【摘要】本文介紹了在電爐熔煉過程中，如何在較高的碳當(dāng)量和較好的機(jī)加工性能要求的條件下獲得高強(qiáng)度灰鑄鐵的熔煉技術(shù)，以及如何對材料的微量元素進(jìn)行控制
【關(guān)鍵詞】灰鑄鐵 碳當(dāng)量 力學(xué)性能 加工性能 微量元素
               
    長城須崎鑄造股份有限公司（簡稱CSMF）傳統(tǒng)的灰鑄鐵熔煉控制方向是低碳高強(qiáng)度鑄鐵（C：2.7~3.0，Si：2.0~2.3，Mn：0.9~1.3）這樣的材料雖然能夠滿足材料機(jī)械性能的要求，但其鑄造性能、加工性能卻較差，隨著公司市場開發(fā)拓展，越來越多的高難度、高技術(shù)質(zhì)量要求的鑄造產(chǎn)品納入CSMF的生產(chǎn)序列，特別是CSMF用工頻電爐熔煉工藝取代沖天爐熔煉工藝，如何在電爐熔煉條件下獲得高碳當(dāng)量高強(qiáng)度鑄鐵，滿足顧客的定貨要求，是我們當(dāng)時(shí)的一個(gè)研究課題，本文敘述了電爐熔煉的條件下高強(qiáng)度灰鑄鐵的生產(chǎn)技術(shù)。

1.0 影響材料性能的因素

1.1 碳當(dāng)量對材料性能的影響
               
    決定灰鑄鐵性能的主要因素為石墨形態(tài)和金屬基體的性能。當(dāng)碳當(dāng)量（CE=C+1/3Si）較高時(shí)，石墨的數(shù)量增加，在孕育條件不好或有微量有害元素時(shí)，石墨形狀惡化。這樣的石墨使金屬基體能夠承受負(fù)荷的有效面積減少，而且在承受負(fù)荷時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，使金屬基體的強(qiáng)度不能正常發(fā)揮，從而降低鑄鐵的強(qiáng)度。在材料中珠光體具有好的強(qiáng)度、硬度，而鐵素體則質(zhì)底較軟而且強(qiáng)度較低。當(dāng)隨著C、Si的量提高，會(huì)使珠光體量減少，鐵素體量增加。因此，碳當(dāng)量的提高將在石墨形狀和基體組織兩方面影響鑄鐵鑄件的抗拉強(qiáng)度和鑄件實(shí)體的硬度。在熔煉過程控制中，碳當(dāng)量的控制是解決材料性能的一個(gè)很重要的因素。

1.2合金元素對材料性能的影響
               
    在灰鑄鐵中的合金元素主要是指Mn、Cr、Cu、Sn、Mo等促進(jìn)珠光體生成元素，這些元素含量會(huì)直接影響珠光體的含量，同時(shí)由于合金元素的加入，在一定程度上細(xì)化了石墨，使基體中鐵素體的量減少甚至消失，珠光體則在一定的程度上得到細(xì)化，而且其中的鐵素體由于有一定量的合金元素而得到固溶強(qiáng)化，使鑄鐵總有較高的強(qiáng)度性能。在熔煉過程控制中，對合金的控制同樣是重要的手段。
                
1.3爐料配比對材料的影響
               
    過去我們一直堅(jiān)持只要化學(xué)成分符合規(guī)范要求就應(yīng)該能夠獲得符合標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械性能材料的觀點(diǎn)，而實(shí)際上這種觀點(diǎn)所看到的只是常規(guī)化學(xué)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。如生鐵是Ti的主要來源，因此生鐵使用量的多少會(huì)直接影響材料中Ti的含量，對材料機(jī)械性能產(chǎn)生很大的影響。同樣廢鋼是許多合金元素的來源，因此廢鋼用量對鑄鐵的機(jī)械性能的影響是非常直接的。在電爐投入使用的初期，我們一直沿用了沖天爐的爐料配比（生鐵：25~35%，廢鋼：30~35%）結(jié)果材料的機(jī)械性能（抗拉強(qiáng)度）很低，當(dāng)我們意識到廢鋼的使用量會(huì)對鑄鐵的性能有影響時(shí)及時(shí)調(diào)整了廢鋼的用量之后，問題很快得到了解決，因此廢鋼在熔化控制過程中是一項(xiàng)非常重要的控制參數(shù)。因此爐料配比對鑄鐵材料的機(jī)械性能有著直接的影響，是熔煉控制的重點(diǎn)。

