薛留虎，田新社，袁東洲，高修啟，王鐵煉

（陽(yáng)城縣綠色鑄造研發(fā)中心，山西 晉城 048100）

國(guó)家發(fā)改委發(fā)布的新版《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄（2011年本）》自2011年6月1日起執(zhí)行。把直接利用高爐鐵液生產(chǎn)鑄鐵件的短流程熔化工藝與裝備、樹(shù)脂砂干法再生回用技術(shù)列入鼓勵(lì)類(lèi)項(xiàng)目。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)采用短流程熔化工藝大部分以生產(chǎn)鑄鐵管、磨球和配重件的普通鑄鐵件為主，生產(chǎn)高檔鑄件的企業(yè)為數(shù)不多。高爐+中頻爐雙聯(lián)短流程熔煉工藝具有明顯的節(jié)能、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益，已成為業(yè)界的共識(shí)。但與沖天爐、中頻爐和沖天爐+中頻爐雙聯(lián)熔煉又有差異，應(yīng)用在不同的產(chǎn)品生產(chǎn)中又有不同的難點(diǎn)，受一些技術(shù)問(wèn)題的制約，生產(chǎn)中存在的諸多問(wèn)題又限止短流程熔化工藝的廣泛推廣，我們?cè)诮Y(jié)合企業(yè)生產(chǎn)機(jī)床鑄件實(shí)踐中，針對(duì)機(jī)床灰鑄鐵件的機(jī)械性能技術(shù)指標(biāo)要求，結(jié)合當(dāng)?shù)馗郀t鐵液資源和高爐+中頻感應(yīng)電爐雙聯(lián)熔煉以及樹(shù)脂砂（實(shí)型）生產(chǎn)線條件，摸索出了幾點(diǎn)生產(chǎn)機(jī)床灰鑄鐵件的關(guān)鍵技術(shù)。

1 幾種熔化工藝特點(diǎn)

機(jī)床鑄件是最能體現(xiàn)灰鑄鐵材料性能的典型產(chǎn)品，也是最能體現(xiàn)鑄造工藝水平的領(lǐng)域。對(duì)機(jī)床灰鑄件而言，要做出好的產(chǎn)品，鐵液的質(zhì)量又是決定材料性能的最基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)?；诣T鐵基體和石墨形態(tài)決定材料性能等級(jí)。石墨越細(xì)小，越彌散，共晶團(tuán)越多，強(qiáng)度越高，彈性模量越高。硬度增加不多，切削性能好。沖天爐、中頻爐、沖天爐+中頻爐雙聯(lián)和高爐+中頻爐雙聯(lián)短流程所熔鐵液具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

1.1 沖天爐熔煉生鐵錠

沖天爐熔煉生鐵錠，爐缸高溫區(qū)的溫度大于1700℃，且鐵液以極細(xì)的液滴形式流過(guò)熾熱的底焦層，鐵液很容易被過(guò)熱，在這種條件下，原鐵液里的碳會(huì)發(fā)生部分熔解，焦炭中的碳也會(huì)向鐵液中滲透，鼓風(fēng)造碴對(duì)鐵液有冶金作用，微量元素通過(guò)沖天爐的冶金過(guò)程，一般不會(huì)再形成不利影響。衡量沖天爐熔煉水平，最關(guān)鍵的是爐溫，焦炭質(zhì)量又是爐溫的基礎(chǔ)。溫度越高，廢鋼加入量越多，滲碳率越高，氧化燒損越少，故沖天爐提高爐溫有利于鐵液質(zhì)量的提升和減少氧化燒損。

1.2 中頻爐熔煉生鐵錠

中頻爐熔煉生鐵錠，新生鐵所帶入碳不能成為石墨核心參與石墨化，原因在于中頻爐熔煉時(shí)溫度太低，時(shí)間太短，（1500℃，10min），生鐵錠中石墨未熔解，在凝固過(guò)程中被原封不動(dòng)的保留下來(lái)，同時(shí)電爐熔煉無(wú)冶金反應(yīng)條件，難以去除生鐵中的微量有害元素。這種生鐵錠的遺傳性，導(dǎo)致冷卻狀態(tài)曲線所反映的過(guò)冷度偏大。收縮傾向大，硬度偏高。

1.3 中頻爐熔煉全廢鋼（合成鑄鐵工藝）

全廢鋼（可以使用部分回爐料，新生鐵加入＜10%）配用經(jīng)過(guò)高溫石墨化處理的晶型石墨增碳劑，這種靠增碳劑所增的碳稱之為活性碳，這種高度彌散的碳是鐵液澆注凝固過(guò)程中的石墨核心，滲碳率越高，鐵液的形核能力越強(qiáng)，石墨的分布形態(tài)更細(xì)小均勻，更彌散且成幾何級(jí)數(shù)增加。這種高增碳率的鐵液與相同成分的經(jīng)沖天爐或沖天爐+中頻爐雙聯(lián)所熔煉的鐵液對(duì)比在相同的澆注參數(shù)下鐵液的白口傾向、收縮傾向、截面硬度差、石墨形態(tài)、力學(xué)性能要好，比用高純生鐵中頻爐煉出的鐵液也要好。

