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高牌号灰铸铁一般是指HT250以上的灰铸铁。在生产过程中,大体可分为以下形式:一种是孕育铸铁;另一种是合金铸铁(这里主要介绍稀土灰铸铁)。下面就此两种高牌号灰铸铁浅谈一下自己的看法和认识。

一、孕育铸铁

在灰铸铁中,石墨是以片状形式存在的,片状石墨的存在,严重地破坏了铁基体的性能。为了提高机械性能,就必须减少石墨片的数量。孕育铸铁实质上就是通过减少石墨片数量并加入适量的孕育剂使共晶团细化的方法来获得较高的力学性能。

灰铸铁中,主要元素为C、Si、Mn、S、P。其中C、Si、P是促进石墨化元素,而Mn、S为阻碍石墨化元素。为了减少石墨片的数量,就必须降低C、Si、P的含量,同时提高Mn、S的含量,故其碳当量CE=C+1/3(Si+P)一般来说都较低,都属于亚

共晶铸铁Sc<1,但是由于碳在铸铁中以两种形式存在,一种是游离态的石墨;另一种是化合态的渗碳体,如果碳当量过低,那么铸铁在冷却过程中碳就会全部形成渗碳体,而使铸铁成为白口铸铁,力学性能不佳。所以在生产孕育铸铁过程中,首先要进行化学成分分析,来选择合适的碳当量,使碳元素在凝固过程中除形成渗碳体外,还要有少量石墨存在,以便使铸铁的内部组织出现珠光体,而获得高的力学性能。

在实际生产孕育铸铁时,由于在原铁液中还要加入硅基孕育剂,故在选择原铁水成分时一般是选择其碳当量CE在白口区或麻口区边缘的附近,这就要视所生产的孕育铸铁的牌号而定,然后稍加入孕育剂就会使灰口铸铁基体呈现细致的珠光体。

对于Mn和S元素,它们都是有利于形成珠光体的元素,在铁液中Mn和S元素还会发生反应,生成MnS渣滓,故在生产孕育铸铁时,还需要增加Mn元素的含量。而对于S元素,就要视铸件的实际结构状况,在铸件不产生裂纹的情况下,可以放宽对其的控制范围,某些情况下,甚至于是人为提高其含量。

至于孕育剂的加入方式,一种是在出铁时加入,还有在浇注过程中随流孕育或型内孕育,这就要视具体情况灵活掌握。由于孕育方式的不同,孕育剂的加入量也会有所变化。

孕育过程是对原铁水短时间的一种作用,故对铁水的浇注时间必须加以限制,如果浇注时间过长就会失去孕育效果,使铸件的力学性能降低。

二、稀土合金铸铁

在生产孕育铸铁时,需配入大量的废钢,如果利用冲天炉进行熔炼有时可能会有困难,况且由于铸造业的发展,废钢供不应求,有时会直接影响生产。为此我们必须考虑一种新的生产方案,在不用或少用废钢的情况下生产高牌号灰口铸铁,那么这种工艺就是利用稀土合金进行对高牌号灰口铸铁的熔炼。首先我们来了解一下稀土合金的作用:

(1)稀土元素是强脱硫剂。

(2)残留在铁水中的稀土元素会使灰口铸铁的石墨形态发生明显改变。

(3)稀土能使铸铁结晶过冷度加大,妨碍凝固过程石墨化,增加白口倾向。

孕育铸铁碳当量较低,均属于亚共晶铸铁,而稀土灰铁则不然,其属于是共晶或过共晶铸铁。因为在亚共晶铸铁中加入稀土元素,凝固时共晶石墨要在奥氏体枝晶间析出,由于稀土对铸铁结晶时的过冷作用大,这种枝晶间石墨常以过冷石墨析出,故机械性能恶化。而对于共晶或过共晶铸铁情况就有所不同,稀土元素在加入后会使铸铁组织发生明显的变化。在加入少量稀土合金时,石墨仍为片状,只不过分布稍均匀而已,继续增加稀土合金达到一定数值时,石墨形状会发生急剧的变化。变成短而粗的蠕虫状,并有少量球团状石墨,继续增加稀土元素,则蠕虫状石墨比例将会减少,而球团状石墨逐渐增多。达到一定程度时,则由于它的过冷作用强,在基体中会出现部分莱氏体组织,这种组织上的变化必然引起机械性能的变化。如果在此基础上增加稀土量,则基体中莱氏体量就会增多,机械性能将有所下降。

综上所述,要想利用稀土元素熔炼高牌号灰口铸铁,其所必备的两个条件是:

