工藝因素對中頻感應(yīng)爐熔煉灰鑄鐵石墨形態(tài)的影響

趙而團(tuán)，周李明，朱騰薛

（1.山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東淄博255049；2.山東常林機(jī)械集團(tuán)股份有限公司，山東臨沭276700；3.中國海洋大學(xué)材料科學(xué)與工程研究院，山東青島266100）

·試驗研究·

工藝因素對中頻感應(yīng)爐熔煉灰鑄鐵石墨形態(tài)的影響

趙而團(tuán)1，2，3，周李明1，朱騰薛1

（1.山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東淄博255049；2.山東常林機(jī)械集團(tuán)股份有限公司，山東臨沭276700；3.中國海洋大學(xué)材料科學(xué)與工程研究院，山東青島266100）

利用中頻感應(yīng)電爐熔煉灰鑄鐵，澆注階梯型試樣和拉伸試棒，研究不同的碳當(dāng)量、冷卻速度、含硫量對灰鑄鐵石墨形態(tài)的影響。實驗結(jié)果表明：較高的碳當(dāng)量能獲得較多數(shù)目的A型石墨，材料的抗拉強(qiáng)度增加；冷卻速度過快易出現(xiàn)D型石墨，冷卻速度過慢易出現(xiàn)C型石墨，合理的控制冷卻速度能夠獲得A型石墨；硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.06%～0.10%之間最有利于A型石墨的形成，且含硫量越高鑄件的硬度和抗拉強(qiáng)度也越高。

灰鑄鐵；石墨形態(tài)；中頻感應(yīng)電爐；熔煉工藝

近年來，感應(yīng)電爐發(fā)展迅速，日益取代沖天爐成為鑄鐵熔煉的主要設(shè)備。與沖天爐相比，采用中頻感應(yīng)電爐熔煉鐵液，既可減少環(huán)境污染，又有利于鐵液質(zhì)量的控制[1-4]。但在相同條件下中頻感應(yīng)電爐熔煉的鐵水質(zhì)量明顯較沖天爐熔煉的鐵水質(zhì)量差，如鐵液晶核數(shù)量少，過冷度增加，白口傾向大；在亞共晶灰鑄鐵中，A形石墨數(shù)量極易減少，D、E形石墨增加，并且使D、E形石墨伴生的鐵素體數(shù)量增加，珠光體數(shù)量減少；且有較大的收縮傾向，鑄件厚壁處易產(chǎn)生縮孔、縮松缺陷，薄壁處易產(chǎn)生白口和硬邊等鑄造缺陷，如果不很好地對熔煉質(zhì)量進(jìn)行控制，就會給產(chǎn)品質(zhì)量帶來較為嚴(yán)重的后果[5-8]。本文研究不同的碳當(dāng)量、冷卻速度、含硫量對灰鑄鐵中石墨形態(tài)演變的影響，通過改變不同的工藝因素提高灰鑄鐵熔煉過程中A型石墨的數(shù)量，降低不利形態(tài)石墨的數(shù)量，提高材料性能，降低生產(chǎn)成本[9-12]。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

實驗所使用的實驗材料包括生鐵、廢鋼、硅鐵、硫鐵等金屬材料和合金，微量元素對石墨形態(tài)的影響也很大，在選用生鐵原料時，一定要將微量元素的量控制在一個合理的范圍內(nèi)。在碳當(dāng)量相近的情況下，生鐵中的鉛、鈦等微量元素的含量應(yīng)盡可能的低。此次實驗所使用的生鐵成分如表1.

選擇75硅鐵來控制鐵液中的硅含量，用硫化鐵作為增硫劑對硫含量進(jìn)行控制。選擇原材料時，必須保證材料的純凈，成分的精確。原材料具體化學(xué)成分如表2所示。

