灰鑄鐵件生產(chǎn)技術(shù)

鄒榮劍

（福建天尊鑄業(yè)有限公司，福建三明 365000）

近年來，機(jī)床的使用精度要求越來越高，對機(jī)床類鑄件的材質(zhì)要求也在不斷的提高；特別是數(shù)控機(jī)床加工精度要求和使用要求的提高，對機(jī)床鑄件提出了新的要求[1]。筆者公司以生產(chǎn)機(jī)床類產(chǎn)品為主，其中噸位在20 t左右的產(chǎn)品，其鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壁厚差較大，最薄的地方只有20 mm，最厚的地方達(dá)到了210 mm以上，而且用戶對材質(zhì)的要求也比較高，其本體硬度要求達(dá)到190～220 HB。

1 試驗(yàn)條件及方法

筆者公司生產(chǎn)的龍門銑床橫梁（見圖1），材料牌號為HT300，鑄件質(zhì)量15 t，澆注質(zhì)量19 t，鑄件長6 650 mm，寬1 295 mm，高 1 248 mm，最大壁厚為210 mm。要求同包鐵液澆注單鑄試棒（?30 mm），抗拉強(qiáng)度在300 MPa以上，硬度197～248 HB；同時(shí)要求本體附鑄試棒（?30 mm）的抗拉強(qiáng)度也在300 MPa以上，鑄件本體軌道面的硬度190～220 HB，且同一鑄件的軌道面硬度差在20 HB內(nèi)。金相組織要求細(xì)片狀珠光體體積分?jǐn)?shù)不低于95%，滲碳體、磷共晶體積分?jǐn)?shù)均不超過1%。石墨形態(tài)以A型為主，允許有少量的B型、C型，石墨長度4～6級，要求分布均勻。

圖1 鑄件示意圖

造型工藝為呋喃樹脂砂手工造型，2臺12 t的中頻感應(yīng)電爐熔煉鐵液，2個(gè)12 t的澆包同時(shí)澆注。采用包內(nèi)孕育和隨流孕育相結(jié)合的復(fù)合孕育方式，鐵液經(jīng)過1 520℃溫度過熱后出爐進(jìn)行澆注，出爐溫度為1 480～1 500℃。

1.1 熔煉所用原材料

熔煉所用原材料為低碳優(yōu)質(zhì)廢鋼、鑄造用生鐵和同類產(chǎn)品回爐鐵。廢鋼為優(yōu)質(zhì)螺紋切頭，無銹蝕，無油污；生鐵為Z18生鐵；回爐鐵經(jīng)清砂處理，表面光潔。孕育劑為Ba含量10%的Si-Ba孕育劑，主要成分見表1。其它合金材料還有Fe-Si、Fe-Mn、Fe-Cr等。

表1 Si-Ba孕育劑的化學(xué)成分w %

1.2 檢測方法

爐前檢測采用澆濕型三角試樣檢查白口深度，用激冷鑄型（鋼模圓柱型杯樣）快速觀察鐵液凝固時(shí)頂部發(fā)生的情況?；瘜W(xué)成分的檢測采用直讀光譜儀和碳硅熱分析儀相結(jié)合的方式進(jìn)行，10 t萬能強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)檢測抗拉強(qiáng)度，布氏硬度計(jì)檢測硬度，金相顯微鏡檢查金相組織。

1.3 試驗(yàn)情況

在同一產(chǎn)品上采用不同爐料配比（見表2）進(jìn)行試驗(yàn)，對比在兩種不同爐料配比下，同時(shí)使用高Ba復(fù)合孕育劑進(jìn)行孕育處理。采用復(fù)合孕育處理，第一次孕育采用包內(nèi)沖入法，孕育劑加入量為出鐵量的0.30%；澆鑄鑄件時(shí)采用隨流孕育方式再次進(jìn)行孕育處理，其孕育劑加入量為0.20%。

