在鑄造合金家族中，各類鑄造合金的發(fā)展取決于其優(yōu)勢的發(fā)揚(yáng)和劣勢的抑制。鑄鐵與鑄鋼、有色合金相比，鑄造性能較好，容易鑄出形狀復(fù)雜、壁厚不勻的鑄件而較少產(chǎn)生鑄造缺陷。因此，鐵液的利用率高，產(chǎn)品的適用面廣。此外，石墨鑄鐵還有一些與生俱來的，諸如減摩性、緩震性、切削性、疲勞斷裂性等方面的良好特性。
在材質(zhì)競爭中，提高鑄鐵的比強(qiáng)度、增加強(qiáng)韌性、消除內(nèi)在缺陷，對于減輕鑄件重量，延長服役期，節(jié)約材料是非常重要的。為了保證鑄鐵性能的可靠性和穩(wěn)定性，首先必需有良好的鐵液質(zhì)量。
一 鐵液質(zhì)量的內(nèi)涵
鐵液質(zhì)量包括：溫度、成分及成分精度，有害元素含量，非金屬夾雜物數(shù)量、氣體溶量和爐外可造性等。
鐵液質(zhì)量的控制分為熔煉，爐前處理和過濾三個環(huán)節(jié)。以下?lián)褚喪鲋?
二 熔煉
1．沖天爐要上新臺階
① 獲得高溫鐵液
盡管鑄鐵件澆注的工藝溫度并不高，不同鑄鐵大多在1260℃~1400℃之間。但從獲得優(yōu)質(zhì)鐵液的觀點看，應(yīng)有較高的熔煉溫度。高溫熔煉保證了高的出鐵溫度，F(xiàn)e、Si、Mn燒損少，爐況穩(wěn)定，化學(xué)成分波動小。以發(fā)達(dá)國家為例，沖天爐內(nèi)C的波動可控制在±0.05%，Si的波動可控制在±0.1%。高溫熔煉，鐵液中的S、O、H、N及夾雜物都會減少，爐料的不良遺傳性將會減弱。
沖天爐獲得高溫鐵液有三種方法：一是好的爐型，如兩排大間距，冷風(fēng)+固定碳在85%以上的優(yōu)質(zhì)焦炭，出鐵溫度可在1480℃以上。二是富氧送風(fēng)，此法簡便，調(diào)溫迅速及時，但受供氧條件的制約，局限性很大。三是熱送風(fēng)，不同熱風(fēng)裝置風(fēng)溫由150℃至600℃不等，適于開爐時間較長的工廠使用。
我國鑄造廠多數(shù)生產(chǎn)規(guī)模較小，因此在相當(dāng)時期內(nèi)，“方法一”將是主要的措施。冷風(fēng)作業(yè)，沖天爐的熱利用率低，從可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略考慮，熱風(fēng)沖天爐符合節(jié)能的國策，而且可結(jié)合著解決環(huán)境污染，滿足社會生態(tài)要求。隨著世界經(jīng)濟(jì)一體化進(jìn)程的發(fā)展，鑄造業(yè)必將重組、兼并，擴(kuò)大規(guī)模，實行集約化生產(chǎn)，熱風(fēng)作業(yè)將逐步擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。采用熱風(fēng)與否必須考慮的兩個問題是，是否有足夠的連續(xù)作業(yè)時間，以及一次性投入的多少和投資的回收期。
利用爐氣物理熱的爐膽熱風(fēng)，風(fēng)溫在150℃~250℃，穩(wěn)定在300℃以上的尚少。這種爐子配合中等以上品質(zhì)（固定碳>80%）的焦炭，可得到1450℃~1500℃的鐵液。同時利用物理熱和化學(xué)熱的沖天爐，風(fēng)溫在400℃~600℃，出爐溫度可超過1500℃。風(fēng)溫在350℃以上，沖天爐有明顯的冶金效果，爐內(nèi)氧化氣氛大為改善，爐渣活躍，渣中FeO<3%,鐵液S低，爐內(nèi)元素?zé)龘p減少，濕底作業(yè)時[Si]有所增加。從我國工廠經(jīng)濟(jì)實力考慮，應(yīng)該著力開發(fā)高效、實用、經(jīng)濟(jì)型的熱風(fēng)沖天爐。
