呂清軻，魯 棟，許景峰，楊淑欣，時(shí) 曉

（1.濰柴動(dòng)力（濰坊）鑄鍛有限公司，山東 濰坊 261001；2.濰柴重機(jī)股份有限公司濱海鑄造廠，山東濰坊 261108）

隨著環(huán)保督察及企業(yè)設(shè)備改造升級(jí)，中頻感應(yīng)電爐取代傳統(tǒng)的沖天爐已成為行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，而且感應(yīng)電爐的使用為汽車制造業(yè)高端鑄件的生產(chǎn)和使用提供了有利的技術(shù)支撐。

和沖天爐-電爐雙聯(lián)熔煉工藝相比，中頻感應(yīng)電爐相對(duì)簡(jiǎn)單，環(huán)境污染小，爐前冶煉的工作環(huán)境和勞動(dòng)強(qiáng)度也大大改善，操作人員減少2/3，鐵水的化學(xué)成分和溫度更容易控制。但感應(yīng)電爐的冶金特點(diǎn)與沖天爐不同，如果不了解更容易生產(chǎn)出廢品，造成不必要的損失。中頻感應(yīng)電爐熔煉特點(diǎn)如下[1]：

1）感應(yīng)電爐熔化過(guò)程存在電磁攪拌，受到該攪拌作用影響，鐵水中非金屬夾雜物能夠合并與上浮,如圖1所示，同時(shí)有利于排出鐵液中溶解的H、N、O等氣體[1]。

2）由于熔渣不能夠發(fā)生感應(yīng)發(fā)熱，因此溫度低于鐵液溫度。同時(shí)由于感應(yīng)電爐的高徑比較大，因此，熔渣內(nèi)物理化學(xué)狀態(tài)不活潑，具有較低的冶金能力，主要起覆蓋保護(hù)作用。

圖1 中頻感應(yīng)電爐鐵液流動(dòng)方向

3）在接近熔化結(jié)束時(shí)，隨著鐵水溫度不斷升高，當(dāng)達(dá)到一定的平衡溫度時(shí)，會(huì)發(fā)生以下的化學(xué)反應(yīng)[1]：

此外，[C]和FeO、MnO存在著類似的化學(xué)反應(yīng)。

4）感應(yīng)電爐中鐵液的過(guò)冷傾向較沖天爐中的大，如圖2所示。這是由于：①由于高溫作用鐵液中石墨數(shù)量有所減少；②由于SiO2與C的化學(xué)反應(yīng)，使SiO2晶核數(shù)量減少；③感應(yīng)電爐中鐵液中作為形核物質(zhì)的氣體含量要低[1]。

圖2 沖天爐電爐過(guò)冷度比較[1]

因此，針對(duì)感應(yīng)電爐特點(diǎn)，選擇合適的工藝才是生產(chǎn)高品質(zhì)鑄件關(guān)鍵。

1 原材料的選用

原材料是熔煉的根本和基礎(chǔ)，優(yōu)質(zhì)的原材料才能生產(chǎn)出好的鑄件。針對(duì)感應(yīng)電爐熔煉特點(diǎn)，對(duì)原材料提出了更高的要求。

1）生鐵：生鐵的選擇對(duì)于灰鑄鐵的生產(chǎn)具有較大的影響，生產(chǎn)中最好選用含雜質(zhì)元素少且種類和含量穩(wěn)定的生鐵（如Z10、Z14）.

