從配料到孕育處理，看感應電爐熔煉灰鑄鐵的若干問題

1.1增碳劑加廢鋼生產合成鑄鐵

       鑄鐵的組織和性能很大程度上取決于原材料的微觀組織和質量。生鐵中存在具有遺傳性的粗大的過共晶石墨，在熔化過程中難以完全消除，使凝固過程中產生的石墨化膨脹作用削弱，鑄件的致密性降低，鐵液收縮傾向增大，同時粗大的石墨還加大對基體的割裂作用，降低材料的性能。

      隨著鑄造技術的發展，越來越多的鑄造企業采用全廢鋼，用增碳方法調整碳量的合成鑄鐵冶煉方法。廢鋼的價格較生鐵便宜，而且在相同的化學成分下能獲得更好的力學性能。

      在生產合成鑄鐵時，增碳劑的選用非常重要，尤其對致密性要求高的薄壁高強度的缸體缸蓋鑄件，一定要采用經過高溫石墨化的增碳劑，增碳劑中硫和氮的含量是衡量增碳劑品質的重要指標。

(1)采用未經過高溫石墨化的增碳劑，這種增碳劑中雜質多，灰分多，并且需要較長的時間才能擴散到鐵液中。如果熔煉時間短，就會出現假增碳的效果，即爐內鐵液的上部分碳含量在范圍內，下部分碳含量低于范圍，這種鐵液澆注鑄件，很容易出現縮松。經過高溫石墨化處理的增碳劑，碳原子從原來的無序排列狀態過渡到片狀石墨的有序排列狀態，片狀石墨才能成為石墨形核的**核心，從而促進石墨化。

(2)未經過高溫石墨化的增碳劑含有較高的氮和硫，會使鐵液中氮的含量增加，生產合成鑄鐵時加入大量廢鋼，廢鋼中也含有大量的氮，使鐵液中氮含量升高，當鐵液中氮的含量超過0.01%，有可能導致形成氮氣孔缺陷，尤其是當氮含量超過0.014%時更甚。

1.2廢鋼的選用

廢鋼的來源要穩定，**是輕型車的沖壓板材。為保證熔煉效率，打包壓塊后，塊度**不超過300mm×300mm×400mm。廢鋼來源不穩定，其中含有的雜物，會使鐵液中微量元素鉛、砷和鋁的含量高，影響缸體缸蓋鑄件的性能，嚴重時造成批量廢品。

（1）鉛的影響

微量鉛即可以引起石墨形態惡化。鉛量由少量漸增時，石墨由正常分布的A型，開始變為蜘蛛狀、爪狀、刺刀狀，并且石墨頭部變尖，邊緣變得粗糙不平，變成鋸齒狀，并出現分枝和形成閉合的環形石墨。當鉛量繼續增加時，主石墨干上出現多條沉積的二次石墨，形成典型的魏氏石墨。

由于微量的鉛即引起石墨形態的變異，使其對基體的割裂作用增強，因而強烈地降低灰鑄鐵的力學性能。

筆者公司通過多年對鉛的研究得出，當以生鐵為主配料時，鉛的含量上限為0.0008%；生產合成鑄鐵時，鉛的含量上限0.0015%，否則缸體的軸承座處的石墨就會變異，從而造成缸體的力學性能低，從而引起材質不合格的廢品。

（2）砷的影響

砷在鑄鐵中是一種微量有害元素。影響鑄鐵的顯微組織，比如：促進灰鑄鐵形成D型石墨，使基體變成珠光體，改變灰鑄鐵的白口傾向等，導致鑄鐵力學性能降低。此外，含砷鑄鐵還容易產生縮孔、縮松、裂紋、偏析以及夾渣等鑄造缺陷，使鑄造生產的質量控制變得困難。

筆者公司原設定的砷含量為0.0080%，在采用增碳劑+廢鋼生產合成鑄鐵過程中出現砷含量最高達到0.0116%的情況，為驗證砷含量對灰鑄鐵缸體缸蓋力學性能的影響，我們將砷含量超出0.0080%的鑄件進行了力學性能檢測。

東風康明斯要求缸體缸蓋的本體性能≥207MPa，試驗砷含量在0.0081%-0.0116%之間的鑄件力學性能和金相組織都完全滿足東風康明斯的要求。

同時，我們對砷含量在0.012%-0.013%時澆注的496件缸體鑄件進行了氣密性檢測，出現2件滲漏，滲漏率為0.4%，滲漏率未出現異常升高。說明As在這個范圍內，不會增加鑄件的滲漏廢品。

