高強度灰鑄鐵實用技術

鋼材加工技術之: 高強度灰鑄鐵實用技術

一、電爐熔煉高強度灰鑄鐵,做好這幾點才能保障質量!

1.高強度合金灰鑄鐵成分的設計

 以殼體為例,其材質為灰鑄鐵250,硬度大于200,要求易切削加工,進行油壓試驗不滲漏,在鑄鐵中添加微量多元合金成分,選擇合理的工藝參數,使鑄件具有一定的化學成分和冷卻速度,獲得理想的金相組織和力學性能。要保證力學性能,就必須控制好基體組織和石墨形態

 高強度低合金化孕育鑄鐵的成分設計,首先要考慮鐵液碳當量與冷卻速度的影響作用。碳當量過高,鑄件厚壁處冷卻速度緩慢,鑄件厚壁處易產生晶粒粗大、組織疏松,油壓試驗易產生滲漏;若碳當量過低,鑄件薄壁處易形成硬點或局部硬區,導致切削性能變差。將碳當量控制在3.95%～4.05%,即可保證材質的力學性能,又接近共晶點,其鐵液的凝固溫度范圍較窄,為鐵液實現“低溫”澆注創造了條件;而且有利于削除鑄件的氣孔、縮孔缺陷。

 其次要考慮合金元素的作用,鉻、銅元素在共晶轉變中,鉻阻礙石墨化,促成碳化物、促進白口;而銅則促進石墨化作用,減少斷面白口。兩元素相互作用在一定程度上得到中和,避免在共晶轉變中產生滲碳體而導致鑄件薄壁處形成白口或硬度提高;而在共析轉變中,鉻和銅都可以起到穩定和細化珠光體的復合作用,但各自的作用又不盡相同。以恰當比例配合,能更好發揮兩者各自的作用。在含鉻=0.2%灰鑄鐵中加入大于2.0%的銅,不僅能促進珠光體轉變,提高并穩定珠光體量和細化珠光體,促進A型石墨產生和均化石墨形態;還能在鉻r小于0.2%灰鑄鐵中提高鐵水的流動性,這尤其對殼體薄壁累鑄件有利。復合加入鉻、銅可使鑄件致密性進一步提高,因此對于要求耐滲漏的鑄件。加入適量的鉻、銅、有利于改善材質本身的致密性,提高其抗滲漏能力。

 珠光體基本是高強度灰鑄鐵生產中希望獲得的組織,因為只有以珠光體為基礎的鑄鐵強度高、耐磨性好。錫能有效增加基體組織中珠光體含量,并促進和穩定珠光體形成,我們生產實踐的結論是把錫含量控制在0.7%～0.9%.

2.嚴把原輔料質量關

 入廠原輔材料須進行取樣分析,做到心中有數,不合格的原輔材料絕不投入使用。要保證高質量的原鐵液,必須選用高碳、低磷、低硫、低于擾元素的生鐵;選用純凈的中碳鋼,對其所含成分鉻、鉬、錫、釩、鈦、鎳、銅等微量元素以化驗結果決定取舍,對能穩定珠光體的廢鋼成分優先選用。生鐵和廢鋼必須經過除銹處理后方能允許使用,附著油污的要經250度烘烤。

 對鐵合金、孕育劑同樣采用定點采購,力求成分穩定,塊度(粒度)合格。分類堆放,避免受潮。這樣的要求避免了鑄鐵爐料“遺傳性”帶來的缺陷。

 使用前的準確計量是熔煉合格鐵液的質量保證。特別指出,對于感應電爐熔煉、嚴謹爐料中混有密封器皿和易爆物。

 (1)堅持把理論配料和實踐經驗相結合。無論采取試算法還是圖解法,理論上計算的配料數據,不能確定為最終配比,還要掌握中頻爐熔化過程中元素的變化規律。如果爐襯屬酸性材料,鐵液溫度盡量控制在1500--1550攝氏度范圍內,在硫i的加入量上只能取下限,而碳必須取上線。

 (2)掌握各種入爐金屬材料的化學成分和各元素燒損與還原規律。對回爐料進行分類堆放、編號記載,提出成分明確的嚴格要求。爐內還原的元素在配料時減去,爐內燒損的元素配料時補上。

 (3)合金元素以一次性配入為原則,除硅以外其它配料時取中限,合金(鉬、鉻、銅、錫等可在熔清扒渣后加入,在酸性爐中燒損極少。硅在扒渣及孕育時還可以補充。就感應爐熔煉鑄件而言,遵循先增碳后加硅的原則。

