蠕墨铸铁中频感应熔炼工艺控制

2018-04-26李兆军杨承雁贾志明

金属加工(热加工) 2018年4期

■ 桑伟，李兆军，杨承雁，贾志明

蠕墨铸铁兼有灰铸铁和球墨铸铁的优良性能，其抗拉强度和屈服强度高于优质灰铸铁而低于球墨铸铁，热传导性、耐热疲劳性、可加工性及减振性又接近一般灰铸铁，疲劳极限和冲击韧度虽低于球墨铸铁，但明显优于灰铸铁。目前蠕墨铸铁已广泛应用于液压件、缸盖、排气管、机床床身及钢锭模等。蠕墨铸铁的生产工艺与球墨铸铁相似，但工艺控制要求更为严格，易出现过处理和处理不足的情况，为确保生产稳定，应合理选择蠕化剂及蠕化处理工艺，并严格控制各工艺因素的稳定。

1. 熔炼配料和化学成分控制

（1）配料我公司中频感应熔炼蠕墨铸铁气缸盖采用配料比例如表1所示，为严格控制干扰元素含量，生铁采用济南Z14#优质生铁和本溪Q10优质生铁，

（2）原铁液化学成分要求蠕墨铸铁对原铁液化学成分的要求与球墨铸铁相似，关键在高碳、低硫。

碳、硅：碳当量要求要高，一般应大于4.0%，接近共晶成分，但最好不要超过共晶成分，终碳量一般为3.5%～3.7%（质量分数），原铁液含碳量一般为3.7%～3.9%。硅对基体影响十分显著，可促进铁素体基体的形成，随着含硅量的增加，蠕墨铸铁中铁素体量也增加，甚至可获得完全铁素体基体的蠕墨铸铁。为获得珠光体基体的蠕墨铸铁，仅靠降低硅含量仍不足以防止在蠕墨四周析出铁素体，而且硅含量过低，会产生白口，蠕墨铸铁终硅量一般为2.2%～2.8%（质量分数），考虑到蠕化处理过程带入的硅，原铁液应选择较低的含硅量，我公司控制在1.6%～1.7%。

锰、磷：锰和磷在常规含量内对石墨蠕化无显著影响，一般wMn在0.3%～0.8%，wP＜0.08%。高牌号珠光体基体型蠕墨铸铁锰含量偏上限，低牌号铁素体基体型蠕墨铸铁锰含量偏下限，我公司生产RuT300牌号选取wMn在0.3%。

硫：硫是蠕墨铸铁中的有害元素，含硫量越多，消耗的蠕化剂量就越多，形成的硫化物夹渣也越多，既不经济，又危害材质，并加速蠕化衰退，原铁液wS最好＜0.03%。需要指出的是，蠕墨铸铁生产中最重要的是控制原铁液的含硫量要低且保持相对稳定，以保证稳定地获得蠕墨铸铁。

表1 气缸盖配料（%）

2. 蠕化及孕育处理

（1）蠕化剂、孕育剂为获得合格的蠕墨铸铁件，必须根据生产条件和铸件特征来选定蠕化剂。蠕化剂按化学成分不同，分为镁系、稀土系和钙系蠕化剂。为解决纯镁做蠕化剂时蠕化范围较窄的问题，镁系球化剂中都加入钛和微量稀土，使其成为处理范围较宽、白口倾向较小并在铁液中能够自沸腾无需搅拌的蠕化剂。稀土系蠕化剂以稀土为主，有较强的蠕化能力，其中再添加适量镁蠕化时起爆，即可成为有搅拌作用且白口倾向较小、蠕化效果稳定的蠕化剂。钙系蠕化剂蠕化能力较弱，且不能自沸腾，国内应用较少。

蠕化处理后的铁液，仍需进行孕育处理，其目的是为了减小稀土镁引起的白口倾向，改善石墨形态和抑制铸件中形成莱氏体或自由渗碳体组织。为了改善组织，增加共晶团数，延缓蠕化衰退，还可以加入0.1%～0.2%的硅钙。我公司生产蠕墨铸铁缸盖使用的蠕化剂型号为WCV-5，（wRE约10%、wMg约5%），粒度15～30mm。孕育剂为0.6%的硅铁（FeSi75-B）和0.2%的硅钙（Ca24Si60或Ca28Si60），粒度均为8～15mm。

（2）蠕化剂的加入量稀土和镁加入铁液后，首先起脱硫净化作用，用于脱硫所消耗的稀土量为：w轻稀土硫=3（wS原－wS残）。

脱硫消耗的镁量为：wMg硫=0.76（wS原－wS残）

根据相关资料，稀土和镁处理后稳定蠕墨区的成分为：wMg残＝0.013%～0.022%，wRE残＝0.021%～0.045%。

据此可以计算出稀土和镁的临界加入量：

wRE临=k（wRE硫＋wRE残）

wMg临=k（wMg硫＋wMg残）

其中，k为稀土、镁加入量的增大系数，其值视稀土、镁的烧损、粒度、吸收程度等不同来取值，通常选取1.3～1.5。根据wRE临、wMg临和蠕化剂中稀土镁的含量可以计算出需加入蠕化剂的量，我公司生产车间使用WCV-5型蠕化剂，加入量为0.5%。

