【接上：优质的铁水质量和最佳的孕育工艺是保证灰铸铁内在质量的基础(一)】
三．优质的铁水质量是保证灰铸铁内在质量的基础
铁水质量是由三个指标组成的，这就是铁水温度、化学成分及纯净度。
在这三个指标中，铁水温度占着主导作用，它的高低直接影响着化学成分和纯净度。
铁水温度
铁水的过热温度多少比较合适，国内外学者皆有不同的看法。但有二点是相同的，第一是存在一个临界温度，只有高于这一临界温度，随着温度的提高，铁水则大幅度地减少氧化，减少Si、Mn烧损，并使石墨细化，基体组织致密，铸铁强度提高，硬度下降，弹性模数有少许提高，成熟度RG提高，相对硬度RH下降，品质系数Qi提高，如图9、图10所示：
第二就是如果铁水过热太高，则会导致石墨分布形状的恶化，过冷度过大，极易出现自由渗碳体，导致力学性能的下降，尤其低碳当量的铁水对太高的过热敏感性更大，性能下降更明显，因此对铁水温度过热也要有一个上限。
生产实践中，铁水过热的临界温度及过热的上限范围是与铸铁牌号即碳硅量的高低密切联系的。牌号越高，碳硅量越低，过热温度范围也越高。从HT250至HT350，国外工业发达国家灰铸铁的出铁温度为1500～1550℃，国内有建议1460～1500℃，也有建议1480～1520℃。
从实践效果和节能角度考虑，笔者认为1480～1520℃比较合适，表十列出了孕育铸铁的出铁温度的范围。
表十 孕育铸铁的出铁温度
| 牌号 | 铁水的出铁温度℃ |
| HT250 | 1480～1500 |
| HT300 | 1490～1510 |
| HT350 | 1490～1520 |
对灰铸铁过热温度的选择，涉及到铸件质量和节约能源两方面的问题。实践证明，把铁水温度控制在1480～1520℃，即能保证铸件质量，同时节约能源，这是因为：
合适的过热温度减少了铁水的氧化及硅、锰的烧损。
理论计算表明，铁水中的C、Si与铁水温度之间存在着一定的关系，当铁水过热到某一临界温度时，铁水可避免氧化，SiO2、MnO可以被还原，如图11所示：
根据铁水的C、Si含量，通过图11确定理想的铁水过热温度，如C=3.3%，Si=1.7%，则查出临界温度1418℃，过热温度为1468℃，图12的过热温度之所以要高出临界温度50℃，这是因为冲天炉内达不到临界温度的平衡条件。
由图11看出，随着C、Si含量降低，过热温度越高，可以说1480℃是HT250～HT350灰铸铁最低的过热温度。
高温铁水在实际生产中具有着巨大的实际意义：
冲天炉熔炼的铁水温度越高，渗C率也越高，在同等强度下提高了碳当量，提高了铸造性能；高温优质铁水由于减少了氧化，大幅度减少了因氧化造成的废品，并显著地减少了硅、锰烧损，这是下降成本，节约能源的最重要措施，铁水的含氧量与渣中的含氧量有着密切的关系，如表十一所示：
表十一 渣中FeO与铁水中含氧量
| 渣中FeO（%） | 5.6 | 5.65 | 7.20 | 8.34 | 11.30 | 14.35 |
| 铁水中含氧量（PPM） | 40 | 47 | 72 | 86 | 95 | 110 |
美国资料指出，铸铁的合适的含氧量为10～20PPM，日本为20～30PPM，这样低的铁水含氧量是与他们的高温铁水有着密切联系的。我国据不完全测定，灰铸铁含氧量在40～110PPM的范围内，国内铸造企业在很长的一段时间内，在节约焦碳与铁水质量的选择中，吃了大亏，表十二显示了我国铸造企业铁水严重氧化硅、锰烧损状况。
表十二
| 单位 | 铁焦比 | 渣中FeO | 硅烧损% | 锰烧损（%） |
| 某机床厂A | 9～9.5 | 8.2 | 43.12 | 36.45 |
| 某重型机器厂 | 7～8
10 | 6～8
8～11 | 20
29 | 25
37 |
| 某机床厂B | 8.6
10
11 | 6～7
11.4
13～19.6 | 20
26
30～33 | 34～38
28
21 |
