“两步法”蠕化处理工艺在蠕墨铸铁中的应用

在玻璃制品成形过程中，玻璃模具对产品的外观以及品质的作用非常大。由于初成形模具频繁地与1 100 ℃左右的熔化玻璃液接触，成形模的温度也在450~650 ℃之间变化，另外模具开合过程中，模具受到冷热的交变作用，产生热应力、氧化和机械作用，因此，对模具材料性能所提出的要求极其苛刻。一般来讲，玻璃模具材质应具备下列一些特质：抗氧化生长、耐热冲击、耐热疲劳、导热性好、高温耐磨、线膨胀系数小、易于机械加工、组织致密均匀、粘附温度高、耐腐蚀性能好等。 

目前常用的模具材料有：普通灰铸铁、D型石墨铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁、铜合金、镍基高温合金、不锈钢等，其中，铸铁模具材料的消耗量最大，大约占90%左右。与灰铸铁相比，蠕墨铸铁具有较好的强度、抗氧化生长、抗热疲劳、耐磨性好等优点，与球墨铸铁相比，蠕墨铸铁具有较好的导热性和抗变形能力，因此，蠕墨铸铁更适合于制作玻璃模具。但是，蠕墨铸铁在生产过程中，蠕化率稳定性差，且铸件容易产生缩孔和缩松等缺陷。而蠕化率又是影响玻璃模具物理性能和使用性能的主要因素。因此，多年来，蠕墨铸铁在玻璃模具中的应用一直没有很好的推广开来。目前，国内铸造企业处理蠕墨铸铁基本上采用传统的“一步法”，即冲入法或者喂丝法。由于影响蠕墨铸铁蠕化率等冶金质量的因素非常多，譬如，炉料种类、熔炼工艺与过程、炉前蠕化处理过程、出铁过程、工人操作水平、铁液的运输与浇注过程等。在蠕化处理过程中，有些因素不能够做到很好地人为控制。所以，“一步法”蠕化处理工艺很难稳定蠕墨铸铁的冶金质量。 

因此，国外许多铸造企业采用以Sintercast技术为代表的“两步法”蠕化处理工艺生产汽车缸盖和缸体。近年来，国内有多家大型汽车发动机铸件制造企业也引进了该技术。另外，国外企业也有采用以OCC热分析技术为代表的蠕化处理工艺。近几年，国内也引进了约10台套OCC蠕墨铸铁生产技术系统。但是，由于国外技术对生产过程的参数控制要求范围很窄，操作严格，且设备价格昂贵，生产过程中的耗材成本高，所以，这限制了该技术在我国中小铸造企业的推广应用。 

本文根据蠕墨铸铁传统蠕化处理工艺过程中存在的质量稳定性差的问题，利用国内独立成功开发的“两步法”蠕化处理工艺与智能调控系统来控制蠕化铁液的冶金质量，保证铸造玻璃模具铸件的蠕化率稳定性，并消除了铸件收缩缺陷。应用实践证明，“两步法”蠕化处理蠕墨铸铁玻璃模具质量稳定，使用寿命长，具有非常好的应用前景。

1　冲入法蠕化处理玻璃模具存在的问题

根据玻璃模具的使用工况条件， 蠕墨铸铁玻璃模具要求含有一定数量的合金元素，控制蠕化率在80%~90%范围内，基体组织为单一的铁素体。河北安迪模具有限公司原来采用冲入法蠕化处理工艺制作玻璃模具铸件，化学成分（质量分数）为：3.5%~3.7%C、2.5%~2.8%Si、0.3%~0.6%Mn、0.2%~0.5%Cr、0.25%~0.4%Mo、0.2%~0.5%Ni、P<0.06%，原铁液的含硫量在0.015%~0.02%，稀土镁蠕化剂的主要成分为9%RE、4%Mg和44%Si，根据原铁液硫含量，蠕化剂加入量在0.35%~0.4%范围内变化，一次包内孕育量：0.7%，出铁温度：1530~1560℃。 

由于蠕化处理过程中的变化因素比较多，蠕化率的稳定性非常差。图1为连续统计的28包次的蠕化率分布，可以看到，蠕化率在61%~94%之间变化，平均值为75%，均方差为6.6%。其模具蠕化率波动范围如此之大，将导致模具的铸造性能、力学性能、物理性能和使用性能极不稳定。另外，金相组织中还经常出现过共晶的团块状石墨、开花状石墨，甚至出现了大量球状石墨，如图2所示。有时候还会出现石墨漂浮。这在很大程度上影响了玻璃模具的导热能力，也促使了模具内腔表面在高温下容易出现凹坑和氧化（图3），耐磨性差，模具使用寿命缩短，玻璃制品的表面质量降低。经验表明，如果蠕墨铸铁玻璃模具的蠕化率和石墨形态控制不合格，它的使用寿命还不如D型石墨铸铁的玻璃模具寿命高。这也导致玻璃模具铸件容易出现缩松缺陷，如图4所示。如果出现过球化现象，铸件的缩孔和缩松缺陷将更加严重。铸件的缩松缺陷影响了模具机加工性能，常出现钻头刀具折断，冷却孔不垂直等问题。 

2　“两步法”蠕化处理工艺

根据上述分析可知，冲入法蠕化处理过程的有些变化因素是不可控的，也就是说蠕化铁液的冶金质量波动不可避免。既然如此，如果能够在浇注前，对冲入法蠕化铁液冶金质量的波动性进行准确定量预测，然后，对蠕化铁液进行修正，以获得合格蠕化铁液，从而保证所浇注的蠕墨铸铁件的质量稳定性。人们将此蠕化处理定义为“两步法”蠕化处理工艺。“两步法”蠕化处理工艺主要步骤是在控制好原铁液化学成分的基础上，首先进行蠕化预处理，然后对冶金质量变化较大的铁液进行喂丝调质处理。图6为“两步法”蠕化处理工艺流程简图。 