表2 爐料配比

由于該產(chǎn)品噸位在15 t以上，而且鑄件壁厚差較大，鑄件在冷卻過程中容易產(chǎn)生孕育衰退和鑄件內(nèi)應(yīng)力過大而產(chǎn)生裂紋，因此，在試驗(yàn)過程中，為了確保鑄件的本體抗拉強(qiáng)度和本體硬度，還添加了Cu、Cr等合金。Cr合金隨爐料一起加入，Cu合金在出鐵時(shí)加在包內(nèi)，該產(chǎn)品爐前化學(xué)成分控制范圍見表3，鑄件化學(xué)成分要求見表4。對兩種方案的鑄件本體硬度、單鑄試棒分別進(jìn)行檢測，同時(shí)取鑄件附鑄試棒進(jìn)行強(qiáng)度和化學(xué)成分的檢測。

表3 爐前化學(xué)成分控制要求

表4 鑄件化學(xué)成分控制要求

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

單鑄試棒化學(xué)成分檢測結(jié)果見表5，單鑄試棒力學(xué)性能檢測結(jié)果見表6，金相組織檢測結(jié)果如圖2～5所示。可以看出，在化學(xué)成分相同的情況下，其廢鋼和生鐵的加入量對結(jié)果有一定的影響，在采用廢鋼+回爐鐵的方案中單鑄試棒和鑄件本體的力學(xué)性能和石墨形態(tài)均優(yōu)于廢鋼+生鐵+回爐鐵方案。

表5 化學(xué)成分檢測結(jié)果

表6 力學(xué)性能檢測結(jié)果

圖2 方案1的石墨形態(tài)（A型+少量的E型，石墨大小4級）

圖4 方案2的石墨形態(tài)（A型，石墨大小4級）

2.2 鐵液質(zhì)量的影響

圖5 方案2的珠光體（珠光體體積分?jǐn)?shù)為98%）

優(yōu)質(zhì)的鐵液質(zhì)量是獲得優(yōu)質(zhì)鑄件的基礎(chǔ)。而在鑄鐵熔煉過程中，由于爐料的原因，不可避免地會卷入一些可能影響熔煉質(zhì)量、顯微組織和力學(xué)性能的微量元素，從而導(dǎo)致白口傾向過大、大量鑄造缺陷的出現(xiàn)或力學(xué)性能指標(biāo)達(dá)不到要求的現(xiàn)象，所以應(yīng)對鑄鐵熔煉時(shí)鐵液質(zhì)量予以充分的重視，盡量減少由廢鋼、生鐵帶入的有害微量元素的影響[2]。在灰鑄鐵中極其微量的鉛就能夠改變鑄鐵件的石墨形態(tài)，降低鑄件力學(xué)性能，尤其是產(chǎn)生的魏氏石墨嚴(yán)重降低了鑄件的力學(xué)性能[3]。由于福建地方生鐵的As、Pb、Ti等有害微量元素較多，因此，在試驗(yàn)過程中，直接采用廢鋼+回爐鐵方案，減少了生鐵中微量元素的影響。

其次，鐵液溫度也是影響產(chǎn)品質(zhì)量的一個(gè)重要因素。一般認(rèn)為鐵液的過熱溫度須高于平衡溫度50℃以上[4]，因?yàn)殍T鐵中含氧量隨溫度的升高而增加，在這個(gè)溫度范圍內(nèi)，生成SiO2的反應(yīng)雖不再進(jìn)行，但仍有殘留的SiO2存在，加之此時(shí)鐵液中的C還原SiO2的反應(yīng)還不強(qiáng)烈，因此鐵的氧化物的生成比較明顯，在這個(gè)臨界溫度范圍內(nèi)，鐵液不宜過久的暴置于空氣中，以免吸收過量氧氣，當(dāng)過熱溫度大于50℃達(dá)到鐵液沸騰溫度后，SiO2+2[C]=[Si]+2CO的反應(yīng)較為明顯，鐵液因一氧化碳放出而有輕微沸騰，從而使鐵液中的含氧量降低和所含的固態(tài)夾雜上浮，進(jìn)而提高鐵液純凈度。故筆者在試驗(yàn)時(shí)，過熱溫度控制在1 520±10℃。

