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1、高強度灰鑄鐵熔煉技術(shù)作者:原曉雷 張守全 信息來源:長城須崎鑄造股份有限公司  2006-2-12【摘要】本文介紹了在電爐熔煉過程中,如何在較高的碳當量和較好的機加工性能要求的條件下獲得高強度灰鑄鐵的熔煉技術(shù),以及如何對材料的微量元素進行控制。關(guān)鍵詞:灰鑄鐵 碳當量 力學性能 加工性能 微量元素長城須崎鑄造股份有限公司(簡稱CSMF)傳統(tǒng)的灰鑄鐵熔煉控制方向是低碳高強度鑄鐵(C:2。3)這樣的材料雖然能夠滿.     【摘要】本文介紹了在電爐熔煉過程中,如何在較高的碳當量和較好的機加工性能要求的條件下獲得高強度灰鑄鐵的熔煉技

2、術(shù),以及如何對材料的微量元素進行控制。 關(guān)鍵詞:灰鑄鐵 碳當量 力學性能 加工性能 微量元素 城須崎鑄造股份有限公司(簡稱CSMF)傳統(tǒng)的灰鑄鐵熔煉控制方向低碳高強度鑄鐵(C:2.73.0,Si:2.02.3,Mn:0.91.3)樣的材料雖然能夠滿足材料機械性能的要求,但其鑄造性能、加工性能卻較差,隨著公司市場開發(fā)拓展,越來越多的高難度、高技術(shù)質(zhì)量要求的鑄造產(chǎn)品納入CSMF的生產(chǎn)序列,特別是CSMF用工頻電爐熔煉工藝取代沖天爐熔煉工藝,如何在電爐熔煉條件下獲得高碳當量高強度鑄鐵,滿足顧客的定貨要求,是我們當時的一個研究課題,本文敘述了電爐熔煉的條件下高強度灰鑄鐵的生產(chǎn)技術(shù)。 1 影響材料性能的

3、因素 1.1 碳當量對材料性能的影響 決定灰鑄鐵性能的主要因素為石墨形態(tài)和金屬基體的性能。當碳當量(CE=C+1/3Si)較高時,石墨的數(shù)量增加,在孕育條件不好或有微量有害元素時,石墨形狀惡化。這樣的石墨使金屬基體能夠承受負荷的有效面積減少,而且在承受負荷時產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象,使金屬基體的強度不能正常發(fā)揮,從而降低鑄鐵的強度。在材料中珠光體具有好的強度、硬度,而鐵素體則質(zhì)底較軟而且強度較低。當隨著C、Si的量提高,會使珠光體量減少,鐵素體量增加。因此,碳當量的提高將在石墨形狀和基體組織兩方面影響鑄鐵鑄件的抗拉強度和鑄件實體的硬度。在熔煉過程控制中,碳當量的控制是解決材料性能的一個很重要的因素。

4、1.2合金元素對材料性能的影響 在灰鑄鐵中的合金元素主要是指Mn、Cr、Cu、Sn、Mo等促進珠光體生成元素,這些元素含量會直接影響珠光體的含量,同時由于合金元素的加入,在一定程度上細化了石墨,使基體中鐵素體的量減少甚至消失,珠光體則在一定的程度上得到細化,而且其中的鐵素體由于有一定量的合金元素而得到固溶強化,使鑄鐵總有較高的強度性能。在熔煉過程控制中,對合金的控制同樣是重要的手段。 1.3爐料配比對材料的影響 過去我們一直堅持只要化學成分符合規(guī)范要求就應該能夠獲得符合標準機械性能材料的觀點,而實際上這種觀點所看到的只是常規(guī)化學成分,而忽略了一些合金元素和有害元素在其中所起的作用。如生鐵是Ti

5、的主要來源,因此生鐵使用量的多少會直接影響材料中Ti的含量,對材料機械性能產(chǎn)生很大的影響。同樣廢鋼是許多合金元素的來源,因此廢鋼用量對鑄鐵的機械性能的影響是非常直接的。在電爐投入使用的初期,我們一直沿用了沖天爐的爐料配比(生鐵:2535%,廢鋼:3035%)結(jié)果材料的機械性能(抗拉強度)很低,當我們意識到廢鋼的使用量會對鑄鐵的性能有影響時及時調(diào)整了廢鋼的用量之后,問題很快得到了解決,因此廢鋼在熔化控制過程中是一項非常重要的控制數(shù)。因此爐料配比對鑄鐵材料的機械性能有著直接的影響,是熔煉控制的重點。 1.4微量元素對材料性能的影響 以往我們在熔煉過程中只注意常規(guī)五大元素對鑄鐵材質(zhì)的影響,而對其它一

6、些微量元素的作用僅僅只是一個定性的認識,卻很少對他們進行定量的分析討論,近年來,由于鑄造技術(shù)的進步,熔煉設(shè)備也在不斷的更新,沖天爐已逐漸被電爐所代替。電爐熔煉固然有其沖天爐不可比擬的優(yōu)點,但電爐熔煉也喪失了沖天爐熔煉的一些優(yōu)點,這樣一些微量元素對鑄鐵的影響也就反映出來。由于沖天爐內(nèi)的冶金反應非常強烈,爐料是處于氧化性很強的氣氛中,絕大部分都被氧化,隨爐渣一起排出,只有一少部分會殘留在鐵水中,因此一些對鑄件有不利影響的微量元素通過沖天爐的冶金過程,一般不會對鑄鐵形成不利影響。在沖天爐的熔煉過程中,焦炭中的氮和空氣中的氮氣(N2)在高溫下,一部分分解會以原子的形式溶入鐵水中,使得鐵水中的氮含量相對