除了優(yōu)質(zhì)焦和熱風(fēng)外，含有CaO的鑄造電石和特種碳化硅壓鐵加入爐內(nèi)都有提溫的輔助作用。鑄造電石還是一種強(qiáng)脫硫劑；特種碳化硅壓塊作為爐料兼有增硅增碳和促進(jìn)爐渣脫硫的功用。
② 穩(wěn)定爐膛尺寸
低質(zhì)爐襯材料會帶來一系列不良的影響：爐襯侵蝕物污染鐵液；侵蝕物改變爐渣的物理化學(xué)性狀，從而影響爐子的順行和去硫效果；爐膛擴(kuò)大，破壞熔煉的穩(wěn)定性，開爐時間一長，后期會出現(xiàn)鐵液溫度下降，燒損增多，鐵液氧化的現(xiàn)象。
開爐在8–12h時，應(yīng)重視爐襯材料的品質(zhì)，敷搗料濕度要小，搗打密度要大。封爐連續(xù)作業(yè)時，爐體與風(fēng)口應(yīng)進(jìn)行水冷，爐身、爐缸采用高鋁磚、ASC磚和ASC搗打料。該類爐子的連續(xù)工作時間，視系統(tǒng)設(shè)計、爐襯質(zhì)量和管理水平的不同，變動于1~6周。目前國內(nèi)已有生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)爐襯材料的廠家和經(jīng)銷國外產(chǎn)品的公司。
2．使用中頻感應(yīng)爐
近年來，作者走訪了長江三角洲、珠江三角洲和膠東地區(qū)，發(fā)現(xiàn)采用感應(yīng)爐或與沖天爐雙聯(lián)的工廠不少。感應(yīng)爐鐵液的質(zhì)量高，常是國外采購商和國內(nèi)主機(jī)廠指定的供貨條件。
進(jìn)入二十世紀(jì)九十年代，第三代晶體管模塊中頻爐取第二代傳統(tǒng)可控硅中頻爐而代之。這種爐子的特點是節(jié)電、熔化速度快、升溫迅速、操作簡便、工作可靠、對電網(wǎng)無干擾、功率因素高。有的還可以實現(xiàn)一臺熔化，另一臺保溫或預(yù)熱的一拖二操作。
變頻中頻爐可滿足不同熔煉階段的不同工藝要求。當(dāng)熔料時，用較高的頻率實現(xiàn)快速熔化；當(dāng)增碳時，改用較低的頻率，增加鐵液攪拌力，加快增碳過程，從而達(dá)到縮短時間、節(jié)省電力的目的。有的爐子還能隨液面高度的不同自動調(diào)節(jié)功率。近期國外推出的寬爐體感應(yīng)爐，可實現(xiàn)大料直接裝爐。
3．不可忽視生鐵中的微量元素
生鐵出廠一般只規(guī)定Si、Mn、P、S，對C無限量，微量元素則隨礦源而任其自然，不作檢測，底碼不清。我國生鐵中的微量元素有Cu、Cr、Mo、V、Ni、Ti、Sn、Al、Pb、Bi、Zn、As、Sb等。其中Cu、Cr、Mo、V、Ni、并無害處，Al視為中性，As、Zn、Pb有害，Ti、Sb、Bi、Sn為敏感元素，低于一定值有利，超過則有弊。
一般而言，生鐵中的微量元素對普通鑄鐵件無關(guān)緊要，但對球鐵件和重要灰鐵件不可輕視。德國規(guī)定球鐵用生鐵微量元素總量ΣT≤0.0745%，日本為ΣT≤0.089%，要求Ti不大于總量的50%。國內(nèi)有資料提出球鐵用生鐵ΣT≤0.1%，其中Ti<0.045%。
有的外商，對鑄鐵中的Ti有明文規(guī)定，鑄造廠應(yīng)根據(jù)爐料配比情況，反算出對生鐵中Ti量的相應(yīng)要求。