2）廢鋼：廢鋼的來(lái)源要穩(wěn)定和持續(xù)，從而保證成分的穩(wěn)定（如Q235、45等）。

3）回爐料：采用經(jīng)過(guò)拋丸破碎的回爐料，最好按照牌號(hào)分類。

4）增碳劑：采用石墨化、低氮且貨源穩(wěn)定的增碳劑。

2 化學(xué)成分的影響

碳當(dāng)量是影響灰鑄鐵鑄件內(nèi)在質(zhì)量的最主要的因素，碳當(dāng)量過(guò)低，鑄件薄壁處冷卻速度快，易出現(xiàn)白口，導(dǎo)致加工性能變差，灰鑄鐵組織中易出現(xiàn)D、E型石墨，導(dǎo)致鑄造性差，鑄件斷面敏感性增大等。將鐵水中碳當(dāng)量控制在3.9%～4.1%的范圍內(nèi)，即可以確保鑄件的機(jī)械性能，又能夠使鐵水接近共晶點(diǎn)，在此碳當(dāng)量下鐵液的凝固溫度區(qū)間較窄，為生產(chǎn)過(guò)程的“低溫”澆注創(chuàng)造了有利條件；同時(shí)在以上碳當(dāng)量情況下可以避免鑄件的氣孔、縮孔等缺陷。除此之外，鑄件的力學(xué)性能還要考慮其他元素含量及配比[3]。

2.1 Si與C

當(dāng)碳當(dāng)量一定時(shí)，w（Si）/w（C）值從 0.6 提高到0.8時(shí)，灰鐵的硬度和強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)峰值；當(dāng)w（Si）/w（C）值一定時(shí)，灰鐵的抗拉強(qiáng)度和硬度隨碳當(dāng)量的增加而降低。

2.2 Mn和S

灰鑄鐵中，Mn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般控制在0.5%～1.2%，Mn能夠溶于組織基體和碳化物中，既可以起到強(qiáng)化基體的作用，又可以增加碳化物的穩(wěn)定性。同時(shí)Mn還可以降低奧氏體轉(zhuǎn)變溫度，促進(jìn)珠光體的形成。

S是嚴(yán)重阻礙石墨化的元素，隨著S含量的提高，鑄鐵的白口傾向隨之增大，并且容易在晶界上形成低熔點(diǎn)共晶體，使鑄鐵產(chǎn)生熱脆性。但是S可以作為石墨的形核物質(zhì)，促進(jìn)形核。因此鐵水中要選擇合適的S含量[2]。

在灰鐵鑄件中Mn含量不是越高越好，應(yīng)考慮錳硫比，即 w（Mn）=1.71w（S）+（0.2～0.5）%.

2.3 P

P在鑄鐵中有較嚴(yán)重的偏析傾向，其主要以二元磷共晶（Fe-Fe3P）、三元磷共晶（Fe-FeP-Fe3P）和復(fù)合磷共晶的形式存在。磷共晶具有較高的硬度和脆性、且分布于晶粒邊界上，從而割裂了晶粒間的連續(xù)性，使鑄鐵的強(qiáng)度、塑性下降，硬度提高。此外，由于磷共晶具有較低的熔化溫度，并且P可以降低鑄鐵的熔點(diǎn)，因此P能增加鐵水的流動(dòng)性和鑄造性能?；诣T鐵生產(chǎn)過(guò)程中P的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.08%以下[2]。

2.4 合金元素

2.4.1 Mo

灰鑄鐵中，Mo是有效的促硬元素，但作用相對(duì)溫和。鑄鐵中的含Mo質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般控制在0.6%以下，此含量即可細(xì)化珠光體、增強(qiáng)基體，從而起到提高鑄件機(jī)械性能的作用。Mo并不能促進(jìn)基體中珠光體的形成，在一定程度上Mo阻礙珠光體形成的作用要強(qiáng)于鐵素體。如果鑄鐵中只加入Mo，則厚大斷面（緩冷）處可能出現(xiàn)鐵素體聚集的現(xiàn)象。因此，Mo最好不要單獨(dú)使用，可以與其他促進(jìn)珠光體形成的合金元素（鉻、銅和鎳等）配合使用。

2.4.2 Cu

Cu可使厚大斷面處的鐵素體含量減少，同時(shí)又可以減輕薄壁處的白口，增加鑄件各截面處的顯微組織的一致性。生產(chǎn)中一般將Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.4%～0.8%.