7、很高。 據(jù)統(tǒng)計自電爐投產(chǎn)以來,由于鉛含量高造成的廢品和因含鉛量太高無法調(diào)整而報廢的鐵水不下百噸,而因含氮量不足造成的不合格品數(shù)量也相當高,給公司造成很大的經(jīng)濟損失。 在我們多年的電爐熔煉經(jīng)驗和理論基礎(chǔ)上,我認為在電爐熔煉過程中重點微量元素主要有N、Pb、Ti,這些元素對灰鑄鐵的影響主要有以下幾方面:鉛 當鐵水中的鉛含量較高時(>20PPm),尤其是與較高的含氫量相互作用,在厚大斷面的鑄件很容易形成魏氏石墨,這是因為樹脂砂的保溫性能好,鐵水在鑄型中冷卻較慢,(對厚大斷面這種傾向更為明顯,)鐵水處于液態(tài)保溫時間較長,由于鉛和氫的作用使鐵水凝固比較接近于平衡狀態(tài)下的凝固條件。當這類鑄件凝固完畢

8、,繼續(xù)冷卻時,奧氏體中的碳要析出,成為固態(tài)下的二次石墨。在正常情況下,二次石墨僅使共晶石墨片增厚,這對力學性能不會產(chǎn)生很大影響。但含氮和氫量高時,會使奧氏體同一定晶面上石墨表面能降低,使二次石墨沿著奧氏體一定晶面長大,伸入金屬基體中,在顯微鏡下觀察,在片狀石墨片的側(cè)面長出許多象毛刺一樣的小石墨片,俗稱石墨長毛,這就是魏氏石墨及形成原因。在鑄鐵中的鋁能促使鐵液吸氫,而增加其氫含量,因此鋁對魏氏石墨的形成,也有間接的影響。 當鑄鐵中出現(xiàn)魏氏石墨時,對其力學性能影響很大,尤其是強度、硬度,嚴重時可降低50%左右。 魏氏石墨有以下金相特征: 1)在100倍的顯微照片上,粗大的石墨片上附著許多刺狀小石墨

9、片,即為魏氏石墨。 2)同共晶片狀石墨關(guān)系是相互連接的。 3)常溫下成為魏氏石墨網(wǎng)絡(luò)延伸入基體中,就成為基體脆弱面,會顯著降低灰鑄鐵的力學性能。但從斷面看,斷裂裂紋仍是沿共晶片狀石墨擴展的。如圖1所示: 圖1 魏氏石墨 ×100氮 適量的氮能促進石墨形核,穩(wěn)定珠光體,改善灰鑄鐵組織,提高灰鑄鐵的性能。 氮對灰鑄鐵的影響主要有兩方面,一是對石墨形態(tài)的影響,另一方面是對基體組織的影響。 氮對石墨形態(tài)的作用是一個非常復雜的過程。主要表現(xiàn)在:石墨表面吸附層的影響和共晶團尺寸大小的影響。由于氮在石墨中幾乎不溶解,因此,在共晶凝固過程中氮不斷吸附在石墨生長的前沿和石墨兩側(cè),導致石墨在析出過程中,

10、其周圍濃度增高,尤其在石墨伸向鐵水中的尖端時,影響液 固界面上的石墨生長。氮在共晶生長過程中石墨片尖端和兩側(cè)氮的濃度分布存在明顯的差別。由于氮原子在石墨表面上的吸附層能夠阻礙碳原子向石墨表面的擴散。石墨前沿的氮濃度比兩側(cè)高時,石墨長度方向的生長速度降低,相比之下,側(cè)向生長就變得容易些,其結(jié)果使石墨變短、變粗。同時由于石墨生長過程中總會存在缺陷,氮原子的一部分被吸附在缺陷位置而不能擴散,將會在石墨長大的前沿上局部非對稱傾斜晶界,其余部分仍按原方向長大,從而石墨產(chǎn)生分枝,石墨分枝的增加,是石墨變短的另一個原因。這樣以來,由于石墨組織的細化,減小了其對基體組織的割裂作用,有利于鑄鐵性能的提高。 氮對

11、基體組織的影響作用,一是由于它是珠光體穩(wěn)定元素,氮含量的增加,使鑄鐵共析轉(zhuǎn)變溫度降低。因此,當灰鑄鐵中含有一定量的氮時,能使共析轉(zhuǎn)變過冷度增加,從而細化珠光體。另一方面是由于氮的原子半徑比碳和鐵都小,可以作為間隙原子固溶于鐵素體和滲碳體中,使其晶格產(chǎn)生畸變。由于上述兩方面的原因,氮能對基體產(chǎn)生強化作用。 雖然氮可以提高灰鑄鐵的性能,但是,當其超過一定量時,會產(chǎn)生氮氣孔和顯微裂紋如圖2所示,所以對氮的控制應是在一定范圍內(nèi)的控制。 一般為70120PPm,當超過180PPm時鑄鐵的性能將會急劇下降。 圖2 氮氣孔Ti在鑄鐵中是屬于一種有害元素,究其原因是鈦與氮的親和力較強,當灰鑄鐵中的鈦含量較高時

12、無益于氮的強化作用,首先與氮形成TiN化合物,這就減少了固溶于鑄鐵中的自由氮,事實上正是由于這種自由氮對灰鑄鐵起著固溶強化的作用。因此鈦含量的高低間接的影響著灰鑄鐵的性能。 2 熔煉控制技術(shù) 2.1 材料化學成分的選擇 通過上述分析,對化學成分的控制是熔煉技術(shù)中非常重要的,它是熔煉控制的基礎(chǔ)。所以合理的化學成分,是保證材料性能的基礎(chǔ)。通常對于高強度鑄鐵(抗拉強度300N/mm2)的成分控制主要有等。C、Si、Mn、P、S、Cu、Cr、Pb、N 表1 GB牌號化學成分% CSiMnPSCuCrPbN3.03.31.51.90.60.9<0.06<0.10.40.8<0.12&l

