高強(qiáng)度易切削灰鑄鐵　熔制寶典不外傳

高強(qiáng)度易切削灰鑄鐵　熔制寶典不外傳

一、技術(shù)要求及生產(chǎn)條件

　?。?/span>1）技術(shù)要求   液壓件主要包括液壓泵、增壓器、氣動(dòng)和流體控制等零部件，出口量較大。材質(zhì)牌號(hào)以HT300為主，還有HT250和HT200。鑄件重量不大，但結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，壁厚在18～35mm。力學(xué)性能要求用同包鐵液澆注的單鑄試棒（φ27mm）來(lái)表征，抗拉強(qiáng)度在275～335MPa，硬度在185～236HBW,鑄件本體硬度差小于35HBW。金相組織由體積分?jǐn)?shù)≥95%的細(xì)片狀珠光體，少量滲碳體和＜1%的磷共晶組成。石墨形態(tài)以A型為主，石墨長(zhǎng)度為4～6級(jí)，允許存在少量的B型、C型石墨，且分布均勻。鑄件外觀(guān)要求表面粗糙度值低，不允許有夾渣、夾砂和微裂紋等缺陷。鑄件機(jī)械加工后，全部鑄件都做滲漏試驗(yàn)。

　?。?/span>2）生產(chǎn)條件   使用國(guó)產(chǎn)自動(dòng)造型線(xiàn)和半自動(dòng)翻轉(zhuǎn)澆注機(jī)進(jìn)行批量生產(chǎn)，單件或小批量生產(chǎn)采用手工造型。有兩臺(tái)1t中頻感應(yīng)電爐熔煉鐵液。爐前采用QL-BS4000型智能分析儀快速檢測(cè)鐵液中的碳、硅、硫元素含量，用快速熱電偶測(cè)溫槍在線(xiàn)檢測(cè)鐵液溫度。原鐵液經(jīng)1520℃過(guò)熱后出爐，出爐溫度為1480～1500℃。采用隨流孕育和包內(nèi)孕育相結(jié)合的復(fù)合式孕育方式。用FeSi75和SiBa3合金進(jìn)行爐前孕育劑處理。澆注前用濕砂型三角試樣檢查白口深度。用10t萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)灰鑄鐵的抗拉強(qiáng)度，用布氏硬度計(jì)測(cè)試灰鐵的硬度，用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行微觀(guān)組織分析。

　?。?/span>3）熔煉工藝及參數(shù)   熔煉用原材料包括低碳優(yōu)質(zhì)廢鋼、鑄造生鐵及回爐鐵（澆冒口和同類(lèi)產(chǎn)品機(jī)加工的鐵屑）。廢鋼是優(yōu)質(zhì)螺紋切頭和鋼板裁剪后邊角料，無(wú)銹蝕，無(wú)油污；生鐵為Z15鑄造用生鐵；回爐鐵的澆冒口經(jīng)滾筒清理，表面無(wú)粘砂，還有同類(lèi)產(chǎn)品機(jī)加工后的鐵屑。隨流孕育用FeSi75，化學(xué)成分見(jiàn)表1，SiBa10孕育劑的化學(xué)成分見(jiàn)表2。其他中間合金有FeMn、FeMo65和純銅等。

　　二、影響灰鑄鐵機(jī)械加工性能因素

　　石墨形態(tài)及分布是決定灰鑄鐵強(qiáng)度和切削性能的關(guān)鍵。在化學(xué)成分和金相組織相同的條件下，進(jìn)口件比國(guó)產(chǎn)件材質(zhì)性能要高出1～2個(gè)牌號(hào)；進(jìn)口件硬度高于國(guó)產(chǎn)件，而切削加工性能反而優(yōu)于國(guó)產(chǎn)件。究其原因，主要與進(jìn)口件碳當(dāng)量高、石墨析出量多且分布均勻、組織均勻性好和夾雜物含量少及材質(zhì)純凈度高有關(guān)。另外，組織中游離碳化物較少，通常小于1%。因此，在感應(yīng)電爐熔煉條件下獲取高碳當(dāng)量、高冶金質(zhì)量的鐵液是保障灰鑄鐵綜合性能的關(guān)鍵所在。