从能源上说，一吨焦炭相当3508度电，而炼一吨硅铁需8900度电，一吨锰铁需7000度电，因节约焦炭而损失硅铁、锰铁得不偿失，而铁水氧化造成的废品损失更是严重。某厂生产4M16缸体时，渣中FeO为10～15%时，缸体废品率达50%，当铁水温度达至1480℃，渣中FeO为5～7%时，缸体几乎消除了废品。节约焦炭不能以牺牲铁水温度为代价，而应采用富氧送风、预热送风等一系列措施来获得高温铁水。某厂采用热风后，铁水温度1480～1500℃。不仅Si、Mn烧损减少，而且多加了废钢，在同样的碳当量下下降了成本。更重要的是铁水合适的过热温度，使石墨细化，石墨减少，铁水中的杂质得一定稳定的纯化，从而显著地提高了铁水的接受孕育的能力，为孕育打下了良好的基础。
在生产HT250～350灰铸铁时，强调冲天炉的出铁温度为1480～1520℃，在任何情况下是不为过的，它是优质铁水的首要条件。
（2）化学成分
合理地选择化学成分，是保证灰铸铁最佳的内在质量的基本条件，具体要求如下：
碳、硅含量选择：HT250至HT350灰铸铁都是高强度孕育铸铁，孕育作用大小在很大程度上取决原铁水的过冷度，而影响铁水过冷的主要因素是两个，一是铁水温度，过热温度越高，过冷越大，见图13。二是碳当量，碳当量越低，过冷度越大。
碳当量多少合适呢？其原则是未孕育的原铁水凝固后应是白口与麻口组织，即碳是以部分或全部渗碳体出现，孕育后全部为珠光体细灰口组织。因此在孕育铸铁熔制时主要是掌握两个环节，一是选择C、Si含量使孕育前铁水为白口或麻口，或石墨呈D、E型过冷石墨。二是经过孕育后成为细珠光体与A型石墨。一般情况下HT250至HT350牌号的灰铸铁，C为2.8～3.3%，Si为1.0～1.7%，表十三是孕育铸铁的化学成分。
表十三 孕育铸铁的化学成分
| 牌号 | C% | Si% | Mn% | P% | S% |
| 孕育前 | 孕育后 |
| HT250 | 3.1～3.3 | 1.2～1.4 | 1.5～1.7 | 0.8～1.0 | ＜0.2 | ＜0.12 |
| HT300 | 3.0～3.2 | 1.1～1.2 | 1.4～1.7 | 1.0～1.2 | ＜0.2 | ＜0.12 |
| HT350 | 2.8～3.1 | 0.8～1.0 | 1.3～1.5 | 1.2～1.4 | ＜0.2 | ＜0.12 |
在实际生产中，如果金相组织中基体为细珠光体，石墨细小，并呈A型分布说明二个环节控制得较好。若发现有25～40%过冷石墨说明C、Si含量选择基本正确，孕育作用不够，应加强孕育，如发现孕育充分，但仍出现较多的过冷石墨，甚至出现部分渗碳体，则说明C、Si量过低，应适当上调，如稍加孕育，就石墨粗大，说明C、Si量过高，应适当下调。在实践中通过金相分析来调整二个环节是十分必要的。
近代灰铸铁对化学成分的理解又有了新的进步，一是高的铁水温度，高碳当量的概念；二是在配料中增加废钢量，通过高温、高渗碳，在同样的碳当量下获得高强度的概念；三是在适当的碳当量下，将Si/C比的概念由0.4～0.5提高到0.65～0.75，则同样的碳当量下，能提高强度与弹性模数，降低硬度，降低白口倾向；四是准确而稳定的化学成分，以最小的波动值来保证铸件质量的一致性的概念，成分波动如表十四所示：
表十四 铁水成分的波动范围
| 化学成分 | C | Si | Mn | P | s |
| 波动范围（%） | ±0.05 | ±0.1 | ±0.1 | ＜0.02 | ＜0.02 |
上述概念在生产中的应用，都获得极其良好的效果。
孕育铸铁的基体是珠光体或索氏体，故含锰量较普通铸铁稍高，为0.8～1.2%。灰铸铁中的硫应＜0.12%，过高则增加铁水的白口倾向，并降低铁水流动性。但也不能过低，一般为0.05～0.06%，否则会减少孕育核心，致孕育效果的降低。为了防止孕育铸铁的脆、裂及冲击韧性降低，一般要求磷含量＜0.2%。
在相同的强度下，具有较高的碳、硅含量及较小的成分波动范围是优质铁水中判断化学成分水平的重要依据。前者是力学性能与铸造性能的综合要求，后者稳定生产的前提。
