高强度灰铸铁熔炼技术
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【摘要】本文介绍了在电炉熔炼过程中，如何在较高的碳当量和较好的机加工性能要求的条件下获得高强度灰铸铁的熔炼技术，以及如何对材料的微量元素进行控制。
关键词：灰铸铁 碳当量 力学性能 加工性能 微量元素
长城须崎铸造股份有限公司（简称CSMF）传统的灰铸铁熔炼控制方向是低碳高强度铸铁（C：2.7~3.0，Si：2.0~2.3，Mn：0.9~1.3）这样的材料虽然能够满足材料机械性能的要求，但其铸造性能、加工性能却较差，随着公司市场开发拓展，越来越多的高难度、高技术质量要求的铸造产品纳入CSMF的生产序列，特别是CSMF用工频电炉熔炼工艺取代冲天炉熔炼工艺，如何在电炉熔炼条件下获得高碳当量高强度铸铁，满足顾客的定货要求，是我们当时的一个研究课题，本文叙述了电炉熔炼的条件下高强度灰铸铁的生产技术。
1 影响材料性能的因素
1.1 碳当量对材料性能的影响
决定灰铸铁性能的主要因素为石墨形态和金属基体的性能。当碳当量（CE=C+1/3Si）较高时，石墨的数量增加，在孕育条件不好或有微量有害元素时，石墨形状恶化。这样的石墨使金属基体能够承受负荷的有效面积减少，而且在承受负荷时产生应力集中现象，使金属基体的强度不能正常发挥，从而降低铸铁的强度。在材料中珠光体具有好的强度、硬度，而铁素体则质底较软而且强度较低。当随着C、Si的量提高，会使珠光体量减少，铁素体量增加。因此，碳当量的提高将在石墨形状和基体组织两方面影响铸铁铸件的抗拉强度和铸件实体的硬度。在熔炼过程控制中，碳当量的控制是解决材料性能的一个很重要的因素。
1.2合金元素对材料性能的影响
在灰铸铁中的合金元素主要是指Mn、Cr、Cu、Sn、Mo等促进珠光体生成元素，这些元素含量会直接影响珠光体的含量，同时由于合金元素的加入，在一定程度上细化了石墨，使基体中铁素体的量减少甚至消失，珠光体则在一定的程度上得到细化，而且其中的铁素体由于有一定量的合金元素而得到固溶强化，使铸铁总有较高的强度性能。在熔炼过程控制中，对合金的控制同样是重要的手段。
1.3炉料配比对材料的影响
过去我们一直坚持只要化学成分符合规范要求就应该能够获得符合标准机械性能材料的观点，而实际上这种观点所看到的只是常规化学成分，而忽略了一些合金元素和有害元素在其中所起的作用。如生铁是Ti的主要来源，因此生铁使用量的多少会直接影响材料中Ti的含量，对材料机械性能产生很大的影响。同样废钢是许多合金元素的来源，因此废钢用量对铸铁的机械性能的影响是非常直接的。在电炉投入使用的初期，我们一直沿用了冲天炉的炉料配比（生铁：25~35%，废钢：30~35%）结果材料的机械性能（抗拉强度）很低，当我们意识到废钢的使用量会对铸铁的性能有影响时及时调整了废钢的用量之后，问题很快得到了解决，因此废钢在熔化控制过程中是一项非常重要的控制参数。因此炉料配比对铸铁材料的机械性能有着直接的影响，是熔炼控制的重点。
1.4微量元素对材料性能的影响
以往我们在熔炼过程中只注意常规五大元素对铸铁材质的影响，而对其它一些微量元素的作用仅仅只是一个定性的认识，却很少对他们进行定量的分析讨论，近年来，由于铸造技术的进步，熔炼设备也在不断的更新，冲天炉已逐渐被电炉所代替。电炉熔炼固然有其冲天炉不可比拟的优点，但电炉熔炼也丧失了冲天炉熔炼的一些优点，这样一些微量元素对铸铁的影响也就反映出来。由于冲天炉内的冶金反应非常强烈，炉料是处于氧化性很强的气氛中，绝大部分都被氧化，随炉渣一起排出，只有一少部分会残留在铁水中，因此一些对铸件有不利影响的微量元素通过冲天炉的冶金过程，一般不会对铸铁形成不利影响。在冲天炉的熔炼过程中，焦炭中的氮和空气中的氮气（N2）在高温下，一部分分解会以原子的形式溶入铁水中，使得铁水中的氮含量相对很高。
据统计自电炉投产以来，由于铅含量高造成的废品和因含铅量太高无法调整而报废的铁水不下百吨，而因含氮量不足造成的不合格品数量也相当高，给公司造成很大的经济损失。
在我们多年的电炉熔炼经验和理论基础上，我认为在电炉熔炼过程中重点微量元素主要有N、Pb、Ti，这些元素对灰铸铁的影响主要有以下几方面：