　　影響灰鑄鐵加工性能的因素主要包括爐料配比、化學(xué)成分、熔煉及孕育處理工藝、微觀(guān)組織控制以及冷卻速率等方面。消除內(nèi)應(yīng)力也能使切削性能得到改善。另外，實(shí)踐證明，經(jīng)過(guò)時(shí)效處理過(guò)的鑄件具有良好的切削性能，尤其是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期存放的鑄件，在內(nèi)應(yīng)力消除后，晶界的斷屑效果明顯改善，切削能效顯著提高。當(dāng)今機(jī)械加工的切削追求高速化，切削速度越來(lái)越快，而高速切削對(duì)斷屑效果特別敏感。除石墨斷屑作用外，晶界狀態(tài)對(duì)高速切削也非常敏感，即晶界處的應(yīng)力及微小顆粒數(shù)量都會(huì)影響到刀具的使用壽命。由此可知，在提高灰鐵強(qiáng)度指標(biāo)的前提下，合理地控制灰鑄鐵的微觀(guān)組織是改善材質(zhì)加工性能的關(guān)鍵所在。

　　三、影響鐵液冶金質(zhì)量的因素

1．碳當(dāng)量   

　　決定灰鑄鐵力學(xué)性能的主要因素為石墨形態(tài)和基體類(lèi)型。當(dāng)碳當(dāng)量較高時(shí)，石墨析出數(shù)量增加，鐵素體化傾向較大，會(huì)大大降低灰鑄鐵的力學(xué)性能。為了改善高碳當(dāng)量灰鑄鐵的強(qiáng)度，必須進(jìn)行低合金化處理，這在一定程度上又會(huì)惡化材質(zhì)的機(jī)械加工性能。因此，在材質(zhì)控制方面，確定適宜的碳當(dāng)量有利于提高和改善材質(zhì)強(qiáng)度和加工性能。

　　在碳當(dāng)量較低的情況下，隨著Si/C比的增大，灰鑄鐵強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，強(qiáng)度峰值對(duì)應(yīng)的Si/C比在0.7～0.9；當(dāng)Si/C比一定時(shí)，隨著CE的增大，灰鐵強(qiáng)度指標(biāo)隨之下降。在較高碳當(dāng)量下，上述規(guī)律的實(shí)用性較弱。對(duì)高牌號(hào)灰鑄鐵而言，適宜的CE為3.75%～3.85%，Si/C比值為0.57～0.67。

2.爐料   

　　爐料優(yōu)劣是影響鐵液質(zhì)量的重要因素。生鐵中的雜質(zhì)和微量元素含量和組織缺陷都具有遺傳性。例如，低硅生鐵熔化后碳化物原子及其伴生的白口、縮松、裂紋等缺陷會(huì)遺傳，因此灰鑄鐵爐料**選用Z18以上牌號(hào)的鑄造生鐵。生鐵中的微量元素構(gòu)成遺傳性的載體，高爐低氮生鐵會(huì)產(chǎn)生粗大石墨，因此電爐熔煉時(shí)要注意使用增碳劑的含氮量。據(jù)相關(guān)資料顯示，微量的氮可以提高鑄鐵力學(xué)性能，但是過(guò)量的氮會(huì)產(chǎn)生氣孔和微裂紋等缺陷。增加廢鋼加入量能降低鐵液的含碳量，提高力學(xué)性能。只用廢鋼和回爐料，用增碳的方法調(diào)節(jié)碳量，稱(chēng)為合成鑄鐵。相同的化學(xué)成分，合成鑄鐵力學(xué)性能更好。要求使用的廢鋼應(yīng)該嚴(yán)格挑選，因廢鋼成分很雜，易切削鋼含鉛元素，低碳鎮(zhèn)靜鋼含鋁元素，合金鋼含合金元素，這些元素也會(huì)嚴(yán)重影響和惡化鐵液的冶金質(zhì)量。

3.低合金化處理   

合金化是強(qiáng)化基體，提高強(qiáng)度和剛度的有效方法。生產(chǎn)中通常加入Cu、Mo、Cr、Sn、Mn等元素，加入量一般在0.1%～1.0%，見(jiàn)表3。合金元素的使用效果與加入方式、加入量以及所用的孕育劑種類(lèi)有關(guān)。直接將Cr加入到原鐵液中，加入量**為0.35%，否則就會(huì)產(chǎn)生碳化物，而且使鐵液流動(dòng)性變差。合金元素復(fù)合添加的作用要比單獨(dú)使用效果好，有許多合金的配合使用是特別有效的，合金配合使用還能減少合金元素的加入總量，從而降低鑄件的生產(chǎn)成本。