1.4 沖天爐+中頻爐雙聯(lián)熔煉生鐵錠

沖天爐+中頻爐雙聯(lián)熔煉生鐵錠，沖天爐成本低，熔化快，出渣方便，冶金反應(yīng)強(qiáng)烈，但影響因素多，調(diào)控反應(yīng)慢，鐵液質(zhì)量不易控制，而中頻電爐具有升溫保溫調(diào)質(zhì)的能力。二者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，中頻爐升溫有細(xì)化石墨作用，電磁攪拌有去除細(xì)小雜質(zhì)作用。沖天爐+中頻爐雙聯(lián)熔煉適合大批量鑄件生產(chǎn)廠采用。

1.5 中頻爐熔煉高爐鐵液

短流程源自煉鋼產(chǎn)業(yè)，指高爐鐵水直接熱裝煉鋼，鋼水連鑄直接熱軋成材。而用在鑄鐵的短流程，是指將高爐鐵水通過(guò)保溫鐵水車(chē)運(yùn)輸?shù)街蓄l感應(yīng)爐，再調(diào)整成分、升溫、精煉、變質(zhì)等處理后，變成合格的鐵水澆注鑄件。省去了面包生鐵二次重熔的生產(chǎn)成本。雖然說(shuō)短流程熔化工藝優(yōu)勢(shì)明顯，但也帶來(lái)了新的問(wèn)題，高爐鐵液里的碳處于過(guò)飽和狀態(tài)，當(dāng)凝固成生鐵錠時(shí)，游離石墨不斷析出形成粗大的石墨塊和多種化合物。當(dāng)生鐵錠再次熔化時(shí)，由于動(dòng)力學(xué)原因，這些粗大的石墨塊和化合物可能以短程和中程有序碳原子、碳化物、夾雜物的形式存在于鐵液中，在凝固過(guò)程中起異質(zhì)核心作用，即生鐵錠的組織遺傳性。而短流程熔煉時(shí)盡管高爐鐵液在運(yùn)輸過(guò)程中也有片狀石墨和碳化物析出，但其量遠(yuǎn)小于生鐵錠凝固過(guò)程中石墨相和碳化物相的析出量，有利于組織遺傳作用的減小使孕育前鐵水有序結(jié)構(gòu)尺寸和數(shù)量減少，鐵液的微觀均勻性更好，更趨于平衡狀態(tài)，因此短流程比常規(guī)鐵液表現(xiàn)出更大的過(guò)冷度，類(lèi)似于中頻爐提高過(guò)熱溫度和延長(zhǎng)保溫時(shí)間。同時(shí)大量使用高爐鐵液的短流程工藝與沖天爐及中頻電爐合成鑄鐵工藝比增碳率低（熔煉過(guò)程中新增的活性碳）。生鐵重熔鐵液含有較多的石墨核心，石墨化能力強(qiáng)，而高爐鐵液，異質(zhì)石墨核心少，易產(chǎn)生D型石墨。白口和收縮傾向大。這就是制約短流程熔化工藝廣泛推廣的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。若不采取對(duì)應(yīng)的有效措施，難以生產(chǎn)出高檔鑄件，綜合上述五種熔化工藝均有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。實(shí)踐證明：中頻爐熔煉全廢鋼（合成鑄鐵工藝）具有提供高質(zhì)量鐵水的突出優(yōu)點(diǎn)，在廢鋼資源富裕地區(qū)極具推廣價(jià)值。但在廢鋼資源少的煉鐵高鐵集中的地區(qū)，不能普遍實(shí)施，多數(shù)工廠，生鐵仍是主要的爐料，采用高爐+中頻爐雙聯(lián)短流程工藝，開(kāi)發(fā)各種高檔鑄件更具有現(xiàn)實(shí)意義。

2 短流程工藝生產(chǎn)機(jī)床灰鑄鐵件的幾點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)

針對(duì)高爐鐵液的特性，根據(jù)機(jī)床灰鑄鐵件標(biāo)準(zhǔn)要求，我們?cè)陉?yáng)城縣科發(fā)冶鑄有限公司和陽(yáng)城縣潤(rùn)強(qiáng)鑄造有限公司進(jìn)行了生產(chǎn)性試驗(yàn)研究，兩家公司均采用短流程樹(shù)脂砂工藝生產(chǎn)機(jī)床大鑄件[1]，參考國(guó)際國(guó)內(nèi)同類(lèi)企業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，考慮高爐鐵液與常規(guī)鐵液的本質(zhì)區(qū)別，對(duì)所生產(chǎn)的不同牌號(hào)機(jī)床鑄件的化學(xué)成分進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)優(yōu)化設(shè)計(jì)，見(jiàn)表1.