1.4微量元素對材料性能的影響
                
    以往我們在熔煉過程中只注意常規(guī)五大元素對鑄鐵材質(zhì)的影響，而對其它一些微量元素的作用僅僅只是一個(gè)定性的認(rèn)識，卻很少對他們進(jìn)行定量的分析討論，近年來，由于鑄造技術(shù)的進(jìn)步，熔煉設(shè)備也在不斷的更新，沖天爐已逐漸被電爐所代替。電爐熔煉固然有其沖天爐不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，但電爐熔煉也喪失了沖天爐熔煉的一些優(yōu)點(diǎn)，這樣一些微量元素對鑄鐵的影響也就反映出來。由于沖天爐內(nèi)的冶金反應(yīng)非常強(qiáng)烈，爐料是處于氧化性很強(qiáng)的氣氛中，絕大部分都被氧化，隨爐渣一起排出，只有一少部分會(huì)殘留在鐵水中，因此一些對鑄件有不利影響的微量元素通過沖天爐的冶金過程，一般不會(huì)對鑄鐵形成不利影響。在沖天爐的熔煉過程中，焦炭中的氮和空氣中的氮?dú)猓∟2）在高溫下，一部分分解會(huì)以原子的形式溶入鐵水中，使得鐵水中的氮含量相對很高。
               
    據(jù)統(tǒng)計(jì)自電爐投產(chǎn)以來，由于鉛含量高造成的廢品和因含鉛量太高無法調(diào)整而報(bào)廢的鐵水不下百噸，而因含氮量不足造成的不合格品數(shù)量也相當(dāng)高，給公司造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。
               
    在我們多年的電爐熔煉經(jīng)驗(yàn)和理論基礎(chǔ)上，我認(rèn)為在電爐熔煉過程中重點(diǎn)微量元素主要有N、Pb、Ti，這些元素對灰鑄鐵的影響主要有以下幾方面：

    鉛
               
    當(dāng)鐵水中的鉛含量較高時(shí)（>20PPm），尤其是與較高的含氫量相互作用，在厚大斷面的鑄件很容易形成魏氏石墨，這是因?yàn)闃渲暗谋匦阅芎茫F水在鑄型中冷卻較慢，（對厚大斷面這種傾向更為明顯，）鐵水處于液態(tài)保溫時(shí)間較長，由于鉛和氫的作用使鐵水凝固比較接近于平衡狀態(tài)下的凝固條件。當(dāng)這類鑄件凝固完畢，繼續(xù)冷卻時(shí)，奧氏體中的碳要析出，成為固態(tài)下的二次石墨。在正常情況下，二次石墨僅使共晶石墨片增厚，這對力學(xué)性能不會(huì)產(chǎn)生很大影響。但含氮和氫量高時(shí)，會(huì)使奧氏體同一定晶面上石墨表面能降低，使二次石墨沿著奧氏體一定晶面長大，伸入金屬基體中，在顯微鏡下觀察，在片狀石墨片的側(cè)面長出許多象毛刺一樣的小石墨片，俗稱石墨長毛，這就是魏氏石墨及形成原因。在鑄鐵中的鋁能促使鐵液吸氫，而增加其氫含量，因此鋁對魏氏石墨的形成，也有間接的影響。

    當(dāng)鑄鐵中出現(xiàn)魏氏石墨時(shí)，對其力學(xué)性能影響很大，尤其是強(qiáng)度、硬度，嚴(yán)重時(shí)可降低50%左右。

    魏氏石墨有以下金相特征：
    1）在100倍的顯微照片上，粗大的石墨片上附著許多刺狀小石墨片，即為魏氏石墨。
    2）同共晶片狀石墨關(guān)系是相互連接的。
    3）常溫下成為魏氏石墨網(wǎng)絡(luò)延伸入基體中，就成為基體脆弱面，會(huì)顯著降低灰鑄鐵的力學(xué)性能。但從斷面看，斷裂裂紋仍是沿共晶片狀石墨擴(kuò)展的。

