中频感应炉熔炼高强度铸铁的炉前控制

2015-04-17袁东洲

金属加工(热加工) 2015年1期

袁东洲

用中频炉取代工频炉或冲天炉已成为大势所趋，而且为汽车制造业生产高品质的铸件开创了一条新路。变速器壳体是汽车的基础件之一，它既是多级齿轮的骨架，不仅要承重，还要经得起许多高强度螺栓在拧紧时所引起的局部较大压应力，铸件本身必须具有较高的耐压性及耐蚀性，所以铸件不得有疏松、晶粒粗大等缺陷，以免产生油的渗漏。传统上采用HT150或HT200的铸件作壳体材料，其铸件质量不能适应汽车工业不断提高整体质量的要求。这就需要添加微量C r、Mo、Cu等合金元素，以获得珠光体基体为主的高强度适合于壳体的使用性能。为了生产高强度、高品质的铸铁汽车基础件，在铸造时采用中频感应电炉成为必然。本文在使用中频感应电炉熔制汽车变速器壳体铸件用高强度铸铁的实践中对炉前质量控制进行一些探索。

1. 高强度合金灰铸铁成分的设计

变速器壳体材质为HT250，硬度＜200HBW，要求易切削加工，进行油压试验不渗漏，在铸铁中添加微量多元合金成分，选择合理的工艺参数，使铸件获得理想的金相组织和力学性能。要保证力学性能，就必须控制好基体组织和石墨形态。

高强度低合金化孕育铸铁的成分设计，首先要考虑铁液碳当量与冷却速度的影响作用。碳当量过高，铸件厚壁处冷却速度缓慢，铸件厚壁处易产生晶粒粗大、组织疏松，油压试验易产生渗漏；若碳当量过低，铸件薄壁处易形成硬点或局部硬区，导致可加工性变差。将碳当量控制在3.95%～4.05%，既可保证材质的力学性能，又接近共晶点，其铁液的凝固温度范围较窄，为铁液实现“低温”浇注创造了条件；而且有利于消除铸件的气孔、缩孔缺陷。

其次，要考虑合金元素的作用，铬、铜元素在共晶转变中，铬阻碍石墨化，促成碳化物、促进白口；而铜则有促进石墨化作用，减少断面白口。两元素相互作用在一定程度上得到中和，避免在共晶转变中产生渗碳体而导致铸件薄壁处形成白口或硬度提高；而在共析转变中，铬和铜都可以起到稳定和细化珠光体的复合作用，但各自的作用又不尽相同。以恰当比例配合，能更好地发挥两者各自的作用。在含wCr＝0.2%灰铸铁中加入wCu＜2.0%，铜不仅促进珠光体转变，提高并稳定珠光体量和细化珠光体，促进A型石墨产生和均化石墨形态，还能提高wCr＞0.2%灰铸铁的流动性，这尤其对薄壁壳体类铸件有利。复合加入铬、铜可使铸件致密性进一步提高，因此对于要求抗渗漏的铸件，加入适量的铬、铜、有利于改善材质本身的致密性，提高其抗渗漏能力。

珠光体是高强度灰铸铁生产中希望获得的组织，因为只有以珠光体为基体的铸铁强度高、耐磨性好。锡能有效增加基体组织中珠光体含量，并促进和稳定珠光体形成，我们生产实践中控制wSn＝0.07%～0.09%。

2. 严把原辅料质量关

入厂原辅材料需进行取样分析，做到心中有数，不合格的原辅材料绝不投入使用。要保证高质量的原铁液，必须选用高碳、低磷、低硫、低干扰（生铁供应商要有微量元素分析报告单）元素的生铁；选用纯净的中碳钢，对其所含成分Cr、Mo、Sn、V、Ti、Ni、Cu等微量元素以化验结果决定取舍，对能稳定珠光体的废钢成分优先选用。生铁和废钢必须经过除锈处理后方允许使用，附着油污的要经250℃烘烤。

对铁合金、孕育剂同样采用定点采购，力求成分稳定，块度（粒度）合格，分类堆放，避免受潮。这样的要求避免了铸铁炉料“遗传性”带来的缺陷。

使用前的准确计量是熔炼合格铁液的质量保证。特别指出，对于感应电炉熔炼、严禁炉料中混有密封器皿和易爆物。

（1）坚持把理论配料（配料计算）和实践经验相结合。无论采取试算法还是图解法，理论上计算的配料数据，不能确定为最终配比，还要掌握中频炉熔化过程中元素的变化规律。如果炉衬属酸性材料，铁液温度＞1500℃，在Si的加入量上只能取下限，而碳必须取上限。

（2）掌握各种入炉金属材料的化学成分和各元素烧损与还原规律。对回炉铁（浇冒口、报废铸件）的分类堆放、编号记载，提出成分明确的严格要求。炉内还原的元素在配料时减去，炉内烧损的元素配料时补上。

（3）合金元素以一次性配入为原则，除Si以外其他配料时取中限，合金（Mo、Cr、Cu、Sn等）可在熔清扒渣后加入，在酸性炉中烧损极少。C、Si在扒渣及孕育时还可以补充。就感应炉熔炼而言，遵循先增碳后加硅的原则。