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)摸索總結(jié)，認(rèn)為用高爐+中頻爐雙聯(lián)短流程工藝生產(chǎn)機(jī)床灰鑄鐵件同其他幾種熔化工藝相比應(yīng)重點(diǎn)掌握以下幾點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 高爐鐵液及其他爐料材料的選擇

高爐鐵液的間斷性出鐵（一次/1.5 h～2 h）和中頻爐出鐵（1次/1 h～1.2 h）的匹配，鐵水的運(yùn)輸和等待過(guò)程中保溫措施：我們?cè)O(shè)計(jì)了3層結(jié)構(gòu)鐵水保溫包和高爐煤氣烤包專(zhuān)用包蓋，選擇蛭石作為鐵水液面保溫材料。

高爐鐵液的成分宜選擇Z18號(hào)以上生鐵，如用低硅煉鋼生鐵（Si＜1.5%）加硅鐵、錳鐵會(huì)因低硅麻口、白口生鐵給鑄件帶來(lái)白口、縮孔、縮松、裂紋等組織遺傳缺陷。高爐礦石改變時(shí)，高爐鐵液中有不同的微量元素，少則9種～10種，多則超過(guò)20種。化學(xué)成分不能只保證五元素（C、Si、Mn、P、S）在控制范圍，要警惕鐵液中的微量元素，要做光譜全元素分析，微量元素中的Pb、Te、As提高灰鑄鐵的過(guò)冷傾向，使組織中出現(xiàn)過(guò)冷石墨和異型石墨，降低抗拉強(qiáng)度，增加鑄件縮松和裂紋，降低切削加工性能。Ti主要來(lái)源于高爐鐵液，通常對(duì)切削加工性能和薄壁件滲漏有影響，一般鐵液中Te、As對(duì)高牌號(hào)灰鑄鐵不構(gòu)成威脅，鑄件 ω（Pb）＜0.002%）和 ω（Ti）＜0.04%，據(jù)此計(jì)算高爐鐵液中Pb、Ti限量。通常要求高爐鐵液 ω（Ti）＜0.08%，高牌號(hào)灰鐵的基體為珠光體，對(duì)微量的 Cr、V、Sn、Sb、Cu 和 B 等無(wú)需防范[2]，但需警惕超標(biāo)。

表1 不同牌號(hào)機(jī)床鑄件的化學(xué)成分及性能

廢鋼的作用是降C和淡化高爐鐵液不良遺傳影響，最好使用碳素廢鋼，慎用打包料。合金鋼廢鋼必須弄清成分，作為合金利用，可以降低成本。

增碳劑應(yīng)選用優(yōu)質(zhì)人造石墨，固定碳：ω（C）99.5%～99.8%，ω（S）＜0.03%（灰鐵可放寬要求），ω（N）＜0.003%，ω（O）＜0.004%，ω（H）＜2×10-4%。吸收率＞90%，用差的天然石墨、煅燒石油焦，吸收率低，電耗高，雜質(zhì)多，氣體多，石墨化程度低，得不償失。

增硫劑應(yīng)選用FeS，F(xiàn)eS熔點(diǎn)1193℃，能全部熔于鐵液，非常實(shí)用于增硫。密度在4.84g/cm3左右?；诣T鐵合適的含硫量為 0.07%～0.10%，ω（S）過(guò)低，孕育效果差，石墨形態(tài)不好，有白口傾向，切削加工性能也不佳。

凈化劑選用要考慮樹(shù)脂砂鑄造機(jī)床大件可能產(chǎn)生N氣孔問(wèn)題。應(yīng)使用固氮?jiǎng)┦谷劢釴轉(zhuǎn)化為化合N，從高效、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用諸方面考慮，用FeTi30（密度7g/cm3，熔點(diǎn)1480℃）作固氮?jiǎng)┳詈谩?/p>