    氮

    適量的氮能促進(jìn)石墨形核，穩(wěn)定珠光體，改善灰鑄鐵組織，提高灰鑄鐵的性能。

    氮對灰鑄鐵的影響主要有兩方面，一是對石墨形態(tài)的影響，另一方面是對基體組織的影響。

    氮對石墨形態(tài)的作用是一個(gè)非常復(fù)雜的過程。主要表現(xiàn)在：石墨表面吸附層的影響和共晶團(tuán)尺寸大小的影響。由于氮在石墨中幾乎不溶解，因此，在共晶凝固過程中氮不斷吸附在石墨生長的前沿和石墨兩側(cè)，導(dǎo)致石墨在析出過程中，其周圍濃度增高，尤其在石墨伸向鐵水中的尖端時(shí)，影響液—固界面上的石墨生長。氮在共晶生長過程中石墨片尖端和兩側(cè)氮的濃度分布存在明顯的差別。由于氮原子在石墨表面上的吸附層能夠阻礙碳原子向石墨表面的擴(kuò)散。石墨前沿的氮濃度比兩側(cè)高時(shí)，石墨長度方向的生長速度降低，相比之下，側(cè)向生長就變得容易些，其結(jié)果使石墨變短、變粗。同時(shí)由于石墨生長過程中總會(huì)存在缺陷，氮原子的一部分被吸附在缺陷位置而不能擴(kuò)散，將會(huì)在石墨長大的前沿上局部非對稱傾斜晶界，其余部分仍按原方向長大，從而石墨產(chǎn)生分枝，石墨分枝的增加，是石墨變短的另一個(gè)原因。這樣以來，由于石墨組織的細(xì)化，減小了其對基體組織的割裂作用，有利于鑄鐵性能的提高。
               
    氮對基體組織的影響作用，一是由于它是珠光體穩(wěn)定元素，氮含量的增加，使鑄鐵共析轉(zhuǎn)變溫度降低。因此，當(dāng)灰鑄鐵中含有一定量的氮時(shí)，能使共析轉(zhuǎn)變過冷度增加，從而細(xì)化珠光體。另一方面是由于氮的原子半徑比碳和鐵都小，可以作為間隙原子固溶于鐵素體和滲碳體中，使其晶格產(chǎn)生畸變。由于上述兩方面的原因，氮能對基體產(chǎn)生強(qiáng)化作用。

    雖然氮可以提高灰鑄鐵的性能，但是，當(dāng)其超過一定量時(shí)，會(huì)產(chǎn)生氮?dú)饪缀惋@微裂紋如圖2所示，所以對氮的控制應(yīng)是在一定范圍內(nèi)的控制。

    一般為70—120PPm，當(dāng)超過180PPm時(shí)鑄鐵的性能將會(huì)急劇下降。
               
    Ti在鑄鐵中是屬于一種有害元素，究其原因是鈦與氮的親和力較強(qiáng)，當(dāng)灰鑄鐵中的鈦含量較高時(shí)無益于氮的強(qiáng)化作用，首先與氮形成TiN化合物，這就減少了固溶于鑄鐵中的自由氮，事實(shí)上正是由于這種自由氮對灰鑄鐵起著固溶強(qiáng)化的作用。因此鈦含量的高低間接的影響著灰鑄鐵的性能。

2.0 熔煉控制技術(shù)

2.1 材料化學(xué)成分的選擇

    通過上述分析，對化學(xué)成分的控制是熔煉技術(shù)中非常重要的，它是熔煉控制的基礎(chǔ)。所以合理的化學(xué)成分，是保證材料性能的基礎(chǔ)。通常對于高強(qiáng)度鑄鐵（抗拉強(qiáng)度≥300N/mm2）的成分控制主要有等。C、Si、Mn、P、S、Cu、Cr、Pb、N

2.2爐料配比的確定

2.3微量元素的控制技術(shù)
               
    實(shí)際過程控制中，根據(jù)對爐料的分析，確認(rèn)鉛的來源主要是廢鋼，所以對原材料中鉛的控制主要是要對廢鋼中Pb夾物的控制,通常鉛含量控制在15ppm以下。如果當(dāng)原鐵水中含鉛量>20ppm時(shí)，在進(jìn)行孕育處理時(shí)進(jìn)行特殊變質(zhì)處理。
               
    由于Ti主要來源于生鐵，所以對Ti的控制主要是控制生鐵，這樣一方面是在采購時(shí)要對生鐵中的Ti含量提出嚴(yán)格要求，通常要求生鐵含鈦量為：Ti<0.8%,另一方面是要根據(jù)生鐵的含鈦量及時(shí)調(diào)整使用量.
               
