從配料到孕育處理，看感應(yīng)電爐熔煉灰鑄鐵的若干問題

1.1增碳劑加廢鋼生產(chǎn)合成鑄鐵

       鑄鐵的組織和性能很大程度上取決于原材料的微觀組織和質(zhì)量。生鐵中存在具有遺傳性的粗大的過共晶石墨，在熔化過程中難以完全消除，使凝固過程中產(chǎn)生的石墨化膨脹作用削弱，鑄件的致密性降低，鐵液收縮傾向增大，同時粗大的石墨還加大對基體的割裂作用，降低材料的性能。

      隨著鑄造技術(shù)的發(fā)展，越來越多的鑄造企業(yè)采用全廢鋼，用增碳方法調(diào)整碳量的合成鑄鐵冶煉方法。廢鋼的價格較生鐵便宜，而且在相同的化學(xué)成分下能獲得更好的力學(xué)性能。

      在生產(chǎn)合成鑄鐵時，增碳劑的選用非常重要，尤其對致密性要求高的薄壁高強(qiáng)度的缸體缸蓋鑄件，一定要采用經(jīng)過高溫石墨化的增碳劑，增碳劑中硫和氮的含量是衡量增碳劑品質(zhì)的重要指標(biāo)。

(1)采用未經(jīng)過高溫石墨化的增碳劑，這種增碳劑中雜質(zhì)多，灰分多，并且需要較長的時間才能擴(kuò)散到鐵液中。如果熔煉時間短，就會出現(xiàn)假增碳的效果，即爐內(nèi)鐵液的上部分碳含量在范圍內(nèi)，下部分碳含量低于范圍，這種鐵液澆注鑄件，很容易出現(xiàn)縮松。經(jīng)過高溫石墨化處理的增碳劑，碳原子從原來的無序排列狀態(tài)過渡到片狀石墨的有序排列狀態(tài)，片狀石墨才能成為石墨形核的**核心，從而促進(jìn)石墨化。

(2)未經(jīng)過高溫石墨化的增碳劑含有較高的氮和硫，會使鐵液中氮的含量增加，生產(chǎn)合成鑄鐵時加入大量廢鋼，廢鋼中也含有大量的氮，使鐵液中氮含量升高，當(dāng)鐵液中氮的含量超過0.01%，有可能導(dǎo)致形成氮?dú)饪兹毕?，尤其是?dāng)?shù)砍^0.014%時更甚。

1.2廢鋼的選用

廢鋼的來源要穩(wěn)定，**是輕型車的沖壓板材。為保證熔煉效率，打包壓塊后，塊度**不超過300mm×300mm×400mm。廢鋼來源不穩(wěn)定，其中含有的雜物，會使鐵液中微量元素鉛、砷和鋁的含量高，影響缸體缸蓋鑄件的性能，嚴(yán)重時造成批量廢品。

（1）鉛的影響

微量鉛即可以引起石墨形態(tài)惡化。鉛量由少量漸增時，石墨由正常分布的A型，開始變?yōu)橹┲霠?、爪狀、刺刀狀，并且石墨頭部變尖，邊緣變得粗糙不平，變成鋸齒狀，并出現(xiàn)分枝和形成閉合的環(huán)形石墨。當(dāng)鉛量繼續(xù)增加時，主石墨干上出現(xiàn)多條沉積的二次石墨，形成典型的魏氏石墨。

由于微量的鉛即引起石墨形態(tài)的變異，使其對基體的割裂作用增強(qiáng)，因而強(qiáng)烈地降低灰鑄鐵的力學(xué)性能。

筆者公司通過多年對鉛的研究得出，當(dāng)以生鐵為主配料時，鉛的含量上限為0.0008%；生產(chǎn)合成鑄鐵時，鉛的含量上限0.0015%，否則缸體的軸承座處的石墨就會變異，從而造成缸體的力學(xué)性能低，從而引起材質(zhì)不合格的廢品。

