高強度灰鑄鐵冶煉技術

發佈時間： 06 / 20 2021 作者：網站編輯訪問：11782

本文介紹了在電爐冶煉過程中，在碳當量較高、機加工性能要求較好的條件下，如何獲得高強度灰鑄鐵冶煉技術，以及如何控製材料的微量元素。

關鍵詞： 灰鑄鐵, 碳當量, 機械性能, 加工性能, 微量元素

傳統灰鑄鐵冶煉控制方向為低碳高強鑄鐵（C：2.7~3.0，Si：2.0~2.3，Mn：0.9~1.3）。此類材料雖然能滿足材料力學性能的要求，但其鑄造性能和加工性能較差。隨著公司市場的發展和擴大，越來越多的高難度、高技術質量要求的鑄造產品被納入銘禾生產序列，尤其是銘禾採用工頻電爐冶煉工藝替代沖天爐冶煉工藝。

高強度灰鑄鐵冶煉技術

在電爐冶煉條件下獲得高碳當量高強度鑄鐵以滿足客戶訂單要求是當時的一個研究課題。本文介紹了電爐冶煉條件下高強度灰鑄鐵的生產工藝。

影響材料性能的因素

1.1 碳當量對材料性能的影響

決定灰鑄鐵性能的主要因素是石墨形態和金屬基體的性能。當碳當量（CE=C+1/3Si）高時，石墨量增加，孵化條件不好或有微量有害元素時石墨形狀變差。這種石墨減少了金屬基體能承受載荷的有效面積，在承受載荷時引起應力集中，使金屬基體的強度不能正常使用，從而降低了鑄鐵的強度。材料中珠光體具有較好的強度和硬度，而鐵素體基體較軟，強度較低。隨著C、Si量的增加，珠光體量減少，鐵素體量增加。因此，碳當量的增加會影響鑄鐵件的抗拉強度和鑄件在石墨形狀和基體組織中的硬度。在冶煉過程的控制中，碳當量的控制是解決材料性能的一個非常重要的因素。

1.2 合金元素對材料性能的影響

灰鑄鐵中的合金元素主要是指促進珠光體形成的Mn、Cr、Cu、Sn、Mo等元素。這些元素的含量會直接影響珠光體的含量。同時由於合金元素的加入，使其得到一定程度的細化。石墨的加入使基體中鐵素體的量減少甚至消失，而珠光體得到一定程度的細化，其中的鐵素體因一定量的合金元素而固溶強化，使鑄鐵始終具有具有更高的強度性能。在冶煉過程的控制中，合金的控制也是一個重要的手段。

1.3 裝料比對材料的影響

過去，我們一直堅持只要化學成分符合規範的要求，就應該能夠得到符合標準的材料力學性能的視圖，但實際上這種視圖只看到了常規的化學成分。成分，而忽略了其中的一些合金元素和有害元素。的作用。例如，生鐵是Ti的主要來源，因此生鐵的用量會直接影響材料中Ti的含量，對材料的力學性能有很大影響。同樣，廢鋼是許多合金元素的來源，所以廢鋼的多少對鑄鐵的力學性能有非常直接的影響。在電爐投入使用初期，我們一直採用沖天爐的爐料配比（生鐵：25~35%，廢鋼：30~35%）。結果，材料的機械性能（抗拉強度）非常低。當用鋼量對鑄鐵性能產生影響時，及時調整廢鋼量後，問題很快得到解決。因此，廢鋼是熔煉控製過程中一個非常重要的控制參數。因此，裝料比直接影響鑄鐵材料的力學性能，是冶煉控制的重點。

1.4 微量元素對材料性能的影響

以往，我們在冶煉過程中只關注常規五種主要元素對鑄鐵質量的影響，而其他微量元素的影響只是定性的認識，而很少進行定量的分析和討論。近年來，受鑄造技術進步的影響，冶煉設備不斷更新換代，沖天爐逐漸被電爐取代。電爐熔煉雖然在沖天爐熔煉中有其不可比擬的優勢，但電爐熔煉也失去了沖天爐熔煉的一些優勢，所以也體現了一些微量元素對鑄鐵的影響。由於沖天爐內的冶金反應很強，爐料處於強氧化氣氛中，大部分被氧化，隨爐渣排出，只有少部分會殘留在鐵水中，因此有些對鐵水有不利影響。鑄件通過沖天爐的冶金過程，微量元素一般不會對鑄鐵產生不利影響。在沖天爐冶煉過程中，焦炭中的部分氮和空氣中的氮（N2）在高溫下會以原子的形式溶入鐵水中，使鐵水中的氮含量較高。

據統計，該電爐投產以來，因鉛含量過高造成的廢品和因鉛含量過高調整而報廢的鐵水不少於100噸，產生的不合格產品數不低於XNUMX噸。對氮含量不足的影響也相當高，給公司造成了很大的經濟損失。

