碳當量對鑄鐵加工性能的影響及控制

林艷茹，李艷琴

自感應(yīng)電爐被使用以來 ，由于熔煉工藝不成熟，使得材質(zhì)質(zhì)量很不穩(wěn)定，主要表現(xiàn)在抗拉強度和鑄件實體硬度常達不到技術(shù)要求，且碳當量低，鑄件加工性能差，鑄造性能低，對于鑄造工藝設(shè)計的要求高，使得生產(chǎn)過程復(fù)雜化。為此，提高CE值，一方面，為了與灰鑄鐵的發(fā)展趨勢相吻合，即發(fā)展高碳當量、高強度灰鑄鐵，另一方面為了滿足客戶對改善鑄件加工性能的要求。對鑄造工藝的設(shè)計和生產(chǎn)過程來說，CE值的提高，在一定程度上簡化了工藝設(shè)計，降低了過程操作的復(fù)雜程度。

1.提高CE值對力學性能的影響

決定灰鑄鐵性能的主要因素為石墨和金屬基體。C E（CE=C+1/3Si）值的提高，C、Si的含量增加（C、Si是促進石墨化元素），石墨的數(shù)量增加，形狀由細片狀逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楹衿瑺?，石墨尺寸也變大。鑄鐵中存在一定數(shù)量的石墨，使金屬基體承受負荷的有效面積減少，而且在承受負荷時造成應(yīng)力集中，使金屬基體的強度不能正常發(fā)揮，降低鑄鐵的強度。C、Si含量的提高，使得鐵素體量增加，在一定程度上珠光體量相對減少，基體中的鐵素體強度低，而珠光體有較高的強度和硬度，所以基體的強度隨珠光體量的增加而提高。因此，碳當量的提高，必然會使鑄件抗拉強度和硬度下降。在熔煉過程控制中，為了避免因CE值的提高而影響到鑄件力學性能，可以考慮采取以下措施：改變爐料配比；對熔煉鐵液進行精煉；強化孕育處理；低合金化處理。

2.實施過程

（1）改變爐料配比 主要是針對廢鋼所占比例進行階段性的調(diào)整，灰鑄鐵的力學性能隨廢鋼在爐料中的比例增加而增加，廢鋼比例的增加，必然會使生鐵和回爐料（廢品、澆冒口系統(tǒng)、碎鐵屑）的比例減少，考慮到我公司內(nèi)大量的回爐料急需消耗掉，因而在增大廢鋼所占比例同時，也適當增加了回爐料的加入量，這樣在很大程度上降低了生鐵的比例。具體調(diào)整實施過程見表1。

通過爐料配比的調(diào)整，保證了鑄件的性能，提高了碳當量，增加了回爐料的使用量，在很大程度上降低了成本。

穩(wěn)定GB和GC鐵級的爐料配比見表2。

（2）對熔煉鐵液進行精煉 鐵液過熱溫度的高低直接影響到鐵液成分及純凈度。鐵液溫度的提高有利于鑄造性能的改善，更主要的是在一定范圍內(nèi)提高鐵液的溫度，能使石墨細化，組織基體致密，抗拉強度提高。對于孕育鑄鐵來說，過熱的鐵液既能純化鐵液，又能提高過冷度，以及在孕育情況下加入大量的人工結(jié)晶核心，迫使鑄鐵在受控的條件下進行共晶凝固，從而達到真正孕育的目的。因此在過程控制中，我們將鐵液的過熱溫度提高到1510～1520℃，并在該溫度下靜置5～10min，對鐵液進行精煉。

表1 爐料配比調(diào)整 (%)

（3）強化孕育處理 孕育處理的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(tài)，消除過冷石墨；適當增加共晶團數(shù)和促進細片狀珠光體的形成，從而改善鑄鐵的強度和其他性能。而我們在實際過程控制中，對孕育處理進行了逐步的完善，強化了孕育效果。

①爐料中的鐵料對孕育處理的影響及控制。爐料中的鐵料主要為新生鐵、廢鋼、回爐料、切屑。其中鑄造生鐵中含碳、硅高，有粗大的石墨片。在目前的熔煉溫度和保溫時間內(nèi)，原鑄造生鐵中的石墨片不可能完全消溶，這些未溶凈的石墨就是共晶石墨的現(xiàn)成基底，粗大石墨的性狀就遺傳給鑄鐵，會大大抵消孕育的作用。因此在過程控制中，應(yīng)對生鐵的加入量逐漸降低，以消除原生鐵的遺傳性，改善孕育效果。