 (4)對磷、硫含量嚴格控制,磷、硫量主要來源于新生鐵,可以通過選擇爐料將磷、硫量控制在要求范圍內,所以必須要使新生鐵的磷小于0.06%,硫小于0.04%,這樣在配料計算時磷、硫量就可以不于考慮。

 (5)凡入爐的所有金屬材料均嚴格按照要求準確計量。

3.中頻電爐熔煉的控制

要根據中頻電爐的冶金特性編制合理的熔煉工藝,從裝料、溫度控制及在各不同溫度下加入合金、增碳劑、造渣劑以及出鐵溫度各個環節嚴格控制,力求用最短的熔煉時間、最小的合金燒損與氧化,達到控制和穩定金相組織,提高鑄件質量的目的。

       在生產實踐中,我們將整個熔煉全過程分為三期 溫度進行控制。這里所謂的三期溫度指:熔清溫度、扒渣溫度和出鐵溫度。

       熔清溫度:即取樣溫度以前的熔化期,決定著合金元素的吸收與化學成分的平衡,因此要避免高溫熔化加料,避免搭棚“結殼”。否則鐵液處于沸騰或高溫狀態、碳元素燒損加劇,硅元素不斷在還原,鐵液氧化加劇雜質增加,按工藝要求熔化溫度控制在1360攝氏度以下,取樣溫度控制在1420攝氏度左右。取樣溫度低了存在鐵合金未熔化完,取的試樣化學成分勢必無代表性;溫度過高,合金燒損或還原,還會影響到精練期的成分調整。取樣后應控制中頻爐功率。在爐前質量管理儀對化學成分顯示出結果后恰好進入到扒渣溫度。

 扒渣溫度: 扒渣溫度是決定鐵液質量的重要環節,因為它與成分穩定、孕育處理的效果密切相關,并直接影響到出鐵溫度的控制。扒渣溫度過高加劇鐵液石墨晶核燒損和硅的還原,特別對酸性爐襯,理論上鐵液含硅偏高后將產生排碳作用,影響按溫度系結晶,存在著產生反白口的傾向;若溫度過低,鐵液長時間被裸露,碳、硅燒損嚴重。再次調整成分時,不僅延長熔煉時間使鐵液過熱,而且易使成分失控,增大鐵液的過冷度,使正常結晶受到破壞。

 出鐵溫度:為保證澆注和孕育的最佳溫度,我們一般控制在1520～1550攝氏度。出鐵溫度的高和低都會對鑄鐵的結晶和孕育效果帶來影響,如果溫度過高,如超過工藝規定溫度30℃以上,盡管爐前快速分析碳、硅也適中,但試澆三角試片白口深度會過大或中心部位顯現麻口。出現此種情況即使采取措施向爐內補加碳增大孕育量,筆者的實踐經驗是效果欠佳,且需在調低中頻功率后,進行爐內降溫處理,即向爐內加入鐵液總量10%-15%經過烘烤的新生鐵,這樣試片斷口心部麻口就轉為灰口,頂尖的白口深度變小。若持續高溫時間較長,采取如上方法后,仍須履行爐內補碳措施。出鐵溫度按澆注溫度控制,殼體類鑄鐵件合適的澆注溫度為(1440攝氏度左右,能夠實現“高溫出鐵,適溫澆注”,嚴格掌握和控制住當然最好。因為出鐵溫度低將導致澆注溫度低于1380攝氏度,既不利于脫硫、除氣,而且特別影響孕育處理效果。隨著溫度的降低,冷隔、輪廓不清晰等問題明顯增加。

4.鐵液的孕育處理

 對生產殼體用灰鑄鐵250進行孕育處理,以提高材質的耐磨性,使鑄件的組織和性能得以明顯改善,顯著提高各斷面上的硬度值,而且要在穩定厚斷面上的珠光體量方面有相同作用,還可改善其壁厚的敏感性和鑄件在機械加工時良好的切削性能,尤其是對防止殼體鑄件的疏松、滲漏有特殊作用。

孕育劑的加入量依生產殼體鑄件的壁厚、化學成分和澆注溫度等因素確定,以壁厚處不出現疏松、滲漏,壁厚處不出現硬區為原則。生產實踐表明,鍶、鋇、鈣、硅、鐵孕育劑是提高強度灰鑄鐵最為理想的孕育劑,此種孕育劑發揮鋇的抗衰退能力及提高A型石墨占有率,鍶的特強消除白口能力,鈣和硅所起的輔助孕育和滲透作用。這種強度組合的孕育劑,是生產高強度鑄鐵孕育處理中較為理想的選擇。