表1 生鐵的主要成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

表2 試驗用原材料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

1.2 實驗設(shè)備及方法

實驗設(shè)備主要包括：50 kg中頻感應(yīng)電爐、XD30M型倒置金相顯微鏡、SHT4605微機(jī)控制電液伺服萬能試驗機(jī)、MC010-HV-5維氏硬度計。實驗以生鐵為基本爐料，用廢鋼和75硅鐵調(diào)整其含碳量和含硅量，用硫化鐵調(diào)整其含硫量，熔煉在50 kg中頻感應(yīng)電爐中熔煉。由于實驗室條件限制，每次處理鐵水20 kg～30 kg.鐵水出爐溫度為1 550℃～1 580℃，澆注溫度為1 350℃～1 460℃.將鐵液澆入到樹脂砂型中，澆注棒狀試樣和階梯試樣，力學(xué)性能測試從棒狀試樣有效部位截取，金相分析試樣分別從棒狀試樣和階梯試樣有效部位截取。棒狀試樣尺寸如圖1所示，階梯試樣的尺寸如圖2所示。試樣制備方法：從試樣上用砂輪機(jī)切取一部分，用砂紙依次磨平后拋光，用XD30M型倒置金相顯微鏡觀察石墨組織形貌，用體積分?jǐn)?shù)為4%硝酸酒精溶液腐蝕后觀察基體組織形貌。試樣中的組成相及石墨形態(tài)用金相分析軟件進(jìn)行分析。拉伸試樣按照GB9439-2010的規(guī)格制備。拉伸性能測試在SHT4605微機(jī)控制電液伺服萬能試驗機(jī)上進(jìn)行。每爐鑄棒取3根制作拉伸試棒測試，抗拉強(qiáng)度取平均值。金相試樣的硬度使用MC010-HV-5維氏硬度計進(jìn)行檢測。

圖1 棒狀試樣尺寸及拉伸試棒尺寸（單位：mm）

圖2 階梯試樣尺寸（單位：mm）

2 實驗結(jié)果及討論

2.1 碳當(dāng)量對石墨形態(tài)的影響

為了研究碳當(dāng)量對石墨形態(tài)的影響，采用對照試驗，將碳當(dāng)量作為唯一變量，通過研究不同碳當(dāng)量的灰鑄鐵的石墨形態(tài)，從而獲得準(zhǔn)確的結(jié)果。表3所示為實驗鐵液的爐前分析化學(xué)成分。

表3 鐵液化學(xué)成分分析（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

根據(jù)實驗?zāi)康墓苍O(shè)置了4組對照試驗，并從棒狀試樣的合適位置取得金相試樣進(jìn)行了觀察分析，并測得各組試樣的石墨形態(tài)如下：編號a中有85%的A型石墨，剩余的為B型石墨；編號b中含50%的A型石墨，剩余的為B型以及E型石墨；編號c中含有40%的A型石墨，剩余的為B型以及F型石墨；編號d中含有40%的A型石墨，剩余的為C型石墨。四組實驗所獲得的試樣金相如圖3所示。

圖3 不同碳當(dāng)量灰鑄鐵石墨形態(tài)

根據(jù)金相分析，發(fā)現(xiàn)在同樣的熔煉條件，同樣的澆注溫度下，碳當(dāng)量對灰鑄鐵中A型石墨的形成具有很大的影響作用，碳當(dāng)量為3.63%時，金相顯微鏡中A型石墨的數(shù)量明顯高于其他幾組，并且石墨的分布也比較均勻，隨著碳當(dāng)量的增加，石墨的形態(tài)由A型向B、C型變化，當(dāng)碳當(dāng)量達(dá)到4.75%時，視野中出現(xiàn)大量D型石墨。由于石墨的形核能力不同，并且碳和硅都是強(qiáng)烈促進(jìn)石墨化的元素，隨著碳當(dāng)量的增加，石墨的形核能力越強(qiáng)，石墨片越粗，A型石墨的數(shù)量減少，灰鑄鐵中出現(xiàn)越來越多的C型石墨。一般在生產(chǎn)中希望獲得盡量多的A型石墨，因此必須控制好碳當(dāng)量，降低碳當(dāng)量可以減少石墨數(shù)量、細(xì)化石墨。力學(xué)性能尤其是抗拉強(qiáng)度是評價灰鑄鐵的主要性能指標(biāo)，灰鑄鐵碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大多在2.6%～3.6%，硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1.2%～3.0%，碳、硅都是強(qiáng)烈促進(jìn)石墨化的元素，可用碳當(dāng)量來說明它們對灰鑄鐵金相組織和力學(xué)性能的影響。圖4為碳當(dāng)量對灰鑄鐵力學(xué)性能的影響。

圖4 碳當(dāng)量對灰鑄鐵性能的影響

圖5 不同厚度階梯試樣灰鑄鐵的石墨形態(tài)