2.3 碳、硅成分的影響

碳是鑄鐵的基本組元，在鑄鐵中的存在形式主要有兩種，一種是以游離碳石墨的形式存在，另一種是以化合碳滲碳體的形式存在。在灰鑄鐵中，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在2.7%～3.8%的范圍內(nèi)，碳主要以片狀石墨形式存在。高碳灰鑄鐵的金相組織為鐵素體和粗大的片狀石墨，機(jī)械強(qiáng)度和硬度較低，但撓度較好；低碳灰鑄鐵的金相組織為珠光體和細(xì)小的片狀石墨，有較高的機(jī)械強(qiáng)度和硬度，但撓度較差。由于灰鑄鐵的成分位于共晶點(diǎn)附近，因此具有良好的鑄造性能。

硅是一個(gè)強(qiáng)烈促進(jìn)石墨化的元素，這對于鑄鐵尤其是高強(qiáng)度的灰鑄鐵來說是很重要的。硅能減少碳在液態(tài)和固態(tài)鐵中的溶解度，促進(jìn)石墨的析出，其作用為碳的1/3左右，故增加硅量會增加石墨的數(shù)量，也會使石墨粗大；反之，減少硅量，會使石墨細(xì)小。在灰鑄鐵中，硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在1.1%～2.7%的范圍內(nèi)，一般碳硅含量低可獲得較高的機(jī)械強(qiáng)度和硬度，但流動性稍差；反之，碳硅含量高，流動性好，機(jī)械強(qiáng)度和硬度較低。

對于高強(qiáng)度灰鑄鐵來說，應(yīng)用最多的還是亞共晶成分的灰鑄鐵[5]。在滿足鐵液工藝要求的情況下，要盡量降低鐵液的碳、硅含量。

2.4 合金化的影響

灰鑄鐵合金化的主要目的就是通過向鐵液中加入一定量的合金元素，以達(dá)到強(qiáng)化、細(xì)化基體，從而提高基體強(qiáng)度。對于高強(qiáng)度灰鑄鐵來說，就是要設(shè)法增加基體中珠光體的含量，細(xì)化珠光體。

在灰鑄鐵中，錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.5%～1.4%的范圍內(nèi)，主要作用有二，一是中和硫的有害作用，生成MnS及（Fe、Mn）S化合物，以顆粒狀分布于機(jī)體中。這些化合物的熔點(diǎn)在1 600℃以上，不僅無阻礙石墨化的作用，而且還可以作為石墨化非自發(fā)性晶核。二是穩(wěn)定和細(xì)化珠光體，在此含量范圍內(nèi)，隨錳含量的增加，鑄鐵的強(qiáng)度、硬度增加，而塑性和韌性降低。通過試驗(yàn)，在高強(qiáng)度厚大斷面灰鑄鐵生產(chǎn)中錳應(yīng)控制在0.80%～1.00%范圍。

銅能夠使灰鑄鐵組織致密，并細(xì)化和改善石墨的均勻分布，既能降低鑄鐵的白口傾向，又能降低奧氏體轉(zhuǎn)變臨界溫度，細(xì)化和增加進(jìn)珠光體，對斷面敏感性有有利影響。銅具有強(qiáng)化鑄鐵鐵素體和珠光體的傾向，因此能增加鑄鐵的強(qiáng)度，鑄鐵的抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度幾乎與所含銅量成比例增加。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在高強(qiáng)度鑄鐵生產(chǎn)中銅加入量宜控制在0.60%～1.00%范圍。

鉻在鑄鐵中使碳在奧氏體中的溶解度增加，因而阻礙鐵素體生核成長，是很強(qiáng)的珠光體促成元素。但是,在鑄鐵凝固過程中,鉻促成滲碳體的作用很強(qiáng)，使鑄鐵的白口傾向增強(qiáng)。雖然在鑄鐵中加硅、并進(jìn)行孕育處理，對減輕鉻造成的白口傾向有效，但對于消除鉻所致的晶間滲碳體則效果欠佳。此外，鉻細(xì)化珠光體從而提高鑄鐵強(qiáng)度的作用也不太明顯。灰鑄鐵中，加入0.5%左右的鉻，能使石墨細(xì)化，減少鐵素體，增加珠光體。通過試驗(yàn)，采用感應(yīng)電爐生產(chǎn)高強(qiáng)度厚大斷面灰鑄鐵件時(shí)，其加入量控制在0.25%～0.40%為宜。