 孕育次數與孕育效果的關系,隨孕育次數增加,鑄鐵內部石墨分布均勻程度改善,A型石墨占有率和石墨長度區別較大,經兩次以上孕育的A型石墨占有率高,分布均勻,長度適中。更重要的是多次孕育促使非自發晶核數量增多,強化了基體,從而提高并穩定了鑄鐵的強度。

 經隨流復合孕育處理,并以漏斗式孕育包用硅鋇鐵+75硅鐵孕育后,避免鐵液隨流孕育滯后于澆注是控制孕育效果的關鍵。孕育處理后的鐵液應在限定時間內澆注完畢,一般不超過8分鐘,包內二次孕育3～5分鐘孕育效果最佳。硅鋇孕育劑可消除灰鐵250的白口,改善其石墨形狀、分布、消除E、D型過冷石墨。因為E型石墨和鐵素體組織,將使材質致密性降低,嚴重惡化抗滲漏性能。

5,其抗拉強度均達到灰鐵250以上,試棒硬度達到190～230,殼體本體解剖,硬度在190左右,鑄件的品質系數顯著提高,金相組織達到國外樣機殼體鑄造水平,珠光體為85%～90%,滿足了變速器殼體的強度要求,其力學性能達到國外同類機型材質要求

二、生產高強度灰鑄鐵件的工藝措施

近年來,很多單位研究并發展了適應具體生產條件和不同鑄件要求(包括薄壁高強度灰鑄鐵件)的高強度灰鐵的生產方法,歸納起來,有以下四種。

1、強化孕育鑄鐵 :

爐料中加入較多的廢鋼,采用優質鑄造焦,以得到出爐溫度大于1500℃和高碳當量的鐵水,用高效孕育劑強化孕育從而得到高強度灰鑄鐵。過去生產孕育鑄鐵依靠加入較多廢鋼,降低碳量來提高強度,但這種方法工藝性能不好,白口傾向大,尤其是對薄壁鑄件(最小壁厚3~10mm)。近代高強度孕育鑄鐵不用這種方法,靠高效孕育劑來強化孕育,提高性能。一般的方法是:碳當量在3.9~4.1%左右,溫度1480℃左右,要求鐵水氧化少,采用Si-Ca、Cr-Si-Ca、Re-Ca-Ba、Si-Ca、Si-Fe復合、稀土復合等高效孕育劑,進行孕處理。例如某廠5噸沖天爐,利用鑄造焦,爐料中加入40%以上廢鋼,總焦比為7時,鐵水溫度1520℃~1540℃,爐渣中氧化鐵含量低(1.8~3.0%)。經特種孕育劑孕育處理,當碳當量為4.28%時,試棒抗拉強度可達250MPa,相對強度RG=1.28,HB229,珠光體含量大于98%。又如某單位通過提高鐵水過熱溫度,然后采用Re-Ca-Ba孕育劑對鐵水進行孕育處理,燒注一批缸蓋鑄件,當碳當量為3.9~4.05%時,抗拉強度285~304MPa,相對強度RG=1.1~1.21,石墨形態好,加工后水壓試驗沒發現縮松和漏水現象。 

2、合成鑄鐵

所謂合成鑄鐵工藝,就是用感應電爐熔煉,爐料中用50%以上的廢鋼,其余為回爐鐵和鐵屑,經增碳處理得到的鐵液。這種方法的優點是:(1)爐科采用大量廢鋼,不用生鐵,降低了鑄鐵成本;(2)可獲得含磷量低的鐵水,減少磷量對缸體、缸蓋等薄壁高強度灰鐵縮松和滲漏缺陷的影響;(3)可避免生鐵遺傳性影響,鑄鐵石墨形態好,珠光體含量高,機械性能好,在同樣當量時強度可比沖天爐鑄鐵提高1~2個牌號。

利用合成鑄鐵工藝熔煉高強度灰鑄鐵生產缸體,效果很好,生產結果表明:(1)采用合成鑄鐵熔煉工藝澆注的缸體機械性能高,當碳當量為4.0%時,抗拉強度大于250MPa,比沖天爐熔煉提高一個牌號;(2)鐵水斷面敏感性小,缸體不同厚度斷面及階梯試塊斷面硬度分布均勻;(3)鑄鐵含磷量低,含雜質少,克服鑄件滲漏缺陷;(4)成本低;(5)熔煉工藝簡單易行,容易撐握。