3．铁水的纯净度：铁水的纯净度是指铁水中较低的气体含量和非金属的夹杂物。
生产实践证明，铁水中氢含量>3PPM，易产生氢气孔。氧含量＞60PPM，则铁水氧化开始严重，硅、锰烧损增加。氮含量＞100PPM，易产生氮气孔，＞140PPM时更为显著。表十五显示了铁水中，氢、氧、氮对铸铁性能的影响。
表十五 铁水中气体对铸铁性能的影响
| 气体 | 要求含量（PPM） | 对灰铸铁性能的影响 |
| 氢 | <2 | 1.增加铁水过冷度，增加铸铁白口倾向
2.阻碍石墨化，易形成技晶状石墨
3．＞3PPM时，易产生氢气孔，导致铁水流动性下降，机械性能下降
铁水中氢（cm³/100g） 0.8 4.1 氢含量（cm³/100g） 1.15 4.3
螺旋长度（mm） 530 390 抗拉强度Mpa 229 187 |
| 氧 | <60 | 1.铁水氧化，产生非金属夹杂物，机械性能下降
2.产生CO皮下气孔 |
| 氮 | <80 | 1.铁水含氮20～80PPM范围内，增加珠光体，增加强度，但增加硬度，降低加工性能。
2. ＞100PPM，易形成裂纹状的氮气孔 |
在铁水的气体含量要求中，避免铁水氧化是最重要的。这就是生产中我们为什么要求铁水温度要高于避免铁水氧化的临界过热温度，要求渣中FeO＜5%及Si、Mn烧损＜15%的原因。
铁水纯净度中的非金属夹杂物是指除石墨、碳化物、基体、磷共晶以外的组成物，主要为氧化物与硫化物。
在灰铸铁中，1cm³体积内，氧化物（SiO2、FeO-MnO、Al2O3）可达500万个，硫化物（MnS、FeS-MnS）有4300万个，前者尺寸为0.2～1.0um，后者为2～23um，这些夹杂物在灰铸铁的总含量约为0.01%，含量虽少，但对铸铁性能的影响不可忽视，见表十六所示：
表十六 非金属夹杂物对灰铸铁
| 性能 | 对灰铸铁性能的影响 |
| 力学性能 | 对石墨细小，石墨数量少的高牌号铸铁，非金属夹杂物对基体的削弱作用有时大于石墨的影响，导致了强度的降低。 |
| 裂纹、疲劳强度 | 非金属夹杂物成为疲劳裂纹的裂纹源，裂纹因其变宽延长，夹杂物增多时，疲劳强度下降。 |
| 铸造性能 | 夹杂物越多，流动性越差，低温铁水时尤甚，且因热膨胀系数不同，凝固时易产生缩松，导致承受水压或气压时的渗漏。 |
| 可切削性能 | 夹杂物增加导致加工困难，刀具磨损加剧。 |
| 电性能 | 非金属夹杂物为非铁磁性物质，减少了基体磁性连续性并使基体磁化不均匀，非金属夹杂物各有不同的导电性能，故分布状态对灰铸铁电阻有较大影响。 |
超过临界过热的高温铁水，对非金属夹杂物作用为：一是使铁水免于氧化，Si、Mn烧损的下降，减少夹杂物；二是高温使已一些生成的非金属夹杂物“熔化”，使铁水得到一定程度的纯化；三是高温利于其聚集上浮成渣。故高温铁水是铁水纯化的基础。当然炉料的“净化”及限制废钢中Cr、Mn、V等合金钢的加入对提高铁水纯净度也是十分重要的。
优质铁水的定义就是足够高的铁水温度；合适而稳定的化学成分及元素烧损低，不氧化及具有一定纯净度的铁水。而铁水温度是主导的，起决定性作用的。在生产实践中，可以以1480～1520℃的铁水温度；Si、Mn小于15%的烧损，小于5%的渣中氧化铁，作为优质铁水的铁水温度指标和纯净度指标；以±0.05～0.1%C、±0.1%的Si、Mn波动值，以孕育前为白口或麻口组织，孕育后为细珠光体，A型石墨分布为化学成分的C、Si的选择，作为优质铁水中化学成分的指标。这5个指标在实践生产中具有极其重要的意义，控制这5个指标就可以熔炼出优质铁水，这种优质铁水为下工序的孕育打下了良好的基础。
三．灰铸铁的孕育
孕育以获得细珠光体基体及A型分布的石墨金相组织的灰铸铁为原则，但在实际生产中，情况复杂，孕育效果极不稳定，现就生产经常发生或易被忽略的某些环节进行分析，以便在实践中加以改进。
孕育剂的粒度、放置和烘烤
