高强度易切削灰铸铁的熔炼控制

2015-04-23袁东洲连炜陈金标徐锦锋魏兵

金属加工(热加工) 2015年23期

■ 袁东洲，连炜，陈金标，徐锦锋，魏兵

采用传统的降低铸铁化学成分中的碳、硅含量，提高锰含量控制方法生产高强度灰铸铁，铸件的力学性能不稳定。在生产中将碳、硅含量不断降低，把锰含量不断提高，用这种方法会带来诸多问题，比如：白口倾向增大，工艺性能变差，铸件断面敏感性高，以及铸件容易产生微裂纹等，尤其是进入下道工序进行机加工时，可加工性差。随着出口件产量的日益扩大，高强度易切削性能更加凸显，现有技术已无法满足客商对铸件内在品质的技术和质量要求。本文在中频感应电炉熔炼条件下，针对出口液压件加工性不良问题，探索高强度易切削灰铸铁的熔炼技术。

一、技术要求及生产条件

（1）技术要求液压件主要包括液压泵、增压器、气动和流体控制等零部件，出口量较大。材质牌号以HT300为主，还有HT250、HT200。铸件重量不大，但结构较为复杂，壁厚在18～35mm。力学性能要求用同包铁液浇注的单铸试块（φ27mm）来表征，抗拉强度在275～335MPa，硬度在185～236HBW，铸件本体硬度差小于35HBW。金相组织由体积分数≥95%的细片状珠光体、少量渗碳体和＜1%的磷共晶组成。石墨形态以A型为主，石墨长度为4～6级，允许存在少量的B型、C型石墨，且分布均匀。铸件外观要求表面粗糙度值低，不允许有夹渣、夹砂和微裂纹等缺陷。铸件机械加工后，全部铸件都做渗漏试验。

（2）生产条件使用国产自动造型线和半自动翻转浇注机进行批量生产，单件或小批量生产采用手工造型。有两台1t中频感应电炉熔炼铁液。炉前采用QL-BS4000型智能分析仪快速检测铁液中的碳、硅、硫元素含量，用快速热电偶测温枪在线检测铁液温度。原铁液经1520℃过热后出炉，出炉温度为1480～1500℃。采用随流孕育和包内孕育相结合的复合式孕育方式。用FeSi75和SiBa10合金进行炉前孕育处理。浇注前用湿砂型三角试块检查白口深度。用10t万能试验机检测灰铸铁的抗拉强度，用布氏硬度计测试灰铁的硬度，用光学显微镜进行微观组织分析。

（3）熔炼工艺及参数熔炼用原材料包括低碳优质废钢、铸造生铁及回炉铁（浇冒口和同类产品机加工的铁屑）。废钢是优质螺纹切头和钢板裁剪后边角料，无锈蚀，无油污；生铁为Z15铸造用生铁；回炉铁的浇冒口经滚筒清理，表面无粘砂，还有同类产品机加工后的铁屑。随流孕育用FeSi75，化学成分见表1，SiBa10孕育剂的化学成分见表2。其他中间合金有FeMn、FeMo65和纯铜等。

二、影响灰铸铁可加工性的因素

石墨形态及分布是决定灰铸铁强度和可加工性的关键。在化学成分和金相组织相同的条件下，进口件比国产件材质性能要高出1～2个牌号；进口件硬度高于国产件，而可加工性反而优于国产件。究其原因，主要与进口件碳当量高、石墨析出量多且分布均匀、组织均匀性好和夹杂物含量少及材质纯净度高有关。另外，组织中游离碳化物较少，通常小于1%。因此，在感应电炉熔炼条件下获取高碳当量、高冶金质量的铁液是保障灰铸铁综合性能的关键所在。

影响灰铸铁可加工性的因素主要包括炉料配比、化学成分、熔炼及孕育处理工艺、微观组织控制以及冷却速率等方面。消除内应力也能使可加工性得到改善。另外，实践证明，经过时效处理过的铸件具有良好的可加工性，尤其是经过长期存放的铸件，在内应力消除后，晶界的断屑效果明显改善，切削能效显著提高。当今机械加工的切削追求高速化，切削速度越来越快，而高速切削对断屑效果特别敏感。除石墨断屑作用外，晶界状态对高速切削也非常敏感，即晶界处的应力及微小颗粒数量都会影响到刀具的使用寿命。由此可知，在提高灰铁强度指标的前提下，合理地控制灰铸铁的微观组织是改善材质可加工性的关键所在。

三、影响铁液冶金质量的因素

1. 碳当量

决定灰铸铁力学性能的主要因素为石墨形态和基体类型。当碳当量较高时，石墨析出数量增加，铁素体化倾向较大，会大大降低灰铸铁的力学性能。为了改善高碳当量灰铸铁的强度，必须进行低合金化处理，这在一定程度上又会恶化材质的可加工性。因此，在材质控制方面，确定适宜的碳当量有利于提高和改善材质强度和可加工性。

