知识篇——高强度灰铸铁实用技术篇章
一、电炉熔炼高强度灰铸铁，做好这几点才能保障质量！
1、高强度合金灰铸铁成分的设计
以壳体为例，其材质为灰铸铁250，硬度大于200，要求易切削加工，进行油压试验不渗漏，在铸铁中添加微量多元合金成分，选择合理的工艺参数，使铸件具有一定的化学成分和冷却速度，获得理想的金相组织和力学性能。要保证力学性能，就必须控制好基体组织和石墨形态。
高强度低合金化孕育铸铁的成分设计，首先要考虑铁液碳当量与冷却速度的影响作用。碳当量过高，铸件厚壁处冷却速度缓慢，铸件厚壁处易产生晶粒粗大、组织疏松，油压试验易产生渗漏；若碳当量过低，铸件薄壁处易形成硬点或局部硬区，导致切削性能变差。将碳当量控制在3.95％～4.05％，即可保证材质的力学性能，又接近共晶点，其铁液的凝固温度范围较窄，为铁液实现“低温”浇注创造了条件；而且有利于削除铸件的气孔、缩孔缺陷。
其次要考虑合金元素的作用，铬、铜元素在共晶转变中，铬阻碍石墨化，促成碳化物、促进白口；而铜则促进石墨化作用，减少断面白口。两元素相互作用在一定程度上得到中和，避免在共晶转变中产生渗碳体而导致铸件薄壁处形成白口或硬度提高；而在共析转变中，铬和铜都可以起到稳定和细化珠光体的复合作用，但各自的作用又不尽相同。以恰当比例配合，能更好发挥两者各自的作用。在含铬＝0.2％灰铸铁中加入大于2.0％的铜，不仅能促进珠光体转变，提高并稳定珠光体量和细化珠光体，促进A型石墨产生和均化石墨形态；还能在铬r小于0.2％灰铸铁中提高铁水的流动性，这尤其对壳体薄壁累铸件有利。复合加入铬、铜可使铸件致密性进一步提高，因此对于要求耐渗漏的铸件。加入适量的铬、铜、有利于改善材质本身的致密性，提高其抗渗漏能力。
珠光体基本是高强度灰铸铁生产中希望获得的组织，因为只有以珠光体为基础的铸铁强度高、耐磨性好。锡能有效增加基体组织中珠光体含量，并促进和稳定珠光体形成，我们生产实践的结论是把锡含量控制在0.7％～0.9％.
2、严把原辅料质量关
入厂原辅材料须进行取样分析，做到心中有数，不合格的原辅材料绝不投入使用。要保证高质量的原铁液，必须选用高碳、低磷、低硫、低于扰元素的生铁；选用纯净的中碳钢，对其所含成分铬、钼、锡、钒、钛、镍、铜等微量元素以化验结果决定取舍，对能稳定珠光体的废钢成分优先选用。生铁和废钢必须经过除锈处理后方能允许使用，附着油污的要经250度烘烤。
对铁合金、孕育剂同样采用定点采购，力求成分稳定，块度（粒度）合格。分类堆放，避免受潮。这样的要求避免了铸铁炉料“遗传性”带来的缺陷。
使用前的准确计量是熔炼合格铁液的质量保证。特别指出，对于感应电炉熔炼、严谨炉料中混有密封器皿和易爆物。
（1）坚持把理论配料和实践经验相结合。无论采取试算法还是图解法，理论上计算的配料数据，不能确定为最终配比，还要掌握中频炉熔化过程中元素的变化规律。如果炉衬属酸性材料，铁液温度尽量控制在1500--1550摄氏度范围内，在硫i的加入量上只能取下限，而碳必须取上线。
（2）掌握各种入炉金属材料的化学成分和各元素烧损与还原规律。对回炉料进行分类堆放、编号记载，提出成分明确的严格要求。炉内还原的元素在配料时减去，炉内烧损的元素配料时补上。
（3）合金元素以一次性配入为原则，除硅以外其它配料时取中限，合金（钼、铬、铜、锡等可在熔清扒渣后加入，在酸性炉中烧损极少。硅在扒渣及孕育时还可以补充。就感应炉熔炼铸件而言，遵循先增碳后加硅的原则。