以前，有些工廠用某些生鐵時，出現(xiàn)過一些金相組織和鑄造缺陷的異?，F(xiàn)象，這與生鐵的遺傳性不無關(guān)系。
4．感應(yīng)爐增碳
感應(yīng)爐若以廢鋼為主爐料，在爐內(nèi)增碳生產(chǎn)合成鑄鐵，可得到鋼一般純凈的鐵液。由于沒有生鐵粗大石墨的遺傳和受孕能力優(yōu)良，鑄鐵組織中的石墨具有細(xì)小和分布均勻的特點，球鐵的球化率高，低碳灰鐵易于得到A型石墨和珠光體基體，且壁厚敏感性減小。因為磷很低，大大降低了發(fā)動機(jī)件縮松滲漏的缺陷。
增碳劑常用的有石墨質(zhì)增碳劑（電極塊或優(yōu)質(zhì)天然石墨、類石墨）和碳質(zhì)增碳劑（如冶金焦）。電極質(zhì)地純，灰分<0.5%，S、N含量只有0.1%。選用天然石墨和碳質(zhì)增碳劑時，應(yīng)特別關(guān)注其灰分，S和N量，并防止受潮。增碳劑的吸收率，爐底加入（裝料）時為65~70%，鏡面加入時為75~80%。在一定程度上，回收率隨處理溫度的提高而增加，但高于平衡溫度后，因部分碳消耗于反應(yīng)（SiO2）+2C=[Si]+2CO，反而降低回收率。
碳的熔點為3727℃，碳原子是通過溶解和擴(kuò)散方式進(jìn)入鐵液的，因此增碳劑的粒度和熔池的攪拌對于增碳過程十分重要。
三 爐前處理
1．
脫硫
鐵液脫硫可減少球化劑用量和鑄件中硫化物夾渣的數(shù)量。發(fā)達(dá)國家球鐵生產(chǎn)幾乎全部采用脫硫工藝，要求脫硫后S≤0.01%，我國條件下，目標(biāo)位為S≤0.02%，錫柴和常柴可達(dá)到S≤0.015%。
包底Na2CO3沖入法處理，方法簡便但脫硫率低，效果不穩(wěn)定，處理時煙塵污染環(huán)境，對咽喉有刺激性。在規(guī)模生產(chǎn)的球鐵車間，宜將脫硫劑置于液面，采用機(jī)械攪拌法、搖包法或氣動攪拌法進(jìn)行脫硫。其中氣動法較為簡單，動力消耗少，最為流行。氣動脫硫裝置可設(shè)于前爐上游，進(jìn)行連續(xù)脫硫，亦可在爐前單包間斷脫硫。氣動源多為N2。
脫硫劑分CaC2系和CaO兩大類。CaC2脫硫效果好，可將硫由0.04~0.06%降至0.01%以下，浮渣呈顆粒狀易于去除，只是它的價格貴、熔點高，又礙于運(yùn)輸和保管，故限于近點供應(yīng)。CaO系使用較為普遍。無論是那一系脫硫劑，都應(yīng)具有抗潮、防爆的特性。活性CaO經(jīng)表面成膜處理，并加添加劑制成的復(fù)合脫硫劑，不受潮，去硫效率高，氣動法脫硫，脫硫率在60~90%。產(chǎn)量不大的工廠，單包沖入法脫硫應(yīng)采用低熔點復(fù)合脫硫劑，脫硫率為30~50%，此時脫硫渣呈熔融狀。
氣動脫硫后，鐵液進(jìn)入感應(yīng)爐提溫。
2．
除渣
除渣過程可在包中或感應(yīng)爐內(nèi)進(jìn)行。將除渣劑（聚渣劑）撒于液面即時形成一熔融層，起覆蓋和聚渣作用。除渣劑受熱膨化，在熔融層中產(chǎn)生許多小孔，起良好的保溫作用。
除渣劑分低、中、高三檔。由原礦經(jīng)簡單破碎、過篩的產(chǎn)品屬于低檔，各省均產(chǎn)?，F(xiàn)已不被鑄造廠看好。中檔除渣劑對原礦有所選擇，增加了水洗等工序，能滿足鑄件的基本要求，為多數(shù)工廠接受。進(jìn)口的高檔除渣劑，選優(yōu)質(zhì)礦源，加工工序有別于一般。該產(chǎn)品撒于液面即迅速散布，覆蓋整個液面，除渣能力超卓，用量少，不粘爐襯與澆包，用棍即可將熔融渣層整體挑起，清渣方便徹底，近三年來已開始受國內(nèi)業(yè)界的重視。
