1 .灰铸铁熔炼配料工艺

       铸铁熔炼配料的基本原则是：严格按照铸铁材料性能所需要的化学成分范围进行配料，并在完全保证铸件质量的前提下力求降低制造成本。灰铸铁具有一定的强度和良好的减振性、耐磨性，以及优良的切削加工性和铸造工艺性，且生产简便、成本低，因此在工业生产和民用生活中得到广泛应用。

       灰铸铁的化学成分一般为：w（C）2.7%～3.8%，w（Si）1.1%～2.7%，w（Mn）0.5%～1.2%，w（P）＜0.3%，w（S）＜0.15%。经孕育处理，铸铁Si的质量分数常被调整到1.2%～1.8%（见表-1）。

表-1 灰铸铁化学成分

       灰铸铁的力学性能取决于它的最终组织状态。而其组织不仅受化学成分、孕育处理的影响，还受冷却速度的影响。铸件壁厚对冷却速度的影响直接影响铸铁性能。冷却条件不同使得铸件本体的性能和试棒的性能有很大的差别，因此各国标准逐渐提出了铸件本体的力学性能指标，供设计参考。表 -2是国家标准 GB/T 9439—2010 《灰铸铁件》 中的有关规定：

表-2 灰铸铁牌号及参数

                                                                                                                                                                                                                                                      （续）

                                                                                                                                                                                                                                                      （续）

       共享灰铸铁的牌号按单铸φ30mm试棒的抗拉强度值划分为八级，其中除KM400、KC275、KE225外全部等效采用国际ISO标准（见表-3）。

表-3 KOCEL灰铸铁分级和工程应用

注：牌号中K代表共享（KOCEL），M、A、B、C、D、E、F、G代表不同的铁级。

       为满足订单质量（性能）要求，根据铸件壁厚选择熔炼配料工艺，确定相应工艺（见表-4）。

表-4 抗拉强度与断面厚度

 

 (1) KocelM工艺（A工艺的合金化）
1）电炉配料指导（%）：废钢60～70；生铁0～15。

2）回炉料：M，A和B。

3）铸铁各化学成分质量分数（%）：C：2.80～3.00，Si：1.05～1.55，Mn：0.80～1.00，P：＜0.06，S：＜0.12，Cu：＜2.0，Mo：0.3～0.75。

