摘要：随着国家对环保和污染治理方面要求日益提升，多数铸造厂选择了感应电炉熔炼方式。电炉熔炼生产效率较高，工人劳动强度较低，而且熔化铁水纯净度高，铁液温度和成分容易控制，大大提高了铸件的质量和成品率。但是电炉铁水也存在很多不良的特性，特别是经过长时间保温的电炉铁水。在此条件下生产的铸件即使化学成分满足要求，但金相组织恶化，白口倾向和断面敏感性增加，机械性能也不能满足要求，造成很多质量损失。本文以A199柴油机缸盖铸件为例，对电炉熔炼铁水性质，以及其与铸件金相组织和力学性能之间的关系进行研究，从根本上改善电炉熔炼铁水的品质，从而提高最终铸件性能和质量稳定性，以解决实际生产中遇到的技术难题。
关键词：电炉熔炼；预处理；复合变质处理
1.对“铸铁熔炼”的要求
1.1对熔炼铁液的要求
要想获得优质铸铁件，必须熔炼出优质的铁液。优质铁液应具备以下要求：
1）铁液温度要高，一般要求铁液出炉温度≥1 500 ℃.因为高温铁液除了能保证足够的浇注温度外，还能提高铁液的纯净度，消除铁液的遗传性，改善石墨形态；
2）铁液成分均匀性、稳定性好。例如将铁液的CE和C的质量分数的波动值控制在0.05%之内，以确保铸件性能的稳定性和一致性；
3）铁液具备高的纯净度（氧、气体及夹杂物要尽可能地低）。灰铸铁铁液的含硫质量分数应大于0.07%；生产球墨铸铁件时铁液的硫质量分数应控制在0.02%左右，而且铁液氧化少（如渣中氧化铁质量分数要低于2.0%），含气量、杂质、微量元素含量要少，这对球墨铸铁的生产特别重要【1】。
1.2对熔炼铁液的熔炉提出的要求
1）根据工艺要求，熔化并过热铁液到所需的高温（如出炉温度≥1500℃）；
2）熔炼出符合铸件材质性能要求的、成分稳定的铁液；
3）尽量低的能耗 （起码要达到准入制度的要求），并降低熔炼费用；
4）严格控制污染物排放和噪音，做到达标排放；
5）满足生产的要求，即能按生产铸件的批量和品种的变化组织生产；
6）一次性投资小，运行成本低。
2.试验材料及方法
2.1化学成分的选择
A199柴油机缸盖材料牌号为HT280，采用Cu-Cr-Sn-Ni组合来进行合金化处理，通过提高铸件中的珠光体含量，来保证铸件的综合力学性能指标。
2.2预处理及变质工艺
试验采用6T/4500kw 中频感应电炉进行熔炼，铁水保温温度设定1480℃，保温3h．对于长时间保温的铁水，在炉内加入各0.02%质量分数的增碳剂和硫铁进行预处理。出铁时，使用硅钡孕育剂进行随流孕育处理。K/Na变质剂和稀土硅铁作为复合变质剂加入包底。
2.3试样的制备及理化分析
浇注φ30mm 单铸试棒，用于力学性能及金相组织分析。采用奥林巴斯GX51显微镜对试样的金相组织进行观察。WDW-300E微机控制万能试验机进行抗拉强度试验。THB-3000电子布氏硬度计进行硬度测量。用直读光谱仪结合手工化学分析技术对试样的化学成分进行分析。
3.试验结果及分析
3.1长时间保温电炉铁水的质量状况
生产实践中会发现，即使是控制最终化学成分相同，经过长时间保温的电炉铁水所生产的铸件质量较差。机体类铸件裂纹、缸盖渗漏缺陷增多，且缩松和白口倾向较大。有分析认为：由于硫及硫化物含量低，晶核数量减少，形核能力低，白口增大，A型石墨减少，D、E型石墨增加。经过长时间保温的铁水，过冷度明显增大，孕育效果较差，从而因孕育不良导致石墨形态发生变化。随着保温时间的延长，化学成分中碳的烧损严重，造成铁液的白口倾向加大，铸件中D、E型石墨数量增多，基体中碳化物增多，导致材料的硬度偏高，而力学性能下降。
a）石墨形态 b）基体组织
图1 A199柴油机缸盖金相组织（保温3h）
从图1中可以看出，经长时间保温的铸件，石墨形态为A型+少量D型，基体组织中有明显碳化物存在，珠光体95%.力学性能测量结果显示，试棒的抗拉强度 239MPa，硬度220HB．
3.2对铁水进行强化孕育处理
