一種高強度灰鑄鐵定位板熔煉工藝

仇國民，韓 軍，潘 駿

（共享裝備股份有限公司（寧夏先進鑄造重點實驗室），寧夏 銀川 750021）

目前生產的灰鑄鐵大多強度低，而且鑄件殘余應力大。高強度定位板的機械性能、金相組織檢測要求進行實體取樣，并且強度、硬度均有較高要求，因此，高強度灰鑄鐵材質的定位板熔煉工藝研發具有巨大經濟價值和實用價值。本文通過合理的成分控制及過程工藝控制，使得高強度定位板的機械性能（實體鉆樣）達到了預期的要求：Rm≥300 MPa、本體硬度≥165HB、A 型石墨>85%.通過實體產品驗證，材料金相性能符合要求，鑄件MT、RT 無缺陷，圖1 為鑄件三維模型。

圖1 灰鑄鐵定位板三維模型

1 化學成分的選擇

1.1 CE

灰鑄鐵的力學性能既受鑄鐵中的基本元素影響，又受到其中的合金元素及微量元素的影響，通常用碳當量CE 來表示碳硅對灰鑄鐵力學性能及金相組織的影響，本文中選擇的碳當量為＜4.3%的亞共晶鑄鐵，具有較高的強度，其石墨尺寸和數量會隨著碳當量的減小而減小。確定碳當量還應該和碳、硅相對質量分數結合進行考慮，碳硅相對質量分數通常以硅碳比（質量分數）來衡量。在碳當量較高時，硅碳比提高則初生奧氏體量增加，枝晶趨于細化，力學性能相應提高[1]。本試驗的碳質量分數選擇為3.05%～3.25%，硅質量分數1.85%～2.05%.

1.2 錳、硫

錳與硫在鑄鐵中會對力學性能有一定程度的影響。錳、硫本身都是穩定碳化物、阻礙石墨化元素，兩者同時存在于鐵液中會結合成硫化錳及硫鐵化合物，并以顆粒狀分布在基體中，這些化合物的熔點在1 600 ℃以上，可作為有效的石墨化晶核。為保證有足夠的錳與所有的硫結合，通常鑄鐵中錳的質量分數最低應是w（Mn）=1.7w（S）+（0.30%～0.50%），適量的錳能夠細化珠光體，提高硬度和強度，但過量的錳會導致鑄件厚大斷面的內部縮松[2]。本試驗的錳質量分數0.5%～0.70%，硫質量分數0.10～0.12%.

1.3 鉬

鑄鐵中加鉬的主要目的在于它能在固態相變過程中發揮有益作用，其在奧氏體中擴散緩慢，對碳的擴散產生抑制作用。其促進珠光體形成的作用有限，但細化珠光體的作用較強，多數情況下，鉬和促進珠光體形成元素同時加入，搭配使用。本試驗的鉬質量分數0.45%～0.65%.

1.4 鉻

灰鑄鐵中的鉻在鐵水凝固過程中約有85%固溶于奧氏體，溶入奧氏體的鉻降低其中碳活度，可以穩定奧氏體，對固態相變產生以下幾方面影響：一是抑制鐵素體形核，減少鐵素體量，促進珠光體形成；二是延長珠光體孕育期，推遲共析轉變；三是提高共析轉變過冷度，可以細化珠光體。在灰鑄鐵件中一般只加入0.3%～0.35%的鉻，如果鉻質量分數超過0.35%，有可能出現少量游離滲碳體而增加鑄件的縮松傾向，當鉻質量分數超過0.5%，則有可能出現較多的游離滲碳體，影響鑄件的加工切削性能。砂型內冷卻一般可以避免共晶碳化物形成，但在較薄的斷面中，需根據具體的冷卻速率而定，本試驗的鉻質量分數0.25%～0.35%.

1.5 鎳

鎳能以任何比例溶入液態及固態的鐵中，在鑄鐵中不與碳形成碳化物，而存在于鐵素體與奧氏體中，對固態相變產生作用，可以促進石墨化和抑制碳化物生成。鎳與鉻同時加入鑄鐵還能防止鐵素體析出，抵消鉻導致的白口傾向。鎳對灰鑄鐵組織產生多方面的有益作用，可以降低奧氏體共析轉變臨界速率和轉變溫度，通過在較厚的鑄件斷面中促進珠光體的形成和細化，來提高鑄鐵的力學性能，加入質量分數1%Ni，灰鑄鐵鑄態條件下抗拉強度提高15 MPa～20 MPa.本試驗鎳質量分數在0.5%～0.7%.

1.6 銅

固溶的銅原子積累于奧氏體與石墨界面附近，阻礙碳在奧氏體中擴散，可以使共析轉變孕育期延長，共析轉變溫度降低，有利于珠光體細化，與鎳有相似之處?；诣T鐵加入銅的主要作用是促進珠光體形成，在厚壁鑄件中減少鐵素體量，有效降低鑄件壁厚對組織變化的敏感性。本試驗銅質量分數在0.8%～1.0%.