4.孕育處理

　?。?/span>1）孕育劑的作用   促進(jìn)石墨化，降低白口傾向；降低斷面敏感性；消除過(guò)冷石墨；增加共晶團(tuán)數(shù)；改善力學(xué)性能。對(duì)于灰鑄鐵件，已有多種的孕育處理方法。選用合適的孕育處理方法非常重要，往往是決定產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素。企業(yè)應(yīng)根據(jù)自身?xiàng)l件，通過(guò)試驗(yàn)選定最適合本企業(yè)特點(diǎn)的方法。處理方法一經(jīng)確定，就應(yīng)嚴(yán)格控制工藝過(guò)程以保證鑄件質(zhì)量的穩(wěn)定。

　?。?/span>2）孕育劑種類(lèi)及孕育工藝的選擇   孕育劑種類(lèi)眾多，比較常用的有：75SiFe、RESiFe、BaCaSi/SrSi等微合金化孕育劑等。因此，應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際合理選擇。在孕育工藝方面，高強(qiáng)度灰鑄鐵盡量采用隨流孕育工藝，但要嚴(yán)格控制加入量。

　　（3）孕育劑用量的確定   傳統(tǒng)生產(chǎn)方式認(rèn)為，嚴(yán)格控制原鐵液的Si含量，通過(guò)大孕育來(lái)獲得高強(qiáng)度灰鑄鐵。實(shí)踐證明，在孕育處理上，加大孕育劑用量，一方面會(huì)使鑄鐵收縮傾向增大，同時(shí)增大夾渣傾向，因此宜將孕育劑用量控制在0.25%～0.4%。

FeSi75是最常采用的孕育劑，其中的鋁、鈣含量對(duì)孕育效果有一定的作用，不含鋁、鈣的硅鐵對(duì)灰鑄件的孕育作用小。一般認(rèn)為在鐵液中鋁和鈣會(huì)與氧、氮反應(yīng)形成高熔點(diǎn)的化合物，成為石墨結(jié)晶的核心。加入孕育劑后鐵液中可形成局部的富硅微區(qū)有利于石墨析出。所以，采購(gòu)孕育用硅鐵時(shí)要考慮其中鋁和鈣的含量，鐵液中的含鋁量不能高，0.01%的鋁就可能導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生皮下針狀氣孔。

　　出鐵時(shí)用FeSi75進(jìn)行孕育處理，孕育效果會(huì)很快地隨時(shí)間的推移而衰退，孕育后5-7min，作用的衰退可在50%以上，約15min后，孕育作用將大部或全部消失。為確保鑄件質(zhì)量通常都要在孕育后10min內(nèi)澆注完成，**在鐵液自澆包注入鑄型時(shí)進(jìn)行再次孕育。

　　二次孕育處理選用FeBa10Si55孕育劑，其具有很強(qiáng)的促進(jìn)石墨化的能力，可改善薄壁鑄件中石墨的形態(tài)和分布狀況，增加共晶團(tuán)，促成A型石墨形成，且有減緩孕育衰退的作用，處理時(shí)的用量?jī)H為FeSi75的一半。含鋇硅鐵孕育劑是一種長(zhǎng)效孕育劑，它更適于薄壁灰鐵件，可有效改善石墨形狀及分布，消除其過(guò)冷石墨和組織均勻性。例如，在生產(chǎn)牌號(hào)為HT250鉻鉬銅鑄鐵件時(shí)，用含鋇硅鐵孕育劑明顯減小鑄件的滲漏傾向。同樣，鋇硅鐵孕育劑對(duì)液壓件也非常適用，用0.1%的硅鋇合金作孕育劑，能顯著降低液壓件的白口傾向，擬制游離滲碳體的產(chǎn)生，顯著改善斷面敏感性，使孕育效果延長(zhǎng)30min左右，特別適用于有特殊技術(shù)要求的鑄件。

　?。?/span>4）澆注方式   采用人工傾轉(zhuǎn)式澆包澆注時(shí)，可在包嘴上用定量漏斗進(jìn)行隨流孕育。生產(chǎn)線(xiàn)上可采用帶料斗的微型螺旋給料器進(jìn)行隨流孕育。

