【热坛学习】再谈关于铸铁的熔炼
以下文章来源于铸造微课堂 ，作者朱谦
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【热坛学习】再谈关于铸铁的熔炼
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做任何事情都要有一个目的。那么熔炼的目的是什么？为浇注工序提供合格的铁水（金属液），何谓合格？简单来说有三个参数：化学成分，温度和洁净度。
一、化学成分
首先需要明白的是：铸造产品的交付是以性能为关键指标，化学成分只是一个参考指标。根据产品结构对成分进行适当的微调是必须的。同理，仅以光谱数据来衡量产品合格是远远不够的。
铸铁的成分主要为常规元素、合金元素、微量元素、有害元素。
1.1 常规元素为五大元素碳、硅、锰、磷、硫。
碳和硅都是强烈促进石墨化的元素，通过调整碳和硅的含量可以控制灰铁的组织和性能。铸铁的碳的质量分数大多在2.6%－4.6%，硅的质量分数在1.2%－4.0%。碳是构成石墨的元素，在一定范围内铁液中碳的质量分数越高，石墨的数量也就越多。硅是促进石墨化的元素。当硅的质量分数在1.0%－2.0%范围内增加时，硅促进石墨化的作用特别强烈。一般以碳当量（CE）综合考虑碳的硅的影响。
CE=C+1/3（Si+P）
这里需要注意的是：铸铁的碳当量的概念和铸钢的碳当量的概念内涵是不一样的。铸钢的碳当量表征的是铸钢的可焊接性。应当加以区分。
碳当量过高，促使灰铁石墨片变粗、数量增多，基体中铁素体量增多，强度和硬度下降。碳当量过低，铸铁易出现麻口或白口组织，会导致灰铁铸造性能降低，铸件断面敏感性增大、内应力增加、强度下降、硬度上升、加工困难。因此，必须使灰铁的碳当量控制在合适的范围内。
碳当量过高，促使球墨铸铁产生石墨漂浮、异形石墨等缺陷。而碳当量过低，铸件收缩倾向变大，易产生缩孔、缩松等缺陷。
锰和硫都是阻碍石墨化的元素，但两者共同存在时，会形成高熔点的MnS，不仅无阻碍石墨化的作用，而且可有助于石墨化的非自发晶核。所以，锰能削弱硫的有害作用。此外，锰能促使珠光体形成并细化珠光体，从而提高灰铁的力学性能，灰铁中锰的质量分数一般为0.6%－1.2%。
硫在高含量时有阻碍石墨作用，使铸件形成白口组织，同时还使奥氏体枝晶粗化，降低铸铁性能。硫还能使铁液的流动性降低，收缩量增大，使铸铁有较大的热裂倾向。因此，硫作为有害元素应加以控制，一般质量分数控制在0.15%以下（国外在0.1%以下）。但目前认为，为确保孕育效果，灰铁中含硫量并非越低越好，一般质量分数不低于0.05%-0.06%
锰不足的危害远远大于锰过量带来的危害，意思就是说在正常的条件下，锰稍高是没有坏处的。
Mn=1.7S+0.3 S＜0.2
Mn=3.3S S≥0.2
当Mn含量大于1.2%时，锰应视为强化珠光体的合金元素。
磷使铸铁的共晶点左移，其作用程度和硅相似，故计算碳当量时，应计入磷的含量。当磷的质量分数大于0.3%时，会生成硬而脆，且熔点低的三元或四元复合磷共晶，常以网状分布在晶界上，使铸铁脆性增加。降低铸铁的力学性能，尤其是降低韧性和致密性。磷量高往往是产生冷裂的原因。但磷共晶能提高铸件的耐磨性，且磷能降低铸铁的熔点和共晶温度，提高铁液的流动性，改善铸造性能。一般灰铸铁，磷的质量分数不应超过0.2%；高强度灰铸铁中磷的质量分数应低于0.06%；有耐磨和高流动性要求的，磷的质量分数可达0.3%-1.5%。气缸套、手榴弹爆破片、艺术铸造件。
1.2 常用合金元素主要有：铬、镍、铜、钼、钒、稀土等。
铬反石墨化作用属中强，共析转变时稳定珠光体；缩小γ区。当Cr20%时，γ区消失，一般用量0.15%-30%，灰铸铁中一般不超过0.5%，会有少量游离碳化物出现，但力学性能有所提高。铬可以提高奥氏体分解温度，稳定珠光体。改善铸铁的耐热性。
钼，中强碳化物形成元素，在0.6%以下作用比较温和，不需要刻意调整C、Si成分。钼同时是强烈的稳定珠光体元素，细化石墨，提高强度硬度，改善力学性能。钼同时可以提高材质的淬透性，钼犹如催化剂，会增强其他元素产生偏析、生成碳化物的倾向，等温转变过程中生成贝氏体的倾向大，且比较稳定不易分解。
铜与铁是互不溶解的。稳定并细化珠光体。小于0.4%作用不明显，当大于1.5%时，铜会以单质形态析出分布在晶界，降低力学性能。
镍与铁是无限固溶的。中等促进石墨化，能力约为Si的1/3，降低奥氏体转变温度，扩大γ区，细化并增加珠光体，强化基体组织，提高力学性能。唯一的缺点就是大幅增加铸件的制造成本。
钒，强碳化物生成元素。细化石墨，促进珠光体生成。只要基体不出现麻口组织，加钒总会提高力学性能。
钛促进D型石墨形成，同时，钛能减少N的危害。
1.3 微量元素主要有：锡、锑、铋等.