清渣劑選用要考慮融熔溫度與鐵液溫度相適應(yīng)，一般為1100℃～1300℃，選用時(shí)要考核結(jié)晶水和膨脹倍數(shù)指標(biāo)。

2.2 短流程熔煉鐵液質(zhì)量過(guò)程控制

2.2.1 鐵液 CE、ω（Si）/ω（C）及五元素控制

具有共晶成分的鐵液，結(jié)晶范圍窄，易補(bǔ)縮，工藝性能好。生產(chǎn)中通常將鐵液控制在共晶點(diǎn)附近，短流程熔練也必須遵循這一普遍規(guī)律。灰鑄鐵C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在 2.6%～3.5%，低于 2.6%出現(xiàn)晶間石墨，高于3.5%出現(xiàn)粗片狀石墨。普通灰鑄鐵ω（Si）/ω（C）=0.4～0.6，ω（Si）＜2%。高 ω（Si）/ω（C），低應(yīng)力孕育鑄鐵Si＞2%。選擇CE的原則是：使碳硅成分位于組織圖中的麻口區(qū)內(nèi)或靠近白口區(qū)邊，孕育處理時(shí)只要加少量孕育劑就能進(jìn)入珠光體區(qū)。許多人喜歡把原鐵液的硅設(shè)計(jì)的過(guò)低，然后用很大的孕育劑量，這樣做不科學(xué)，會(huì)增大鑄件收縮，加 0.2%～0.4%硅完全可以達(dá)到目的，控制孕育硅加入0.3%左右最好。CE高，石墨片變粗，石墨數(shù)量變多，強(qiáng)度硬度下降。CE低，石墨細(xì)化，石墨數(shù)量變少，增加奧氏體枝晶數(shù)量，力學(xué)性能提高。但鑄造性能惡化，斷面敏感性增大，內(nèi)應(yīng)力增加，硬度增加，加工困難。研究機(jī)床灰鑄件材料發(fā)現(xiàn)：CE=3.8%時(shí)，ω（Si）/ω（C）從 0.5～0.9 變化時(shí)，當(dāng) ω（Si）/ω（C）=0.7 時(shí)，強(qiáng)度達(dá)到最大值，硬度呈下降趨勢(shì)，不孕育可以得到HT250高強(qiáng)度灰鑄鐵。當(dāng) CE＞4.0%時(shí)，ω（Si）/ω（C）無(wú)論怎樣調(diào)整，強(qiáng)度硬度反而下降。結(jié)論是高CE鑄鐵不能通過(guò)調(diào)整 ω（Si）/ω（C）來(lái)獲得高強(qiáng)度鑄鐵。過(guò)去的觀點(diǎn)認(rèn)為加Mn提高灰鑄鐵的強(qiáng)度和硬度，但事實(shí)上當(dāng)CE高，S也高時(shí)，加Mn后中和S，使S下降，石墨形態(tài)變差，MnS夾雜導(dǎo)致強(qiáng)度反而下降。CE=4.0%～4.1%時(shí)，ω（Si）/ω（C）=0.75～0.85 時(shí)，Mn 應(yīng)為0.5%～1.2%，當(dāng) Mn＞1.7%時(shí)，強(qiáng)度大大下降，Mn 太低也不行，會(huì)使鐵液氧化傾向增大，流動(dòng)性變差收縮傾向增加?；诣F中S與球鐵不同，不能過(guò)低，當(dāng)ω（S）＜0.05%和＞0.16%.時(shí)都會(huì)導(dǎo)致石墨惡化，使用任何孕育劑都不行。S 應(yīng)在 0.08%～0.12%理想范圍，當(dāng) ω（S）＜0.05%時(shí)一定要增S處理，否則，孕育效果差。為改善材料性能，必須控制好 ω（Mn）/ω（S）比值，在生產(chǎn)中我們模索出了合適的錳硫比。為改善孕育效果和石墨形態(tài)必須增S.適量的P可以改善鑄件的切削性能，增加鐵液的流動(dòng)性。但P磷過(guò)高會(huì)降低鑄鐵韌性和強(qiáng)度。有條件地方P以選擇＜0.15%為佳，對(duì)高磷生鐵地區(qū)生產(chǎn)低牌號(hào)鑄鐵可放寬至0.3%。據(jù)此我們?cè)O(shè)計(jì)了短流程熔練生產(chǎn)機(jī)床灰鑄鐵化學(xué)五元素成分如表1.經(jīng)反復(fù)生產(chǎn)驗(yàn)證合理。