從圖中可以看出，提高碳當(dāng)量促使石墨片變粗、數(shù)量增多，強(qiáng)度和硬度下降。因此，生產(chǎn)中可根據(jù)所希望獲得的組織性能，選取合適的碳硅含量。一般情況下，在適當(dāng)?shù)奶籍?dāng)量下，能夠獲得較多數(shù)目的A型石墨，使材料的抗拉強(qiáng)度增大。

2.2 冷卻速度對灰鑄鐵石墨形態(tài)的影響

實驗采用同一爐化學(xué)成分相同的鐵液澆注階梯試樣，通過對比不同壁厚處的鑄鐵的金相來研究冷卻速度對灰鑄鐵石墨形態(tài)的影響，試樣化學(xué)成分見表4，不同壁厚處石墨的形態(tài)如圖5所示。

表4 鐵液化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

根據(jù)實驗?zāi)康墓苍O(shè)置了6組對照試驗，并從棒狀試樣的合適位置取得金相試樣進(jìn)行了觀察分析，并測得各組試樣的石墨形態(tài)如下：編號a中有32.9%的A型石墨，剩余的為D型石墨；編號b中含44.8%的A型石墨，剩余的為D型以及E型石墨；編號c中含有59.2%的A型石墨，剩余的為D型石墨；編號d中含有80%的A型石墨，剩余的為C型石墨；編號e中含54.2%的A型石墨，剩余的為D型石墨；編號f中含40.1%的A型石墨，剩余的為C型及E型石墨。六組實驗所獲得的試樣金相如圖5所示。

通過對比不同冷卻速度下的石墨形態(tài)，可以看出，澆注壁厚為3 mm的階梯試樣時，由于過冷度極大，石墨的形核條件很差，冷卻速度很大，形成的石墨分枝非常發(fā)達(dá)，最后再形成許多細(xì)小的排列方向不定的過冷石墨，即D型石墨。隨著鑄件壁厚的增大，冷卻速度降低，石墨的過冷度降低，形成的石墨核心逐漸減少，石墨的分枝也逐漸減少，石墨的形態(tài)由分枝非常發(fā)達(dá)的D型逐漸轉(zhuǎn)化，比較粗的石墨片沿著樹枝晶的枝干方向生長，顯出一定方向性的E型石墨，如圖5b）所示。當(dāng)冷卻速度繼續(xù)降低，石墨在較小的過冷度下結(jié)晶，線生長速度降低，石墨的分枝變得不發(fā)達(dá)，所以生成比較均勻的A型石墨。當(dāng)試樣厚度繼續(xù)增大時，金相中出現(xiàn)較為粗大的A型石墨，甚至出現(xiàn)相當(dāng)于C型石墨的初生石墨，如圖5f），這是由于冷卻速度很慢，當(dāng)過共晶鐵水冷卻到液相線時，析出初生石墨晶核并在液體中逐漸長大，因此形成分枝較少的粗大片狀石墨。

通過控制灰鑄鐵的壁厚來控制冷卻速度可以得到不同的石墨形態(tài)，根據(jù)實驗可以看出，該成分配比下的鑄件壁厚在10 mm～30 mm處左右A型石墨的質(zhì)量和比例最高。

2.3 含硫量對石墨形態(tài)的影響

硫元素作為灰鑄鐵中一種主要元素，會阻止石墨化，但當(dāng)硫與錳結(jié)合時，會生成MnS及其他高熔點(diǎn)化合物，這些化合物不僅不阻礙石墨化，還可以作為石墨化的晶核，促進(jìn)石墨化[13]。因此，為了研究灰鑄鐵中含硫量對石墨形態(tài)的影響，設(shè)計如下3組不同成分的鐵液進(jìn)行對照試驗。鐵液的化學(xué)成分見下表5，試樣的金相組織如圖6所示。

表5 試驗各爐的鐵液成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

圖6 不同含硫量灰鑄鐵的石墨形態(tài)

根據(jù)實驗?zāi)康墓苍O(shè)置了3組對照試驗，并從棒狀試樣的合適位置取得金相試樣進(jìn)行了觀察分析，并測得各組試樣的石墨形態(tài)如下：編號a中有49.7%的A型石墨，剩余的為B型石墨；編號b中含78.3%的A型石墨，剩余的為B型以及E型石墨；編號c中含有75.2%的A型石墨，剩余的為B型石墨。三組實驗所獲得的試樣金相如圖6所示。張守權(quán)等[13]的研究證明，電爐熔煉灰鑄鐵要想保證高強(qiáng)度和良好的孕育，硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)控制在0.06%～0.09%之間。張敏之等[14]研究S和N對高強(qiáng)灰鑄鐵石墨的影響時發(fā)現(xiàn)在不同壁厚范圍（4 mm～30 mm）內(nèi)要獲得A型石墨≥90%，硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)的最佳范圍為0.08%～0.12%.