其一,原铁液必须是共晶或过共晶成分,其碳当量CE=4.3%-4.8%。

其二,用稀土合金处理后的铁水中,必须残留一定量的稀土元素,经多次测定,残留Re=0.06%-0.1%。

因为稀土是强脱硫剂,故加入稀土合金处理后的铁水一般含S量都比较低,大约在0.01%-0.02%左右。

此外在熔炼稀土灰铁时,为了增加基体中珠光体的含量,通常还需要配以一定数量的Mn,Mn一般取在0.5%-1.5%之间。

实际生产中,为了确保稀土灰铁的质量,必须要对处理后的铁水进行炉前取样检验,通常采用三角试块。试样断口以顶部及两侧有轻微缩凹,断口呈银灰色,组织致密,中心有轻微缩松并且试样尖端有一定白口宽度者为最佳。如果三角试块顶部及两侧有较大缩凹,中心缩松明显,断口呈银灰色,白口宽度亦很大,则说明稀土合金加入过量,应降低其加入量,同时要强化孕育;反之,则说明稀土合金加入量不足,应适当加大稀土合金加入量,以便使断口的白口宽度达到一定的数值。

经过多次试验,利用稀土合金熔炼高牌号灰口铸铁是完全可行的,其抗拉强度一般均≥350MPa。

以上是生产高牌号灰口铸铁的两种方法,当然还有其他熔炼高牌号灰口铸铁的方法,如加入一定量的Cu、Ni、Cr等合金元素对铸铁实施合金化。不管怎样,我们只有在工作中不断探索,不断认识新事物,才能提高我们的专业知识水平,更好地为生产服务。

 

 如何减小高强度铸铁的收缩倾向

 高强度与收缩一直是一对矛盾,生产高强度的铸件,收缩倾向大,收缩问题如果不能很好解决,应付产生大量的收缩废品缺陷。解决材料的收缩问题,总的原则是要有较高的碳硅当量。高碳硅当量加合金化的工艺比低碳硅当量少加合金的工艺收缩倾向小,因此,应当在选择高碳硅量前提下,开发提高性能的新技术。

减少收缩具体的措施可以从以下方面考虑:

⑴促进石墨化的工艺措施是减少铁液收缩的最好措施。

电炉熔炼:增碳技术的应用是解决铁液收缩的关键技术。由于铁液凝固过程中的石墨析出产生石墨化膨胀作用,良好的石墨化会减少铁液的收缩倾向,因此,增碳技术是最好的工艺。

由于加入增碳剂提高了铁液的石墨化能力,因此,采用全废钢熔炼加增碳剂的工艺,铁液的收缩倾向反而更小。这是非常重要的一个观念转变,传统的观念是认为多加废钢会增大铁液的收缩倾向,这样我们就容易走入一个误区,不愿意多用废钢,而喜欢多用一些生铁。

多用生铁的缺点是:生铁中有许多粗大的过共晶石墨,这种粗大的石墨具有遗传性,如果低温熔炼,粗大的石墨难以消除,粗大的石墨从液态遗传到了固态,使凝固过程中本来由于石墨析出应该产生的膨胀作用削弱,因此使铁液凝固过程中的收缩倾向增大,粗大的石墨又必然降低了材料的性能。因此,与用废钢增碳工艺相比,大量用生铁的缺点就是:

①强度性能低。

同样成分做过对比试验,性能低半个排号。

②收缩倾向大。

同样条件下,比废钢增碳工艺收缩大。

对于电炉熔炼,增碳技术的核心是使用高品质的增碳剂。采用废钢增碳工艺,增碳剂就成为增碳工艺中最重要的环节。增碳剂质量的好坏决定了铁液质量的好坏,增碳工艺能否获得好的石墨化效果,减少铁液收缩,主要取决于增碳剂:

① 增碳剂一定要选用经过高温石墨化处理的增碳剂。。

只有经过高温石墨化处理,碳原子才能从原来的无序排列变成片状排列,片状石墨才能成为石墨形核的最好核心,促进石墨化。

②好的增碳剂含硫都非常低,w(S)小于0.03%是一个重要的指标。

对于冲天炉熔炼:高温熔炼是最关键的技术指标,高温熔炼可以有效消除生铁粗大石墨的遗传性。高温熔炼可以提高渗碳率,减少配料中的生铁加入量。以渗碳方式获得的碳活性好,要比多加生铁带来的碳有更好的石墨化作用,反映在铸件上,就是石墨的形态更好,分布更均匀。石墨的形态好,就会提高材料的性能,包括切削性能,而 石墨化效果好,就能减少铁液的收缩倾向。

⑵提高原铁液的硅量,控制孕育量。

灰铸铁中的硅一部分是原铁液中的硅,一部分是孕育带入的硅。

许多人喜欢原铁液中的硅低点,然后用很大的孕育量孕育,这种做法并不科学:大量的孕育是不可取的,这会增大收缩倾向。孕育是为了增加结晶核心的数量,促进石墨化,少量的孕育(0.2%~0.4%)就可以达到这个目的。从工艺控制来说,孕育量应该相应稳定,不能有过大的变化。这就要求原铁液的硅量也要相应稳定。提高原铁液的硅量,既可以减少白口和收缩倾向,又能发挥硅固溶强化基体的作用,性能反而不降低。目前比较科学的做法是提高灰铸铁原铁液的含硅量,孕育量控制在0.3%左右,这样可以发挥硅的固溶强化作用,对提高强度有利,也对减少铸件收缩有利 。