福州大學的李樹江通過試驗驗證，當砷含量低于0.0130%時，灰鑄鐵具有較好的力學性能和冶金質量指標。目前，筆者公司將砷的含量控制在0.0130%以下。

（3）鋁的影響

微量元素鋁的含量在一定范圍下并不會對發動機缸體缸蓋鑄件的質量產生影響，但是當鋁的含量超過一定范圍后，就會產生氫氣孔，使鑄件報廢。鐵液中微量鋁（質量分數為0.01%~0.1%）發生反應

2Al+3H2O→Al2O3+6[H]

如果鐵液脫氧不好，而在金屬的硬皮（或氧化膜）附近氫的濃度又高，則有可能發生

2[H]+FeO→H2O+Fe

反應，生產的水就附著在生長著的晶粒上成為氣泡的核心。此后，凝固過程中析出的氫和由界面侵入的氫都向氣泡核心集中，使氣泡長大。氣泡來不及逸出時，就成為氫氣孔。

筆者公司出現過一爐次的康明斯4B缸體氣孔缺陷，而且流水號為相連的，為同一爐次澆注的鑄件。解剖發現內部存在很明顯的氣孔，調查發現該爐次鋁的含量為0.0796%。

同時，又出現兩爐次的鋁含量異常的鑄件，其爐前光譜樣檢驗鋁的含量分別為0.0392%和0.0414%。這兩爐次的鑄件沒有任何缺陷，加工后滲漏廢品也正常。

鋁含量升高，主要是由于壓塊廢鋼中含有鋁制品，在熔煉過程中使微量元素升高。為防止此類缺陷的再次出現，筆者公司規定了爐前鋁的含量不超過0.0400%。

1.3碳化硅的使用

鑄鐵熔煉時加入碳化硅，對于灰鑄鐵，由于非平衡石墨的預孕育作用，可以提高共晶團大量形成與生長的溫度（減小相對過冷度），有利于形成A型石墨；還可以因晶核數量增多，使片狀石墨細小，提高石墨化程度減少白口傾向，從而提高力學性能。

在灰鐵、球鐵和可鍛鑄鐵方面，都是通過SiC+FeO=Si+Fe+CO[1]這個反應，用SiC來降低FeO和MnO在渣中的含量，從而凈化鐵液。

由于碳化硅的熔點較高，加入碳化硅的時間是關鍵，如果加入太晚，碳化硅未全部進行熔解擴散，其中未熔融的碳化硅會以顆粒狀的形態存在于鐵液中，在鐵液澆注后反而會形成渣眼；如果加入時間太長，鐵液經過長時間的熔煉后，碳化硅所形成的形核也會慢慢消失，只能起到簡單的增硅作用。因此建議，碳化硅的加入時間**是在中頻爐熔融1/3爐料時，并且爐料已經化清時加入，伴隨著鐵液的攪拌作用，碳化硅的擴散效果會更好。

筆者公司通過對比不加和加1%碳化硅的原鐵液白口，檢測三角試塊對比（圖4、圖5），加入碳化硅的原鐵液白口為6mm，不加碳化硅的原鐵液白口為10mm。由于碳化硅經過一系列的冶金反應，反應產物中非平衡石墨可作為石墨生長的有效核心，降低了原鐵液的白口傾向。

同時，碳化硅中含有69%的硅，可以用于灰鑄鐵熔煉時作為增硅用，由于其價格比硅鐵要便宜，使用碳化硅還能夠一定程度上降低生產成本。

1.4鐵液的過熱和高溫靜置

在一定范圍內提高鐵液的過熱溫度，延長高溫靜置的時間，都會導致鑄鐵的石墨及基體組織的細化，使鑄鐵強度提高；另外，高溫鐵液在一定的時間下靜置，由于氧化渣的密度比鑄鐵的密度小，鐵液中的氧化渣隨著鐵液的翻滾，會浮到鐵液表面，通過出爐前扒渣處理，可以減少鐵液中的氧化渣，凈化鐵液。但過熱溫度過高，以及過熱時間過長，鐵液中的核心就會消失，增大原鐵液的白口傾向。筆者公司從2010年開始嚴格實施鐵液過熱工藝，經過長時間的探索和經驗總結，認為感應電爐中，鐵液的過熱溫度控制在1500℃-1530℃，過熱時間為5分鐘-10分鐘為**，此時澆注的鑄件石墨細小，組織致密。

孕育處理的目的是增加形核核心、促進石墨化、降低白口傾向。現代化工廠，普遍采用出爐孕育加隨流孕育兩種孕育方式。

2.1出爐孕育

筆者公司出爐孕育是鐵水出至轉運包1/4時隨流沖入硅鋯孕育劑。鋯在鐵液中能生成ZrC、Al3Zr、ZrN，增加析出和細化奧氏體枝晶，增加石墨結晶核心促進鐵液石墨化，促進穩定獲得鐵素體基體，提高鑄鐵的強度。