3．
球化
球化處理仍以包內(nèi)沖入法為主。選用球化劑需視熔爐、出鐵溫度，脫硫與否和球鐵類型等而定。一般而言，沖天爐鐵液選用Mg7~9%，RE3~7%的球化劑，感應(yīng)爐鐵液選用低Mg（5~6%），低RE（1.5~2.5%）球化劑，亦有的廠仍用Mg8RE3球化劑。JB/T9228-1999標(biāo)準(zhǔn)，對Mg 和RE的成分范圍偏差規(guī)定為±1%，有些廠標(biāo)已縮小為±0.5%，對Ca、Al等亦有明確規(guī)定。球化劑質(zhì)量中，應(yīng)重視MgO含量、成分的偏析程度以及粒度的集中度。凡是粒度不勻，粉末多，色澤發(fā)暗的球化劑不宜選用。
原則上，只要掌握好鐵液的化學(xué)成分和孕育環(huán)節(jié)，采用上述球化劑即可生產(chǎn)鑄態(tài)球鐵。但亦有工廠采用鑄態(tài)球鐵用球化劑。一般，在鑄態(tài)鐵素體球化劑中含有Ba和Bi，在鑄態(tài)珠光體球化劑中含有Ba和Sb，但對于QT700-2以上的重要曲軸類鑄件，不推薦使用含Sb球化劑，此時應(yīng)通過調(diào)整Cu、Mo等的含量來控制基體。必須指出，不管是否采用鑄態(tài)球化劑，孕育永遠(yuǎn)是不可忽視的重要環(huán)節(jié)。
重稀土含鎂球化劑用于厚壁球鐵件，為了防止球化衰退和石墨畸變，還應(yīng)當(dāng)調(diào)低Si量，采取增加石墨球數(shù)，細(xì)化石墨球徑的工藝手段。
蓋包處理法大大減少了處理時的煙光污染，是一種節(jié)省球化劑、保證球化質(zhì)量的簡便工藝，值得推廣。在鋼液喂絲技術(shù)的啟發(fā)下，喂絲球化經(jīng)過試驗已成功用于新興鑄管公司等企業(yè)。喂絲球化是由喂絲機(jī)將合金包芯線連續(xù)不斷地向澆包底部送進(jìn)，進(jìn)行球化處理的一種工藝。該工藝可精確控制殘余鎂量，具有一高三少即球化質(zhì)量高、渣量少、溫降少、污染少的特點。包芯線外皮為0.3mm厚的冷軋鋼皮，芯材一般為含Mg25~30%，并有Ca、Ba、（RE）等的復(fù)合成分。喂絲法成本比沖入法低20~40%，對大批量生產(chǎn)的鑄管廠、汽車鑄造廠等很有吸引力。目前，國內(nèi)已有多家單位能成套供應(yīng)喂絲機(jī)和包芯線，包芯線分球化、蠕化、孕育、脫硫、增碳和合金化等多個品種。
型內(nèi)球化是在澆道內(nèi)設(shè)一反應(yīng)室，鐵液邊流過邊發(fā)生球化反應(yīng)。型內(nèi)球化勞動條件好，氧化損失少，Mg吸收率高達(dá)80％，克服了球化衰退與孕育衰退，提高了球鐵性能。型內(nèi)球化對鐵液硫量要求嚴(yán)格，鑄件的工藝出品率低。七十年代國內(nèi)曾有應(yīng)用，現(xiàn)已不見于生產(chǎn)。
4．
孕育
孕育是提升鑄鐵質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。經(jīng)過十多年的努力，我國孕育劑基本實現(xiàn)了系列化和商品化。
時下，國內(nèi)孕育劑主要是硅系和碳硅系。