（3）蠕化、孕育处理方法蠕墨铸铁生产工艺与球墨铸铁相似，但工艺控制要求更为严格，蠕化剂加入量过多，则蠕化过度，易出现过多球状石墨；若蠕化剂加入量过少，则蠕化不够，易产生片状石墨。对于有自沸腾能力的蠕化剂，一般采用堤坝式包底冲入法。把蠕化剂倒入堤坝后，用工具将蠕化剂弄平整，在其表面覆盖0.2%的硅铁小颗粒（粒度约5mm），适当捣实。原铁液倒包时，温度应在1430～1480℃，铁液要冲击不放蠕化剂的一侧包底，倒包速度要快，使原铁液迅速覆盖蠕化剂，但决不能冲击蠕化剂。当倒包铁液流出约4/5时，一边将孕育剂撒入蠕化处理包内蠕化反应的一侧，一边将剩下的1/5铁液继续倒包。倒包后，迅速将蠕化包吊入前炉坑，充分搅拌表面的孕育剂，然后撒入除渣覆盖剂，迅速扒净铁液表面的渣子，最后覆盖草木灰或铁液覆盖剂进行浇注。

3. 炉前检验

铁液蠕化处理后经充分搅拌，在表面200mm以下取样，浇注砂型三角试块和光谱仪试块，待试片冷却至约600℃呈暗红色时，从砂型内取出进行水冷，冷却敲断以备观察试样状况。

（1）断口呈银白色，有均匀分布的小黑点，试样两侧轻微凹陷，悬空敲击试样，声音清脆，则合格。

（2）声音清脆，断口白亮，两侧有中等程度缩凹，则为孕育不足，应补加孕育剂。

（3）试块声音闷哑，断口呈暗灰色，两侧无缩凹，则蠕化不够，应补加蠕化剂。

（4）试块声音清脆，断口银灰色，两侧缩凹严重，则为蠕化过度，应补加铁液。

4. 浇注

蠕化处理后的铁液应及时进行浇注，否则易出现蠕化衰退现象。浇注时间超过8min时应取三角试块复检，若发现蠕化衰退，如铁液较多、温度较高，可补加少量蠕化剂和孕育剂；如铁液较少、温度较低，则须停止浇注。

5. 工艺控制要点

（1）选择适当的原材料为稳定生产蠕墨铸铁，应对各类原材料制订出相应的标准，按标准选用，严格按照配料单配料。原材料选用和配料的原则主要是遵循高碳、低硅、低磷、低硫。当要求铸态铁素体基体时，应选用含锰量及其他稳定珠光体元素尽量低的原材料。回炉料尽量采用同类蠕墨铸铁或者低牌号不含其他合金元素的球墨铸铁件，以防止带入其他危害干扰元素。特别需要注意的是，回炉料必须经过滚筒清理才能使用，否则过多粘砂可能导致原铁液硫含量超标。

（2）准确测定原铁液重量及化学成分定好蠕化剂的加入量之后，原铁液的重量就对蠕化效果起重要影响了，过多或过少都会影响处理效果，易导致蠕化不够或蠕化过度。确定原铁液化学成分特别是含硫量，是蠕化处理的关键影响因素之一，关系到蠕化剂的加入量，当含硫量超过控制标准时，应适当增加蠕化剂的加入量。

（3）蠕化剂、孕育剂准确称量蠕化剂、孕育剂的粒度需符合要求，且准确称量。

（4）严格控制蠕化处理温度温度控制是蠕化处理的另一关键因素，原铁液出炉温度一般控制在1500～1530℃，处理温度控制在1460～1490℃，避免温度过低引起夹渣、不能蠕化，或温度过高使稀土镁烧损过多，导致蠕化效果差，甚至成为灰铸铁。

（5）严格执行炉前检验不合格的铁液必须及时采取措施，或补加蠕化剂和孕育剂，或补加铁液，补加后必须进行充分搅拌、扒渣，再重新取样检验，直至合格。

6. 生产情况

我公司在实际生产中，用2t/h中频感应电炉熔炼，严格按表1中第Ⅱ组配料进行入炉熔炼，原铁液升温至1520～1530℃时浇注光谱仪试块，测定化学成分，使用1.5t包底带堤坝蠕化包，包底埋入0.5%的WCV-5型蠕化剂，采用包底冲入法，蠕化处理温度控制在1470～1480℃，孕育剂按0.6%的硅铁和0.2%的硅钙加入，进行炉前三角试块检验，检验合格后在8min内浇注完毕4件缸盖，并浇注检验用Y形试块。铸件化学成分稳定，随机连续5炉取样化验，原铁液化学成分如表2所示，蠕化处理后化学成分如表3所示。用金相显微镜检测铸件组织，Y形试块加工φ14mm试样检验力学性能，结果如表4所示。