摘要：普通粘土砂静压线工艺条件下，不用高纯生铁、改用大比例废钢配以回炉料合成球墨铸铁得到高纯净的铁水；不加镍、钼贵重合金，通过少量铜锡的固溶强化；使用碳化硅进行预处理，提高铁水冶金质量；选用高效孕育剂，细化石墨球、增加石墨球数，提高球化率，开发成功铸态高强度、高延伸QT700-10球墨铸铁件。
　　关键词：粘土砂；铸态；QT700-10
　　一、背景技术
　　球墨铸铁件因具有良好的力学性能和铸造性作为重要的工程材料，在工业生产中应用广泛。最新国家标准GB/T1348-2019《球墨铸铁件》中规定有铁素体珠光体球墨铸铁的QT350-22L到QT900-2共计14个牌号和固溶强化铁素体球墨铸铁的QT450-18到QT600-10共计3个牌号，都是低强度高延伸或高强度低延伸，随着近些年新技术新材料不断涌现，特别是节能减排环保的需要，商用汽车向着重载、高速、节能低耗方向发展，汽车零部件轻量化的需求不断增加，促进了汽车零部件对高强度高延伸铸态球磨铸铁件的需求。
　　目前国内混合基体的QT700-2、QT800-2、QT900-2等牌号强度有余但韧劲不足，固溶强化铁素体基体的QT600-10牌号韧性提高很多但强度提高有限。国内对高强度高延伸球墨铸铁的研究主要是通过等温淬火等热处理方式获得，因为生产成本较高、热处理工艺过程复杂，还达不到稳定批量生产的工艺条件。
　　现有的铸造工艺模式一般采用铁模覆砂工艺或壳膜壳芯钢丸覆盖工艺，铸型强度高，使用高纯生铁、微合金化生产QT700-10、QT800-5等高强度、高延伸的球墨铸铁，具有技术难度小、铜锡等合金加入量少、成本较低等技术优势，只适合大批量产品，无法适应多品种、小批量的产品开发，应用范围窄、产品适应性较差，一次性模具（热芯盒）投入较大。
　　对比应用广泛的粘土砂流水线工艺，模具投入小、适应多品种小批量的产品开发，产品适应性较好，但生产QT700-10、QT800-5等高强度高延伸的球墨铸铁时高强度问题不大，但是高延伸率较难达标。同时因为砂型强度较低，一般铜、锡、镍、钼等合金加入量较大，机械性能稳定性较差，技术难度较大、生产成本较高。
　　国外该类产品的成功开发仅有瑞士GF公司的专利SiboDur球墨铸铁系列产品（见表1），自已进行推广应用，但国内还没有专利授权。
　　表1  GF公司SiboDur球墨铸铁性能要求