    主要來源于增碳材料和廢鋼中,因此對N的控制主要是控制增碳材料和廢鋼，但是正象上面所述過低過高對灰鑄鐵的性能都有不利的一面，因此對N的含量控制范圍一般為：70~120ppm，但是N的含量還要和Ti含量有一個(gè)合理的匹配，通常N與Ti的關(guān)系為：N：Ti=1：3.42即0.01%的Ti可吸收30PPm的氮，生產(chǎn)時(shí)一般建議氮量為：N=0.006~0.01+Ti/3.42。圖3為在灰鑄鐵中鈦與氮的關(guān)系。

2.4熔煉工藝的控制技術(shù)

1）孕育技術(shù)
               
    孕育處理目的在于促進(jìn)石墨化，降低白口傾向，降低端面敏感性；控制石墨形態(tài)，消除過冷石墨；適當(dāng)增加共晶團(tuán)數(shù)和促進(jìn)細(xì)片狀珠光體的形成，從而達(dá)到改善鑄鐵的強(qiáng)度性能和其它性能的目的。
               
    鐵液溫度對孕育的影響及控制鐵液溫度對孕育的影響顯著。在一定的范圍內(nèi)提高鐵液的過熱溫度并保持一定時(shí)間，可以使鐵液中殘存著未溶的石墨質(zhì)點(diǎn)，完全溶入鐵液中，以消除生鐵的遺傳影響，充分發(fā)揮孕育劑的孕育作用，提高鐵水受孕育能力。過程控制中，對過熱溫度提高到1500~1520℃，對孕育處理溫度控制在1420~1450℃。

               
    孕育劑的粒度是孕育劑狀況的重要指標(biāo)，對孕育效果有很大影響。粒度過細(xì)，易于分散或被氧化進(jìn)入溶渣而失去作用，粒度太大，孕育劑熔化或溶解不盡，不僅不能充分發(fā)揮孕育作用，反而會(huì)造成偏析、硬點(diǎn)、過冷石墨等缺陷。因而對孕育劑的粒度盡量控制在2~5mm。保證孕育效果。
               
    過程控制中孕育工藝主要在孕育槽孕育，這樣對一包澆注的鑄件，基本可以在孕育衰退前澆注結(jié)束。但對于比較大的件和雙澆包澆注的件，不能滿足要求。因而采用了晚期孕育方法：即在澆注鑄件之前，在澆包中進(jìn)行浮硅孕育（孕育量為0.1%），這樣減小了或不存在孕育衰退，提高了孕育效果。

2）合金化處理
   
    合金化處理向普通鑄鐵中加入少量的合金元素，提高灰鑄鐵的力學(xué)性能。在熔煉過程控制中，對合金的加入，主要是針對顧客要求淬火的件和導(dǎo)軌比較厚大的件，主要加入的合金元素及加入量.
   
    這樣在一定程度上保證了由于CE值的提高造成性能的下降，而且對淬火件來說，提高了淬火時(shí)的淬透性。保證了淬火深度。         
                           
    圖中O—A段是投料熔化過程，這個(gè)階段重點(diǎn)控制的加料順序，按廢鋼、機(jī)鐵、生鐵的先后順序進(jìn)行加料，為了減少合金元素的燒損，鐵合金應(yīng)在最后加入，當(dāng)冷料全部化清后升溫至1450℃即A點(diǎn)，。如果低于1450℃時(shí)則有增碳劑或鐵合金不完全溶解的危險(xiǎn)。
                在A—B段，應(yīng)做如下處理：
                ◆ 測溫；
                ◆ 扒渣；
                ◆ 取樣分析化學(xué)成分；
                ◆ 利用熱光譜儀對常規(guī)元素和微量元素進(jìn)行分析；
                ◆ 取三角試片測CW值；
                ◆
    根據(jù)各種檢測結(jié)果對鐵水進(jìn)行調(diào)整后，繼續(xù)送電10分鐘后重新取樣分析，確認(rèn)所有數(shù)據(jù)正常后繼續(xù)升溫至1500℃左右，即C點(diǎn)。在C—D段，讓鐵水靜置5至10分鐘后取三角試片測試CW值，測溫后準(zhǔn)備出鐵。

三角試片的控制

    對于不同牌號，確定不同三角試塊的白口（CW）控制范圍，結(jié)合爐前成份分析確定鐵水質(zhì)量。

3.0 結(jié)論
                 
    上述灰鑄鐵的熔煉技術(shù)，自1996年至2003年間在CSMF已成功的應(yīng)用了8年，鑄件的CE控制在3.6~3.9的前提下，不論是抗拉強(qiáng)度指標(biāo)，還是實(shí)體硬度指標(biāo)（特別是部分機(jī)床件導(dǎo)軌硬度）都滿足要求，很大程度上提高了鑄件的切削性能。經(jīng)證明此項(xiàng)技術(shù)已是一種定型的技術(shù)，其控制要點(diǎn)如下：

3.1 材料化學(xué)成分的控制
3.2 爐料配比的確定
3.3 微量元素的控制技術(shù)
3.4 孕育處理工藝的控制
3.5 合金化處理
3.6 對熔煉過程的溫度控制
3.7 三角試片的控制