锡、锑、铋等元素虽无关石墨化，是强化珠光体元素，使用量很小，一般不超过0.01%。
锡提高硬度和耐磨性，强烈抑制铁素体化。过量时会导致脆化。
铋是最强的珠光体化元素。
|
元素 |
元素珠光体化作用 |
|
Sb |
39 |
|
Mo |
7.9 |
|
P |
5.6 |
|
Cu |
4.9 |
|
Ti |
4.4 |
|
Mn |
0.44 |
|
Ni/Cr |
0.37 |
1.4 有害元素主要有：锌、铅等。
感应电炉的熔炼过程和冲天炉的熔炼过程有很大的区别，在冲天炉中，各种杂质元素被氧化成渣经过流渣操作而带出铁液之外，而电炉的重熔过程因为缺少必要的化学过程，各种微量有害元素的累积作用不得不考虑。
锌对灰铸铁基体组织及石墨形态无太大影响，因为锌的熔点沸点低，在铸铁的熔炼工艺下，变成蒸汽挥发，残留在铁液中很少。
锌干扰石墨球化，影响石墨形态。
最重要的是锌侵蚀炉衬，与炉衬材料中的某些成分反应生成脆性物质，严重降低炉衬使用寿命，这一点要密切关注。
铅促进网状过冷D型石墨的形成，对铸铁中的珠光体起促进和稳定作用，当铅含量大于0.005%时，会促进网状碳化物的析出。
铅在片状石墨区集中分布在基体中，而在D型石墨区，铅集中分布在石墨中。
铅的汽化点较低，提高铁液的过热温度，有利于铅汽化排除；同时铅的密度比较大容易沉淀排除，所以高温静置也有利于铅的排除。
1.5 在实际的生产中，各种合金一般是复合使用，很少有单独使用某一元素的情况，更多的时候需要考虑的是各元素在整个体系中的综合作用，不要片面割裂的看待问题，我们中国人的思维非此即彼非黑即白，生产中尤要注意。
钼和磷共存时，易在晶界处形成脆性的磷钼四元化合物；当你的原材料P高，钼元素的含量该怎么选择？
铬的反石墨化能力与等量的硅的石墨化能力相抵消。当你需要添加铬来提高强度硬度的时候，是不是该考虑增加硅含量？
1.6 化学成分调整的原则
在满足铸件力学性能的前提下尽可能的提高碳当量。
在保持碳当量不变的前提下提高Si/C比值（0.6-0.9），可以获得良好的性能指标。灰铸铁强度、硬度随Si/C比值变化而变化，在一定范围内成线性正比关系。随着Si／C比提高，铸铁显微组织中珠光体和D、E型石墨逐渐减少，且白口倾向明显减小。
二、温度
2.1 熔炼温度
熔炼温度决定着合金的吸收和化学成分的平衡。应尽量避免高温加料熔化，使铁液处于高温沸腾状态，元素烧损加剧，氧化剧烈，杂质增加。
对铁液的高温静置是生产高碳当量高强度灰铸铁的基础。高温系指铁液熔炼温度要达到1500℃-1550℃。静置指的是高温下静置8min-10min。高温静置的作用如下：
a. 细化石墨，细化基体；
b. 提高铸件断面上组织的均匀性，提高抗拉强度，弹性模数略有增加；
c. 能有效地消除铸铁的“遗传性”；
d. 提高铁液纯净度，减少夹渣，增加流动性；
e.灰铸铁的冶金质量显著改善，使成熟度增加，硬化度减少，品质系数增加。
在高温熔炼时，操作者可看到铁液有的沸腾现象，并有气体逸出，这是铁液在进行“自脱氧”的反应，此时操作者应注意2点：
①铁液温度不要超过1550℃，以免造成铸铁的形核能力下降，石墨形态异化，过冷度过大而易出现自由渗碳体，导致强度下降。
②静置时间不要超过10min，以免铁液中的氧含量过低（<10ppm），造成孕育效果恶化。这是因为孕育必须具备两个条件，一是加入Si的孕育剂，二是铁液有一定的含氧量，可生成有效的SiO晶核作为有效石墨化孕育剂的必要条件，对灰铸铁而言，铁液中最佳氧的质量分数为（20-30ppm）。