（2）砷的影響

砷在鑄鐵中是一種微量有害元素。影響鑄鐵的顯微組織，比如：促進(jìn)灰鑄鐵形成D型石墨，使基體變成珠光體，改變灰鑄鐵的白口傾向等，導(dǎo)致鑄鐵力學(xué)性能降低。此外，含砷鑄鐵還容易產(chǎn)生縮孔、縮松、裂紋、偏析以及夾渣等鑄造缺陷，使鑄造生產(chǎn)的質(zhì)量控制變得困難。

筆者公司原設(shè)定的砷含量為0.0080%，在采用增碳劑+廢鋼生產(chǎn)合成鑄鐵過程中出現(xiàn)砷含量最高達(dá)到0.0116%的情況，為驗證砷含量對灰鑄鐵缸體缸蓋力學(xué)性能的影響，我們將砷含量超出0.0080%的鑄件進(jìn)行了力學(xué)性能檢測。

東風(fēng)康明斯要求缸體缸蓋的本體性能≥207MPa，試驗砷含量在0.0081%-0.0116%之間的鑄件力學(xué)性能和金相組織都完全滿足東風(fēng)康明斯的要求。

同時，我們對砷含量在0.012%-0.013%時澆注的496件缸體鑄件進(jìn)行了氣密性檢測，出現(xiàn)2件滲漏，滲漏率為0.4%，滲漏率未出現(xiàn)異常升高。說明As在這個范圍內(nèi)，不會增加鑄件的滲漏廢品。

福州大學(xué)的李樹江通過試驗驗證，當(dāng)砷含量低于0.0130%時，灰鑄鐵具有較好的力學(xué)性能和冶金質(zhì)量指標(biāo)。目前，筆者公司將砷的含量控制在0.0130%以下。

（3）鋁的影響

微量元素鋁的含量在一定范圍下并不會對發(fā)動機(jī)缸體缸蓋鑄件的質(zhì)量產(chǎn)生影響，但是當(dāng)鋁的含量超過一定范圍后，就會產(chǎn)生氫氣孔，使鑄件報廢。鐵液中微量鋁（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%~0.1%）發(fā)生反應(yīng)

2Al+3H2O→Al2O3+6[H]

如果鐵液脫氧不好，而在金屬的硬皮（或氧化膜）附近氫的濃度又高，則有可能發(fā)生

2[H]+FeO→H2O+Fe

反應(yīng)，生產(chǎn)的水就附著在生長著的晶粒上成為氣泡的核心。此后，凝固過程中析出的氫和由界面侵入的氫都向氣泡核心集中，使氣泡長大。氣泡來不及逸出時，就成為氫氣孔。

筆者公司出現(xiàn)過一爐次的康明斯4B缸體氣孔缺陷，而且流水號為相連的，為同一爐次澆注的鑄件。解剖發(fā)現(xiàn)內(nèi)部存在很明顯的氣孔，調(diào)查發(fā)現(xiàn)該爐次鋁的含量為0.0796%。

同時，又出現(xiàn)兩爐次的鋁含量異常的鑄件，其爐前光譜樣檢驗鋁的含量分別為0.0392%和0.0414%。這兩爐次的鑄件沒有任何缺陷，加工后滲漏廢品也正常。

鋁含量升高，主要是由于壓塊廢鋼中含有鋁制品，在熔煉過程中使微量元素升高。為防止此類缺陷的再次出現(xiàn)，筆者公司規(guī)定了爐前鋁的含量不超過0.0400%。

1.3碳化硅的使用

鑄鐵熔煉時加入碳化硅，對于灰鑄鐵，由于非平衡石墨的預(yù)孕育作用，可以提高共晶團(tuán)大量形成與生長的溫度（減小相對過冷度），有利于形成A型石墨；還可以因晶核數(shù)量增多，使片狀石墨細(xì)小，提高石墨化程度減少白口傾向，從而提高力學(xué)性能。