結(jié)合以上研究成果，在本實驗的研究條件下，要獲得一定數(shù)量的A型石墨，必須將w（S）控制在0.06%～0.10%之間。為探究硫含量對灰鑄鐵的力學(xué)性能的影響，本實驗對上述三種含硫量的鑄鐵進(jìn)行了硬度及抗拉強(qiáng)度測試，實驗結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同含硫量灰鑄鐵的性能測試

通過分析圖7中的實驗數(shù)據(jù)可以明顯看出，隨著含硫量的增加，灰鑄鐵件的硬度和抗拉強(qiáng)度也隨之增大。這是因為，在一定范圍內(nèi)，隨著硫含量的增加，灰鑄鐵石墨片會變得彎曲，石墨尖端變鈍，共晶團(tuán)組織變細(xì)，鑄件的強(qiáng)度提高。同時，大量生產(chǎn)和實踐表明，硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.06%～0.10%之間，可以有效增強(qiáng)孕育效果，改善組織，并對提高強(qiáng)度有利。

3 結(jié)論

1）提高灰鑄鐵鐵水質(zhì)量，必須使用潔凈的廢鋼、品質(zhì)好的新鐵，保證原材料質(zhì)量，控制有害微量元素混入鐵液。

2）灰鑄鐵中頻感應(yīng)電爐熔煉中，碳當(dāng)量對石墨形態(tài)的影響作用非常顯著，碳當(dāng)量并不是越高越利于A型石墨產(chǎn)生，因為在碳當(dāng)量達(dá)到一定程度后，隨著碳當(dāng)量的增加，灰鑄鐵中的石墨由于形核能力的增強(qiáng)，石墨數(shù)量增加，石墨的尺寸變粗。因此碳當(dāng)量為3.6%～3.8%間最容易得到A型石墨。

3）澆注過程中由冷卻速度造成的過冷度對石墨形態(tài)具有較大的影響，根據(jù)生產(chǎn)實際和實驗結(jié)果，通過降低鑄件的冷卻速度來降低鑄件的過冷度可以有效避免過冷石墨的產(chǎn)生，有利于A型石墨生成。

4）本實驗條件下，為了在灰鑄鐵鑄件中獲得A型石墨，必須將硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)嚴(yán)格控制在0.06%～0.10%之間。

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Influence of Process Factors on the Graphite Morphology of Gray Cast Iron Melted by Medium Frequency Induction Furnace

ZHAO Er-tuan1，2，3，ZHOU Li-ming1，ZHU Teng-xue1
（1.School of Mechanical Engineering，Shandong University of Technology，Zibo Shandong 255049，China；2.Shandong Changlin Machinery Group CO.，LTD.，Linshu Shandong 276700，China；3.Institute of Material Science and Engineering，Ocean University of China，Qingdao Shandong 266100，China）

In this paper，ladder-type specimens as well as tensile bars melted in middle frequency induction furnace were tested to investigate the relationship between graphite morphology and casting condition，where carbon equivalent，cooling rate and sulphur content were taken into account.Experimental results indicated that A-type graphite could be obtained at high carbon equivalent condition，resulting in improved tensile strength.Fast cooling rate could prompt the appearance of D-type graphite，C-type graphite generated at the condition of low cooling rate.Production of A-type graphite was achieved by controlling the suitable cooling rate.The most suitable sulphur mass fraction was 0.06%～0.10%.Additionally，hardness and tensile strength increased with the increasing of sulphur content.

gray cast iron，graphite morphology，medium frequency induction furnace，melting process

TG250.2

A

1674-6694（2017）01-0032-05

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2017.01.011

2016-11-13

趙而團(tuán)，男，博士，講師，主要從事新金屬材料及鑄造技術(shù)研究。

山東省自然科學(xué)基金面上項目（ZR2016EMM01）