当中频炉熔炼原铁液熔清并达到1450℃左右时，调整好合金元素含量后，浇注原铁液热分析样杯，测试原铁液的碳硅含量及液相线碳当量；当原铁液碳硅及其他化学成分满足要求后，出铁进行预蠕化处理，预处理采用冲入法，预处理剂为球化剂+少量稀土金属或者稀土基的蠕化剂。一般来讲，预蠕化处理铁液的蠕化率要高于铸件所要求的蠕化率，这也叫欠处理，一般控制预处理蠕化率在90%以上。利用蠕墨铸铁冶金质量在线智能分析系统对预蠕化处理后的铁液进行全面冶金质量技术指标分析，如蠕化率、孕育指数、共晶指数、收缩倾向、共晶点碳当量、奥氏体析出量、石墨化膨胀因子、石墨漂浮因子等。然后，根据所生产蠕墨铸铁玻璃模具铸件的蠕化率（80%~90%）等技术要求，智能系统自动计算对预处理后铁液的镁线和孕育线长度，并自动进行喂线处理，达到进一步修正预处理铁液的蠕化率和孕育效果等冶金质量指标的目的，以获得合格蠕化率的铁液。 

在安迪模具公司生产条件下，蠕化镁线的直径为9mm，孕育线的直径为13 mm。对于处理700kg铁液，根据蠕化预处理的铁液蠕化率的波动状况，一般二次喂镁线长度在3~7m，孕育线长度3~6m。喂丝后，浇注铸件，从而保证玻璃模具铸件的蠕化率控制在80%~90%范围内，稳定了蠕墨铸铁玻璃模具铸件的性能。 

理论和大量生产实践证明，“两步法”蠕化处理工艺彻底解决了冲入法蠕化处理铁液冶金质量技术指标一致性差的技术难题。

3   “两步法”蠕化处理玻璃模具的蠕化率

自2017年12月份，河北安迪模具有限公司采用了“两步法”蠕化处理工艺来处理蠕墨铸铁玻璃模具铸件，至今，采用这种新的蠕化处理工艺已经有4年多时间了，处理了近10 000包次的蠕化铁液，没有出现一包蠕化处理失败的铁液。对于“两步法”蠕化处理工艺，即使蠕化预处理失败，即预处理的铁液为完全片状石墨，或者为蠕虫状石墨和片状石墨混合存在，智能系统也能够自动判断其蠕化效果，智能系统将自动计算额外的镁线长度，补偿石墨由片状转变为蠕虫状所需要的含镁量，通过二次喂丝能够将这包预处理失败的铁液纠正到蠕化率等冶金质量指标合格的状态。 

需要注意的是，如果预蠕化处理的铁液过球了，即蠕化率远低于80%，蠕墨铸铁冶金质量智能在线测控系统也能够准确预测这种情况。此时，智能系统是不计算镁线加入量的。在这种情况下，如果预处理的铁液温度高于浇注温度，可以等待蠕化衰退，但是等待的过程也存在着孕育衰退。否则，过球化的预处理铁液就要回炉，或者再补充加入适量的原铁液，或者加入适量的硫粉或FeS以中和过多的活性镁。但是，这需要进行大量的试验才能确定硫粉或FeS的加入量。一般情况下，由于浇注温度的限制，不允许预处理过球化的铁液等待。所以，在预处理的过程中，一定要尽量避免过球化预处理。 

图7为预蠕化处理和喂镁线5.2 m铁液凝固后的石墨形态。由图7可见，预处理后的蠕化率约为95%，喂丝后铁液的活性镁含量提高，石墨球数量增多，蠕化率降到约83%。 

4　蠕墨铸铁玻璃模具的装机应用

蠕墨铸铁玻璃模具铸件在加工前需在950℃条件下进行高温石墨化退火处理，以消除碳化物，均匀化学成分。铸件在高温保温3~5h后于热处理炉内缓慢冷却，通过共析三相区，使得奥氏体完全按照稳定系进行共析转变，以获得100%的铁素体基体。图11为退火后的金相组织，由图11可见，蠕墨铸铁玻璃模具铸件在高温退火过程中，细小石墨有溶解、合并的趋势，基体为铁素体。这样，蠕墨铸铁玻璃成形模具在使用过程中，不会由于加热和冷却导致基体组织发生相变而产生微孔洞，同时没有相变应力的产生，有利于提高玻璃模具的使用寿命。 

表1　蠕墨铸铁玻璃模具与D型石墨铸铁模具

的使用效果对比

5　结论

（1）冲入法蠕化处理过程中的变化因素比较多，控制难度大，蠕墨铸铁的冶金质量波动大，铸件质量不稳定。

（2）“两步法”蠕化处理工艺可以获得稳定的蠕墨铸铁铁液的冶金质量，克服了冲入法蠕化处理工艺因素变化大导致的冶金质量一致性差的问题，提高了玻璃模具铸件的内在质量。

（3）“两步法”蠕化处理的玻璃模具抗氧化性好、耐磨性高，使用寿命长，玻璃制品的表面质量好，有利于提高生产效率，降低玻璃制品的生产成本。

（4）“两步法”蠕化处理工艺获得成功的关键是采用蠕墨铸铁智能在线测控系统对预处理蠕化铁液的冶金质量关键技术参数进行准确的预测。

作者：刘金海，赵雪勃，薛海涛，付彬国，张桂显，张胜德，刘长起，王立新，李寅国

单位：河北工业大学材料科学与工程学院