在灰鐵、球鐵和可鍛鑄鐵方面，都是通過SiC+FeO=Si+Fe+CO[1]這個反應(yīng)，用SiC來降低FeO和MnO在渣中的含量，從而凈化鐵液。

由于碳化硅的熔點(diǎn)較高，加入碳化硅的時間是關(guān)鍵，如果加入太晚，碳化硅未全部進(jìn)行熔解擴(kuò)散，其中未熔融的碳化硅會以顆粒狀的形態(tài)存在于鐵液中，在鐵液澆注后反而會形成渣眼；如果加入時間太長，鐵液經(jīng)過長時間的熔煉后，碳化硅所形成的形核也會慢慢消失，只能起到簡單的增硅作用。因此建議，碳化硅的加入時間**是在中頻爐熔融1/3爐料時，并且爐料已經(jīng)化清時加入，伴隨著鐵液的攪拌作用，碳化硅的擴(kuò)散效果會更好。

筆者公司通過對比不加和加1%碳化硅的原鐵液白口，檢測三角試塊對比（圖4、圖5），加入碳化硅的原鐵液白口為6mm，不加碳化硅的原鐵液白口為10mm。由于碳化硅經(jīng)過一系列的冶金反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物中非平衡石墨可作為石墨生長的有效核心，降低了原鐵液的白口傾向。

同時，碳化硅中含有69%的硅，可以用于灰鑄鐵熔煉時作為增硅用，由于其價格比硅鐵要便宜，使用碳化硅還能夠一定程度上降低生產(chǎn)成本。

1.4鐵液的過熱和高溫靜置

在一定范圍內(nèi)提高鐵液的過熱溫度，延長高溫靜置的時間，都會導(dǎo)致鑄鐵的石墨及基體組織的細(xì)化，使鑄鐵強(qiáng)度提高；另外，高溫鐵液在一定的時間下靜置，由于氧化渣的密度比鑄鐵的密度小，鐵液中的氧化渣隨著鐵液的翻滾，會浮到鐵液表面，通過出爐前扒渣處理，可以減少鐵液中的氧化渣，凈化鐵液。但過熱溫度過高，以及過熱時間過長，鐵液中的核心就會消失，增大原鐵液的白口傾向。筆者公司從2010年開始嚴(yán)格實施鐵液過熱工藝，經(jīng)過長時間的探索和經(jīng)驗總結(jié)，認(rèn)為感應(yīng)電爐中，鐵液的過熱溫度控制在1500℃-1530℃，過熱時間為5分鐘-10分鐘為**，此時澆注的鑄件石墨細(xì)小，組織致密。

孕育處理的目的是增加形核核心、促進(jìn)石墨化、降低白口傾向。現(xiàn)代化工廠，普遍采用出爐孕育加隨流孕育兩種孕育方式。

2.1出爐孕育

筆者公司出爐孕育是鐵水出至轉(zhuǎn)運(yùn)包1/4時隨流沖入硅鋯孕育劑。鋯在鐵液中能生成ZrC、Al3Zr、ZrN，增加析出和細(xì)化奧氏體枝晶，增加石墨結(jié)晶核心促進(jìn)鐵液石墨化，促進(jìn)穩(wěn)定獲得鐵素體基體，提高鑄鐵的強(qiáng)度。

通過多次試驗對比，采用硅鋯孕育劑比采用硅鋇孕育劑，鑄件的本體強(qiáng)度、硬度要高。

硅鋯孕育劑中的鋯與氮反應(yīng)生成氮化物降低鐵液中的溶解氮，抑制孕育衰退減少氮?dú)饪?。廢鋼中有較多的氮，當(dāng)使用增碳工藝時，廢鋼比例大，使用硅鋯孕育劑，能夠減少鐵液因此產(chǎn)生的缺陷。

氮?dú)饪兹毕?，外觀極易與縮松缺陷混淆，在加工廠檢驗時，通常以鑄件裂紋和漏氣的形式表現(xiàn)出來。解剖后發(fā)現(xiàn)，滲漏部位有裂隙狀的缺陷，即使該缺陷在加工過程中沒有被發(fā)現(xiàn)，在發(fā)動機(jī)的使用過程中，此處將成為裂紋源，隨著發(fā)動機(jī)使用時間的延長，裂紋擴(kuò)散將造成發(fā)動機(jī)缸體工作失效。