根據我們多年的電爐冶煉經驗和理論，我認為電爐冶煉過程中的關鍵微量元素主要是N、Pb、Ti。這些元素對灰鑄鐵的影響主要有以下幾點：

領導

當鐵水中的鉛含量較高（>20PPm）時，尤其是與較高的氫含量相互作用時，較厚的鑄件容易形成Widmanstatten石墨。這是因為樹脂砂具有良好的保溫性能，鐵水在結晶器中冷卻較慢，（這種趨勢對於厚截面更明顯），鐵水在液態停留的時間更長，凝固由於鉛和氫的作用，鐵水在平衡狀態下更接近凝固狀態。當這種鑄件凝固並繼續冷卻時，奧氏體中的碳會析出，成為固態的二次石墨。一般情況下，二次石墨只會增厚共晶石墨薄片，不會對力學性能產生很大影響。但當氮、氫含量較高時，在奧氏體同一固定晶面上的石墨表面能會降低，二次石墨會沿著奧氏體的某一晶面長大並延伸到金屬基體中。在顯微鏡下觀察。鱗片狀石墨片的側面生長著許多小的毛刺狀石墨片，俗稱石墨毛，這就是形成威德曼石墨的原因。鑄鐵中的鋁能促進鐵水吸氫，增加其含氫量。因此，鋁對 Widmanstatten 石墨的形成也有間接影響。

當鑄鐵中出現威德曼施塔登石墨時，其力學性能受到很大影響，特別是強度和硬度，嚴重時可降低50%左右。

威德曼石墨具有以下金相特徵：

1) 100倍顯微照片上，粗大的石墨片上附著有許多刺狀的小石墨片，即威德曼施坦頓石墨。
2）普通晶質石墨的關係是相互聯繫的。
3) Widmanstatten 石墨網絡在室溫下延伸到基體中時，成為基體的脆性表面，將顯著降低灰口鑄鐵的力學性能。但從截面來看，斷裂裂紋仍沿共片狀石墨延伸。

氮

適量的氮能促進石墨形核，穩定珠光體，改善灰口鑄鐵的組織，提高灰口鑄鐵的性能。

氮對灰口鑄鐵有兩個主要影響。一是對石墨形狀的影響，二是對基體結構的影響。氮對石墨形態的影響是一個非常複雜的過程。主要表現在：吸附層對石墨表面的影響和共晶團大小的影響。由於氮幾乎不溶於石墨，在共晶凝固過程中氮不斷吸附在石墨生長前沿和石墨兩側，導致析出過程中石墨周圍的濃度增加，特別是當石墨伸入鐵水。在尖端，它影響石墨在液固界面上的生長。在共晶生長過程中，石墨片頂端和兩側的氮濃度分佈存在顯著差異。石墨表面的氮原子吸附層會阻礙碳原子向石墨表面擴散。當石墨鋒面氮濃度高於兩側時，石墨縱向生長速率降低。相反，橫向生長變得更容易，因此石墨變得更短更厚。同時，由於石墨生長過程中總是存在缺陷，部分氮原子吸附在缺陷位置不能擴散，在石墨生長前沿晶界會發生不對稱傾斜，其餘的仍會朝著原來的方向發展。石墨產生枝條，石墨枝條的增多是石墨變短的另一個原因。這樣，由於石墨組織的細化，降低了對基體組織的劈裂作用，有利於鑄鐵性能的提高。

氮對基體結構的影響是它是珠光體穩定元素。氮含量的增加降低了鑄鐵的共析轉變溫度。因此，當灰口鑄鐵中含有一定量的氮時，可以提高共析轉變的過冷度，從而細化珠光體。另一方面，由於氮的原子半徑比碳和鐵小，可作為間隙原子溶解在鐵素體和滲碳體中，使其晶格扭曲。由於以上兩個原因，氮可以對基體產生強化作用。

氮雖然可以提高灰口鑄鐵的性能，但當超過一定量時，會產生如圖2所示的氮氣孔和微裂紋，因此氮的控制應控制在一定範圍內。一般為70-120PPm，超過180PPm時，鑄鐵的性能會急劇下降。

Ti是鑄鐵中的有害元素。原因是鈦與氮有很強的親和力。當灰口鑄鐵中鈦含量高時，不利於氮的強化作用。首先，它與氮形成TiN化合物，使其還原。其實，正是因為這種游離氮對灰鑄鐵有固溶強化作用。因此，鈦含量的高低間接影響灰鑄鐵的性能。

熔化控制技術

2.1 材料化學成分的選擇

通過以上分析，化學成分的控制在冶煉工藝中非常重要，是冶煉控制的基礎。因此，合理的化學成分是保證材料性能的基礎。通常高強鑄鐵（抗拉強度≥300N/mm2）的成分控制主要包括C、Si、Mn、P、S、Cu、Cr、Pb、N等