4）铸铁成分与铸件壁厚和三角试片值的关系：

5）三角试片值（单位：1/32in）：

6）孕育量（%）：0.50～0.70。

7）备注：①铸件最小壁厚为20mm；②优先Cu与Mo配合使用，保证铸件全断面范围获得高强度和硬度性能；可用Cr代替Mo。

   
 (2) KocelA工艺

1）电炉配料指导（%）：废钢60～70；生铁0～15。

2）回炉料：A，B和C。

3）铸铁化学成分质量分数（%）：C：2.80～3.00，Si：1.05～1.55，Mn：0.80～1.00，P：＜0.10，S：＜0.12。

4）铸铁成分与铸件壁厚和三角试片值的关系：

5）三角试片值（单位：1/32in）：

6）孕育量（%）：0.50～0.60。

7）备注：铸件最小壁厚为20mm。

   
 (3) KocelB工艺

1）电炉配料指导（%）：废钢50～60；生铁0～15。

2）回炉料：A，B和C。

3）铸铁化学成分范围（%）：C：2.90～3.10，Si：1.25～1.85，Mn：0.80～0.90，P：＜0.10，S：＜0.12。

4）铸铁成分与铸件壁厚和三角试片值的关系：

5）三角试片值（单位：1/32in）：

6）孕育量（%）：0.40～0.60。

7）备注：铸件最小壁厚为10mm；

 (4) KocelC工艺

1）电炉配料指导（%）：废钢40～60；生铁0～20。

2）回炉料：B，C和D。

3）铸铁化学成分范围（%）：C：3.00～3.20，Si：1.40～1.95，Mn：0.70～0.90，P：＜0.10，S：＜0.12。

4）铸铁成分与铸件壁厚和三角试片值的关系：

5）三角试片值（单位：1/32in）：

6）孕育量（%）：0.40～0.55。

7）备注：铸件最小壁厚为8mm。

 (5)  KocelD工艺

1）电炉配料指导（%）：废钢30～50；生铁0～20。

2）回炉料：C，D和E。

3）铸铁化学成分范围（%）：C：3.10～3.30，Si：1.50～2.20，Mn：0.70～0.80，P：＜0.10，S：＜0.12。

4）铸铁成分与铸件壁厚和三角试片值的关系：

5）三角试片值（单位：1/32in）：

6）孕育量（%）：0.20～0.40。

7）备注：铸件最小壁厚为7mm。

 (6) Kocel E工艺

1）电炉配料指导（%）：废钢25～50；生铁10～30。

2）回炉料：D，E和有选择的废铸铁。

3）铸铁化学成分范围（%）：C：3.25～3.45，Si：1.85～2.55，Mn：0.50～0.70，P：＜0.20，S：＜0.12。

4）铸铁成分与铸件壁厚和三角试片值的关系：

5）三角试片值（单位：1/32in）：

6）孕育量（%）：0.10～0.30。

7）备注：铸件最小壁厚为5mm。

 (7) Kocel F工艺

1）电炉配料指导（%）：废钢25～50；生铁10～30。

2）回炉料：E，F和有选择的废铸铁。

3）铸铁化学成分范围（%）：C：3.40～3.60，Si：2.25～3.15，Mn：0.40～0.50，P：＜0.20，S：＜0.12。

4）铸铁成分与铸件壁厚和三角试片值的关系：

5）三角试片值（单位：1/32in）：

6）孕育量（%）：略。

7）备注：铸件最小壁厚为5mm。

 例如：对于下列不同断面厚度的三种铸件，为满足抗拉强度300MPa的要求，而选择熔炼铸铁铁级分别为：

1）15mm壁厚铸件，采用工艺C。

2）50mm壁厚铸件，采用工艺B。

3）100mm壁厚铸件，采用工艺A。

       以下为Kocel灰铸铁熔炼工艺配料：炉料成分应以所用的原材料为基础，最普遍的方法是HT350、HT300、HT275共用一种标准炉料成分，HT250、HT200、HT150共用一种标准炉料成分（见表-5）。

表-5标准炉料成分

                                                                                                        （续）

       两种标准炉料配比中钢的比例应调整为KD（共享工艺代号）最少25%, KA（共享工艺代号）最少60%，以保证得到标准的CW（前白口）值。如果使用有效的孕育方法，炉料中减少使用生铁，代替已知成分的回炉铁或铁屑，降低炉料成本。

2. 电炉熔炼装料

       精确的加料操作，是控制金属质量一致性的基础，不正确的操作会导致大量昂贵材料的损失。加入到电炉里的所有原料，必须根据设计的配料计划准确称量，并且记录，出于经济和技术的原因，更要注意金属、昂贵的铁合金和添加物的称量准确性。称量设备一定要保持准确，定期校准，每天一定要监督检查。

       无论何时对新成分的原材料一定要进行炉料配比计算，分析化学，并要适当的调整Si、Mn 及其他添加物的含量。基本的炉料配比记在相应的记录文件中，所有炉料的要求必须清楚地列在炉的炉料说明板上。

3. 电炉熔炼过程控制工艺

3-1. 冶金

       电炉熔炼可精确地控制铸铁成分来生产高等级铸铁件，电炉熔炼工艺的两个冶金步骤是：

1）熔化出具有一定成分及合适前白口值的铁液（在一定的冷却速度下，白口值取决于化学成分和凝固结晶的形核数量）。

2）浇注前，通过孕育铁液来降低白口值，而不引起明显的化学成分变化。

(1) 原铁液中的晶核 晶核是铁液中非常小的微粒，石墨就是通过它们开始结晶的，晶核可能包括氧化物、硫化物和碳晶粒，有助于碳原子结晶成石墨。如果晶核太少，一些碳原子就不是结晶成石墨而是形成碳化物。

(2) 过冷与过热 过冷是指石墨在理论结晶温度以下开始结晶，铁液中晶粒越少，碳原子就越难结晶成石墨，碳原子在远低于理论结晶温度下结晶形成过冷石墨，对铸铁的力学性能有害，凝固温度越低，结晶的石墨就越少，碳化物越多。过热是指铁液温度超过1450℃时一些晶核就会被破坏，晶核数量的减少取决于过热温度和时间。如果铁液中晶核数目太少，而冷却速度又很高，如生产薄壁件，就可能导致碳全部以碳化物形式存在，这时铸件就会很硬而无法加工。

(3) 孕育 电炉熔炉存在着熔化温度高和熔化时间长的问题，这会导致电炉铁水中的晶核较少。

     
      一般电炉熔化铁液的含硫量也少，这同样意味着硫化物晶核减少。为避免这种因缺少晶核，过冷增加的危险，采用向铁液中加入含有晶核的孕育剂的办法，孕育剂可在出铁或浇注时加入，也可以两者并用。

       
       为了得到有效的孕育，孕育剂必须和铁液保持一定的接触时间，并完全溶解。由于电炉的出铁槽一般都比较短，孕育剂加入出铁槽与铁液的接触时间就很短，大部分孕育剂则不能完全溶解，而在金属表面形成渣。为提高孕育效率，建议在电炉前安装二级孕育槽，以延长出铁距离，使孕育剂与铁液有较长的接触混合时间。