灰鑄鐵中單加一種合金元素可以有明顯的細(xì)化珠光體的作用[6]，但是，將兩種或多種合金元素配合使用往往有疊加的增強(qiáng)效果（即1+1＞2的效果）。有些合金的配合作用是特別有效的，如Cr+Cu、Mo+Cu、Cr+Mo等。合金的配合使用可以使加入的合金總量減少，從而能降低成本。

2.5 孕育處理的影響

含Ba孕育劑除具有明顯的石墨化能力、易獲得A型石墨、細(xì)化共晶團(tuán)組織及較高的力學(xué)性能等優(yōu)點(diǎn)外，另一個(gè)突出的特點(diǎn)在于這類孕育劑有較強(qiáng)的抗衰退能力[7]。含Ba孕育劑的長效作用主要是由于Ba阻礙了鐵中碳和硅的擴(kuò)散，從而為石墨核心的形成和生長提供了良好的環(huán)境所致。

硅鋇孕育劑增加一定量的鋇鈣成分后，促進(jìn)了鐵液的形核能力，容易形成細(xì)小、分散的石墨，適當(dāng)增加共晶團(tuán)數(shù)，從而提高了鑄件的力學(xué)性能。從上面的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，硅鋇孕育劑中Ba含量對鑄件在冷卻過程中孕育衰退有一定的影響，特別是在大件上影響特別明顯。

2.6 鑄件應(yīng)力的影響

鑄件中的As≥0.010%時(shí)，鑄件的斷面敏感性增大、鑄件的激冷白口傾向顯著增加，使鑄件的綜合力學(xué)性能顯著下降；而且微量的As能顯著提高鑄件凝固過程的體積收縮率，使鑄件的熱應(yīng)力增加，容易在凝固、冷卻過程產(chǎn)生熱裂或冷裂[8]。

3 結(jié)論

生產(chǎn)厚大斷面機(jī)床類產(chǎn)品的實(shí)踐表明，優(yōu)質(zhì)鐵液是生產(chǎn)高強(qiáng)度灰鑄鐵產(chǎn)品的關(guān)鍵之一，必須嚴(yán)格控制鐵液的溫度和選擇合適的化學(xué)成分；根據(jù)產(chǎn)品的大小、形狀以及牌號要求，應(yīng)選擇不同規(guī)格型號的孕育劑和合適的孕育方式；對于厚大斷面的鑄件，應(yīng)選擇抗衰退能力強(qiáng)的長效復(fù)合孕育劑和多次孕育的方式，可以取得較好的效果；選用高鋇孕育劑進(jìn)行包內(nèi)孕育和隨流孕育處理，可獲得性能和組織理想的鑄件，同時(shí)，能夠很好地解決厚大斷面鑄件冷卻時(shí)間較長而帶來的孕育衰退問題，從而減少鑄件表面硬度與內(nèi)部硬度的差異。

[1]鄒榮劍,韓亞偉.高鋇孕育劑在生產(chǎn)厚大灰鑄鐵件中的應(yīng)用[J].鑄造,2013(4)：278-281.

[2]耿國芳.提高灰鑄鐵缸體力學(xué)性能的優(yōu)化工藝及控制[D].濟(jì)南:山東大學(xué)碩士學(xué)位論文,2009.10.28：33-38.

[3]程俊偉,郭亞輝,等.鉛對灰鑄鐵組織和性能的影響[J].鑄造,2012(7):714-717.

[4]李榮德,于海朋,等.鑄鐵質(zhì)量及其控制技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998.8:197-204.

[5]陳軍,王運(yùn)明,邢繼倫.HT300高強(qiáng)度K15缸體材料的試制[J].中國鑄造裝備與技術(shù),2013(4):24-27.

[6]劉振一.RECaBa和Mo、Cu、Cr對高強(qiáng)度灰鑄鐵組織和性能的影響[J].現(xiàn)代鑄鐵,2008(3):24-28.

[7]宋巖,楊永錄,等.硅Ba孕育劑在缸體鑄件上的應(yīng)用研究[J].中國鑄造裝備與技術(shù),2012(3):31-34.

[8]王敏毅,黃穎,林有希.微量砷對灰鑄鐵組織和性能的影響[J].鑄造,2012(50):533-538.