（4）对磷、硫含量严格控制，磷、硫量主要来源于新生铁，可以通过选择炉料将磷、硫量控制在要求范围内，所以必须要使新生铁的磷小于0.06％，硫小于0.04％，这样在配料计算时磷、硫量就可以不于考虑。
（5）凡入炉的所有金属材料均严格按照要求准确计量。
3、中频电炉熔炼的控制
要根据中频电炉的冶金特性编制合理的熔炼工艺，从装料、温度控制及在各不同温度下加入合金、增碳剂、造渣剂以及出铁温度各个环节严格控制，力求用最短的熔炼时间、最小的合金烧损与氧化，达到控制和稳定金相组织，提高铸件质量的目的。
在生产实践中，我们将整个熔炼全过程分为三期 温度进行控制。这里所谓的三期温度指：熔清温度、扒渣温度和出铁温度。
熔清温度：即取样温度以前的熔化期，决定着合金元素的吸收与化学成分的平衡，因此要避免高温熔化加料，避免搭棚“结壳”。否则铁液处于沸腾或高温状态、碳元素烧损加剧，硅元素不断在还原，铁液氧化加剧杂质增加，按工艺要求熔化温度控制在1360摄氏度以下，取样温度控制在1420摄氏度左右。取样温度低了存在铁合金未熔化完，取的试样化学成分势必无代表性;温度过高，合金烧损或还原，还会影响到精练期的成分调整。取样后应控制中频炉功率。在炉前质量管理仪对化学成分显示出结果后恰好进入到扒渣温度。
扒渣温度: 扒渣温度是决定铁液质量的重要环节，因为它与成分稳定、孕育处理的效果密切相关，并直接影响到出铁温度的控制。扒渣温度过高加剧铁液石墨晶核烧损和硅的还原，特别对酸性炉衬，理论上铁液含硅偏高后将产生排碳作用，影响按温度系结晶，存在着产生反白口的倾向；若温度过低，铁液长时间被裸露，碳、硅烧损严重。再次调整成分时，不仅延长熔炼时间使铁液过热，而且易使成分失控，增大铁液的过冷度，使正常结晶受到破坏。
出铁温度：为保证浇注和孕育的最佳温度，我们一般控制在1520～1550摄氏度。出铁温度的高和低都会对铸铁的结晶和孕育效果带来影响，如果温度过高，如超过工艺规定温度30℃以上，尽管炉前快速分析碳、硅也适中,但试浇三角试片白口深度会过大或中心部位显现麻口。出现此种情况即使采取措施向炉内补加碳增大孕育量，笔者的实践经验是效果欠佳，且需在调低中频功率后，进行炉内降温处理，即向炉内加入铁液总量10%-15%经过烘烤的新生铁，这样试片断口心部麻口就转为灰口，顶尖的白口深度变小。若持续高温时间较长，采取如上方法后，仍须履行炉内补碳措施。出铁温度按浇注温度控制，壳体类铸铁件合适的浇注温度为（1440摄氏度左右，能够实现“高温出铁，适温浇注”，严格掌握和控制住当然最好。因为出铁温度低将导致浇注温度低于1380摄氏度，既不利于脱硫、除气，而且特别影响孕育处理效果。随着温度的降低，冷隔、轮廓不清晰等问题明显增加。
4、铁液的孕育处理
对生产壳体用灰铸铁250进行孕育处理，以提高材质的耐磨性，使铸件的组织和性能得以明显改善，显著提高各断面上的硬度值，而且要在稳定厚断面上的珠光体量方面有相同作用，还可改善其壁厚的敏感性和铸件在机械加工时良好的切削性能，尤其是对防止壳体铸件的疏松、渗漏有特殊作用。
孕育剂的加入量依生产壳体铸件的壁厚、化学成分和浇注温度等因素确定，以壁厚处不出现疏松、渗漏，壁厚处不出现硬区为原则。生产实践表明，锶、钡、钙、硅、铁孕育剂是提高强度灰铸铁最为理想的孕育剂，此种孕育剂发挥钡的抗衰退能力及提高A型石墨占有率，锶的特强消除白口能力，钙和硅所起的辅助孕育和渗透作用。这种强度组合的孕育剂，是生产高强度铸铁孕育处理中较为理想的选择。