1.7 銻

銻也是促進珠光體形成元素，灰鑄鐵中適宜的銻質量分數為0.015%～0.025%，在此范圍內，石墨細化，珠光體層片間距減小，鑄鐵強度、硬度提高。純銻熔點為631 ℃，沸點為1 440 ℃，一般是在鐵水包中或隨孕育劑一起在出鐵槽中加入，若鐵水出爐溫度高于銻沸點，銻的吸收率會顯著降低。本試驗銻質量分數在0.01%～0.02%.

2 設備及熔煉工藝的選擇

2.1 生產設備和爐料配比

熔煉過程使用3 t 中頻感應電爐，爐料的表面要求無漆無銹，由于含漆爐料會增加鐵液中的鉛質量分數，形成魏氏石墨，惡化石墨形態，影響材料性能。另生銹爐料會導致鐵液中氧質量分數增加，生成大量渣滓。使用石油焦增碳劑（氮質量分數0.5%～0.8%）保證鐵液中的氮質量分數。有資料表明灰鑄鐵隨著含氮量增加，抗拉強度增大，這主要是因為氮質量分數增加后，易獲得珠光體并鈍化石墨，避免過長的石墨長度增加石墨對基體的割裂，影響材料性能。使用碳化硅來補充硅質量分數，碳化硅使用成本低，在鐵液中加入碳化硅可以使灰鑄鐵的石墨長度變粗變短，減少孕育后鐵液的過冷度。且碳化硅有脫氧作用，在鐵液中有一系列冶金反應，可以一定程度減輕爐料中氧化物的有害影響。本試驗使用的爐料配比為70%～80%的廢鋼，20%～30%的機鐵，5%～10%的Z18 牌號生鐵，1.0%～1.5%碳化硅（碳化硅質量分數＞97%，粒度為1 mm～5 mm）.

2.2 熔煉工藝控制

加料順序按廢鋼-機鐵-生鐵順序加入，熔化溫度小于1 380 ℃；熔化完成后取樣檢測，取樣溫度控制1 420 ℃～1 440℃之間；過熱溫度保證在1 500 ℃～1 520℃之間。

選用硅鍶孕育劑進行出鐵孕育處理，孕育劑加入量質量分數0.30%，孕育劑粒度3 mm～10 mm.

采用75 硅鐵進行隨流孕育處理，加入質量分數為0.155%～0.20%，75 硅鐵粒度10 mm～20 mm.

2.3 孕育處理

孕育處理多用于高強度鑄鐵的生產。這類鑄鐵的碳當量都是比較低的，未經處理的鐵水凝固后的組織含有大量過冷石墨和滲碳體，只有經過孕育處理才能獲得細小的A 型石墨。本試驗的爐料中含有較多廢鋼，且使用高氮增碳劑，鐵水含氮量較高，氮阻礙碳原子擴散，且電爐熔化的鐵水過熱溫度較高，石墨微粒大部已溶解，因此需要較強的孕育劑才能獲得預期效果。鍶能增強硅系孕育劑的石墨化能力，且并不明顯增加共晶團數，由于共晶團界面是產生顯微疏松的主要部分，減少共晶團數有利于減少晶間疏松缺陷，適用于生產有氣密性要求的鑄件。鍶硅鐵對抑制白口能力有顯著影響，可以減少斷面敏感性，保證鑄件組織及硬度均勻，使用其在低碳高強度灰鑄鐵中進行孕育處理非常有效。故本試驗使用硅鍶孕育劑，加入質量分數0.30%，孕育方法為出鐵槽孕育，可使孕育劑均勻分布于鐵水中，硅鍶孕育劑參數如表1 所示。

表1 孕育劑參數（質量分數，%）

2.4 隨流孕育

由于澆包孕育從孕育到凝固時間較長，孕育劑的作用沒能充分發揮，因此逐漸開始應用隨流孕育法，這種方法由于縮短了孕育到澆注時間，所以孕育效果更穩定，孕育劑用量少。通過試驗比較，隨流孕育能較好地降低鐵液的白口傾向以及提高鐵水的成核率，能有效改善石墨形態，促進石墨均勻析出，還能減少或消除基體組織中游離分布的滲碳體和磷共晶，使珠光體組織片層間距均勻。

3 性能結果

澆注一件定位板產品，鑄件的最大壁厚為90 mm，最小壁厚為10 mm，鑄件重量約98 kg.在壁厚40 mm 處取樣進行檢測，化學成分檢測結果見表2，金相組織見圖2，力學性能檢測結果見表3.

圖2 金相組織

表2 化學成分（質量分數，%）

表3 性能結果

從檢測結果可以看出，1#、2#兩個樣品抗拉強度均≥300 MPa，本體硬度≥165 HB，未浸蝕狀態A型石墨率>85%，4%硝酸酒精溶液浸蝕后基體組織中珠光體質量分數≥98%，鑄件無損檢測未見缺陷，滿足高強度定位板指標要求。

4 結論

1）通過調整爐料配比及合適的孕育方式，使得此材料的機械性能及基體組織達到了預期的要求：Rm ≥300 MPa、本體硬度≥189HB、A 型石墨率>85%；

2）本工藝生產的灰鑄鐵材料通過實體產品驗證，材料性能符合要求，鑄件鑄件水壓、MT 無缺陷。