铅
当铁水中的铅含量较高时（>20PPm），尤其是与较高的含氢量相互作用，在厚大断面的铸件很容易形成魏氏石墨，这是因为树脂砂的保温性能好，铁水在铸型中冷却较慢，（对厚大断面这种倾向更为明显，）铁水处于液态保温时间较长，由于铅和氢的作用使铁水凝固比较接近于平衡状态下的凝固条件。当这类铸件凝固完毕，继续冷却时，奥氏体中的碳要析出，成为固态下的二次石墨。在正常情况下，二次石墨仅使共晶石墨片增厚，这对力学性能不会产生很大影响。但含氮和氢量高时，会使奥氏体同一定晶面上石墨表面能降低，使二次石墨沿着奥氏体一定晶面长大，伸入金属基体中，在显微镜下观察，在片状石墨片的侧面长出许多象毛刺一样的小石墨片，俗称石墨长毛，这就是魏氏石墨及形成原因。在铸铁中的铝能促使铁液吸氢，而增加其氢含量，因此铝对魏氏石墨的形成，也有间接的影响。
当铸铁中出现魏氏石墨时，对其力学性能影响很大，尤其是强度、硬度，严重时可降低50%左右。
魏氏石墨有以下金相特征：
1）在100倍的显微照片上，粗大的石墨片上附着许多刺状小石墨片，即为魏氏石墨。
2）同共晶片状石墨关系是相互连接的。
3）常温下成为魏氏石墨网络延伸入基体中，就成为基体脆弱面，会显著降低灰铸铁的力学性能。但从断面看，断裂裂纹仍是沿共晶片状石墨扩展的。如图1所示：
图1 魏氏石墨 ×100
氮
适量的氮能促进石墨形核，稳定珠光体，改善灰铸铁组织，提高灰铸铁的性能。
氮对灰铸铁的影响主要有两方面，一是对石墨形态的影响，另一方面是对基体组织的影响。 氮对石墨形态的作用是一个非常复杂的过程。主要表现在：石墨表面吸附层的影响和共晶团尺寸大小的影响。由于氮在石墨中几乎不溶解，因此，在共晶凝固过程中氮不断吸附在石墨生长的前沿和石墨两侧，导致石墨在析出过程中，其周围浓度增高，尤其在石墨伸向铁水中的尖端时，影响液 — 固界面上的石墨生长。氮在共晶生长过程中石墨片尖端和两侧氮的浓度分布存在明显的差别。由于氮原子在石墨表面上的吸附层能够阻碍碳原子向石墨表面的扩散。石墨前沿的氮浓度比两侧高时，石墨长度方向的生长速度降低，相比之下，侧向生长就变得容易些，其结果使石墨变短、变粗。同时由于石墨生长过程中总会存在缺陷，氮原子的一部分被吸附在缺陷位置而不能扩散，将会在石墨长大的前沿上局部非对称倾斜晶界，其余部分仍按原方向长大，从而石墨产生分枝，石墨分枝的增加，是石墨变短的另一个原因。这样以来，由于石墨组织的细化，减小了其对基体组织的割裂作用，有利于铸铁性能的提高。
氮对基体组织的影响作用，一是由于它是珠光体稳定元素，氮含量的增加，使铸铁共析转变温度降低。因此，当灰铸铁中含有一定量的氮时，能使共析转变过冷度增加，从而细化珠光体。另一方面是由于氮的原子半径比碳和铁都小，可以作为间隙原子固溶于铁素体和渗碳体中，使其晶格产生畸变。由于上述两方面的原因，氮能对基体产生强化作用。
虽然氮可以提高灰铸铁的性能，但是，当其超过一定量时，会产生氮气孔和显微裂纹如图2所示，所以对氮的控制应是在一定范围内的控制。 一般为70—120PPm，当超过180PPm时铸铁的性能将会急剧下降。
图2 氮气孔
Ti在铸铁中是属于一种有害元素，究其原因是钛与氮的亲和力较强，当灰铸铁中的钛含量较高时无益于氮的强化作用，首先与氮形成TiN化合物，这就减少了固溶于铸铁中的自由氮，事实上正是由于这种自由氮对灰铸铁起着固溶强化的作用。因此钛含量的高低间接的影响着灰铸铁的性能。
2 熔炼控制技术
2.1 材料化学成分的选择
通过上述分析，对化学成分的控制是熔炼技术中非常重要的，它是熔炼控制的基础。所以合理的化学成分，是保证材料性能的基础。通常对于高强度铸铁（抗拉强度≥300N/mm2）的成分控制主要有等。C、Si、Mn、P、S、Cu、Cr、Pb、N
表1 GB牌号化学成分%
2.2炉料配比的确定
表2 炉料配比%
生铁 废钢 回炉铁
5~20 50~70 其余
2.3微量元素的控制技术
实际过程控制中，根据对炉料的分析，确认铅的来源主要是废钢，所以对原材料中铅的控制主要是要对废钢中Pb夹物的控制,通常铅含量控制在15ppm以下。如果当原铁水中含铅量>20ppm时，在进行孕育处理时进行特殊变质处理。