孕育次数与孕育效果的关系，随孕育次数增加，铸铁内部石墨分布均匀程度改善，A型石墨占有率和石墨长度区别较大，经两次以上孕育的A型石墨占有率高，分布均匀，长度适中。更重要的是多次孕育促使非自发晶核数量增多，强化了基体，从而提高并稳定了铸铁的强度。
经随流复合孕育处理，并以漏斗式孕育包用硅钡铁+75硅铁孕育后，避免铁液随流孕育滞后于浇注是控制孕育效果的关键。孕育处理后的铁液应在限定时间内浇注完毕，一般不超过8分钟，包内二次孕育3～5分钟孕育效果最佳。硅钡孕育剂可消除灰铁250的白口，改善其石墨形状、分布、消除Ｅ、Ｄ型过冷石墨。因为Ｅ型石墨和铁素体组织，将使材质致密性降低，严重恶化抗渗漏性能。
5、材质
其抗拉强度均达到灰铁250以上，试棒硬度达到190～230，壳体本体解剖，硬度在190左右，铸件的品质系数显著提高，金相组织达到国外样机壳体铸造水平，珠光体为85％～90％，满足了变速器壳体的强度要求，其力学性能达到国外同类机型材质要求。
二、生产高强度灰铸铁件的工艺措施
近年来，很多单位研究并发展了适应具体生产条件和不同铸件要求（包括薄壁高强度灰铸铁件）的高强度灰铁的生产方法，归纳起来，有以下四种。
1、强化孕育铸铁
炉料中加入较多的废钢，采用优质铸造焦，以得到出炉温度大于1500℃和高碳当量的铁水，用高效孕育剂强化孕育从而得到高强度灰铸铁。过去生产孕育铸铁依靠加入较多废钢，降低碳量来提高强度，但这种方法工艺性能不好，白口倾向大，尤其是对薄壁铸件（最小壁厚3~10mm）。近代高强度孕育铸铁不用这种方法，靠高效孕育剂来强化孕育，提高性能。
一般的方法是：碳当量在3.9~4.1%左右，温度1480℃左右，要求铁水氧化少，采用Si-Ca、Cr-Si-Ca、Re-Ca-Ba、Si-Ca、Si-Fe复合、稀土复合等高效孕育剂，进行孕处理。例如某厂5吨冲天炉，利用铸造焦，炉料中加入40%以上废钢，总焦比为7时，铁水温度1520℃~1540℃，炉渣中氧化铁含量低（1.8~3.0%）。经特种孕育剂孕育处理，当碳当量为4.28%时，试棒抗拉强度可达250MPa，相对强度RG=1.28，HB229，珠光体含量大于98%。又如某单位通过提高铁水过热温度，然后采用Re-Ca-Ba孕育剂对铁水进行孕育处理，烧注一批缸盖铸件，当碳当量为3.9~4.05%时，抗拉强度285~304MPa，相对强度RG=1.1~1.21，石墨形态好，加工后水压试验没发现缩松和漏水现象。
2、合成铸铁
所谓合成铸铁工艺，就是用感应电炉熔炼，炉料中用50%以上的废钢，其余为回炉铁和铁屑，经增碳处理得到的铁液。这种方法的优点是：
（1）炉科采用大量废钢，不用生铁，降低了铸铁成本；
（2）可获得含磷量低的铁水，减少磷量对缸体、缸盖等薄壁高强度灰铁缩松和渗漏缺陷的影响；
（3）可避免生铁遗传性影响，铸铁石墨形态好，珠光体含量高，机械性能好，在同样当量时强度可比冲天炉铸铁提高1~2个牌号。
利用合成铸铁工艺熔炼高强度灰铸铁生产缸体，效果很好，生产结果表明：
（1）采用合成铸铁熔炼工艺浇注的缸体机械性能高，当碳当量为4.0%时，抗拉强度大于250MPa，比冲天炉熔炼提高一个牌号；
（2）铁水断面敏感性小，缸体不同厚度断面及阶梯试块断面硬度分布均匀；
（3）铸铁含磷量低，含杂质少，克服铸件渗漏缺陷；
（4）成本低；
（5）熔炼工艺简单易行，容易撑握。
3、低合金化孕育铸铁
调整原铁水的化学成份使其达到较高碳当量，在炉内（或包内）加入少量铬、铜、钼等合金元素，获得高温低合金化铁水，再经孕育处理，得到石墨细小、珠光体含量高、片间距小的组织，从而获得高强度铸铁。用这种方法生产高强度灰铸铁，国外用得较广泛，效果比较稳定，合金元素多是Cu，Cr、Mo、Ni等。其最大优点是可使缸体、缸盖薄壁部分的基体组织得到95%以上珠光体，硬度差小。