　　四、熔制過(guò)程的關(guān)鍵技術(shù)措施

　?。?/span>1）原輔爐料的嚴(yán)格管理   “精料出精品”。為了確保原材料化學(xué)成分和組分的穩(wěn)定性，原輔材料應(yīng)定點(diǎn)采購(gòu)，入廠(chǎng)檢驗(yàn)合格后才能使用。同時(shí)如實(shí)做好原始記錄，有據(jù)可查，使質(zhì)量問(wèn)題有可追溯性。避免因原材料變化所導(dǎo)致的質(zhì)量不穩(wěn)定和質(zhì)量下降。

　　（2）化學(xué)成分的優(yōu)化設(shè)計(jì)及微合金化   優(yōu)化后的液壓件化學(xué)成分列入表4。

　?。?/span>3）爐料配比   經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)、比較，確定的爐料比例為：廢鋼40%、新生鐵15%、回爐鐵45%（澆冒口加同類(lèi)產(chǎn)品機(jī)加鐵屑：20%+25%）。

　?。?）加料順序   投料順序?yàn)椋簭U鋼→新生鐵→回爐鐵→錳鐵→硅鐵→除渣增碳劑→合金料。     

（5）爐前控制   對(duì)每爐鐵液要做好爐前快速分析，根據(jù)實(shí)際情況快速調(diào)整原輔材料的投放量，以確保原鐵液化學(xué)成分的穩(wěn)定性。

　?。?）過(guò)熱溫度的控制   鐵液過(guò)熱溫度控制在1540～1520℃這個(gè)范圍。適當(dāng)?shù)倪^(guò)熱對(duì)消除原材料的“遺傳性”非常有作用，而且有利于組織成分的均勻性。我們控制的出爐溫度為1490～1520℃。

　?。?/span>7）強(qiáng)化孕育處理   出爐時(shí)用FeSi75進(jìn)行瞬時(shí)孕育。孕育處理完畢后除渣，加覆蓋劑，將澆包運(yùn)送到鑄型處，依據(jù)三角試片白口深度，決定Ba10Si55孕育劑的數(shù)量,白口寬度控制在約3.5mm為宜。隨之準(zhǔn)備澆注。澆注溫度控制在1450～1480℃。澆注前澆包須烘烤到750℃以上。

　?。?/span>8）澆注工藝   澆注工的熟練程度對(duì)鑄件質(zhì)量影響很大。做到一穩(wěn)二快三收流好。澆注時(shí)鐵液流的忽大忽小、時(shí)快時(shí)慢都會(huì)影響鑄件的成形質(zhì)量；斷流會(huì)使鑄件產(chǎn)生冷隔或澆不足。因此，過(guò)去就有“三分造型，七分澆注”一說(shuō)，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)澆注工藝的管控十分重要。

　　結(jié)語(yǔ)

　　按照以上措施投入生產(chǎn)后，除抗拉強(qiáng)度其余指標(biāo)符合技術(shù)要求，送到機(jī)械加工車(chē)間的鑄件，先是經(jīng)過(guò)小批量試加工，然后才批量生產(chǎn)；機(jī)械加工車(chē)間的工人普遍反映，雖然硬度稍高于過(guò)去的鑄件，但是車(chē)削起來(lái)反倒更好，現(xiàn)在的鑄件切削性能優(yōu)于以前。

　　在中頻感應(yīng)電爐熔煉條件下，通過(guò)優(yōu)化灰鑄鐵的化學(xué)成分和爐料配比，提高鐵液的冶金質(zhì)量，選用合適的長(zhǎng)效孕育劑并強(qiáng)化孕育效果，同時(shí)進(jìn)行低合金化處理，可以獲得高強(qiáng)度易切削灰鑄鐵材質(zhì)，滿(mǎn)足出口液壓鑄件的生產(chǎn)技術(shù)和質(zhì)量要求。

作者簡(jiǎn)介：袁東洲，陜西省內(nèi)燃機(jī)配件廠(chǎng)。連煒，西安工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院。陳金標(biāo)，浙江臺(tái)州市仙居元眾液壓機(jī)械公司。徐錦鋒、魏兵，西安理工大學(xué)材料學(xué)院。

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