【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，以及如何對材料的微量元素進行控制
【關鍵詞】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）傳統的灰鑄鐵熔煉控制方向是低碳高強度鑄鐵（C：2.7~3.0，Si：2.0~2.3，Mn：0.9~1.3）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，隨著公司市場開發拓展，越來越多的高難度、高技術質量要求的鑄造產品納入CSMF的生產序列，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技術。

1.0 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和金屬基體的性能。當碳當量（CE=C+1/3Si）較高時，石墨的數量增加，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生應力集中現象，使金屬基體的強度不能正常發揮，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。

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：25~35%，廢鋼：30~35%）結果材料的機械性能（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。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五大元素對鑄鐵材質的影響，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，由于鑄造技術的進步，熔煉設備也在不斷的更新，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點，但電爐熔煉也喪失了沖天爐熔煉的一些優點，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很高。
               
    據統計自電爐投產以來，由于鉛含量高造成的廢品和因含鉛量太高無法調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量也相當高，給公司造成很大的經濟損失。
               
    在我們多年的電爐熔煉經驗和理論基礎上，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下的凝固條件。當這類鑄件凝固完畢，繼續冷卻時，奧氏體中的碳要析出，成為固態下的二次石墨。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片，即為魏氏石墨。
    2）同共晶片狀石墨關系是相互連接的。
    3）常溫下成為魏氏石墨網絡延伸入基體中，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。

    氮

    適量的氮能促進石墨形核，穩定珠光體，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，一是對石墨形態的影響，另一方面是對基體組織的影響。

    氮對石墨形態的作用是一個非常復雜的過程。主要表現在：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，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高時，石墨長度方向的生長速度降低，相比之下，側向生長就變得容易些，其結果使石墨變短、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。
               
    氮對基體組織的影響作用，一是由于它是珠光體穩定元素，氮含量的增加，使鑄鐵共析轉變溫度降低。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，使其晶格產生畸變。由于上述兩方面的原因，氮能對基體產生強化作用。

    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的控制。

    一般為70—120PPm，當超過180PPm時鑄鐵的性能將會急劇下降。
               
    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。

2.0 熔煉控制技術

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中非常重要的，它是熔煉控制的基礎。所以合理的化學成分，是保證材料性能的基礎。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

2.2爐料配比的確定

2.3微量元素的控制技術
               
    實際過程控制中，根據對爐料的分析，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%,另一方面是要根據生鐵的含鈦量及時調整使用量.
               
    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：70~120ppm，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的關系為：N：Ti=1：3.42即0.01%的Ti可吸收30PPm的氮，生產時一般建議氮量為：N=0.006~0.01+Ti/3.42。圖3為在灰鑄鐵中鈦與氮的關系。

2.4熔煉工藝的控制技術

1）孕育技術
               
    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，消除過冷石墨；適當增加共晶團數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。
               
    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點，完全溶入鐵液中，以消除生鐵的遺傳影響，充分發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1500~1520℃，對孕育處理溫度控制在1420~1450℃。

               
    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2~5mm。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.
   
    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。         
                           
    圖中O—A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A—B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元素和微量元素進行分析；
                ◆ 取三角試片測CW值；
                ◆
    根據各種檢測結果對鐵水進行調整后，繼續送電10分鐘后重新取樣分析，確認所有數據正常后繼續升溫至1500℃左右，即C點。在C—D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，結合爐前成份分析確定鐵水質量。

3.0 結論
                 
    上述灰鑄鐵的熔煉技術，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3.6~3.9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。經證明此項技術已是一種定型的技術，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
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