②鐵液溫度對孕育的影響及控制。鐵液溫度對孕育的影響包括鐵液的過熱溫度和孕育處理溫度兩方面。在一定的范圍內(nèi)提高鐵液的過熱溫度并保持一定時間，可以使鐵液中殘存未溶的石墨質(zhì)點完全溶入鐵液中，以消除生鐵的遺傳影響，充分發(fā)揮孕育劑的作用，提高鐵液的受孕育能力。過程控制中，對過熱溫度提高到1510～1520℃，對孕育處理溫度控制在1420～1450℃。孕育劑量根據(jù)白口大小控制在0.4%～0.5%。

③孕育劑的粒度對孕育效果的影響及控制。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熔渣而失去作用。粒度太大，孕育劑熔化或溶解不盡，不僅不能充分發(fā)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，以保證孕育效果。

④孕育工藝對孕育的影響及控制。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(jié)束。但對于較大的鑄件或兩澆包澆注的鑄件，則不能滿足要求，因而采用了晚期孕育方法：即澆注鑄件之前，在澆包中進行浮硅孕育（孕育量為0.1%），這樣可減小或不存在孕育衰退，提高了孕育效果。

（4）合金化處理 對部分要求高的鑄件，可采用合金化處理，即向普通鑄鐵中加入少量的合金元素，以提高灰鑄鐵的力學性能。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，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，因而使鑄鐵具有較高的強度。在熔煉過程控制中，對合金的加入，主要是針對客戶要求淬火的件或?qū)к壿^厚大的件，合金隨鐵液流沖入。主要加入的合金元素及加入量為：wCu＝0.4%～0.7%，wSn＝0.06%～0.08%，wCr＝0.08%～1.2%。

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，保證了淬硬層深度。

（5）對微量元素的分析控制 微量元素對灰鑄鐵的組織和性能有顯著的影響，它不但影響鑄鐵的凝固特性，在一定程度上影響固態(tài)轉(zhuǎn)變。在過程控制中，我們重點對鑄鐵影響較大的Pb、Ti、N作了分析控制。

Pb：少量的鉛就能限制灰鑄鐵共晶團的生長。因為鉛在石墨和固態(tài)鐵中的溶解度很小，在凝固時，鉛富集生長于石墨-奧氏體共晶團周圍，這樣既改變了石墨結(jié)晶的生長表面，又阻礙了碳原子向石墨上的擴散。

Ti：灰鑄鐵中的鈦使A型石墨的數(shù)量減少，產(chǎn)生D型石墨和基體鐵素體化，白口深度增加。爐料中鈦的來源主要是生鐵中鈦的含量（0.12%左右）。通過對爐料配比的調(diào)整，在很大程度上降低了生鐵的比例，也就降低了鐵液中的鈦含量。

N：氮作為灰鑄鐵的微合金元素，對改善灰鑄鐵的石墨形態(tài)和基體組織方面發(fā)揮了積極作用。氮使灰鑄鐵的共晶團細化，使基體中珠光體量增加，珠光體、鐵素體晶粒細化，但對珠光體的分散度沒有影響；以間隙方式固溶于鐵素體和滲碳體中的氮原子對灰鑄鐵起微合金化作用，可提高其顯微硬度。但灰鑄鐵中的氮含量超過120ppm（120×10-6）以后，易于形成氮氣孔。過程控制中氮的涉入主要是增碳劑中的氮。氮的吸收很不穩(wěn)定，容易超過臨界含量，造成氮氣孔缺陷。

表2 爐料配比 （%）

3.實施效果

（1）通過對以上措施的不斷試驗和應(yīng)用，使CE值得到提高，改善了鑄件的加工性能。

（2）由于CE值的提高，提高了鑄鐵的鑄造性能，簡化了鑄造工藝設(shè)計，降低了操作和控制過程的復(fù)雜程度。

（3）降低了熔煉成本，由于爐料配比的調(diào)整，降低了生鐵的加入量，提高了回爐料加入量，消耗了公司常年積累的大量回爐料。20140320