⑶合金化的方法对铁液收缩有很大影响。

合金化能有效提高铸铁的性能,我们常用的合金元素是铬、钼、铜、锡、镍。

铬:铬能有效地提高灰铸铁的性能,随着加入量的增加,性能会一直提高。铬的白口倾向比较大,这是大家最顾忌的问题。加入量太大,会出现碳化物。至于铬量的上限如何控制,不同的加铬工艺,上限有所不同,如果铬加入到原铁液中,其上限不要超过0.35%,提高原铁液中的铬量会使铁液白口倾向和收缩倾向加大,非常有害。

另一种加铬的工艺不是提高 原铁液铬是,而是将铬加入到铁液包中,用冲入法冲入,这种工艺会大大减少铁液的白口和收缩倾向,同前一种工艺相比,同样的铬量,白口和收缩倾向会减少一半以上,这种加铬方式,铬的上限可以控制到0.45%。

钼:钼的特性与铬非常相似,不再作具体描述。由于钼的价格昂贵,加钼会大幅度增加成本。因此,应尽可能少加钼,多加一些铬。

用冲入法加铬、加钼是减少合金化收缩的有效措施。

⑷铁液浇注温度对收缩的影响。

温度高铁液收缩倾向大,这是大家都有的经验。要控制浇注温度在合理的范围内是非常重要的,浇注温度如果高于工艺规定的合理的温度20~30℃,收缩倾向就会大幅增加。生产中要注意这样一种现象,没有自动保温功能的电炉,可能会使铁液温度升高,第一包铁液的浇注温度会低一些,随后温度会越来越高,如果不加以控制,就有可能产生收缩废品。生产中第一包铁液要烫包,烫好的包再用,而且第一包铁液浇注温度要控制在下限,不要在上限,防止温度不断升高。电炉熔炼控制好浇注温度,是防止铸件产生收缩废品的关键措施。

⑸铁液氧化倾向不容忽略:氧化大、收缩大。

铁液氧化倾向大是非常有害的,也会增大收缩倾向。为了降低铁液氧化,冲天炉熔炼就要实现快速熔炼。现在国外的先进电炉熔炼技术可以做到加入的铁料在几分钟内快速熔化,大大缩短了铁料在高温氧化阶段的时间,氧化倾向大幅降低,同时由于电炉增碳技术的应用,使铁液的氧化进一步降低,所以电炉熔炼也可以生产出低氧化、低收缩的铁液。只要严格控制好浇注温度,用电炉熔炼生产复杂的缸体、缸盖铸件也很有优势。

HT250及高牌号灰铸铁的生产技术

随着柴油机功率的增大,对灰铸铁缸体、缸盖材料的性能要求也不断提高,从HT250的牌号,提高到HT300,甚至达到HT350,以满足大功率的需要。这给生产带来了相当大的难度。常规的提高材料性能的一些工艺措施会增大铸铁的收缩倾向,产生过高的废品率。

蠕墨铸铁是大功率柴油机缸体、缸盖材料的发展方向,但蠕墨铸铁的切削性能差,同灰铸铁相比相差2~3倍,这是制约蠕墨铸铁应用的很关键的问题。另外,如何保证铸件不同壁厚都能有很好的蠕化率,这方面还没有完全过关,仍需研究。

HT300灰铸铁缸体我们已经可以稳定生产,对HT350及更高牌号灰铸铁的生产技术,我们也正在进行开发研究,采取的措施是在保持高碳硅量的基础上,采用变质处理技术,不增加合金用量,但可以获得非常高的强度,铁液的收缩倾向仍然很小。

具体做法是:原工艺碳硅当量(CE)约为4.0%,合金含量(wB)为0.2%Cr,0.3%Mo,0.5%Cu,0.04%Sn,试棒性能可以达到HT350。

由于钼成本太高,我们开发了新的变质处理技术,用GF3580变质剂进行处理,在不加钼铁的情况下,试棒性能超过加钼,最高的性能达到了HT400以上。同时考察了铁液的白口和收缩倾向,由于碳硅量较高,而合金量并没有增加,所以铁液白口和收缩倾向不大,这就很好地解决了强度和收缩的矛盾。

该技术目前正在进行批量生产验证试验,许多方面需要进行考核,还不能说是成熟的技术。但从现有的技术指标来看,灰铸铁在不增加铁液收缩倾向的前提下,提高性能仍然有很大的潜力,当HT350及更高牌号灰铸铁生产技术可以生产复杂缸体、缸盖时,铸铁的生产技术将会产生重大飞跃。

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