2.2.2 微量元素控制

在CE、五元素和澆注條件相同的條件下，不同來(lái)源的礦石冶煉的高爐鐵液，生產(chǎn)中縮松廢品率波動(dòng)在1%～30%，經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，只把五元素調(diào)整在要求范圍，而眾多微量元素?zé)o法控制，呈多樣性和多變性。鑄鐵的共晶點(diǎn)不僅與C、Si有關(guān)，同時(shí)與鑄鐵中的所有元素有關(guān)。阻礙石墨化元素（Mn、Cr、V、Mo）使供晶點(diǎn)右移，CE降低。促進(jìn)石墨化元素（Si、S、P、Al、Sn、Cu、Ni）使供晶點(diǎn)左移，CE 提高。不明微量元素超限使共晶點(diǎn)偏移，將造成鑄件縮孔縮松缺陷。我們生產(chǎn)中注重鐵水凝固曲線的變化，結(jié)合光譜全元素分析，解決微量元素對(duì)共晶點(diǎn)的影響問(wèn)題。對(duì)來(lái)源于廢鋼中的Pb，工藝規(guī)定ω（Pb）＜0.002%，特別是針對(duì)樹(shù)脂砂機(jī)床厚大件鉛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞0.002%時(shí)可能產(chǎn)生魏氏石墨，使強(qiáng)度硬度嚴(yán)重降低，產(chǎn)品報(bào)廢。需進(jìn)行特殊變質(zhì)挽救處理。鐵液中適量的N，有助于石墨形核，穩(wěn)定珠光體，過(guò)量產(chǎn)生氮?dú)饪缀惋@微裂紋。N 控制在0.007%～0.012%。Ti來(lái)源于生鐵，高爐鐵液ω（Ti）＜0.08%。N與Ti合理匹配：ω（N）：ω（Ti）=1∶3.42，生產(chǎn)中：ω（N）=（0.006-0.01）+ω（Ti）/3.42，即 0.01%Ti可以吸收 0.003%的氮。Ti含量＜0.031%時(shí)，鐵液白口傾向較小，對(duì)刀具磨損影響不大，灰鑄件要求Ti的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.03%～0.04%以下為宜。灰鑄鐵件中 ω（Te）＜0.0035%時(shí)，對(duì)其力學(xué)性能影響不大，當(dāng) ω（Te）=0.0035%～0.01%時(shí)，灰鑄鐵的硬度和白口顯著增加，當(dāng)ω（Te）＞0.01%時(shí)，厚壁鑄件也會(huì)出現(xiàn)白口。故灰鑄鐵件中碲ω（Te）＜0.0035%為宜。砷有助于鑄鐵中的過(guò)冷石墨產(chǎn)生，當(dāng) ω（As）＜0.013%時(shí),鑄鐵中主要以 A 型石墨存在，當(dāng) ω（As）＞0.045%時(shí)，出現(xiàn) D、E 型過(guò)冷石墨、B型石墨以及放射狀爪型石墨。微量的砷可以促進(jìn)珠光體形成，當(dāng) ω（As）＞0.013%時(shí)，鑄鐵由珠光體組成，當(dāng) ω（As）＞0.045%時(shí)，組織中出現(xiàn)網(wǎng)狀碳化物，當(dāng)As＜0.045%時(shí)，增加含砷量強(qiáng)度提高，當(dāng)As＞0.045%時(shí)，強(qiáng)度降低。綜合分析含砷量控制在0.013%以下為宜?；诣T鐵中銻強(qiáng)穩(wěn)定珠光體元素，是錫的 2 倍，以 ω（Sb）＜0.02%為宜。

為減少有害微量元素影響，生產(chǎn)配料時(shí)除控制高爐鐵液外，盡量多用廢鋼，必然會(huì)多用增碳劑，這樣必然提高鑄件的機(jī)械和鑄造性能。同時(shí)多用廢鋼會(huì)沖淡有害元素的總量，提高切削性能。

2.2.3 短流程熔煉高爐鐵液工藝控制

高爐鐵液過(guò)冷傾向大，共晶石墨形核能力低，凝固組織石墨片數(shù)量多且細(xì)小，出現(xiàn)過(guò)冷石墨幾率增加，生產(chǎn)的鑄件強(qiáng)度和硬度增加且硬度增加幅度大于強(qiáng)度，強(qiáng)度增加是有利的，但硬度增加是不希望的。從熔煉方面采取措施：

提高過(guò)熱溫度，國(guó)外1550℃以上，國(guó)內(nèi)1500℃～1520℃，高溫有利于石墨析出和細(xì)化。但為防止過(guò)度燒損切記不要長(zhǎng)時(shí)間高溫保溫，應(yīng)盡快出爐。電爐熔煉不同于沖天爐，超過(guò)1500℃以上，C的燒損加劇，晶核減少，鐵液的白口和收縮傾向增大，工藝規(guī)定＜10min，＞10min需重新測(cè)C，補(bǔ)加能快速熔化的增碳劑，對(duì)生產(chǎn)中因設(shè)備故障造成的“死鐵水（過(guò)熱溫度＞1560℃，保溫2 h以上）”需補(bǔ)加生鐵或增碳劑重新調(diào)質(zhì)處理。以增加石墨晶核數(shù)量，減少白口和收縮傾向[4]。

加料順序?yàn)椋涸鎏紕獜U鋼—回爐料—高爐鐵液—鐵合金—增碳劑。為減輕氧化傾向必須快速熔煉，由于廢鋼在700℃以上很容易被氧化，而且隨著溫度的提高氧化速度也在加快，所以應(yīng)盡量縮短這個(gè)熔煉期。廢鋼融化進(jìn)入高碳鐵液后，，由于碳的保護(hù)作用，氧化反應(yīng)基本不在進(jìn)行。增碳劑在熔化過(guò)程中不斷上浮液面，能保護(hù)鐵液層不被或少被氧化，因而從減輕氧化的角度加入增碳劑也是有利的。