硅系孕育劑熔點低，適合于碳高碳低，硫高硫低的各種鐵液，應(yīng)用最廣。特殊硅鐵的孕育作用強(qiáng)，用量少，引起鐵液化學(xué)成分的波動小，鑄鐵質(zhì)量穩(wěn)定。覆蓋面大的首推FeSi-Ba-Ca，它明顯增加共晶團(tuán)數(shù)，抑制灰鐵中的D、E型石墨而促進(jìn)A型石墨的形成，提高球化級別，Ba，尤其是Ba、Ca共存時，抗衰退性好。FeSi-Sr是薄壁發(fā)動機(jī)零件適用的孕育劑，有很優(yōu)秀的防白口能力，而不明顯增加共晶團(tuán)數(shù)，因此可根除因縮松而招致滲漏的弊病。球鐵生產(chǎn)中，由于Ce的存在，Sr的孕育效果受到削弱。含Zr硅鐵有類似于含Ba硅鐵的作用，而表現(xiàn)得較弱。但Zr有除氣功能和微合金化作用，對鑄鐵的力學(xué)性能起穩(wěn)定作用。含Zr硅鐵的熔點高，故常Zr-Mn共存，以降低其熔點。高Ca的孕育劑，如CaSi，兼有脫硫脫氧和防白口及增加石墨核的作用，在二十世紀(jì)五、六十年代多有使用，后來由于焦碳和鐵液質(zhì)量的改善，CaSi已很少單獨使用，偶見于與FeSi或FeSiRE復(fù)合使用。碳硅孕育劑中的碳（石墨）使這種孕育劑有十分優(yōu)秀的防止白口能力。對由高溫鐵液生產(chǎn)邊角多、壁厚較薄的灰鐵件時，較為適用。水壓薄壁件，有防滲漏要求時，亦可作為選項。球鐵生產(chǎn)中，碳硅孕育劑不應(yīng)使用。
出鐵槽大劑量孕育由各種形式的后孕育所替代是孕育方法發(fā)展的大趨勢。后孕育要講究孕育劑的粒度大小和粒度均勻性，特別是包口隨流孕育和澆注流噴射孕育時，粒度偏大，熔吸不良將在鑄件中產(chǎn)生硬點、晶間夾雜物等缺陷。當(dāng)采用高效孕育劑時，切忌孕育過量、以防縮孔、氣孔和石墨偏聚現(xiàn)象的發(fā)生。
型內(nèi)孕育有多種方法，目前大多采用的是將塊狀孕育劑放在直澆道底部進(jìn)行過流孕育，這種方法抓住了孕育的形核峰機(jī)，理論上可獲得最佳的孕育效果。
5．合金化
鑄鐵常用的合金元素有Si、Mn、Cu、Cr、Mo、Ni、Sn、Sb、V、Ti、P等。其中Si、Mn、Cr、Mo、P以鐵合金形式加入，Cu、Ni、Sb、Sn以金屬形式加入，V、Ti以鐵合金或VTi生鐵形式加入。加入時機(jī)在爐后（沖天爐）、爐內(nèi)（感應(yīng)爐）還是爐前，需視它們的熔點、氧化性和密度等而定。為了便于高熔點鐵合金的熔吸，除控制粒度外，采用發(fā)熱合金劑或喂絲加入法是比較理想的措施。
實踐表明，將一部分FeMn、FeCr與硅系孕育劑一起加入，對孕育有加權(quán)作用。在可能的情況下，推遲低合金化元素的加入時機(jī)，對性能影響有利。
四 過濾
金屬過濾技術(shù)在工業(yè)發(fā)達(dá)國家應(yīng)用較為普遍。實踐證明，關(guān)鍵機(jī)件的失效不完全在于試棒力學(xué)性能的高低，而是鑄件內(nèi)部的健全程度。因此，單純追求金相組織的完美是不全面的。作者走訪過的工廠，其品牌產(chǎn)品無不重視過濾的最后一關(guān)。一般小件采用纖維過濾網(wǎng)，過流量大或重要件采用蜂窩陶瓷過濾片或泡沫陶瓷過濾片。過濾片與過濾網(wǎng)相比，檔渣能力更強(qiáng)（泡沫陶瓷過濾片可去掉幾微米至幾十微米的細(xì)小夾雜），還有明顯的消氣作用。作為探索，集球化–孕育–過濾于一體的多功能過濾器正在試驗中。
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