13、t;20ppm70120ppm 2.2爐料配比的確定 表2 爐料配比% 生鐵廢鋼回爐鐵5205070其余2.3微量元素的控制技術(shù) 實際過程控制中,根據(jù)對爐料的分析,確認鉛的來源主要是廢鋼,所以對原材料中鉛的控制主要是要對廢鋼中Pb夾物的控制,通常鉛含量控制在15ppm以下。如果當原鐵水中含鉛量>20ppm時,在進行孕育處理時進行特殊變質(zhì)處理。 由于Ti主要來源于生鐵,所以對Ti的控制主要是控制生鐵,這樣一方面是在采購時要對生鐵中的Ti含量提出嚴格要求,通常要求生鐵含鈦量為:Ti<0.8%,另一方面是要根據(jù)生鐵的含鈦量及時調(diào)整使用量。 主要來源于增碳材料和廢鋼中,因此對N的控制主要是

14、控制增碳材料和廢鋼,但是正象上面所述過低過高對灰鑄鐵的性能都有不利的一面,因此對N的含量控制范圍一般為:70120ppm,但是N的含量還要和Ti含量有一個合理的匹配,通常N與Ti的關(guān)系為:N:Ti=1:3.42即0.01%的Ti可吸收30PPm的氮,生產(chǎn)時一般建議氮量為:N=0.0060.01+Ti/3.42。圖3為在灰鑄鐵中鈦與氮的關(guān)系。 圖3 氮與鈦的關(guān)系2.4熔煉工藝的控制技術(shù) 1)孕育技術(shù) 孕育處理目的在于促進石墨化,降低白口傾向,降低端面敏感性;控制石墨形態(tài),消除過冷石墨;適當增加共晶團數(shù)和促進細片狀珠光體的形成,從而達到改善鑄鐵的強度性能和其它性能的目的。在實際過程控制中,需要控制

15、的參數(shù)如下: 表3 孕育處理參數(shù)孕育劑種類粒度加入量孕育方式孕育溫度孕育有效時間75Si-Fe350.30.6二極孕育1420146010分鐘鐵液溫度對孕育的影響及控制鐵液溫度對孕育的影響顯著。在一定的范圍內(nèi)提高鐵液的過熱溫度并保持一定時間,可以使鐵液中殘存著未溶的石墨質(zhì)點,完全溶入鐵液中,以消除生鐵的遺傳影響,充分發(fā)揮孕育劑的孕育作用,提高鐵水受孕育能力。過程控制中,對過熱溫度提高到15001520,對孕育處理溫度控制在14201450。 孕育劑的粒度是孕育劑狀況的重要指標,對孕育效果有很大影響。粒度過細,易于分散或被氧化進入溶渣而失去作用,粒度太大,孕育劑熔化或溶解不盡,不僅不能充分發(fā)揮孕

16、育作用,反而會造成偏析、硬點、過冷石墨等缺陷。因而對孕育劑的粒度盡量控制在25mm。保證孕育效果。 過程控制中孕育工藝主要在孕育槽孕育,這樣對一包澆注的鑄件,基本可以在孕育衰退前澆注結(jié)束。但對于比較大的件和雙澆包澆注的件,不能滿足要求。因而采用了晚期孕育方法:即在澆注鑄件之前,在澆包中進行浮硅孕育(孕育量為0.1%),這樣減小了或不存在孕育衰退,提高了孕育效果。 2)合金化處理 合金化處理向普通鑄鐵中加入少量的合金元素,提高灰鑄鐵的力學性能。在熔煉過程控制中,對合金的加入,主要是針對顧客要求淬火的件和導軌比較厚大的件,主要加入的合金元素及加入量。如表4所示: 表4 常用合金元素及含量 Cu S

17、n Cr 0.40.7% 0.050.08% 0.10.2%這樣在一定程度上保證了由于CE值的提高造成性能的下降,而且對淬火件來說,提高了淬火時的淬透性。保證了淬火深度。1) 對熔煉過程的溫度控制如圖4: 圖4電爐熔煉過程曲線圖中OA段是投料熔化過程,這個階段重點控制的加料順序,按廢鋼、機鐵、生鐵的先后順序進行加料,為了減少合金元素的燒損,鐵合金應在最后加入,當冷料全部化清后升溫至1450即A點,。如果低于1450時則有增碳劑或鐵合金不完全溶解的危險。 在AB段,應做如下處理: 測溫; 扒渣; 取樣分析化學成分; 利用熱光譜儀對常規(guī)元素和微量元素進行分析; 取三角試片測CW值; 根據(jù)各種檢測結(jié)

18、果對鐵水進行調(diào)整后,繼續(xù)送電10分鐘后重新取樣分析,確認所有數(shù)據(jù)正常后繼續(xù)升溫至1500左右,即C點。在CD段,讓鐵水靜置5至10分鐘后取三角試片測試CW值,測溫后準備出鐵。 三角試片的控制 對于不同牌號,確定不同三角試塊的白口(CW)控制范圍,結(jié)合爐前成份分析確定鐵水質(zhì)量。 3 結(jié)論 上述灰鑄鐵的熔煉技術(shù),自1996年至2003年間在CSMF已成功的應用了8年,鑄件的CE控制在3.63.9的前提下,不論是抗拉強度指標,還是實體硬度指標(特別是部分機床件導軌硬度)都滿足要求,很大程度上提高了鑄件的切削性能。經(jīng)證明此項技術(shù)已是一種定型的技術(shù),其控制要點如下: 3.1 材料化學成分的控制 3.2

19、爐料配比的確定 3.3 微量元素的控制技術(shù) 3.4 孕育處理工藝的控制 3.5 合金化處理 3.6 對熔煉過程的溫度控制 3.7 三角試片的控制 參考資料0. 鑄造合金及其熔煉 機械工業(yè)出版社 氮合金元素 際密烘金屬有限公司 密烘技術(shù)安裝手冊 國際密烘金屬有限公司 · 相關(guān)主題關(guān)鍵字: · 灰鑄鐵· 熔煉· 性能· 控制 高強度灰鑄鐵熔煉技術(shù)原作者:長城須崎鑄造股份有限公司 原曉雷 張守全   出處:OneTwoFree.Sp【論文摘要】【摘要】本文介紹了在電爐熔煉過程中,如何在較高的碳當量和較好的機加工性能要求的條件下獲得