2.4.3 Cr

Cr是很強(qiáng)的珠光體促成元素，在鑄鐵中能夠使碳在奧氏體中的溶解度增加，因而阻礙鐵素體生核長(zhǎng)大。但是，Cr具有較強(qiáng)的促進(jìn)滲碳體形成的作用，從而使鑄鐵的白口傾向增大。雖然在鑄鐵中通過(guò)加硅進(jìn)行孕育處理，可以減輕Cr造成的白口傾向，但對(duì)于消除Cr所致的晶間滲碳體則效果并不理想。

此外，Cr的加入會(huì)使鐵水的共晶凝固溫度降低，擴(kuò)大鐵液的凝固溫度范圍，從而大大增加灰鑄鐵鑄件的縮松、縮孔傾向。由于Cr的價(jià)格相對(duì)較低，并能明顯提高灰鑄鐵的性能，因此Cr成為灰鑄鐵常用的合金元素，鐵液中應(yīng)該加入合適含量的Cr，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.15%～0.30%為宜。

2.4.4 Sn

Sn具有較強(qiáng)減少鐵素體和增加珠光體的能力，在灰鑄鐵中主要起消除鐵素體的作用，但由于其在金屬基體中的溶解度很有限，加入量不能過(guò)多，否則會(huì)使鑄鐵產(chǎn)生脆化，導(dǎo)致沖擊韌性下降，同時(shí)增加鑄件成本。其質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為0.04%～0.10%.

3 熔煉工藝控制

應(yīng)根據(jù)中頻感應(yīng)電爐的冶金特性選擇合理的熔煉工藝，從裝料順序、熔煉溫度控制及在各個(gè)熔化階段加入合金（硅鐵、錳鐵）、增碳劑、增硫劑以及對(duì)高溫靜置時(shí)間、出鐵溫度等嚴(yán)格控制，力求最短的熔煉時(shí)間實(shí)現(xiàn)最小的合金燒損與氧化，達(dá)到控制和穩(wěn)定金相組織，提高鑄件質(zhì)量的目的[4]。

3.1 爐料裝料順序及加入比例

爐料的加入順序至關(guān)重要，應(yīng)保證在爐底盡早形成高碳熔池。裝料時(shí)應(yīng)先裝熔點(diǎn)低的回爐料，再裝生鐵，最后將熔點(diǎn)高的廢鋼裝在最上面。這樣，熔化時(shí)爐底很快便形成熔池，廢鋼浸入其中，表面因增碳而降低熔點(diǎn)，起到一定的助熔作用。廢鋼比生鐵易于氧化，當(dāng)溫度高于700℃以上時(shí)，廢鋼表面氧化加速。若廢鋼能盡快熔于鐵液，有助于減輕其氧化[1]。

熔煉初期切忌底部熔池過(guò)熱，以免爐底因發(fā)生SiO2+2[C]=Si+2CO↑反應(yīng)而致化學(xué)侵蝕。此外，鐵液過(guò)熱還會(huì)加劇元素的燒損和含氣量的增加[1]。

隨著爐料的逐步熔解，應(yīng)適時(shí)適度續(xù)料，應(yīng)在前一批料尚未化盡前投入后續(xù)料。投向熔池的爐料要干燥、無(wú)銹蝕，以防鐵液氧化和氣體含量增加。在冬季，往熔池加冷廢鋼，會(huì)“炸濺”，產(chǎn)生安全事故[1]。

采用合成鑄鐵工藝，原材料中廢鋼、回爐料和生鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 50%～60%、30%～40%、5%～15%，用增碳劑調(diào)節(jié)碳含量。

3.2 過(guò)熱溫度控制

依據(jù)感應(yīng)電爐熔煉特點(diǎn)，一般裝料完成后會(huì)進(jìn)行高溫靜置，靜置溫度1 500℃～1 550℃，此溫度下能夠?qū)崿F(xiàn)鐵水中渣上浮，從而實(shí)現(xiàn)鐵水的凈化。但是高溫靜置會(huì)存在鐵水氧化的現(xiàn)象，因此要選擇合適的高溫靜置時(shí)間，生產(chǎn)中選擇的靜置時(shí)間約為5 min～15 min.