3、低合金化孕育鑄鐵  

調整原鐵水的化學成份使其達到較高碳當量,在爐內(或包內)加入少量鉻、銅、鉬等合金元素,獲得高溫低合金化鐵水,再經孕育處理,得到石墨細小、珠光體含量高、片間距小的組織,從而獲得高強度鑄鐵。用這種方法生產高強度灰鑄鐵,國外用得較廣泛,效果比較穩定,合金元素多是Cu,Cr、Mo、Ni等。其最大優點是可使缸體、缸蓋薄壁部分的基體組織得到95%以上珠光體,硬度差小。

某些單位用0.3~0.7%Cr,瞬時孕育,控制鉻/硅比值,解決了缸體、缸蓋的生產問題。

4、調整鑄鐵常規化學成份及比例,獲得高強度、低應力灰鑄鐵  在碳當量保持不變的情況下,適當提高Si/C比值是提高機床鑄件強度和剛度重要途經之一。

通過調整化學成份,特別是改變硅/碳比值,使Si/C在0.5~0.9,再加上適當的孕育和合金化,可以獲得具有良好綜合性能的高強度灰鑄鐵件。 

有關硅/碳比值的規律是:

(1)在相同碳當量下,Si/C比值高,抗拉強度可提高30~60MPa,相對強度高,相對硬度低,彈性性能好;

(2)在相同碳當量下,Si/C比值增加,殘余應力有除低趨勢,應力傾向也較小;

(3)提高Si/C比值,白口傾向小,斷面敏感性小,而對鐵水流動性,線收縮率無影響。 

調整錳、硅含量,使含Mn量比含Si量高0.2~1.3%以上,得到另一種高強度低應力鑄鐵?；诣T鐵含Mn在1.5~3.0%范圍內,提高含Mn量,尤其是當Mn量大于Si量后,能顯著細化共晶團,易于獲得D、E型石墨和細珠光體基體。另外,控制灰鑄鐵中Mn、Si差值和Mn的絕對值,使Mn、Si差值在0~0.5%,Mn大于2%,還可以在灰鑄鐵中得到不同類型的硬化相。因此,控制Mn、、Si差值和Mn絕對值,就能獲得機械性能高,硬度均勻,耐壓致密性好和耐磨性能好的高強度灰鑄鐵。這種高錳灰鑄件在鄭州紡織機械廠以及機床、缸套、液壓件三個行業部分廠中生產,取得較好的效果。Mn=1.7S+0.3% (為保證硫完全被錳結合)。

如何減小高強度灰鑄鐵的收縮傾向高強度與收縮一直是一對矛盾,生產高強度的鑄件,收縮傾向大,收縮問題如果不能很好解決,應付產生大量的收縮廢品缺陷。

解決材料的收縮問題,總的原則是要有較高的碳硅當量。高碳硅當量加合金化的工藝比低碳硅當量少加合金的工藝收縮傾向小,因此,應當在選擇高碳硅量前提下,開發提高性能的新技術減少收縮具體的措施可以從以下方面考慮:

 ⑴促進石墨化的工藝措施是減少鐵液收縮的最好措施。

電爐熔煉:增碳技術的應用是解決鐵液收縮的關鍵技術。由于鐵液凝固過程中的石墨析出產生石墨化膨脹作用,良好的石墨化會減少鐵液的收縮傾向,因此,增碳技術是最好的工藝。

由于加入增碳劑提高了鐵液的石墨化能力,因此,采用全廢鋼熔煉加增碳劑的工藝,鐵液的收縮傾向反而更小。這是非常重要的一個觀念轉變,傳統的觀念是認為多加廢鋼會增大鐵液的收縮傾向,這樣我們就容易走入一個誤區,不愿意多用廢鋼,而喜歡多用一些生鐵。

多用生鐵的缺點是:生鐵中有許多粗大的過共晶石墨,這種粗大的石墨具有遺傳性,如果低溫熔煉,粗大的石墨難以消除,粗大的石墨從液態遺傳到了固態,使凝固過程中本來由于石墨析出應該產生的膨脹作用削弱,因此使鐵液凝固過程中的收縮傾向增大,粗大的石墨又必然降低了材料的性能。因此,與用廢鋼增碳工藝相比,大量用生鐵的缺點就是:

①強度性能低。同樣成分做過對比試驗,性能低半個排號。

②收縮傾向大。同樣條件下,比廢鋼增碳工藝收縮大。

對于電爐熔煉,增碳技術的核心是使用高品質的增碳劑。采用廢鋼增碳工藝,增碳劑就成為增碳工藝中最重要的環節。增碳劑質量的好壞決定了鐵液質量的好壞,增碳工藝能否獲得好的石墨化效果,減少鐵液收縮,主要取決