2.3 微量元素控制技術

在實際過程控制中，根據爐料分析，確認鉛的來源主要是廢鋼。因此，原料中鉛的控制主要是控制廢鋼中的Pb夾雜物，鉛含量通常控制在15ppm以下。如果生鐵水中鉛含量>20ppm，則在保溫處理過程中應進行特殊的變質處理。

由於Ti主要來源於生鐵，所以對Ti的控制主要是為了控制生鐵。一方面，採購時要對生鐵中的Ti含量提出嚴格要求。通常生鐵的鈦含量要求為：Ti<0.8%，另一方面是根據生鐵的鈦含量及時調整用量。

主要來自增碳材料和廢鋼，所以N的控制主要是控制增碳材料和廢鋼。但是，如上所述，過低和過高對灰鑄鐵的性能都有不利的影響，因此N含量控制範圍一般為：70~120ppm，但N含量應與灰口鑄鐵的性能合理匹配。 Ti的含量。一般N與Ti的關係為：N:Ti=1:3.42，即0.01%的Ti可吸收30PPm的氮。生產時一般推薦的氮氣用量為：N=0.006~0.01+Ti/3.42。

2.4 冶煉過程控制技術

1) 接種技術

接種處理的目的是促進石墨化，減少白口傾向，降低端面敏感性；控製石墨形態，消除過冷石墨；適當增加共晶團簇的數量，促進片狀珠光體的形成，從而達到提高鑄鐵的強度性能等性能目的。

鐵水溫度對孕育的影響，控製鐵水溫度對孕育有顯著影響。將鐵水的過熱溫度提高在一定範圍內並保持一定時間，可使未溶解的石墨顆粒留在鐵水中，可完全溶解在鐵水中，消除生鐵的遺傳影響和充分發揮孕育劑的孕育作用，提高鐵水的生育能力。在工藝控制上，將過熱溫度提高到1500~1520℃，孕育溫度控制在1420~1450℃。

孕育劑的粒徑是孕育劑狀態的重要指標，對孕育劑的效果影響很大。如果粒度過細，則容易分散或氧化成熔渣而失去作用。如果粒徑過大，孕育劑將不會完全熔化或溶解。不僅不能充分發揮其孕育作用，還會造成偏析、硬點、過冷石墨等缺陷。因此，孕育劑的粒徑應盡量控制在2~5mm以內。保證孵化效果。

在工藝控制上，孕育過程主要是在孕育槽內孕育，使一包鑄件的澆注基本可以在孕育下降之前完成。但對於較大的零件和雙鋼包澆鑄的零件，則不能滿足要求。因此採用後期孕育法：即澆注前在鋼包內進行浮矽孕育（孕育量為0.1%），減少或不存在孕育下降，提高孕育效果。

2) 合金化處理

合金化處理在普通鑄鐵中加入少量合金元素，以提高灰口鑄鐵的機械性能。在冶煉過程的控制上，合金的添加主要針對客戶要求淬火的零件和導軌比較粗的零件，主要合金元素的添加和添加量。

這在一定程度上保證了CE值增加導致的性能下降，對於淬火件，提高了淬火時的淬透性。確保淬火深度。

在進料和熔煉過程中，該階段關鍵控制的進料順序是按優先順序進料廢鋼、機械鐵、生鐵。為減少合金元素的燒損，應在末加入鐵合金。當冷料完全清除後，溫度升至1450℃。即A點。如果低於1450°C，則存在增碳劑或鐵合金不完全溶解的風險。

在AB段中，應進行以下處理：

溫度測量；
出渣渣；
化學成分取樣分析；
用熱譜儀分析常規元素和微量元素；
取三角形試片測量CW值；
根據各種測試結果調整鐵水後，繼續供電10分鐘，然後重新取樣分析。確認所有數據正常後，繼續升溫至1500℃左右，即C點。在CD段，讓鐵水靜置5～10分鐘，然後取三角試片測試連續波值。測量好溫度後，準備出鐵。

三角試件控制

針對不同的牌號，確定不同三角試塊的白口（CW）控制範圍，結合爐前成分分析確定鐵水質量。

結論

上述灰鑄鐵冶煉技術從8年到1996年2003年成功應用於CSMF，鑄件的CE控制在3.6~3.9的前提下，無論是抗拉強度指標還是物理硬度指標（尤其是部分機床零件的導軌硬度符合要求，大大提高了鑄件的切削性能，經實踐證明，該技術為定型技術，其控制要點如下：

3.1 材料化學成分的控制
3.2 電荷比的確定
3.3 微量元素控制技術
3.4 接種處理過程的控制
3.5 合金化處理
3.6 冶煉過程的溫度控制
3.7 三角形試件的控制

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