2.2 取样温度
控制在1410-1430℃，取样过早，加入的合金尚未完全熔化，温度过高，元素烧损加剧，数据出现偏差，影响后期调整。
2.3 出炉温度
一般是经验数据根据实际的生产流程，保证孕育，球化等操作过程的温降，一般控制在1500℃以上。现在很多的人呼吁提高出炉温度，这是建立在大量的实践数据上得出来的结论，也是很有科学依据的。温度高有利于浮渣排气，冶金质量高，在一定范围内提高铁液的过热温度，延长高温静置的时间，会导致铸件石墨形态及基体组织细化，提高铸铁强度。
SiO2+2C=Si+2CO
氧以CO形式逸出，铁液沸腾，沸腾温度大约1475度，此时逸出的气体可使浮渣上浮，铁液中的溶解氧下降，提高铁液纯净度。短流程作业，温降不大，铁液没有足够的静置时间，需要通过孕育剂的粒度等措施来配合。
如果铁液在感应电炉中保温时间过长又处于高温状态，微细的晶态石墨和外来晶核核心都逐渐溶于铁液，石墨化的核心大幅度的减少，这样的铁液过冷度很大，对孕育的回应能力也差，不可能通过孕育处理使铸铁具有符合要求的微观组织，即使化学成分合适也不能用于生产。俗称死铁水。
2.4 浇注温度
一个总体的原则：在保证充型的前提下，浇注温度越低越好。浇注温度需要根据产品结构及采用的工艺措施来确定。试验数据显示：浇注温度每提高100℃，铁液的收缩倾向增加1.6-1.8%，浇注温度越高，铁液的液态收缩越大，铸件产生缩孔缩松的倾向也越大。但同时浇注温度低是造成铸件产生白口最显著也是最常见的原因。浇温低，流动性充型能力差，这是应该避免的。
消失模实型铸造与传统铸造有很大的区别，需要额外的热量来气化泡沫塑料。所以消失模铸造浇注温度比常规铸造方式要适当提高30-50℃，以保证泡沫塑料的气化。
三、洁净度
冶炼过程很重要，铁水要纯净夹杂少才能有更好的流动性。洁净度的关键指标是低杂质含量，低气体含量。
O：铁液中的溶解氧既可以阻碍石墨化又可以促进石墨化，未化合的氧阻碍石墨化，使铁液的白口倾向加大，但在孕育处理的时候，与Si生成SiO2微粒，增加石墨结晶的外来晶核。
铁液氧含量增加，断面敏感性增大。增加孕育剂、变质剂的消耗。含氧量提高，铸件易产生气孔。C+FeO=CO，在铸件凝固降温时，CO有可能留在铸件内形成皮下气孔，这种气孔一般呈簇状，位于铸件顶部。
来源：生锈严重的炉料，长时间高温保温。
N：阻碍石墨化，增加碳化物的稳定性，促进D型石墨的生成，提高硬度，恶化加工性能。在一定含量（小于100ppm），可以增加珠光体量并使之稳定，促进蠕虫状石墨生成，提高灰铸铁的强度，与钛锆等固氮元素生成稳定的氮化物，氮气孔为裂隙状，
来源：增碳剂、呋喃树脂、废钢。
可以采用加入钛锆等合金减低氮的危害。
H：强烈稳定碳化物和阻碍石墨化，反白口及氢气孔。氢气孔产生在铸件上表皮下1-3mm处，加工后发现孔内光亮，外形圆整或扁圆，且有一层发光的连续石墨膜。
来源：潮湿的炉料，有机物（油脂、塑料），砂型中的水分，雨天作业等。
铁水的除渣措施：
炉内打渣要干净，不允许带渣出水，钢渣混出。其中一个原因是回磷，现在采用中频炉熔炼，回用料使用比例越来越大，导致微量元素的富集。在熔炼提温前先把渣子清除干净，后续再孕育时就可以避免渣中的磷被还原再次进入铁液中。
包内打渣也要干净，因为无论是孕育还是球化，都会产生大量的渣，如果不处理干净，随铁水进入铸件就会形成夹渣缺陷。