20、高強度灰鑄鐵的熔煉技術(shù),以及如何對材料的微量元素進行控制。 關(guān)鍵詞:灰鑄鐵 碳當量 力學性能 加工性能 微量元素 長城須崎鑄造股份有限公司(簡稱CSMF)傳統(tǒng)的灰鑄鐵熔煉控制方向是低碳高強度鑄鐵(C:2.73.0,Si:2.02.3,Mn:0.91.3)這樣的材料雖然能夠滿足材料機械性能的要求,但其鑄造性能、加工性能卻較差,隨著公司市場開發(fā)拓展,越來越多的高難度、高技術(shù)質(zhì)量要求的鑄造產(chǎn)品納入CSMF的生產(chǎn)序列,特別是CSMF用工頻電爐熔煉工藝取代沖天爐熔煉工藝,如何在電爐熔煉條件下獲得高碳當量高強度鑄鐵,滿足顧客的定貨要求,是我們當時的一個研究課題,本文敘述了電爐熔煉的條件下高強度灰鑄鐵的生產(chǎn)

21、技術(shù)。 1 影響材料性能的因素 1.1 碳當量對材料性能的影響 決定灰鑄鐵性能的主要因素為石墨形態(tài)和金屬基體的性能。當碳當量(CE=C+1/3Si)較高時,石墨的數(shù)量增加,在孕育條件不好或有微量有害元素時,石墨形狀惡化。這樣的石墨使金屬基體能夠承受負荷的有效面積減少,而且在承受負荷時產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象,使金屬基體的強度不能正常發(fā)揮,從而降低鑄鐵的強度。在材料中珠光體具有好的強度、硬度,而鐵素體則質(zhì)底較軟而且強度較低。當隨著C、Si的量提高,會使珠光體量減少,鐵素體量增加。因此,碳當量的提高將在石墨形狀和基體組織兩方面影響鑄鐵鑄件的抗拉強度和鑄件實體的硬度。在熔煉過程控制中,碳當量的控制是解決材料

22、性能的一個很重要的因素。 1.2合金元素對材料性能的影響 在灰鑄鐵中的合金元素主要是指Mn、Cr、Cu、Sn、Mo等促進珠光體生成元素,這些元素含量會直接影響珠光體的含量,同時由于合金元素的加入,在一定程度上細化了石墨,使基體中鐵素體的量減少甚至消失,珠光體則在一定的程度上得到細化,而且其中的鐵素體由于有一定量的合金元素而得到固溶強化,使鑄鐵總有較高的強度性能。在熔煉過程控制中,對合金的控制同樣是重要的手段。 1.3爐料配比對材料的影響 過去我們一直堅持只要化學成分符合規(guī)范要求就應該能夠獲得符合標準機械性能材料的觀點,而實際上這種觀點所看到的只是常規(guī)化學成分,而忽略了一些合金元素和有害元素在其

23、中所起的作用。如生鐵是Ti的主要來源,因此生鐵使用量的多少會直接影響材料中Ti的含量,對材料機械性能產(chǎn)生很大的影響。同樣廢鋼是許多合金元素的來源,因此廢鋼用量對鑄鐵的機械性能的影響是非常直接的。在電爐投入使用的初期,我們一直沿用了沖天爐的爐料配比(生鐵:2535%,廢鋼:3035%)結(jié)果材料的機械性能(抗拉強度)很低,當我們意識到廢鋼的使用量會對鑄鐵的性能有影響時及時調(diào)整了廢鋼的用量之后,問題很快得到了解決,因此廢鋼在熔化控制過程中是一項非常重要的控制參數(shù)。因此爐料配比對鑄鐵材料的機械性能有著直接的影響,是熔煉控制的重點。 1.4微量元素對材料性能的影響 以往我們在熔煉過程中只注意常規(guī)五大元素

24、對鑄鐵材質(zhì)的影響,而對其它一些微量元素的作用僅僅只是一個定性的認識,卻很少對他們進行定量的分析討論,近年來,由于鑄造技術(shù)的進步,熔煉設(shè)備也在不斷的更新,沖天爐已逐漸被電爐所代替。電爐熔煉固然有其沖天爐不可比擬的優(yōu)點,但電爐熔煉也喪失了沖天爐熔煉的一些優(yōu)點,這樣一些微量元素對鑄鐵的影響也就反映出來。由于沖天爐內(nèi)的冶金反應非常強烈,爐料是處于氧化性很強的氣氛中,絕大部分都被氧化,隨爐渣一起排出,只有一少部分會殘留在鐵水中,因此一些對鑄件有不利影響的微量元素通過沖天爐的冶金過程,一般不會對鑄鐵形成不利影響。在沖天爐的熔煉過程中,焦炭中的氮和空氣中的氮氣(N2)在高溫下,一部分分解會以原子的形式溶入鐵

25、水中,使得鐵水中的氮含量相對很高。 據(jù)統(tǒng)計自電爐投產(chǎn)以來,由于鉛含量高造成的廢品和因含鉛量太高無法調(diào)整而報廢的鐵水不下百噸,而因含氮量不足造成的不合格品數(shù)量也相當高,給公司造成很大的經(jīng)濟損失。 在我們多年的電爐熔煉經(jīng)驗和理論基礎(chǔ)上,我認為在電爐熔煉過程中重點微量元素主要有N、Pb、Ti,這些元素對灰鑄鐵的影響主要有以下幾方面: 鉛 當鐵水中的鉛含量較高時(>20PPm),尤其是與較高的含氫量相互作用,在厚大斷面的鑄件很容易形成魏氏石墨,這是因為樹脂砂的保溫性能好,鐵水在鑄型中冷卻較慢,(對厚大斷面這種傾向更為明顯,)鐵水處于液態(tài)保溫時間較長,由于鉛和氫的作用使鐵水凝固比較接近于平衡狀態(tài)下