由于Ti主要来源于生铁，所以对Ti的控制主要是控制生铁，这样一方面是在采购时要对生铁中的Ti含量提出严格要求，通常要求生铁含钛量为：Ti<0.8%,另一方面是要根据生铁的含钛量及时调整使用量。
主要来源于增碳材料和废钢中,因此对N的控制主要是控制增碳材料和废钢，但是正象上面所述过低过高对灰铸铁的性能都有不利的一面，因此对N的含量控制范围一般为：70~120ppm，但是N的含量还要和Ti含量有一个合理的匹配，通常N与Ti的关系为：N：Ti=1：3.42即0.01%的Ti可吸收30PPm的氮，生产时一般建议氮量为：N=0.006~0.01+Ti/3.42。图3为在灰铸铁中钛与氮的关系。
图3 氮与钛的关系
2.4熔炼工艺的控制技术
1）孕育技术
孕育处理目的在于促进石墨化，降低白口倾向，降低端面敏感性；控制石墨形态，消除过冷石墨；适当增加共晶团数和促进细片状珠光体的形成，从而达到改善铸铁的强度性能和其它性能的目的。在实际过程控制中，需要控制的参数如下：
表3 孕育处理参数
铁液温度对孕育的影响及控制铁液温度对孕育的影响显著。在一定的范围内提高铁液的过热温度并保持一定时间，可以使铁液中残存着未溶的石墨质点，完全溶入铁液中，以消除生铁的遗传影响，充分发挥孕育剂的孕育作用，提高铁水受孕育能力。过程控制中，对过热温度提高到1500~1520℃，对孕育处理温度控制在1420~1450℃。
孕育剂的粒度是孕育剂状况的重要指标，对孕育效果有很大影响。粒度过细，易于分散或被氧化进入溶渣而失去作用，粒度太大，孕育剂熔化或溶解不尽，不仅不能充分发挥孕育作用，反而会造成偏析、硬点、过冷石墨等缺陷。因而对孕育剂的粒度尽量控制在2~5mm。保证孕育效果。
过程控制中孕育工艺主要在孕育槽孕育，这样对一包浇注的铸件，基本可以在孕育衰退前浇注结束。但对于比较大的件和双浇包浇注的件，不能满足要求。因而采用了晚期孕育方法：即在浇注铸件之前，在浇包中进行浮硅孕育（孕育量为0.1%），这样减小了或不存在孕育衰退，提高了孕育效果。
2）合金化处理
合金化处理向普通铸铁中加入少量的合金元素，提高灰铸铁的力学性能。在熔炼过程控制中，对合金的加入，主要是针对顾客要求淬火的件和导轨比较厚大的件，主要加入的合金元素及加入量。如表4所示：
表4 常用合金元素及含量
Cu Sn Cr
0.4~0.7% 0.05~0.08% 0.1~0.2%
这样在一定程度上保证了由于CE值的提高造成性能的下降，而且对淬火件来说，提高了淬火时的淬透性。保证了淬火深度。1) 对熔炼过程的温度控制如图4：
图4电炉熔炼过程曲线
图中O—A段是投料熔化过程，这个阶段重点控制的加料顺序，按废钢、机铁、生铁的先后顺序进行加料，为了减少合金元素的烧损，铁合金应在最后加入，当冷料全部化清后升温至1450℃即A点，。如果低于1450℃时则有增碳剂或铁合金不完全溶解的危险。
在A—B段，应做如下处理：
◆ 测温；
◆ 扒渣；
◆ 取样分析化学成分；
◆ 利用热光谱仪对常规元素和微量元素进行分析；
◆ 取三角试片测CW值；
◆ 根据各种检测结果对铁水进行调整后，继续送电10分钟后重新取样分析，确认所有数据正常后继续升温至1500℃左右，即C点。在C—D段，让铁水静置5至10分钟后取三角试片测试CW值，测温后准备出铁。
三角试片的控制
对于不同牌号，确定不同三角试块的白口（CW）控制范围，结合炉前成份分析确定铁水质量。
3 结论
上述灰铸铁的熔炼技术，自1996年至2003年间在CSMF已成功的应用了8年，铸件的CE控制在3.6~3.9的前提下，不论是抗拉强度指标，还是实体硬度指标（特别是部分机床件导轨硬度）都满足要求，很大程度上提高了铸件的切削性能。经证明此项技术已是一种定型的技术，其控制要点如下：
3.1 材料化学成分的控制
3.2 炉料配比的确定
3.3 微量元素的控制技术
3.4 孕育处理工艺的控制
3.5 合金化处理
3.6 对熔炼过程的温度控制
3.7 三角试片的控制
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