将硅钡孕育剂的加入量由0.2%提高到0.4%，以观察强化孕育处理对铸件金相组织和力学性能的影响。图2为经强化孕育后的金相组织与石墨形态，可以看出，经过强化孕育后的铸件，石墨形态为A型+少量B型，同时存在石墨粗大现象。基体中含有2%的碳化物，珠光体含量90%。力学性能测试结果为抗拉强度227MPa，硬度191HB。中频电炉熔炼过程中由于硫和其他元素极易化合成硫化物形成熔渣上浮于铁液表面，与渣子一起扒除，硫含量不但没有增加，反而相应减少。高温保温时间较长，作为形核晶粒，硫的化合物在保温期间大量熔融，从而导致硫化物晶核减少，石墨成核能力降低，并且随着铁液保温时间的不断延长，过冷度继续增大。因此，单纯的加大孕育量并不能有效解决铁水的孕育问题，铸件的石墨形态无明显改善，且由于孕育过量，造成石墨增粗，铁素体含量增加，强度下降【2】。
a）石墨形态 b）基体组织
3.3 采用预处理工艺后的铸件质量
为解决长时间保温铁水中碳含量烧损，以及硫含量低造成的形核数量少的问题，防止过冷度变大造成的铸件白口，试验采用0.02%的优质增碳剂+0.02%的硫铁作为预处理剂，同时适当增加孕育量，将孕育剂的加入量调整为0.3%.经过预处理后，铁水的可孕育性增强，形核核心数量增加。由于成分稳定，石墨形态与基体组织改善，减少了裂纹、缩松、缩孔等缺陷，力学性能也得到相应的提高。从图 3中可以看出，石墨形态为A型，孕育效果较好,如图3a）；基体中边缘部分珠光体含量95%，仍然有少量碳化物存在如图3b）力学性能测试结果为抗拉强度290MPa，硬度241HB，基本满足图纸要求，但硬度偏高。铁水的预处理，提高了铁水的可孕育性，配合适当的强化孕育措施，使得石墨形态得到改善，力学性能得到了相应的提高。但是由于长时间保温，铸铁的冶金性能极差，经孕育处理后虽然铁液质量有较大改善，但铸件金相组织不均匀，边缘珠光体含量略低，且存在部分碳化物，影响铸件整体性能。
a）石墨形态 b）基体组织
b）图3 A199柴油机缸盖金相组织（预处理）
3.4采用预处理+复合变质处理工艺后的铸件质量
研究表明，稀土可提供更多的晶核，但它与FeSi孕育相比所提供的晶核成分有所不同。稀土可使原来（存在于铁液中的）未活化的晶核得以长大，结果使铁液中总的晶核数量增多。长时间保温电炉铁水，铁水氧化严重，各种夹杂增多。K/Na 变质剂具有良好的净化效果，并且在铁液中产生大量的异质核心，从而使得铁液中总的晶核数量增加，石墨组织细化且分布更加均匀。将硅钡孕育剂的加入量降低到0.2%，避免了过度孕育造成的石墨粗大，铁素体增多的问题，让更多的碳形成珠光体，采用0.02%的增碳剂+0.02%的硫铁作为预处理剂，同时再加入0.1%rK/Na变质剂。采用预处理+复合变质处理工艺后，石墨形态明显细化。基体中珠光体含量稳定在98%，且碳化物消除。石墨形态改善，珠光体含量的增加，改善了铸件的强度。铸件抗拉强度达到308MPa，硬度210HB，完全满足图纸要求。
结论
1）长时间保温电炉铁水，形核质点减少，造成铁液的白口倾向加大，铸件中D、E型石墨数量增多，基体中碳化物增多，导致材料性能下降；
2）单纯的强化孕育处理，不能有效改善石墨形态和基体组织；
3）采用增碳剂和硫铁对铁水进行预处理，可以改善铁液质量；
4）采用预处理+K/Na、稀土硅铁复合变质处理工艺，可以增加形核核心，改善石墨形态，减少白口倾向，从根本上改善电炉熔炼铁水的品质，提高铸件的性能和质量稳定性。
参考文献：
[1]李传栻. 灰铸铁感应电炉熔炼的一些冶金特点[J]. 金属加工(热加工),2009(03):21-23.
[2]钱立,王峰. 感应电炉熔炼铸铁的几个热点问题[J]. 现代铸铁,2018,38(02):59-64
论文作者:吉华平
论文发表刊物:《电力设备》2018年第30期
论文发表时间:2019/4/11
标签：铁水论文; 石墨论文; 铸件论文; 电炉论文; 金相论文; 基体论文; 珠光体论文; 《电力设备》2018年第30期论文;