為減少氧化夾雜物必須凈化爐料，因電爐在熔化時(shí)的攪拌作用，被帶入鐵液的渣子不易上浮，為此必須凈化爐料，回爐料表面必須將砂子清理干凈，不然將SiO2夾雜帶入鐵液中，此碴在高溫時(shí)流動(dòng)性比較好，會(huì)隨著鐵液流動(dòng)不易清除。進(jìn)入電爐的其他爐料嚴(yán)禁銹蝕，以防止鐵液中氧化鐵量過(guò)高。

2.3 用短流程鐵液生產(chǎn)高牌號(hào)灰鑄件必須強(qiáng)化孕育和微合金化

高爐鐵液最主要的缺點(diǎn)是有效晶核少，石墨易聚集，因此凝固組織不均勻，過(guò)冷傾向大，對(duì)于低牌號(hào)鑄件，高爐+中頻爐雙聯(lián)短流程對(duì)鐵液狀態(tài)和凝固組織影響不大，可直接使用，而對(duì)高牌號(hào)（HT250以上）鑄件，需采取過(guò)熱均勻化、強(qiáng)化孕育和微合金化的工藝措施。我們針對(duì)兩個(gè)工廠的具體機(jī)床類(lèi)產(chǎn)品，除從原材料、原鐵水方面采取前述二條有效的工藝措施外，重點(diǎn)研究了強(qiáng)化孕育和微合金化鐵水處理技術(shù)。

2.3.1 強(qiáng)化孕育[5]

孕育是提高鑄件力學(xué)性能和鑄造性能的重要手段，其主要作用為：①控制石墨核心數(shù)量、石墨結(jié)構(gòu)和基體，獲得A型石墨和珠光體基體。②控制滲碳體，促進(jìn)石墨化。防止薄壁過(guò)硬或白口。③改善斷面均勻性和壁厚敏感性，提高切削性能。④提高試棒和本體力學(xué)性能。孕育劑分石墨化和穩(wěn)定化兩大類(lèi)。孕育劑粒度根據(jù)處理鐵液量而定，通常＜50kg，取 0.2mm～1mm.50kg～100kg，取 2mm～5mm；100kg～1000kg，取 5mm～1mm；1000kg～1500kg，取 10mm-20mm；＞5000kg，取 25mm～30mm；隨流孕育0.2mm～1.0mm?；诣T鐵件的孕育溫度一般控制在1420℃～1450℃，硅鍶孕育溫度要求高，硅鋇錳孕育溫度要求低。孕育劑使用前經(jīng)＜450℃以下烘烤。各類(lèi)孕育劑有不同的作用，見(jiàn)表2.

從兩家工廠的機(jī)床鑄件的使用性能要求出發(fā)，分析各種孕育劑的特點(diǎn)，結(jié)合生產(chǎn)中不斷實(shí)踐探索，選擇適用的孕育劑及孕育量[5]，見(jiàn)表3.

1）對(duì)于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，壁厚均勻，無(wú)特殊要求的一般HT200鑄鐵件，用FeSi75（或BaSi）適量孕育處理，就能滿足使用要求。對(duì)于薄壁小件，其冷卻速度快，一般選用鋇硅鐵，鍶硅鐵等強(qiáng)石墨化孕育劑，孕育劑量 0.20%～0.35%，孕育溫度1380℃～1450℃。對(duì)于有致密性要求的HT250鑄件，采用鍶硅鐵孕育劑無(wú)滲漏且σ可達(dá)250N/mm2以上。

2）對(duì)于一般生產(chǎn)的HT250，CrCu250采用FeSi75孕育（或BaSi）即能滿足工藝要求，孕育劑量0.20%～0.35%，孕育溫度1400℃～1450℃。對(duì)于壁厚或壁厚不勻的灰鑄鐵件，需要澆注時(shí)間較長(zhǎng)或孕育處理后孕育運(yùn)輸時(shí)間較長(zhǎng)的則選用鋇硅鐵長(zhǎng)效孕育劑。孕育劑量 0.20%～0.35%，孕育溫度 1380℃～1450℃。若澆注時(shí)間超過(guò)10min，需由大包轉(zhuǎn)入小包澆注的，宣采用0.1%的細(xì)粒狀硅鐵（或硅鋇）孕育劑進(jìn)行二次孕育。