　　二、主要技术特点
　　我们从生产降低成本、减少晶界偏析、减少应力集中、提高铸件安全性出发，不用高纯生铁，只用废钢压块，主动降低Si含量，少加Mn等容易产生晶界偏析的合金使用，不用Ni、Mo等贵重合金降低成本。
　　本技术提供一种高强度、高延伸铸态QT700-10球墨铸铁件及其生产工艺，利用主要元素成分的优化设计调控基体组织、少量合金元素固溶强化、细晶强化，利用粘土砂静压线工艺，实现在铸态条件下稳定生产高强度、高延伸QT700-10球墨铸铁件，不仅降低产品成本，而且为扩大球墨铸铁的应用范围创造了条件，从而满足机械零件对高强度高韧性球墨铸铁件的需求和汽车零部件轻量化的要求。
　　三、主要技术指标
　　对标瑞士GF公司的专利SiboDur700-10的主要性能指标，我们的主要技术指标要求是：
　　①化学成分：C 3.2-3.75%、Si 1.9-3.0%、Mn 0.1-0.7%、Cu0.3-0.9%、P ≤0.030%、S ≤0.020%、RE 0.010-0.030%、Mg 0.025-0.050%。
　　②金相组织：球化等级≤2级，保证球化率在90%以上；石墨大小6-8级；珠光体60-95%。
　　③机械性能：抗拉强度Rm≥700Mpa、屈服强度Rp0.2≥440Mpa、断后伸长率A8-12%、布氏硬度HBW210-290。
　　四、主要技术措施
　　1、全废钢增碳得到高温、高纯净的铁液。
　　不用高纯生铁，用大比例的废钢加增碳剂配以少量回炉料合成球墨铸铁已经成为一种重要的工艺方法，尤其是用以生产高强韧的高性能球墨铸铁。废钢有较高的纯净度，其S、P、Mn、Cr、Ti、Pb等含量都在较低的水平，并且原始组织中不含石墨相。
　　废钢为主要原料配合增碳剂及硅铁增碳增硅得到的合成铁水，与熔炼生铁得到的铁水相比，一方面消除生铁中原始石墨的不良遗传作用，冶金反应更充分；另一方面又可以将废钢原始细化、致密的组织特性遗传进来：又因为铁液纯净度高而必须加强孕育，得到的结果就是石墨球、共晶团均随之细化熔体纯净度更高、夹杂物更少，在此基础上强化孕育，可以得到更加细小圆整的石墨球以及更发达的奥氏体枝晶骨架，因而得到的铸件一般都有更好的力学性能，尤其是冲击韧性及延伸率。
　　合成球铁方法工艺上的要点主要在于原材料把控、熔炼增碳、碳化硅预处理以及强化孕育。首先我们需要高质量的增碳剂以及成分可靠的废钢。增碳剂中的C应以晶体形式存在同时灰分、硫分、N含量都应较少，而且其粒度应和增碳工艺对应。废钢要有较低的Mn、S、P含量及低含量的Cr、Ti、Pb等有害微量元素。
　　2、碳化硅预处理，提高铁水冶金质量。大容量电炉熔炼，铁水熔炼及等待时间长，导致铁水结晶晶核烧损严重，白口化倾向严重，铁水结晶质量下降。使用碳化硅进行预处理，可以能改善铁水冶金质量，净化铁水，具有脱氧除气作用，改善铁水流动性，减少气孔的产生。SiC在铁液内的脱氧能力比硅铁强。碳化硅中含有Si、C都是强的脱氧元素，而在硅铁中除硅外没有别的脱氧元素。可有效增加石墨核心，增加石墨球数，从而提高球化等级；是强力的脱氧剂，可减少球化剂添加量。能有效减少甚至消除铸件碳化物的产生，尤其是对薄壁件的白口有很好的改善作用。减少元素偏析，增加铁水有效晶核，增强抗衰退能力。
　　3、球化、孕育效果的优化 。晶粒细化是解决强度和延伸率直接矛盾的关键，铁水的净化和过滤是提高延伸率的重要保证。使用低镁低稀土球化剂，减少球化剂加入量，降低残余镁、残余稀土过高对铁水白口化、石墨球粗大的影响。选用高效孕育剂，如含Ca、Al、Ba、Bi、Ce的孕育剂，细化减小石墨球径、增加石墨数，从而提高球化率、球化等级。由于石墨球数增多，晶间偏析减少，增加共晶团数量，细化基体组织，同时也可细化石墨球，改善石墨形态和分布状况，减少白口倾向，从而提高球铁的综合性能指标。
　　五、技术效果验证
　　1、图1是轻量化QT700-10支架实物

　　图2、图3是实施的QT700-10球墨铸铁件腐蚀前金相照片

　　图2                                                                                                                             图3
　　图4、图5是实施的QT700-10球墨铸铁件腐蚀后金相照片

      　　图4                                                                                                                                    图5
　　图6、图7是实施的QT700-10球墨铸铁件机械性能报告

　                                                            　图6                                                                                                                               图7
　　图8、图9、图10、图11、图12、图13是我们外委SGS、SCT等公司对QT700-10的附铸试块进行的机械性能和弹性模量、常温缺口冲击功第三方检测，检测结果均合格。具体见表2
　　表2  铸Y型试块机械性能与弹性模量检测结果

　　                                                        图8                                                                                                                                       图9

　                   图10                                                                                                                  图11
　    

　                                                                   图12                                                                                                                图13