在分析孕育效果较差时，孕育剂的粒度大小，放置情况及其烘烤，往往被操作者忽视，造成孕育效果变差。
① 孕育剂粒度 孕育剂粒度分二类，出铁槽孕育的见表十七，瞬时孕育为0.3～1.0mm。
表十七 出铁槽孕育剂粒度
| 处理铁水量（KG） | 粒度（mm） | 备注 |
50～100
100～1000
1000～1500
＞5000 | 2～5
5～10
15～20
25～30 | 出铁槽孕育
包底孕育 |
| 随流孕育 | 0.5～1.0 | |
② 孕育剂的放置
硅、铁等孕育剂极易吸潮，不宜破碎后长期存放，应铁桶封存，用时再打开，目前不少工厂孕育剂随意堆放，吸湿、氧化、污染严重，往往使孕育作用大减，故孕育剂存放必须桶装加盖。
③ 孕育剂的烘烤
孕育剂需经300～500℃预热后使用，未经预热的硅铁易从大气中吸收水汽，造成铸件针孔，对瞬时孕育细粒孕育剂使用时再打开，发现受潮也要预热。
④ 注意铁水的含硫量，为保证孕育时有足够的结晶核心，铁水的含S宜在0.05～0.06%范围内，低于此值，孕育效果降低，应及时调整铁水成分。
⑤ 在进行出铁槽孕育时，在化学成分确定后还要重视铁水中Si含量与孕育剂加入Si量的比例关系。实践证明，在一定的碳当量下，如孕育后铁水的终硅量不变，原铁水Si较低，孕育Si量较多者强度好，硬度低，孕育效果显著，见表十八：
表十八 终硅量不变，孕育硅与原有硅量不同对孕育铸铁力学性能的影响
| 孕育硅量/铁水总硅量% | O不孕育 | 25 | 50 | 75 |
| 硅% | 原有硅
孕育硅
终硅量 | 2.17
0
2.17 | 1.5
0.58
2.07 | 1.00
1.15
2.15 | 0.5
1.57
2.07 |
| 碳% | 3.07～3.09 | 3.10～3.11 | 3.04 | 3.04～3.06 |
| 抗拉强度MPa | 258～272 | 296～303 | 334～333 | 338～341 |
| 硬度HBS | 228～228 | 223～223 | 217～217 | 217～217 |
在实践中，当碳当量在3.3～3.5%时，孕育硅终硅量50～60%为宜，碳当量3.6～3.8%时，其比例25～35%为宜，最佳的比例仍要每个工厂实践确定。不过有一点是可以肯定的，原铁水的硅量不宜过高，原铁水的硅仅能作为铁水成份起石墨化作用，孕育剂中的硅所起的石墨化作用为原铁水硅的3～4倍。瞬时孕育的剂量不再上述的规律内。
⑥ 孕育温度的选择
众多的试验证明，高的过热温度下，较低的孕育温度则会取得较好的孕育效果。如铁水过热温度为1470℃时，1350℃孕育温度比1470℃的孕育效果要好。A类石墨增多，D型石墨减少，如图14所示。石墨长度也比1470℃孕育的短，如图15所示：
生产实践证明，最近发展很快的浇口杯孕育，随流孕育，型内孕育等瞬时孕育工艺皆获得极佳的孕育效果，也直接证明了较低的孕育温度效果为佳。当然其条件是必须保证孕育剂熔化和吸收。因此一般随流孕育的温度最低也要＞1340℃，孕育剂粒度以0.3～1.0 mm为宜。
高温孕育效果差，主要原因是：孕育后仍有较高的温度，则孕育后至铁水凝固的温差大，凝固时间长，前者导致铁水的过冷度增加，
后者使孕育衰退加剧，从而削弱了孕育效果。采用浇注时的瞬时孕育工艺，需考虑浇注温度的高低。采用浇注时孕育的浇注温度如表十九所示：
表十九 孕育铸铁的浇注温度
| 铸铁牌号 | HT250 | HT300 | HT350 |
| 浇注温度℃ | 1340～1350 | 1350～1370 | 1360～1380 |
孕育的时间性与瞬时孕育工艺
孕育过程中最大的问题就是孕育衰退，图16表示了孕育过程的三个阶段。AB段表示原始晶核状态，加入孕育后，晶核数迅速增加，达到C点，此时约1分钟作用，此后孕育效果下降到达D点时，孕育效果完全消失。
表二十表示了灰铸铁孕育衰退时共晶团逐渐减少的情况
表二十 灰铸铁孕育衰退时对共晶团数的影响
| 孕育保持时间（分） | 2 | 8 | 14 | 20 | 26 |