26、的凝固條件。當這類鑄件凝固完畢,繼續(xù)冷卻時,奧氏體中的碳要析出,成為固態(tài)下的二次石墨。在正常情況下,二次石墨僅使共晶石墨片增厚,這對力學性能不會產(chǎn)生很大影響。但含氮和氫量高時,會使奧氏體同一定晶面上石墨表面能降低,使二次石墨沿著奧氏體一定晶面長大,伸入金屬基體中,在顯微鏡下觀察,在片狀石墨片的側(cè)面長出許多象毛刺一樣的小石墨片,俗稱石墨長毛,這就是魏氏石墨及形成原因。在鑄鐵中的鋁能促使鐵液吸氫,而增加其氫含量,因此鋁對魏氏石墨的形成,也有間接的影響。 當鑄鐵中出現(xiàn)魏氏石墨時,對其力學性能影響很大,尤其是強度、硬度,嚴重時可降低50%左右。 魏氏石墨有以下金相特征: 1)在100倍的顯微照片上,粗

27、大的石墨片上附著許多刺狀小石墨片,即為魏氏石墨。 2)同共晶片狀石墨關(guān)系是相互連接的。 3)常溫下成為魏氏石墨網(wǎng)絡(luò)延伸入基體中,就成為基體脆弱面,會顯著降低灰鑄鐵的力學性能。但從斷面看,斷裂裂紋仍是沿共晶片狀石墨擴展的。如圖1所示: 圖1 魏氏石墨 ×100氮 適量的氮能促進石墨形核,穩(wěn)定珠光體,改善灰鑄鐵組織,提高灰鑄鐵的性能。 氮對灰鑄鐵的影響主要有兩方面,一是對石墨形態(tài)的影響,另一方面是對基體組織的影響。 氮對石墨形態(tài)的作用是一個非常復雜的過程。主要表現(xiàn)在:石墨表面吸附層的影響和共晶團尺寸大小的影響。由于氮在石墨中幾乎不溶解,因此,在共晶凝固過程中氮不斷吸附在石墨生長的前沿和石

28、墨兩側(cè),導致石墨在析出過程中,其周圍濃度增高,尤其在石墨伸向鐵水中的尖端時,影響液 固界面上的石墨生長。氮在共晶生長過程中石墨片尖端和兩側(cè)氮的濃度分布存在明顯的差別。由于氮原子在石墨表面上的吸附層能夠阻礙碳原子向石墨表面的擴散。石墨前沿的氮濃度比兩側(cè)高時,石墨長度方向的生長速度降低,相比之下,側(cè)向生長就變得容易些,其結(jié)果使石墨變短、變粗。同時由于石墨生長過程中總會存在缺陷,氮原子的一部分被吸附在缺陷位置而不能擴散,將會在石墨長大的前沿上局部非對稱傾斜晶界,其余部分仍按原方向長大,從而石墨產(chǎn)生分枝,石墨分枝的增加,是石墨變短的另一個原因。這樣以來,由于石墨組織的細化,減小了其對基體組織的割裂作用

29、,有利于鑄鐵性能的提高。 氮對基體組織的影響作用,一是由于它是珠光體穩(wěn)定元素,氮含量的增加,使鑄鐵共析轉(zhuǎn)變溫度降低。因此,當灰鑄鐵中含有一定量的氮時,能使共析轉(zhuǎn)變過冷度增加,從而細化珠光體。另一方面是由于氮的原子半徑比碳和鐵都小,可以作為間隙原子固溶于鐵素體和滲碳體中,使其晶格產(chǎn)生畸變。由于上述兩方面的原因,氮能對基體產(chǎn)生強化作用。 雖然氮可以提高灰鑄鐵的性能,但是,當其超過一定量時,會產(chǎn)生氮氣孔和顯微裂紋如圖2所示,所以對氮的控制應是在一定范圍內(nèi)的控制。 一般為70120PPm,當超過180PPm時鑄鐵的性能將會急劇下降。 圖2 氮氣孔Ti在鑄鐵中是屬于一種有害元素,究其原因是鈦與氮的親和力

30、較強,當灰鑄鐵中的鈦含量較高時無益于氮的強化作用,首先與氮形成TiN化合物,這就減少了固溶于鑄鐵中的自由氮,事實上正是由于這種自由氮對灰鑄鐵起著固溶強化的作用。因此鈦含量的高低間接的影響著灰鑄鐵的性能。 2 熔煉控制技術(shù) 2.1 材料化學成分的選擇 通過上述分析,對化學成分的控制是熔煉技術(shù)中非常重要的,它是熔煉控制的基礎(chǔ)。所以合理的化學成分,是保證材料性能的基礎(chǔ)。通常對于高強度鑄鐵(抗拉強度300N/mm2)的成分控制主要有等。C、Si、Mn、P、S、Cu、Cr、Pb、N 表1 GB牌號化學成分% C Si Mn P S Cu Cr Pb N3.03.3 1.51.9 0.60.9 <0

31、.06 <0.1 0.40.8 <0.12 <20ppm 70120ppm 2.2爐料配比的確定 表2 爐料配比% 生鐵 廢鋼 回爐鐵520 5070 其余2.3微量元素的控制技術(shù) 實際過程控制中,根據(jù)對爐料的分析,確認鉛的來源主要是廢鋼,所以對原材料中鉛的控制主要是要對廢鋼中Pb夾物的控制,通常鉛含量控制在15ppm以下。如果當原鐵水中含鉛量>20ppm時,在進行孕育處理時進行特殊變質(zhì)處理。 由于Ti主要來源于生鐵,所以對Ti的控制主要是控制生鐵,這樣一方面是在采購時要對生鐵中的Ti含量提出嚴格要求,通常要求生鐵含鈦量為:Ti<0.8%,另一方面是要根據(jù)生鐵的含