鑄造分公司就曾將廢鋼比例增大至60%并采用硅鋇孕育劑出爐孕育，鑄件加工氣密性檢測時，滲漏廢品高達(dá)3.3%，分析其主要就是由于氮?dú)饪锥鸬漠惓?，后來用硅鋯孕育劑代替硅鋇孕育劑，滲漏廢品降低至1%以下。

2.2隨流孕育

孕育衰退是孕育處理過程不容忽視的問題，相比出爐孕育，隨流孕育鐵液溫度較低且孕育時間延后，從而明顯減少孕育衰退現(xiàn)象，提高孕育效果。對于致密性要求高的發(fā)動機(jī)缸體缸蓋灰鑄鐵鑄件，一般選擇0.05%-0.1%的硅鍶孕育劑。硅鍶孕育劑能夠有效促進(jìn)共晶石墨化、減少鐵液的白口，但不增加共晶團(tuán)數(shù)，不增加鐵液的縮松傾向，對降低鑄件滲漏具有顯著的作用。

筆者公司2008年以前采用的是出爐孕育加倒包孕育兩種孕育方式，孕育劑均為硅鋇，生產(chǎn)的康明斯4B缸蓋，滲漏廢品率高達(dá)10%左右，后采用硅鍶隨流孕育后，滲漏廢品率降低至3.52%。

2.3出爐補(bǔ)碳工藝

鑄鐵在熔融狀態(tài)下并非單相液體，而是存在著未溶解石墨分子和滲碳體分子的多相體。如果長時間過熱或頻繁送電攪拌，鐵液趨向于熱力學(xué)平衡狀態(tài)，未溶解的滲碳體和石墨集團(tuán)被溶解，鐵液中由于濃度起伏出現(xiàn)新的碳原子集團(tuán)，這些碳原子集團(tuán)可能以滲碳體型占多數(shù)，從而增加了鐵液的白口傾向，鐵液中有效的形核核減少，導(dǎo)致孕育的回應(yīng)能力降低，冶金質(zhì)量變差。

在長期的生產(chǎn)總結(jié)中，我們將熔煉時間與溫度、碳含量的變化進(jìn)行了數(shù)據(jù)統(tǒng)計。隨著時間的加長、溫度的升高、碳含量存在減少的趨勢，而且有的與爐前相差達(dá)到0.10%以上。

為了減少由于長時間保溫和送電，導(dǎo)致鐵液中白口傾向增大和碳損失造成的副作用，在出爐時加入一定量的增碳劑進(jìn)行預(yù)處理。其顆粒迅速擴(kuò)散到鐵液中，既可以彌補(bǔ)碳的燒損，又可以增加鐵液中的形核核心，起到一部分孕育的作用，預(yù)處理用的增碳劑吸收率一般為70%-80%左右。

在同一爐次鐵液中，通過出爐時加入0.06%增碳劑進(jìn)行微調(diào)，檢驗其白口層寬度，并與該爐次不加增碳劑的鐵液進(jìn)行對比（試驗時分別出第6包和第7包，2包鐵水連續(xù)出爐）。

由此可見，隨著感應(yīng)電爐中鐵液熔煉或保溫時間的延長，鐵液中的碳存在燒損現(xiàn)象，且白口傾向增大，孕育效果變差。

3.1冶金質(zhì)量是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鑄件的根本保障，形核核心是衡量冶金質(zhì)量的重要指標(biāo)。

3.2感應(yīng)電爐中加入一定量的碳化硅作為預(yù)處理劑，增加鐵液中的形核核心，降低白口傾向，并且能減少鐵液中的氧化渣，起到凈化鐵液的作用。

3.3生產(chǎn)合成鑄鐵時，一定要選用經(jīng)過高溫石墨化的增碳劑，并對廢鋼的來源進(jìn)行嚴(yán)格管控。

3.4大量使用廢鋼，通過增碳工藝生產(chǎn)合成鑄鐵時，容易產(chǎn)生氮?dú)饪?，可以通過選用硅鋯孕育劑來消除氮?dú)饪椎娘L(fēng)險。

3.5出爐補(bǔ)碳工藝，不僅能穩(wěn)定爐后碳的成分，更重要的是起到一定的孕育作用，增加了鐵液中的石墨核心，降低鐵液的白口傾向。

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