3）復(fù)合孕育劑的孕育效果優(yōu)于單一孕育劑的孕育效果，鑄件的白口化傾向和壁厚敏性更小，抗拉強(qiáng)度高。對(duì)于薄壁及形狀復(fù)雜、壁厚不均，要求較高CE，使鑄造性能較好，強(qiáng)度和耐磨性好的灰鑄件，一般選用稀土鈣鋇復(fù)合孕育劑。對(duì)于生產(chǎn)高ω（Si）/ω（C）比灰鑄鐵件，用稀土鈣鋇孕育劑，孕育劑量 0.20%～0.35%，采用爐嘴沖入法處理：CE3.90%～4.10%的CrCu250鑄件可以穩(wěn)定生產(chǎn)σ可達(dá)250N/mm2以上優(yōu)質(zhì)機(jī)床鑄件。用稀土鉻錳處理可以保證σ可達(dá)300N/mm2以上優(yōu)質(zhì)機(jī)床鑄件[5]。

4）穩(wěn)定化學(xué)成份，注重鐵水的冶金質(zhì)量（O、S、N含量適當(dāng)，過(guò)量將增加孕育劑消耗）。減少非金屬夾雜物，保證鐵水出鐵溫度。只有良好的鐵水條件，孕育效果才能體現(xiàn)出來(lái)，見(jiàn)表3.

2.3.2 微合金化

通常碳當(dāng)量在3.9%以上，雖然說(shuō)有利于改善鑄件的鑄造性能，但不加入適量的合金，難以穩(wěn)定珠光體且可能出現(xiàn)粗大石墨。常用的合金元素是Cu、Cr、Sn。Cr是最顧忌的白口元素，鉻加入到原鐵液中上限為0.35%，鉻加入包內(nèi)，白口收縮傾向減半，上限可放寬致0.45%。Cu可以抵消Cr的白口化，以Cu、Cr組合為最佳。通常生產(chǎn)中兼顧經(jīng)濟(jì)和性能加ω（Cu）＜1.0%，含有 Cu:0.4%～0.6%可獲得 97%的珠光體。在灰鑄鐵中加入 Sn：0.05%～0.08%可有效增加珠光體含量，增加強(qiáng)度近一級(jí)，是提高硬度最有效辦法，但Sn超過(guò)0.12%，有增加脆性的可能。

表2 不同孕育劑化學(xué)成分、加入量及作用

表3 不同牌號(hào)鑄鐵件孕育劑及用量選擇

2.4 高牌號(hào)機(jī)床灰鑄件收縮缺陷防止

高強(qiáng)度和收縮是一對(duì)矛盾，短流程熔煉工藝更加突出。解決的辦法：

1）高碳當(dāng)量加合金化是總原則。

2）促進(jìn)石墨化工藝是最好的選擇，合成鑄鐵收縮傾向小，電爐熔煉加增碳劑是最好的工藝，傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為多加廢鋼會(huì)增加收縮實(shí)際上是一個(gè)誤區(qū)，增碳劑必須選高溫石墨化處理過(guò)的。好的增碳劑ω（S）≤0.03%是一個(gè)重要指標(biāo)。

3）提高原鐵液含硅量，控制孕育量在0.3%左右。

4）合金化時(shí)合金元素不可超出上限。最好用沖入法加 Cu、Cr、Sn.

5）嚴(yán)格控制澆注溫度，高溫收縮大，通常若溫度增加20℃～30℃，收縮就會(huì)大幅增加，電爐必須有溫度控制功能，不然會(huì)使第二包以后鐵水溫度逐漸升高，造成大量收縮廢品。

6）控制鐵液氧化傾向，電爐要快速熔煉，特別要縮短高溫熔化階段的時(shí)間。

2.5 提高機(jī)床灰鑄件高速切削條件下的切削性能的措施

用加Cu、Sn合金化及強(qiáng)化孕育措施，消除晶間碳化物、磷共晶及其它硬質(zhì)點(diǎn)，改善的是材料的韌性，而不是斷屑性能，認(rèn)為硬質(zhì)點(diǎn)會(huì)打刀又是一個(gè)誤區(qū)，提高機(jī)床灰鑄件高速切削（800m/min）條件下的切削性能應(yīng)采取以下措施。

1）石墨是灰鑄鐵切削過(guò)程中影響裂紋擴(kuò)展和斷屑的重要因素，改善石墨形態(tài)是提高切削性能的最重要措施。對(duì)于電爐熔煉用優(yōu)質(zhì)增碳劑是促進(jìn)石墨化的最好工藝。

2）隨流孕育很關(guān)鍵，但要適量，不能過(guò)量。加入量太大，會(huì)增加鐵素體的數(shù)量，提高材料韌性，對(duì)高速切削斷屑不利。

3）合金化不能以加Cu，要適當(dāng)增加微小硬質(zhì)點(diǎn)的數(shù)量，分布在晶間的硬質(zhì)點(diǎn)增加了材料的斷屑性能，適當(dāng)提高了材料的脆性，而多加銅會(huì)增加材料的韌性，并不能改變斷屑性能。