（4）对P、S含量的控制，P、S量主要来源于新生铁，可以通过选择炉料将P、S量控制在要求范围内，所以必须要使新生铁的wP＜0.06%，wS＜0.04%，这样在配料计算时P、S量就可以不予考虑（因铸件的技术要求：wP≤0.06%，wS≤0.04%）。

（5）凡入炉的所有金属材料均严格按照要求准确计量。

3. 中频电炉熔炼的控制

要根据中频电炉的冶金特性编制合理的熔炼工艺，从装料、温度控制，在各不同温度下加入合金、增碳剂、造渣剂，以及出铁温度各个环节严格控制，力求用最短的熔炼时间、最小的合金烧损与氧化，达到控制和稳定金相组织，提高铸件质量的目的。

在生产实践中，我们将整个熔炼全过程分为三期温度进行控制。这里所谓的三期温度是指熔清温度、扒渣温度和出铁温度。

熔清温度：即取样温度以前的熔化期，决定着合金元素的吸收与化学成分的平衡，因此要避免高温熔化加料，避免搭棚“结壳”。否则铁液处于沸腾或高温状态，碳元素烧损加剧，硅元素不断在还原，铁液氧化加剧，杂质增加，按工艺要求熔化温度控制在1365℃以下，取样温度控制在（1420±10）℃。取样温度低时存在铁合金未熔化完，取的试样化学成分势必无代表性。取样温度过高时，合金烧损或还原，还会影响到精炼期的成分调整。取样后应控制中频炉功率。在炉前分析仪对化学成分显示出结果后恰好进入到扒渣温度。

扒渣温度：扒渣温度是决定铁液质量的重要环节，因为它与成分稳定、孕育处理的效果密切相关，并直接影响到出铁温度的控制。扒渣温度过高会加剧铁液石墨晶核烧损和硅的还原，特别对酸性炉衬，理论上铁液含硅偏高后将产生排碳作用，影响按温度系结晶，存在着产生反白口的倾向；若温度过低，铁液长时间被裸露，碳、硅烧损严重。再次调整成分时，不仅延长熔炼时间使铁液过热，而且易使成分失控，增大铁液的过冷度，使正常结晶受到破坏。

出铁温度：为保证浇注和孕育的最佳温度，一般控制在1520～1550℃。出铁温度高或低都会对铸铁的结晶和孕育效果带来影响。如果温度过高（超过工艺规定温度30℃以上），尽管炉前快速分析C、Si也适中，但试浇三角试块白口深度会过大或中心部位显现麻口。出现此种情况即使采取措施向炉内补加碳增大孕育量，笔者的实践经验是效果欠佳，且需在调低中频功率后，进行炉内降温处理，即向炉内加入铁液总量10%～15%经过烘烤的新生铁，这样试块断口心部麻口就转为灰口，顶尖的白口深度变小。若持续高温时间较长，采取如上方法后，仍需履行炉内补碳措施。出铁温度按浇注温度控制，壳体类铸铁件合适的浇注温度为（1440±20）℃，能够实现“高温出铁，适温浇注”，严格掌握和控制住当然最好。因为出铁温度低将导致浇注温度低于1380℃，既不利于脱硫、除气，还特别影响孕育处理效果。随着温度的降低，冷隔、轮廓不清晰等问题明显增加。

4. 铁液的孕育处理

对生产变速器壳体用HT250进行孕育处理，赖以提高材质的耐磨性，使铸件的组织和性能得以明显改善，显著提高各断面上的硬度值，而且要在稳定厚断面上的珠光体量方面有相同作用，还可改善其壁厚的敏感性和铸件在机械加工时良好的可加工性，尤其是对防止壳体铸件的疏松、渗漏有特殊作用。

孕育剂的加入量依生产壳体铸件的壁厚、化学成分和浇注温度等因素确定，以壁厚处不出现疏松、渗漏，壁薄处不出现硬区为原则。生产实践表明，Sr、Ba、Ca、Si-Fe孕育剂是提高灰铸铁强度最为理想的孕育剂，此种孕育剂发挥钡（Ba）的抗衰退能力及提高A型石墨占有率，锶（Sr）的特强消除白口能力，钙（Ca）和硅（Si）所起的辅助孕育和渗透作用。这种组合的孕育剂，是生产高强度铸铁孕育处理中较为理想的选择。

孕育次数与孕育效果的关系，随孕育次数增加，铸铁内部石墨分布均匀程度改善，A型石墨占有率和石墨长度区别较大，经两次以上孕育的A型石墨占有率高，分布均匀，长度适中。更重要的是多次孕育促使非自发晶核数量增多，强化了基体，从而提高并稳定了铸铁的强度。

经随流复合孕育处理，并以漏斗式孕育包用钡硅铁+75硅铁孕育后，避免铁液随流孕育滞后于浇注是控制孕育效果的关键。孕育处理后的铁液应在限定时间内浇注完毕，一般不超过8min，包内二次孕育3～5mi n孕育效果最佳。硅钡孕育剂可消除HT250的白口，改善其石墨形状、分布，消除E、D型过冷石墨。因为E型石墨和铁素体组织，将使材质致密性降低，严重恶化抗渗漏性能。