       
       应注意的是孕育剂加入铁液后一段时间孕育作用就会消失，即孕育衰退，这个时间取决于孕育剂的质量和铁液温度，这就意味着孕育剂应在浇注前加入，距离浇注的时间越短越好。

     
       使用电炉熔化时，控制的前（CW）后（PW）白口宽度和孕育剂加入量参照表-6所列。

表-6 白口宽度和孕育剂加入量

       应注意不同铸造厂孕育剂的加入量是不同的，这取决于炉料成分、熔炼工艺、孕育技术、浇注时间等，孕育剂也必须根据各厂的实际情况进行调整。

 (4) 氮和氢的影响

1）氮。铁液中含氮量过低会产生如石墨粗大抗拉强度低等不良影响，如果氮含量低于20～50ppm就会很危险，此时碳结晶成非常粗糙的石墨，抗拉强度降低于碳当量所对应的值。但过量的氮又会导致氮气孔甚至铸铁裂纹缺陷，特别是低的碳当量铸件更是如此，如果相当于牌号HT350和HT300的低碳当量铸铁中含氮量超过100ppm，铸件就会产生氮气孔甚至裂纹缺陷，并且缺陷往往只有在机械加工之后才能被发现。原材料的含氮量情况见表-7。

表-7 各种钢材中的含氮量情况

       来自化工厂过滤用的增碳剂，含氮量可高达1.3%。一般人造石墨和石墨电极含氮量大约为0.05%。锻煤、焦炭粒也含有氮，应该谨慎使用，适当向含氮量低的铁液加入焦炭粒增碳，可提高抗拉强度。

     
       如存在强度硬度低的问题，有必要加入已知含量的含氮材料，但必须要谨慎使用，因为氮将在回炉料中积累增加，应该检测回炉料的含氮量，合适的增氮材料是废锰钢或高锰钢板。

2）氢。氢含量过高最可能出现针孔缺陷，它们往往只能在热处理或机加工后才能被发现。氢气孔内表面有一层石墨，很容易在显微镜下看到。氢在固态铸铁中的溶解度很低，铸铁中的氢很难分析。以下因素可以导致铁液中氢含量过高：①潮湿生锈的炉料；②浇包、出铁槽潮湿不干；③湿型砂浇道（浇注系统应尽可能短）；④铸铁中铝的含量偏高（铝能够增加铸铁中氢的溶解度）。

       
       采用二级孕育槽工艺时，石墨和 FeSi可直接加入炉内或放在二级孕育槽中。为防止形成针孔状缺陷，FeSi中的铝的质量分数不能超过0.5%。

3-2. 熔化控制

       同种牌号铸铁应在同样的温度下进行处理，以便比较结果。当铁液温度达到1450℃时，就应用浸入式高温计测量。

 (1) 出铁前的控制 当铁液温度达到1450℃时应进行如下检测（低于1440℃有石墨和硅不完全溶解的危险）。

1）使用热分析仪检测碳、硅、碳当量，设备应该放在炉前，由炉前操作人员使用，及时得到可靠的结果，调整成分。

2）检测前白口，如果白口值正常或高于标准成分，按程序准备出铁；如白口太小，就应该在较高的温度再取三角试样。

3）出铁槽及二级孕育槽要保持清洁，孕育剂的加入时间长短可以调节，以保证合适的孕育时间。

 (2) 出铁 每次熔化完在出铁前都应检测炉内温度。在熔化过程中，金属的温度至少应达到1480℃，出铁温度可根据铸件种类和铸铁牌号在1450～1510℃之间调节。出铁温度应该记录，出铁温度太低将导致孕育不良，温度太高会产生明显的过冷和收缩倾向。孕育时间取决于出铁时间，孕育时间应不小于出铁时间的70%。

 (3) 出铁后的控制 每次出铁都应该在浇注后期取一个白口三角试块，同等级的铁液每炉次至少做一次碳、硅、锰成分分析，每天每种等级铸铁应该至少取一组试样。每周每种的铸铁应做一个厚度分别为2mm、10mm、20mm和50mm的阶梯试块，以便控制石墨和基体组织。所有的力学性能测试和分析结果都应记录并统计评估。

 (4) 白口测试 三角试片存放架置于控制板的一端，反映成分和孕育处理的三角试片存放在架子上，和浇注相关的信息相对应。

1）白口三角试片砂芯。图7-4所示的芯盒适合于生产这种砂芯，模具采用用铝合金或铸铁做成，以避免因为砂子磨损造成芯子尖端变大，保持三角试片尖锐锋利的楔角。

图-1三角试片尺寸形状

2）三角试片激冷水池。冷却水池位于控制室外，它的结构如图7-5展示。它采用镀锌钢板做成，内部台阶平台是活动的，便于及时清理，它适合于白口试片逐步激冷。

图-2 三角试片激冷水池结构

摘自现代铸铁技术