值得推荐的一种方法是在浇注包包嘴处安装撇渣装置，使用岩棉挡渣。使用优质的火山岩除渣剂也是一种好的办法。
四、配料操作
4.1 废钢
使用大量废钢充分浸润并配合适当孕育处理的灰铸铁石墨尺寸缩短1-2级，凹钝头石墨增多并且A型分布，基体珠光体量多，共晶团小1-2级，抗拉强度提高，白口倾向及壁厚敏感性显著降低，综合性能较高。传统观念认为废钢多会增大铁液的收缩倾向，而不愿意多使用废钢，喜欢多加生铁在生产上是不合适的。现在合成铸铁工艺已经成熟，应该抛弃旧有观念。
4.2 生铁
需要考虑的是生铁的组织遗传性。生铁中含有大量的粗大的过共晶石墨，这种粗大的石墨在低温熔炼的情况下是很难消除的，使得凝固过程中的石墨化膨胀作用减弱，铸件的收缩倾向加大，而且粗大石墨会使铸件性能下降。因此在电炉生产高强度铸铁时，大量使用生铁是不合适的也不经济。
在生产高延伸要求、密封耐压要求的特种铸件时，必须要考虑高纯生铁的使用。如QT450-18AL,QT500-10等特殊材质。
4.3 增碳剂
合成铸铁生产工艺必须要使用高质量的增碳剂，即经过高温石墨化处理的晶体石墨增碳剂。增碳剂的增碳是通过碳在铁液中的溶解和扩散进行的。（注意是溶解而非熔解）
使用增碳剂配料，碳量取上限，尽可能的后期降碳而不增碳，因为后期增碳是非常困难的。
4.4 碳化硅
加入熔炉内的碳化硅转化成铸铁的碳和硅，一是提高碳当量；二是加强了铁液的还原性，大大减轻锈蚀炉料的不利作用。加入碳化硅可以防止碳化物析出，增加铁素体量，使铸铁组织致密，显著提高加工性能并使切削面光洁。增加球墨铸铁单位面积石墨球数，提高球化率。对于减少非金属夹杂物和熔渣，消除缩松，消除皮下气孔也有良好的作用。碳化硅可以促进A型石墨的形成，改善冶金质量。
碳化硅的加入量，通常只要加入铁液量的0.8%-1.0%就可以了。
碳化硅的加入方法是：电炉熔炼铁液，在坩埚熔融1/3炉料时，加入到坩埚中部，尽量不要接触炉壁，然后继续加入炉料熔炼。对于灰铸铁，以SiC含量为85%～90%的冶金碳化硅效果最好；对于球墨铸铁则以SiC含量为97%～98%的结晶碳化硅效果最好。
4.5 回炉料：回炉料的比例尽量不要超过30%。
4.6 感应电炉熔炼铁液，可以有效地控制铁液温度，精确的调整化学成分，元素烧损少，硫、磷含量低，对于生产球墨铸铁、蠕墨铸铁和高强度灰铸铁非常有利。但是感应电炉熔炼铁液的形核率减少，白口倾向大，易于产生过冷石墨，虽然强度和硬度有所增加，但铸铁的冶金质量并不高。
4.7 加料顺序
根据相关理论，熔炼分成三个阶段：固体炉料-熔化，熔化-达到平衡温度，平衡温度-出钢温度。有数据表明在第一阶段和第三阶段，缓慢升温或者停留时间过长，铁液质量会变差。炉料熔化过程中（从固态炉料到铁液）缓慢升温将导致钢液质量变差；铁液熔化后迅速提温到出铁温度并出水，可以得到性能最好，缺陷最少的铸件，反之熔化后提温速度不快，铁水质量将变差，铸件性能也不好。所以现在所提倡的快熔快出是目前感应电炉最合理的配电制度。
4.8 合金加入方法
铬铁的加入既可以在炉内加入，也可以采用包内出水冲入。
镍、铜等元素的烧损极小，可以在炉底加入，也可以在熔清后调整成分时加入。
总而言之,铸造人员必须了解目的、确实作业时机与程序,亦须在最低成本指标下,实行最优化制程,以得到高质量的组织。
（编辑/整理：老翻砂匠）
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