| 共晶团数（个/cm³） | 87 | 58 | 41 | 35 | 31 |
注：Φ30试棒测定
表二十一表示了灰铸铁孕育衰退时铸铁白口增加和抗拉强度下降的情况
表二十一 灰铸铁孕育衰退时对抗卡强度与三角白口宽度的影响
| 孕育后保持时间（分） | 0 | 15 | 30 | 45 | 60 | 90 |
| 抗拉强度（Mpa） | 380 | 320 | 300 | 280 | 230 | 220 |
| 三角白口宽度（mm） | 4.9 | 4.9 | 4.8 | 7.2 | 8.1 | 12 |
注：铁水成分C3.03% Si 1.45% 硅钙孕育剂加入量0.25～0.3%。
传统的出铁槽孕育，孕育后5～7分钟、孕育效果丧失50%以上，15～20分钟孕育作用消失大半。该工艺孕育剂加入量大，75铸铁加入量HT250约0.2～0.4%，HT350约0.6～0.8%。在调研中发现，不少工厂很难保证出铁槽孕育后15分钟内浇完铁水，实际上孕育衰退是造成灰铸铁内在质量不一致性的主要原因。为保证铸铁质量，采用瞬时孕育势在必行。但是实际情况是，在一次调查中，采用瞬时孕育的铸造厂不到10%，这是十分严重的。
瞬时孕育、浇注时孕育、后孕育等虽名称不同，都是一个意思：即在铁液自浇包注入铸型时进行的孕育。该孕育方法不存在孕育衰退问题。瞬时孕育的方法很多：有大块浮硅孕育、浇口盒孕育、硅铁棒孕育、喂丝孕育、随流孕育、型内孕育等。在生产实践中证实，随流孕育工艺在生产中最实用，容易坚持，也易于实现，其他方法在应用时皆遇到不同的问题，如大块浮硅孕育中块度和铁水温度、铁水包容量相互配合难度较大，孕育剂耗量也大；浇口杯孕育增加了造型工作量，孕育剂颗粒浇注时易于浮起；硅铁棒孕育，其硅铁棒制造麻烦，孕育剂量不易控制；喂丝孕育成本较高，且定点使用，要求控制可靠性强；而随流孕育只需在浇注时人工将0.3～1.0mm细粒孕育剂加入铁水流中即可，加入量约为0.10～0.15%，加入时间为浇注时间的2/3。实际生产中不少工厂都用手动工具加入，也有用翻转漏斗装置进行的随流孕育，取得良好的孕育效果。
孕育方法的改进对孕育效果起着决定性的作用。某种程度上胜于孕育剂品种的选择。采用瞬时孕育工艺在保证铸铁内在质量上可以说是必不可少的，更何况孕育剂能成几倍地降低呢。
一些工厂在出铁槽内或在大型，厚断面灰铸件上加长效孕育剂及为了满足力学性能加某些特效孕育剂也是可行的。但不可将注意力全部寄托在特种孕育剂上。孕育方法在生产中才是最重要的，长效等孕育剂是一种用孕育方法不能全部达到目的时的辅助手段。
我国从一个铸造大国走向铸造强国，首要的任务是提高铸件质量。而提高铸件内在质量是质量中的重中之重。因此全面认识灰铸铁的内在质量的内容。全面认识优质铁水和孕育工艺对内在质量的影响和作用是十分重要的。只要对这两个环节中的各个因素进行严格控制，一定会使我国灰铸铁的内在质量得到明显的提高和可靠的保证。
参考文献：
1.马敬仲、钱立等编《铸铁与冲天炉实用手册》中国农业机械出版社 1982年
2.钱立、马敬仲等编《铸铁的孕育》北京科技出版社 1987年
3.李传栻文集《灰铸铁的孕育》中国铸协出版 2007年
4.铸造手册 铸铁篇 机械工业出版社 1993年
5.刘幼华 胡起宣编《冲天炉手册》机械工业出版社 1990年
6.《高质量铸铁》H.H.阿列克塞得罗夫编 机械工业出版社 1986年
7.周继扬编《冲天炉问答》机械工业出版社 1982年
8.《灰铸铁、球墨铸铁及其熔炼》吴结海、钱立、胡家聪编 中国水利、水电出版社 2005年
9.黄志光、叶学贤主编《铸造合计及熔炼问答》化学工业出版社 2007年
10.《铸造熔炼技术》张武臣编 机械工业出版社 2005年
（来源：中国铸造协会）
|手机版|Archiver|热加工行业论坛
( 苏ICP备18061189号-1|豫公网安备 41142602000010号 )
发表于 2018-10-2 00:19:48