某些单位用0.3~0.7%Cr，瞬时孕育，控制铬/硅比值，解决了缸体、缸盖的生产问题。
4、调整铸铁常规化学成份及比例
获得高强度、低应力灰铸铁，在碳当量保持不变的情况下，适当提高Si/C比值是提高机床铸件强度和刚度重要途经之一。
通过调整化学成份，特别是改变硅/碳比值，使Si/C在0.5~0.9，再加上适当的孕育和合金化，可以获得具有良好综合性能的高强度灰铸铁件。
有关硅/碳比值的规律是：
（1）在相同碳当量下，Si/C比值高，抗拉强度可提高30~60MPa，相对强度高，相对硬度低，弹性性能好；
（2）在相同碳当量下，Si/C比值增加，残余应力有除低趋势，应力倾向也较小；
（3）提高Si/C比值，白口倾向小，断面敏感性小，而对铁水流动性，线收缩率无影响。
调整锰、硅含量，使含Mn量比含Si量高0.2~1.3%以上，得到另一种高强度低应力铸铁。灰铸铁含Mn在1.5~3.0%范围内，提高含Mn量，尤其是当Mn量大于Si量后，能显著细化共晶团，易于获得D、E型石墨和细珠光体基体。另外，控制灰铸铁中Mn、Si差值和Mn的绝对值，使Mn、Si差值在0~0.5%，Mn大于2%，还可以在灰铸铁中得到不同类型的硬化相。因此，控制Mn、、Si差值和Mn绝对值，就能获得机械性能高，硬度均匀，耐压致密性好和耐磨性能好的高强度灰铸铁。这种高锰灰铸件在郑州纺织机械厂以及机床、缸套、液压件三个行业部分厂中生产，取得较好的效果。Mn=1.7S+0.3% (为保证硫完全被锰结合）。
5、如何减小高强度灰铸铁的收缩倾向
高强度与收缩一直是一对矛盾，生产高强度的铸件，收缩倾向大，收缩问题如果不能很好解决，应付产生大量的收缩废品缺陷。解决材料的收缩问题，总的原则是要有较高的碳硅当量。高碳硅当量加合金化的工艺比低碳硅当量少加合金的工艺收缩倾向小，因此，应当在选择高碳硅量前提下，开发提高性能的新技术减少收缩具体的措施可以从以下方面考虑：
（1）促进石墨化的工艺措施是减少铁液收缩的最好措施
电炉熔炼：增碳技术的应用是解决铁液收缩的关键技术。由于铁液凝固过程中的石墨析出产生石墨化膨胀作用，良好的石墨化会减少铁液的收缩倾向，因此，增碳技术是最好的工艺。
由于加入增碳剂提高了铁液的石墨化能力，因此，采用全废钢熔炼加增碳剂的工艺，铁液的收缩倾向反而更小。这是非常重要的一个观念转变，传统的观念是认为多加废钢会增大铁液的收缩倾向，这样我们就容易走入一个误区，不愿意多用废钢，而喜欢多用一些生铁。
多用生铁的缺点是：生铁中有许多粗大的过共晶石墨，这种粗大的石墨具有遗传性，如果低温熔炼，粗大的石墨难以消除，粗大的石墨从液态遗传到了固态，使凝固过程中本来由于石墨析出应该产生的膨胀作用削弱，因此使铁液凝固过程中的收缩倾向增大，粗大的石墨又必然降低了材料的性能。因此，与用废钢增碳工艺相比，大量用生铁的缺点就是：
①强度性能低。同样成分做过对比试验，性能低半个排号。
②收缩倾向大。同样条件下，比废钢增碳工艺收缩大。
对于电炉熔炼，增碳技术的核心是使用高品质的增碳剂。采用废钢增碳工艺，增碳剂就成为增碳工艺中最重要的环节。增碳剂质量的好坏决定了铁液质量的好坏，增碳工艺能否获得好的石墨化效果，减少铁液收缩，主要取决于增碳剂：
① 增碳剂一定要选用经过高温石墨化处理的增碳剂。