在碳当量较低的情况下，随着Si/C比的增大，灰铸铁强度呈现出先增大后减小的趋势，强度峰值对应的Si/C在0.7～0.9。当Si/C比一定时，随着CE的增大，灰铸铁强度指标随之下降。在较高碳当量下，上述规律的实用性较弱。对高牌号灰铸铁而言，适宜的CE为3.75%～3.85%，Si/C值为0.57～0.67。

2. 炉料

炉料优劣是影响铁液质量的重要因素。生铁中的杂质和微量元素含量和组织缺陷都具有遗传性。例如，低硅生铁熔化后碳化物及其伴生的白口、缩松、裂纹等缺陷会遗传，因此灰铸铁炉料最好选用Z18以上牌号的铸造生铁。生铁中的微量元素构成遗传性的载体，高炉低氮生铁会产生粗大石墨，因此电炉熔炼时要注意使用增碳剂时的含氮量。据相关资料显示，微量的氮可以提高铸铁力学性能，但是过量的氮会产生气孔和微裂纹等缺陷。增加废钢加入量能降低铁液的含碳量，提高力学性能。只用废钢和回炉料，用增碳的方法调节碳量，称为合成铸铁。相同的化学成分，合成铸铁力学性能更好。要求使用的废钢应该严格挑选，因废钢成分很杂，易切削钢含铅元素，低碳镇静钢含铝元素，合金钢含合金元素，这些元素也会严重影响和恶化铁液的冶金质量。

3. 低合金化处理

合金化是强化基体，提高强度和刚度的有效方法。生产中通常加入Cu、Mo、Cr、Sn、Mn等元素，加入量一般在0.1%～1.0%，见表3。合金元素的使用效果与加入方式、加入量以及所用的孕育剂种类有关。直接将Cr加入到原铁液中，加入量最大为0.35%，否则就会产生碳化物，而且使铁液流动性变差。合金元素复合添加的作用要比单独使用效果好，有许多合金的配合使用是特别有效的，合金配合使用还能减少合金元素的加入总量，从而降低铸件的生产成本。

表1 FeSi75合金

表2 Si-Ba孕育剂的化学成分（质量分数） (%)

表3 常用合金元素及含量（质量分数） (%)

4. 孕育处理

（1）孕育剂的作用促进石墨化，降低白口倾向；降低断面敏感性；消除过冷石墨；增加共晶团数；改善力学性能。对于灰铸铁件，已有多种的孕育处理方法。选用合适的孕育处理方法非常重要，往往是决定产品质量的重要因素。企业应根据自身条件，通过试验选定最适合本企业特点的方法。处理方法一经确定，就应严格控制工艺过程，以保证铸件质量的稳定。

（2）孕育剂种类及孕育工艺的选择孕育剂种类众多，比较常用的有：SiFe75、RESiFe、BaCaSi/SrSi等微合金化孕育剂等。因此，应根据生产实际合理选择。在孕育工艺方面，高强度灰铸铁尽量采用随流孕育工艺，但要严格控制加入量。

（3）孕育剂用量的确定传统生产方式认为，严格控制原铁液的Si含量，通过大孕育量来获得高强度灰铸铁。但实践证明，在孕育处理上，加大孕育剂用量，一方面会使铸铁收缩倾向增大，同时增大夹渣倾向，因此宜将孕育剂用量控制在0.25%～0.4%。

FeSi75是最常采用的孕育剂，其中的铝、钙含量对孕育效果有一定的作用，不含铝、钙的硅铁对灰铸件的孕育作用小。一般认为在铁液中铝和钙会与氧、氮反应形成高熔点的化合物，成为石墨结晶的核心。加入孕育剂后铁液中可形成局部的富硅微区而有利于石墨析出。因此，采购孕育用硅铁时要考虑其中铝、钙的含量，铁液中的含铝量不能高，0.01%的铝就可能导致铸件产生皮下针状气孔。

出铁时用FeSi75进行孕育处理，孕育效果会很快地随时间的推移而衰退，孕育后5~7min，作用的衰退可在50%以上，约15min后，孕育作用将大部或全部消失。为确保铸件质量通常都要在孕育后10min内完成浇注，最好在铁液自浇包注入铸型时进行再次孕育。

实际生产中二次孕育处理选用FeBa10Si55孕育剂，其具有很强的促进石墨化的能力，可改善薄壁铸件中石墨的形态和分布状况，增加共晶团，促成A型石墨形成，且有减缓孕育衰退的作用，处理时的用量仅为FeSi75的一半。含钡硅铁孕育剂是一种长效孕育剂，它更适于薄壁灰铁件，可有效改善石墨形状及分布，消除其过冷石墨和使组织均匀。例如，在生产牌号为HT250铬钼铜铸铁件时，用含钡硅铁孕育剂可明显减小铸件的渗漏倾向。同样，钡硅铁孕育剂对液压件也非常适用，用0.1%的硅钡合金作孕育剂，能显著降低液压件的白口倾向，抑制游离渗碳体的产生，显著改善断面敏感性，使孕育效果延长30min左右，特别适用于有特殊技术要求的铸件。

（4）浇注方式采用人工倾转式浇包浇注时，可在包嘴上用定量漏斗进行随流孕育。生产线上可采用带料斗的微型螺旋给料器进行随流孕育。