，在球铁件表面层产生片状石墨^［2-3］。当这些片状石墨存在于铸件的非加工表面而被保留下来时，在应力作用下，极易成为疲劳裂纹源，从而大大降低了球墨铸铁件表层的机械强度，恶化铸件的机械性能，降低铸件的使用寿命。这一切都与球化处理的目的相违背，因此有必要对铸铁球化处理时，表皮片墨层出现的原因进行分析研究，并采取相应的措施予以防止。
1　试验及试验结果
　　试验采用了变截面的试样(图1)，在涂料层厚度一定时，研究了不同厚度的试样表层石墨形态和组织的变化。试验采用普通粘土砂造型和压边浇口。在正对浇口的型腔侧壁处均匀涂敷一层稀土基表层石墨球化涂料(图2)，涂料层厚度为5 mm。涂好涂料的铸型自然干燥24 h后使用

　　涂料配比中，采用了1^#稀土硅铁作球化剂。加入75硅铁作孕育剂，以提高涂料的孕育效果。采用水玻璃作粘结剂，并加入少量PVB。为了消除合金颗粒表面的氧化物，提高铁液与合金颗粒表面的润湿能力，增加铁液渗入涂料的深度和速度，加快涂料合金颗粒的熔解，加入了硼砂和氟化钠混合熔剂。
　　金相试样取自浇注试样厚度50 mm处(图1)。
　　试验使用的表层石墨球化涂料配比中，把粘结剂和熔剂作为固定因素。熔剂加入量相当于1^＃稀土硅铁总量的2.5%，水玻璃加入量为粉料总量的10%，并加入适量的PVB。按L₉（3⁴）正交试验设计表进行试验，试验因素与水平排列，如表1所示。原铁液采用本溪生铁，加入废钢、硅铁以改变碳当量，加入硫化铁以改变含硫量。原铁液用25 kg 100 kW中频感应电炉熔炼，过热温度为1 550 ℃左右。

表1　试验因素与水平
Tab.1　Test factors and levels

2.3　原铁液碳当量的影响
　　由表2可知，原铁液的碳当量对铸件表层球化层出现片状石墨的影响仅次于原铁液的含硫量。在原铁液含硫量≤0.02%，当原铁液处于共晶成分或过共晶成分时，不会出现片状石墨；当原铁液含硫量≥0.06%时，不论碳当量如何，都会出现片状石墨。这表明在原铁液碳当量较高的情况下可以适当地放宽对原铁液含硫量的要求。过共晶(共晶)铁液的流动性很好。这既有利于充型，又有利于排除球化反应造成的夹杂物，提高表层球化层的品质。有文献［7-8］报道，铈只对过共晶成分铁液的球化能力较强，在过共晶铁液中只要加入足够数量的铈就能形成完全球状石墨组织，当处理含硫量＜0.06%的过共晶铁液时，铁液中残余铈量为0.04%就能保证球化。在亚共晶铁液中，只有在原铁液的含硫量很低的情况下(＜0.006%)，加入较多的铈，才能得到球化良好的石墨^［8］。否则，即使是薄壁铸件也只能获得致密石墨组织^［7］。因此，稀土在过共晶铁液中具有更强的球化能力。所以，要尽量采用过共晶或共晶成分的原铁液。
2.4　孕育剂的影响
　　稀土硅铁球化剂中含有一定量的硅，在快速的球化过程中可以起到一定的孕育作用^［9］。因此，试验时加入一些75硅铁孕育剂以增强孕育效果，消除稀土球化剂造成的白口倾向，获得铸态无自由渗碳体的铸件。同时，还可以细化球状石墨，增加石墨球数。
2.5　球化剂的影响
　　稀土是一种较好的球化剂，它的氧化物密度与铁液相近，在球化反应过程中，反应进行得很平稳，不象镁那样反应很剧烈，但它的球化能力却不如镁。稀土的密度比镁大得多，所以在原铁液含硫量相同的情况下，脱硫所需要的稀土量比镁大，以铈为例，脱硫所需要的数量大约是镁的4倍^［5］。所以，在以稀土镁(含有少量镁)为球化剂的表层球墨化涂料研究中，未发现表层有片状石墨的出现。因为条件相同的情况下，用以稀土镁(含有少量镁)为球化剂的表层球墨化涂料处理后，球化剂的消耗要比单独使用稀土球化剂少，表层铁液中球化剂的残留量要比利用稀土基涂料进行处理后的表层铁液中球化剂残留量要高。这样，即使表层铁液与型砂或涂料发生界面反应，产生的硫化物进入表层铁液中，消耗了一部分球化剂，但是表层铁液中仍然保存有能够保证石墨球化的残留球化剂量，所以不会产生表层片状石墨（见图5、图6)。

2.6　表面片墨层石墨形态的变化
　　对试样进行金相分析的结果表明，片状石墨层石墨形态由外表面到内部依次为片状石墨、过滤区、蠕虫状石墨(图7)。可见片状石墨层只是在球化不良的情况下才会出现。在蠕虫状石墨与过渡区石墨之间存在着一条隔离区，过渡区石墨与片状石墨之间界线则不明显。

图7　片状石墨层石墨形态的变化
×100未腐蚀
Fig.7　The morphology change in the flake graphite
layer, ×100, no etching

2.7　截面厚度对片状石墨层深度的影响
　　由图8可知，变截面的试样厚度的变化，导致了试样不同部分模数的不同，引起试样凝固过程中凝固速度的变化，从而引起片状石墨层深度的变化。试样厚度增加，凝固速度降低，原铁液保持液态的时间变长，铁液与型砂反应时间也会延长，含有硫的反应产物进入铁液的机会增加，使得原铁液中的含硫量增加，从而引起表面片墨层厚度的增加。

图8　不同试样厚度试片片状石墨层深度
Fig.8　The depth of the flake graphite layer in the
test pieces with different section thickness

3　结论
　　(1) 利用稀土基表层球化涂料进行灰铸铁件的表层球化处理时，应严格控制原铁液中的含硫量，尽量降低原铁液的含硫量≤0.02%，最多不超过0.04%。
　　(2) 原铁液的碳当量也是一个重要因素。当原铁液处于过共晶状态时，它不但具有较好的流动性，而且稀土在过共晶状态下具有良好的球化效果，铸件表层球化层的品质较好。
　　(3) 利用稀土基表层球化涂料处理过的铸铁铸件，表层出现片状石墨，其分布由外到内依次为片状石墨，过渡石墨，蠕虫状石墨。
　　(4) 在灰铸铁件表层球化处理过程中，表层片状石墨的出现与涂料所采用的球化剂的球化能力有关。如果球化剂的球化能力较强，则不易出现表面片状石墨层；如果球化剂的球化能力较差，在一定的条件下就会出现表层片状石墨。