32、鈦量及時調(diào)整使用量。 主要來源于增碳材料和廢鋼中,因此對N的控制主要是控制增碳材料和廢鋼,但是正象上面所述過低過高對灰鑄鐵的性能都有不利的一面,因此對N的含量控制范圍一般為:70120ppm,但是N的含量還要和Ti含量有一個合理的匹配,通常N與Ti的關(guān)系為:N:Ti=1:3.42即0.01%的Ti可吸收30PPm的氮,生產(chǎn)時一般建議氮量為:N=0.0060.01+Ti/3.42。圖3為在灰鑄鐵中鈦與氮的關(guān)系。 圖3 氮與鈦的關(guān)系2.4熔煉工藝的控制技術(shù) 1)孕育技術(shù) 孕育處理目的在于促進石墨化,降低白口傾向,降低端面敏感性;控制石墨形態(tài),消除過冷石墨;適當增加共晶團數(shù)和促進細片狀珠光體的形成,

33、從而達到改善鑄鐵的強度性能和其它性能的目的。在實際過程控制中,需要控制的參數(shù)如下: 表3 孕育處理參數(shù)孕育劑種類 粒度 加入量 孕育方式 孕育溫度 孕育有效時間 75Si-Fe 35 0.30.6 二極孕育 14201460 10分鐘鐵液溫度對孕育的影響及控制鐵液溫度對孕育的影響顯著。在一定的范圍內(nèi)提高鐵液的過熱溫度并保持一定時間,可以使鐵液中殘存著未溶的石墨質(zhì)點,完全溶入鐵液中,以消除生鐵的遺傳影響,充分發(fā)揮孕育劑的孕育作用,提高鐵水受孕育能力。過程控制中,對過熱溫度提高到15001520,對孕育處理溫度控制在14201450。 孕育劑的粒度是孕育劑狀況的重要指標,對孕育效果有很大影響。粒度

34、過細,易于分散或被氧化進入溶渣而失去作用,粒度太大,孕育劑熔化或溶解不盡,不僅不能充分發(fā)揮孕育作用,反而會造成偏析、硬點、過冷石墨等缺陷。因而對孕育劑的粒度盡量控制在25mm。保證孕育效果。 過程控制中孕育工藝主要在孕育槽孕育,這樣對一包澆注的鑄件,基本可以在孕育衰退前澆注結(jié)束。但對于比較大的件和雙澆包澆注的件,不能滿足要求。因而采用了晚期孕育方法:即在澆注鑄件之前,在澆包中進行浮硅孕育(孕育量為0.1%),這樣減小了或不存在孕育衰退,提高了孕育效果。 2)合金化處理 合金化處理向普通鑄鐵中加入少量的合金元素,提高灰鑄鐵的力學性能。在熔煉過程控制中,對合金的加入,主要是針對顧客要求淬火的件和導

35、軌比較厚大的件,主要加入的合金元素及加入量。如表4所示: 表4 常用合金元素及含量 Cu Sn Cr 0.40.7% 0.050.08% 0.10.2%這樣在一定程度上保證了由于CE值的提高造成性能的下降,而且對淬火件來說,提高了淬火時的淬透性。保證了淬火深度。1) 對熔煉過程的溫度控制如圖4: 圖4電爐熔煉過程曲線圖中OA段是投料熔化過程,這個階段重點控制的加料順序,按廢鋼、機鐵、生鐵的先后順序進行加料,為了減少合金元素的燒損,鐵合金應在最后加入,當冷料全部化清后升溫至1450即A點,。如果低于1450時則有增碳劑或鐵合金不完全溶解的危險。 在AB段,應做如下處理: 測溫; 扒渣; 取樣分析

36、化學成分; 利用熱光譜儀對常規(guī)元素和微量元素進行分析; 取三角試片測CW值; 根據(jù)各種檢測結(jié)果對鐵水進行調(diào)整后,繼續(xù)送電10分鐘后重新取樣分析,確認所有數(shù)據(jù)正常后繼續(xù)升溫至1500左右,即C點。在CD段,讓鐵水靜置5至10分鐘后取三角試片測試CW值,測溫后準備出鐵。 三角試片的控制 對于不同牌號,確定不同三角試塊的白口(CW)控制范圍,結(jié)合爐前成份分析確定鐵水質(zhì)量。 3 結(jié)論 上述灰鑄鐵的熔煉技術(shù),自1996年至2003年間在CSMF已成功的應用了8年,鑄件的CE控制在3.63.9的前提下,不論是抗拉強度指標,還是實體硬度指標(特別是部分機床件導軌硬度)都滿足要求,很大程度上提高了鑄件的切削性

37、能。經(jīng)證明此項技術(shù)已是一種定型的技術(shù),其控制要點如下: 3.1 材料化學成分的控制 3.2 爐料配比的確定 3.3 微量元素的控制技術(shù) 3.4 孕育處理工藝的控制 3.5 合金化處理 3.6 對熔煉過程的溫度控制 3.7 三角試片的控制 參考資料0. 鑄造合金及其熔煉 機械工業(yè)出版社 氮合金元素 國際密烘金屬有限公司 密烘技術(shù)安裝手冊 國際密烘金屬有限公司   20世紀80年代初,鑄鐵材料發(fā)展進入了頂峰期,隨后,世界的鑄鐵產(chǎn)量便出現(xiàn)急劇遞減,然而鑄鐵仍是當今金屬材料中應用最為廣泛的基礎(chǔ)材料,在鑄造合金材料中占有重要地位。     由于

38、受能源、勞動力價格和環(huán)境因素的影響,西方工業(yè)發(fā)達國家的鑄件產(chǎn)量將會逐漸減少,轉(zhuǎn)而向發(fā)展中國家采購一般鑄件,但同時又會向發(fā)展中國家出口高附加值、高技術(shù)含量的優(yōu)質(zhì)鑄件。當前,世界經(jīng)濟全球化進程的加速為我國鑄造業(yè)的發(fā)展提供了機遇,國際和國內(nèi)市場對我國鑄件的需求呈持續(xù)增長的趨勢。與此同時,鑄鐵作為一種傳統(tǒng)的金屬材料,在其質(zhì)量、性能和價格等方面正面臨著嚴酷的挑戰(zhàn)。抓緊我國鑄鐵鑄造業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整和技術(shù)改造;努力提高鑄件質(zhì)量檔次,提高和理環(huán)境污染的水平,實現(xiàn)鑄鐵材料的高附加值化是應付未來更加激烈的市場競爭,滿足用戶多樣化需求的主要對策。     一、我國鑄鐵的生產(chǎn)水平及