通過多次試驗對比，采用硅鋯孕育劑比采用硅鋇孕育劑，鑄件的本體強度、硬度要高。

硅鋯孕育劑中的鋯與氮反應生成氮化物降低鐵液中的溶解氮，抑制孕育衰退減少氮氣孔。廢鋼中有較多的氮，當使用增碳工藝時，廢鋼比例大，使用硅鋯孕育劑，能夠減少鐵液因此產生的缺陷。

氮氣孔缺陷，外觀極易與縮松缺陷混淆，在加工廠檢驗時，通常以鑄件裂紋和漏氣的形式表現出來。解剖后發現，滲漏部位有裂隙狀的缺陷，即使該缺陷在加工過程中沒有被發現，在發動機的使用過程中，此處將成為裂紋源，隨著發動機使用時間的延長，裂紋擴散將造成發動機缸體工作失效。

鑄造分公司就曾將廢鋼比例增大至60%并采用硅鋇孕育劑出爐孕育，鑄件加工氣密性檢測時，滲漏廢品高達3.3%，分析其主要就是由于氮氣孔而引起的異常，后來用硅鋯孕育劑代替硅鋇孕育劑，滲漏廢品降低至1%以下。

2.2隨流孕育

孕育衰退是孕育處理過程不容忽視的問題，相比出爐孕育，隨流孕育鐵液溫度較低且孕育時間延后，從而明顯減少孕育衰退現象，提高孕育效果。對于致密性要求高的發動機缸體缸蓋灰鑄鐵鑄件，一般選擇0.05%-0.1%的硅鍶孕育劑。硅鍶孕育劑能夠有效促進共晶石墨化、減少鐵液的白口，但不增加共晶團數，不增加鐵液的縮松傾向，對降低鑄件滲漏具有顯著的作用。

筆者公司2008年以前采用的是出爐孕育加倒包孕育兩種孕育方式，孕育劑均為硅鋇，生產的康明斯4B缸蓋，滲漏廢品率高達10%左右，后采用硅鍶隨流孕育后，滲漏廢品率降低至3.52%。

2.3出爐補碳工藝

鑄鐵在熔融狀態下并非單相液體，而是存在著未溶解石墨分子和滲碳體分子的多相體。如果長時間過熱或頻繁送電攪拌，鐵液趨向于熱力學平衡狀態，未溶解的滲碳體和石墨集團被溶解，鐵液中由于濃度起伏出現新的碳原子集團，這些碳原子集團可能以滲碳體型占多數，從而增加了鐵液的白口傾向，鐵液中有效的形核核減少，導致孕育的回應能力降低，冶金質量變差。

在長期的生產總結中，我們將熔煉時間與溫度、碳含量的變化進行了數據統計。隨著時間的加長、溫度的升高、碳含量存在減少的趨勢，而且有的與爐前相差達到0.10%以上。

為了減少由于長時間保溫和送電，導致鐵液中白口傾向增大和碳損失造成的副作用，在出爐時加入一定量的增碳劑進行預處理。其顆粒迅速擴散到鐵液中，既可以彌補碳的燒損，又可以增加鐵液中的形核核心，起到一部分孕育的作用，預處理用的增碳劑吸收率一般為70%-80%左右。

在同一爐次鐵液中，通過出爐時加入0.06%增碳劑進行微調，檢驗其白口層寬度，并與該爐次不加增碳劑的鐵液進行對比（試驗時分別出第6包和第7包，2包鐵水連續出爐）。

由此可見，隨著感應電爐中鐵液熔煉或保溫時間的延長，鐵液中的碳存在燒損現象，且白口傾向增大，孕育效果變差。

3.1冶金質量是生產優質鑄件的根本保障，形核核心是衡量冶金質量的重要指標。

3.2感應電爐中加入一定量的碳化硅作為預處理劑，增加鐵液中的形核核心，降低白口傾向，并且能減少鐵液中的氧化渣，起到凈化鐵液的作用。

3.3生產合成鑄鐵時，一定要選用經過高溫石墨化的增碳劑，并對廢鋼的來源進行嚴格管控。

3.4大量使用廢鋼，通過增碳工藝生產合成鑄鐵時，容易產生氮氣孔，可以通過選用硅鋯孕育劑來消除氮氣孔的風險。

3.5出爐補碳工藝，不僅能穩定爐后碳的成分，更重要的是起到一定的孕育作用，增加了鐵液中的石墨核心，降低鐵液的白口傾向。

轉自鑄造網