3.3 出鐵后期化學(xué)成分控制

感應(yīng)電爐最理想的熔煉方式就是快熔加快出，但感應(yīng)電爐噸位偏大（10 t及以上），生產(chǎn)產(chǎn)品種類較多，出鐵時(shí)間較長(zhǎng)后導(dǎo)致電爐后期剩余鐵水燒損大，就需要補(bǔ)加增碳劑，避免出現(xiàn)“死鐵水”。

4 強(qiáng)化孕育處理

孕育處理是鑄件生產(chǎn)工藝中最重要的環(huán)節(jié)之一[3]。良好的孕育處理可以使鑄件得到較好的金相組織，從而保證鑄件的力學(xué)性能和加工性能。二次隨流孕育處理工藝生產(chǎn)的灰鑄鐵鑄件在金相組織、抗拉強(qiáng)度和性能均勻性均要優(yōu)于一次孕育工藝[2]。感應(yīng)電爐孕育劑加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)比沖天爐-電爐雙聯(lián)熔煉鐵水大0.1%～0.2%，除了爐前一次孕育，高效的二次孕育也必不可少[1]。

4.1 爐前一次孕育

電爐爐前一次孕育最佳效果就是采用隨流孕育，孕育劑直接加入包底不僅孕育效果差，吸收率低，還要多加孕育劑。

4.2 隨流孕育

鐵水的孕育次數(shù)影響著孕育效果，隨著孕育次數(shù)的增加，能夠改善石墨的形態(tài)和分布，經(jīng)過(guò)多次孕育以后組織中的A型石墨數(shù)量明顯提高，并且尺寸和分布得到較大的改善。。

二次孕育應(yīng)該考慮鑄件重量及壁厚，壁厚小于30 mm鑄件推薦二次隨流孕育劑加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%～0.010%，壁厚大于30 mm鑄件推薦二次隨流孕育劑加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10%～0.15%.

4.3 孕育劑種類

孕育劑種類選擇應(yīng)該根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行選擇，目前復(fù)合孕育劑成為行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，含有Sr、Ba、Ca、Si-Fe 等元素的復(fù)合孕育劑對(duì)于提高灰鑄鐵機(jī)械性能具有明顯的作用，此種復(fù)合孕育劑能夠同時(shí)發(fā)揮多種成分的孕育效果，鋇（Ba）能夠抗衰退、提高A型石墨比率，鍶（Sr）能夠消除白口傾向，鈣（Ca）和硅（Si）能夠起到一定的輔助孕育和滲透功效[3-4]。復(fù)合孕育劑對(duì)于高端灰鑄鐵鑄件的生產(chǎn)具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

5 結(jié)論

1）中頻感應(yīng)電爐熔煉原材料質(zhì)量是基礎(chǔ)，除了選用優(yōu)質(zhì)原材料，還應(yīng)該對(duì)回爐料進(jìn)行分類投放。

2）化學(xué)成分選擇是關(guān)鍵，應(yīng)根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)選擇合理的化學(xué)成分，高碳當(dāng)量低合金化是生產(chǎn)高品質(zhì)鑄件的首選。

3）感應(yīng)電爐熔煉過(guò)程是根本，應(yīng)根據(jù)其冶金特點(diǎn)制定合理工藝。

4）強(qiáng)化孕育處理是難點(diǎn)，也最容易忽視，應(yīng)提高孕育效果，改善石墨形態(tài)，提高鑄件強(qiáng)度。

參考文獻(xiàn)：

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