39、差距     1鑄造工藝材料及輔料     我國鑄造工藝材料如原砂、粘土、煤粉、粘結(jié)劑和涂料在品種、性能、質(zhì)量等方面與工業(yè)先進國家之間的差距極大,以致我國的鑄件尺寸精度和表面粗糙度比國外差一到兩個等級,鑄件表面缺陷造成的廢品率比國外高幾倍。鑄造用工藝原料的標準化、系列化和商品化仍是一個亟待解決的問題。     2鑄造工藝過程及鑄件質(zhì)量的檢測與控制     我國在鑄造工藝過程和鑄件質(zhì)量的檢測與控制方面與工業(yè)先進國家還存在比較大的差距,主要

40、反映在以下方面:     鑄造工藝過程的檢測。     鑄造工藝過程的優(yōu)化和控制。     鑄件質(zhì)量的檢測。而上述檢測和控制手段的完善是提升我國鑄鐵鑄造生產(chǎn)水平的一個主要內(nèi)容。     3鑄造工藝裝備     對于鑄造生產(chǎn),國外廣泛采用流水線大量生產(chǎn);高壓造型、射壓造型、靜壓造型和氣沖造型;造芯全部用殼芯和冷、熱芯盒工藝。國內(nèi)除汽車等行業(yè)中少數(shù)廠家采用半自動、自動化流水線大量生產(chǎn)外,多數(shù)廠家仍采用

41、較落后的鑄造工藝裝備。     二、鑄鐵熔煉技術(shù)     1沖天爐技術(shù)     沖天爐居鑄鐵熔煉設(shè)備之首,至今仍擔負著80以上鑄鐵件的熔煉任務。70年代以后,符合我國特點的爐型和熔煉技術(shù)已逐漸完善和成熟,形成了獨具特色的多排小風口和兩排大間距沖天爐系列。在操作技術(shù)上,從一度追求低焦耗到重視鐵液質(zhì)量,進而講求提高技術(shù)、經(jīng)濟、勞動衛(wèi)個和環(huán)境保護的綜合指標,逐步開發(fā)應用了從爐料處理、修爐、烘爐到配加料、鼓風。爐況控制、鐵液檢驗等全過程的操作技術(shù)。在較短的歷程中,我們在沖天爐理論研究

42、、爐子結(jié)構(gòu)、修爐材料、送風系統(tǒng)、熱能利用、強化底作燃燒、爐內(nèi)氣氛調(diào)整控制、鐵液爐前檢驗、消煙除塵、非焦炭化鐵、配料及熔煉過程計算機優(yōu)化控制等諸多方自都取得了可喜的成績。     沖火爐的發(fā)展是圍繞著提高性能和生產(chǎn)率,降低消耗,改善操作,減少污染進行的。沖天爐性能主要體現(xiàn)在炭的燃燒、爐料的加熱和冶金過程三方面。隨著鑄鐵生產(chǎn)批量的擴大和對鑄造生產(chǎn)率及鑄件質(zhì)量要求的提高,沖天爐容量也不斷增大。大容量的沖天爐熔煉狀況更穩(wěn)定,無論技術(shù)上還是經(jīng)濟上比小爐子更具優(yōu)勢。因此,在單一品種大批量生產(chǎn)中,用一臺大容量爐子取代多臺小爐子是合理的、在國際上,沖天爐的最新發(fā)展主要為

43、等離子體沖大爐、無焦沖天爐、新型回轉(zhuǎn)熔煉爐     加入WTO將在我們面前展現(xiàn)一個競爭激烈的世界鑄件市場。因此;沖天爐熔煉的發(fā)展將圍繞強化管理、推進技術(shù)改造、提高規(guī)模效益進行。我國沖天爐技術(shù)的發(fā)展方向主要有以下若干方面:     (1)走專業(yè)化生產(chǎn)道路,提高沖天爐生產(chǎn)率,向大型化、智能化。長期作業(yè)方向發(fā)展。     (2)爐料供應專業(yè)化、規(guī)?;?。     (3)大力發(fā)展沖天爐配套技術(shù),同時加強對沖天爐的控制和檢測。  

44、;   (4)發(fā)展沖天爐一電爐雙聯(lián)熔煉技術(shù)。     (5)高溫優(yōu)質(zhì)鐵液是沖天爐熔煉的根本要求。     2電爐技術(shù)     感應電爐由于具有鐵液溫度高。成分穩(wěn)定、污染少、便于調(diào)整鐵液成分的優(yōu)點,60年代初,在一些工業(yè)發(fā)達國家開始普及。近年來,中頻感應熔煉爐的迅速發(fā)展給鑄鐵生產(chǎn)注入了新的活力。     感應電爐的發(fā)展和應用,使鑄鐵生產(chǎn)進入了一個新階段。盡管工頻感應電爐存在某些不足,但它在金屬熔煉。鐵液成分調(diào)整。金屬液

45、的升溫和保溫,尤其作為其他熔煉爐的雙聯(lián)用爐仍在普遍應用。中頻感應電爐特別適合熔煉合金鑄鐵、球墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵,它的迅速發(fā)展和所顯示的優(yōu)越性,使其在鑄鐵生產(chǎn)中呈現(xiàn)出被廣泛應用的新趨勢。     三、鑄鐵件的生產(chǎn)狀況和趨勢     1鑄鐵合金     世界鑄鐵件的生產(chǎn)狀況和趨勢是,灰鑄鐵件的比例明顯下降,但仍占優(yōu)勢。球墨鑄鐵件的產(chǎn)量持續(xù)增長,蠕墨鑄鐵和特種鑄鐵也有了較大的發(fā)展。     全球的灰鑄鐵產(chǎn)量逐年下降,但從鑄鐵中的高強度鑄鐵所占的