只有经过高温石墨化处理，碳原子才能从原来的无序排列变成片状排列，片状石墨才能成为石墨形核的最好核心，促进石墨化。
②好的增碳剂含硫都非常低，w(S)小于0.03%是一个重要的指标。
对于冲天炉熔炼：高温熔炼是最关键的技术指标，高温熔炼可以有效消除生铁粗大石墨的遗传性。高温熔炼可以提高渗碳率，减少配料中的生铁加入量。以渗碳方式获得的碳活性好，要比多加生铁带来的碳有更好的石墨化作用，反映在铸件上，就是石墨的形态更好，分布更均匀。石墨的形态好，就会提高材料的性能，包括切削性能，而 石墨化效果好，就能减少铁液的收缩倾向。
（2）提高原铁液的硅量，控制孕育量
灰铸铁中的硅一部分是原铁液中的硅，一部分是孕育带入的硅。
许多人喜欢原铁液中的硅低点，然后用很大的孕育量孕育，这种做法并不科学：大量的孕育是不可取的，这会增大收缩倾向。孕育是为了增加结晶核心的数量，促进石墨化，少量的孕育（0.2%～0.4%）就可以达到这个目的。从工艺控制来说，孕育量应该相应稳定，不能有过大的变化。这就要求原铁液的硅量也要相应稳定。提高原铁液的硅量，既可以减少白口和收缩倾向，又能发挥硅固溶强化基体的作用，性能反而不降低。目前比较科学的做法是提高灰铸铁原铁液的含硅量，孕育量控制在0.3%左右，这样可以发挥硅的固溶强化作用，对提高强度有利，也对减少铸件收缩有利 。
（3）合金化的方法对铁液收缩有很大影响
合金化能有效提高铸铁的性能，我们常用的合金元素是铬、钼、铜、锡、镍。
铬：铬能有效地提高灰铸铁的性能，随着加入量的增加，性能会一直提高。铬的白口倾向比较大，这是大家最顾忌的问题。加入量太大，会出现碳化物。至于铬量的上限如何控制，不同的加铬工艺，上限有所不同，如果铬加入到原铁液中，其上限不要超过0.35%，提高原铁液中的铬量会使铁液白口倾向和收缩倾向加大，非常有害。
另一种加铬的工艺不是提高原铁液铬,而是将铬加入到铁液包中，用冲入法冲入，这种工艺会大大减少铁液的白口和收缩倾向，同前一种工艺相比，同样的铬量，白口和收缩倾向会减少一半以上，这种加铬方式，铬的上限可以控制到0.45%。
钼：钼的特性与铬非常相似，不再作具体描述。由于钼的价格昂贵，加钼会大幅度增加成本。因此，应尽可能少加钼，多加一些铬。
用冲入法加铬、加钼是减少合金化收缩的有效措施。
（4）铁液浇注温度对收缩的影响
温度高铁液收缩倾向大，这是大家都有的经验。要控制浇注温度在合理的范围内是非常重要的，浇注温度如果高于工艺规定的合理的温度20～30℃，收缩倾向就会大幅增加。生产中要注意这样一种现象，没有自动保温功能的电炉，可能会使铁液温度升高，第一包铁液的浇注温度会低一些，随后温度会越来越高，如果不加以控制，就有可能产生收缩废品。生产中第一包铁液要烫包，烫好的包再用，而且第一包铁液浇注温度要控制在下限，不要在上限，防止温度不断升高。电炉熔炼控制好浇注温度，是防止铸件产生收缩废品的关键措施。
（5）铁液氧化倾向不容忽略：氧化大、收缩大
铁液氧化倾向大是非常有害的，也会增大收缩倾向。为了降低铁液氧化，冲天炉熔炼就要实现快速熔炼。现在国外的先进电炉熔炼技术可以做到加入的铁料在几分钟内快速熔化，大大缩短了铁料在高温氧化阶段的时间，氧化倾向大幅降低，同时由于电炉增碳技术的应用，使铁液的氧化进一步降低，所以电炉熔炼也可以生产出低氧化、低收缩的铁液。只要严格控制好浇注温度，用电炉熔炼生产复杂的缸体、缸盖铸件也很有优势。
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