4）原材料嚴(yán)格控制有害元素，主要控制生鐵中的V，釩使高速性能?chē)?yán)重惡化。

5）時(shí)效處理可以大幅度提高高速切削的刀具壽命，鑄件在凝固過(guò)程中，應(yīng)力產(chǎn)生在晶界處，造成晶界處晶格變形，產(chǎn)生應(yīng)力會(huì)增加的斷屑難度，增加切削阻力。

3 結(jié) 論

1）高爐+中頻爐雙聯(lián)短流程熔煉工藝符合國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策的要求，是一種優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔的熔煉工藝，具有顯著的能源、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。適用于附近有高爐且運(yùn)輸方便的鑄造廠家。

2）對(duì)于低牌號(hào)（HT200以下）機(jī)床類(lèi)灰鑄鐵件，高爐+中頻爐雙聯(lián)短流程熔煉對(duì)鐵液狀態(tài)和凝固組織影響不大，少加孕育處理或可直接使用。

3）對(duì)于高牌號(hào)（HT250以上）機(jī)床灰鑄件產(chǎn)品，選擇高碳當(dāng)量（CE 為:3.70%～4.10%），把 ω（Si）/ω（C）控制在 0.65～0.9，經(jīng)孕育處理，即可獲得高強(qiáng)度、低應(yīng)力、抗變形能力強(qiáng)的高性能鑄件，對(duì)于有耐磨性能要求的帶導(dǎo)軌機(jī)床鑄件，加入Cu、Cr、Sn合金化處理。

4）孕育劑的選擇要根據(jù)鑄件的牌號(hào)、性能要求、生產(chǎn)工藝選擇不同的孕育劑種類(lèi)，因鑄件結(jié)構(gòu)、復(fù)雜程度、鑄造性能差別較大，生產(chǎn)中一般應(yīng)選擇3～5種孕育劑，同時(shí)兼顧成本和性能兩個(gè)方面。復(fù)合孕育劑的效果優(yōu)于單一孕育劑，生產(chǎn)中，稀土鈣鋇硅孕育劑適合于CrCu250薄壁高強(qiáng)度機(jī)床身灰鑄鐵件，稀土鉻錳硅復(fù)合孕育劑更適合要求強(qiáng)度高、硬度偏高、有耐磨性要求，鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜的薄壁高強(qiáng)度灰鑄件（HT300）使用，對(duì)于一般要求加工性能和斷面齊一性好的HT250加工中心底座和單件重量小、澆注時(shí)間長(zhǎng)的鑄件選用硅鋇孕育劑即可。對(duì)于動(dòng)力頭、機(jī)床液壓件有致密性要求的HT250鑄件選用硅鍶孕育劑。對(duì)于需要大包轉(zhuǎn)入小包澆注的，用硅鐵（或硅鋇）二次孕育處理。

5）孕育工藝（包括孕育劑粒度、劑量、加入方式、鐵水溫度、成份、純凈度、O、N、S、H 含量及非金屬夾雜物）必須嚴(yán)格控制，孕育效果才能充分體現(xiàn)出來(lái)。否則會(huì)帶來(lái)孕育負(fù)面鑄造缺陷。

6）高爐+中頻爐雙聯(lián)短流程熔煉工藝生產(chǎn)機(jī)床類(lèi)灰鑄鐵件容易產(chǎn)生縮孔縮松類(lèi)鑄造缺陷，鑄件對(duì)高速切削性能有一定影響，需采取對(duì)應(yīng)的工藝措施加以解決。

［1］田新社，薛留虎，高修啟.年產(chǎn)2萬(wàn)t機(jī)床床身鑄件短流程樹(shù)脂砂工藝鑄造車(chē)間設(shè)計(jì)［J］.鑄造設(shè)備與工藝，2012（2）：7-11.

［2］錢(qián)立，袁亞娟.鑄鐵熔煉材料的選用及其對(duì)鑄件質(zhì)量的影響［J］.現(xiàn)代鑄鐵，2010（4）：52-58.

［3］曾藝成.我國(guó)優(yōu)質(zhì)鑄造生鐵情況及高爐-感應(yīng)爐熔煉工藝［G］//第九屆中國(guó)鑄造協(xié)會(huì)年會(huì)論文集，北京：中國(guó)鑄造協(xié)會(huì)，2010，288-292.

［4］孫興見(jiàn)，李言祥，王曉穎.高爐—中頻爐雙聯(lián)短流程熔煉工藝對(duì)鐵液狀態(tài)的影響［J］.鑄造，2006，55（8）：783-786.

［5］楊國(guó)平.機(jī)床灰鑄鐵孕育工藝研究［D］.成都：四川大學(xué)，2005.