46、比重越來越大,加強高強度灰鑄鐵的試驗研究無疑是我國灰鑄鐵的發(fā)展方向。     我國可鍛鑄鐵總產(chǎn)量在世界上名列前茅,但需求量還將有所增大。所以,今后我國可鍛鑄鐵還將有一個大的發(fā)展。目前,我國可鍛鑄鐵的生產(chǎn)與國外的主要差距是:品種少,僅有黑心可鍛鑄鐵;質(zhì)量差;鍍鋅工藝落后;缺少耗能低、保溫性好、污染小的理想退火爐。     在鑄鐵產(chǎn)量縮減的情況下,球墨鑄鐵在鑄鐵件中所占的比率依然在增大。在西方發(fā)達國家,通常用球墨鑄鐵件取代部分灰鑄鐵件和可鍛鑄鐵件。我國球墨鑄鐵鑄件產(chǎn)量比較低,占鑄鐵件的比例遠小于發(fā)達國家。此外,我國球墨

47、鑄鐵件在質(zhì)量和生產(chǎn)穩(wěn)定性方面的差距也較大。我國球墨鑄鐵生產(chǎn)較突出的問題是材質(zhì)強韌性上、缺陷多,其原因除爐料、球化處理方法和球化劑等因素外,主要是球化處理前對鐵液含硫量要求過松。因此,為使我國球墨鑄鐵生產(chǎn)能有大幅度的增長,必須大力實施能穩(wěn)定提供質(zhì)量可靠的優(yōu)質(zhì)球墨鑄鐵件的配套技術(shù)。     國內(nèi)外有蠕化工藝和蠕化劑的研究方面都達到了很高的水平,所研制的蠕化劑種類繁多,已達近百種。目前,在生產(chǎn)中應用的蠕化劑主要是稀土用鐵鎂合金、稀土硅鈣合金和稀土鎂鈦合金。國內(nèi)外現(xiàn)有的蠕化處理工藝主要有沖入法、隨流法、氣動法和型內(nèi)法等。蠕墨鑄鐵已用于大量生產(chǎn),建有生產(chǎn)線(用感應

48、電爐熔化),質(zhì)量基本穩(wěn)定。     隨著現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展,對具有特殊性能的材料的需求量不斷增長,向我國特種鑄鐵(抗磨、耐蝕和耐熱鑄鐵)的發(fā)展速度較緩慢,技術(shù)水平和國外差距較大。為了適應新形勢下國民經(jīng)濟發(fā)展的需要,特種鑄鐵的研究今后將成為我國鑄鐵發(fā)展的一個重要方向。2鑄鐵合金的發(fā)展     (1)高強化、薄壁化是我國灰鑄鐵的發(fā)展方向鑄鐵薄壁化、輕量化、強韌化是為了滿足工程界對工程材料節(jié)能性、回用性兩方面的要求,適應“人類可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略”的需要。鑄件的“薄壁高強化”正在工程界成為一種趨勢,其技術(shù)應用也將日益成熟并迅速拓

49、展,在可以預見的將來,35mm的高強度薄壁球墨鑄鐵件將會大量出現(xiàn)在一般機電產(chǎn)品中。     與鋁合金鑄件相比,低成本和良好的鑄造性能是灰鑄鐵件的一個主要優(yōu)勢。目前,制約灰鑄鐵件增長和發(fā)展的主要因素之一是輕量化,鑄鐵輕量化必將為鑄鐵工業(yè)注入新的活力。因此,高強度薄壁灰鑄鐵件的生產(chǎn)技術(shù)開發(fā)成為問題的關(guān)鍵。     薄壁鑄件生產(chǎn)技術(shù)涉及鑄鐵性能、充型過程。精密造型、機加工、模樣、工藝設(shè)計和市場等方面。許多研究和實踐表明,開發(fā)薄壁鑄鐵件的首要任務是開發(fā)高碳當量。高強度灰鑄鐵及其強化工藝。鑄造出高強度、薄壁及復雜內(nèi)腔鑄件,必

50、須從材質(zhì)、工藝和裝備等整體上采取綜合措施加以解決。國外在柴油機、發(fā)動機缸體缸蓋的鑄造和薄壁高強度灰鑄鐵的孕育處理方面達到較高水平。     我國高強度灰鑄鐵研究的重點是:     提高鐵液溫度,改善鑄鐵冶金質(zhì)量,采用合成鑄鐵熔煉工藝。     加強孕育處理技術(shù)。尤其是強化孕育鑄件的研究和推廣。     研究和推廣低合金化孕育鑄鐵。     調(diào)整化學成分、控制鑄鐵的Si/C比,以獲得高強度低應力鑄鐵

51、。實踐證明,合使St/C比值在0 .50.9,再加以適當?shù)脑杏秃辖鸹色@得綜合力學性能良好的高強度灰鑄鐵。另外,調(diào)整Mn、Si含量,使錳含量比硅含量高0.2%1.3%,可以得到高強度低應力鑄鐵。目前,我國的工廠大多無爐前快速測定C、Si含量的儀器,因而不能及時掌握碳、硅的波動及變化情況,致使鑄件質(zhì)量難以穩(wěn)定,這是今后應急需解決的一個問題。     (2)發(fā)展球墨鑄鐵新品種,采用新工藝     加強薄壁大斷面鑄態(tài)球墨鑄鐵技術(shù)的開發(fā)和應用。要保證鑄件的強度和切削加工等性能不致因壁厚減小而降低,其基本途徑就是使球墨鑄鐵的力學性能得到改良。最重要的有兩個方面:一是白口化傾向的減低和抑制,二是石墨組織的改善。球化劑的合理選用和稀土(RE)元素的加入是實現(xiàn)高強度薄壁球墨鑄鐵鑄造的關(guān)鍵。該技術(shù)的核心是在鑄造(熔煉)工藝中要保證RE/Sk=22.5。球化劑要選用Fe-Si-Mg-RE-Ca系材料,其中稀土元素(Ce、 La、Pr)的加

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