于增碳劑:

① 增碳劑一定要選用經過高溫石墨化處理的增碳劑。。

只有經過高溫石墨化處理,碳原子才能從原來的無序排列變成片狀排列,片狀石墨才能成為石墨形核的最好核心,促進石墨化。

②好的增碳劑含硫都非常低,w(S)小于0.03%是一個重要的指標。

對于沖天爐熔煉:高溫熔煉是最關鍵的技術指標,高溫熔煉可以有效消除生鐵粗大石墨的遺傳性。高溫熔煉可以提高滲碳率,減少配料中的生鐵加入量。以滲碳方式獲得的碳活性好,要比多加生鐵帶來的碳有更好的石墨化作用,反映在鑄件上,就是石墨的形態更好,分布更均勻。石墨的形態好,就會提高材料的性能,包括切削性能,而 石墨化效果好,就能減少鐵液的收縮傾向。     

⑵提高原鐵液的硅量,控制孕育量。

灰鑄鐵中的硅一部分是原鐵液中的硅,一部分是孕育帶入的硅。

許多人喜歡原鐵液中的硅低點,然后用很大的孕育量孕育,這種做法并不科學:大量的孕育是不可取的,這會增大收縮傾向。孕育是為了增加結晶核心的數量,促進石墨化,少量的孕育(0.2%～0.4%)就可以達到這個目的。從工藝控制來說,孕育量應該相應穩定,不能有過大的變化。這就要求原鐵液的硅量也要相應穩定。提高原鐵液的硅量,既可以減少白口和收縮傾向,又能發揮硅固溶強化基體的作用,性能反而不降低。目前比較科學的做法是提高灰鑄鐵原鐵液的含硅量,孕育量控制在0.3%左右,這樣可以發揮硅的固溶強化作用,對提高強度有利,也對減少鑄件收縮有利 。

⑶合金化的方法對鐵液收縮有很大影響。

合金化能有效提高鑄鐵的性能,我們常用的合金元素是鉻、鉬、銅、錫、鎳。

鉻:鉻能有效地提高灰鑄鐵的性能,隨著加入量的增加,性能會一直提高。鉻的白口傾向比較大,這是大家最顧忌的問題。加入量太大,會出現碳化物。至于鉻量的上限如何控制,不同的加鉻工藝,上限有所不同,如果鉻加入到原鐵液中,其上限不要超過0.35%,提高原鐵液中的鉻量會使鐵液白口傾向和收縮傾向加大,非常有害。

另一種加鉻的工藝不是提高原鐵液鉻,而是將鉻加入到鐵液包中,用沖入法沖入,這種工藝會大大減少鐵液的白口和收縮傾向,同前一種工藝相比,同樣的鉻量,白口和收縮傾向會減少一半以上,這種加鉻方式,鉻的上限可以控制到0.45%。

鉬:鉬的特性與鉻非常相似,不再作具體描述。由于鉬的價格昂貴,加鉬會大幅度增加成本。因此,應盡可能少加鉬,多加一些鉻。

用沖入法加鉻、加鉬是減少合金化收縮的有效措施。

⑷鐵液澆注溫度對收縮的影響。

溫度高鐵液收縮傾向大,這是大家都有的經驗。要控制澆注溫度在合理的范圍內是非常重要的,澆注溫度如果高于工藝規定的合理的溫度20～30℃,收縮傾向就會大幅增加。生產中要注意這樣一種現象,沒有自動保溫功能的電爐,可能會使鐵液溫度升高,第一包鐵液的澆注溫度會低一些,隨后溫度會越來越高,如果不加以控制,就有可能產生收縮廢品。生產中第一包鐵液要燙包,燙好的包再用,而且第一包鐵液澆注溫度要控制在下限,不要在上限,防止溫度不斷升高。電爐熔煉控制好澆注溫度,是防止鑄件產生收縮廢品的關鍵措施。

⑸鐵液氧化傾向不容忽略:氧化大、收縮大。

鐵液氧化傾向大是非常有害的,也會增大收縮傾向。為了降低鐵液氧化,沖天爐熔煉就要實現快速熔煉?，F在國外的先進電爐熔煉技術可以做到加入的鐵料在幾分鐘內快速熔化,大大縮短了鐵料在高溫氧化階段的時間,氧化傾向大幅降低,同時由于電爐增碳技術的應用,使鐵液的氧化進一步降低,所以電爐熔煉也可以生產出低氧化、低收縮的鐵液。只要嚴格控制好澆注溫度,用電爐熔煉生產復雜的缸體、缸蓋鑄件也很有優勢。