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中頻感應(yīng)爐熔煉高強(qiáng)度鑄鐵

發(fā)布時(shí)間：

2022-09-21

來(lái)源：

偉業(yè)新材料

用中頻爐取代工頻爐和代替沖天爐已成為大勢(shì)所趨，而且為汽車制造業(yè)生產(chǎn)高品質(zhì)的鑄件開(kāi)創(chuàng)了一條新路。變速器殼體是汽車的基礎(chǔ)件之一，它既是多級(jí)齒輪的骨架，不僅要承重，還要經(jīng)得起許多高強(qiáng)度螺栓在擰緊時(shí)所引起的局部較大壓應(yīng)力，鑄件本身須具有較高的耐壓性及耐腐蝕性能，所以鑄件不得有疏松、晶粒粗大等缺陷，以免起潤(rùn)滑與冷卻作用的油的滲漏。傳統(tǒng)上采用HT150或HT200的鑄件作殼體材料，其鑄件質(zhì)量不能適應(yīng)汽車工業(yè)不斷提升整體質(zhì)量的要求。這就需要添加微量Cr、Mo、Cu等合金元素，以獲得珠光體基體為主的高強(qiáng)度適合于殼體的使用性能。為了生產(chǎn)高強(qiáng)度、高品質(zhì)的鑄鐵汽車基礎(chǔ)件，在鑄造時(shí)采用中頻感應(yīng)電爐成為必然。本文在使用中頻電爐容制高強(qiáng)度鑄鐵汽車變速器殼體鑄件的實(shí)踐中對(duì)爐前質(zhì)量控制進(jìn)行一些探索。

1．高強(qiáng)度合金灰鑄鐵成分的設(shè)計(jì)

變速器殼體材質(zhì)為HT250，硬度＜200HBW，要求易切削加工，進(jìn)行油壓試驗(yàn)不滲漏在，在鑄鐵中添加微量多元合金成分，選擇合理的工藝參數(shù)，使鑄件具有相對(duì)的化學(xué)成分和冷卻速度，獲得理想的金相組織和力學(xué)性能。要保障力學(xué)性能，就須控制好基體組織和石墨形態(tài)

高強(qiáng)度低合金化孕育鑄鐵的成分設(shè)計(jì)，首先要考慮鐵液碳當(dāng)量與冷卻速度的影響作用。碳當(dāng)量過(guò)高，鑄件厚壁處冷卻速度緩慢，鑄件厚壁處易產(chǎn)生晶粒粗大、組織疏松，油壓試驗(yàn)易產(chǎn)生滲漏；若碳當(dāng)量過(guò)低，鑄件薄壁處易形成硬點(diǎn)或局部硬區(qū)，導(dǎo)致切削性能變差。將碳當(dāng)量控制在3.95％～4.05％，即可保障材質(zhì)的力學(xué)性能，又接近共晶點(diǎn)，其鐵液的凝固溫度范圍較窄，為鐵液實(shí)現(xiàn)“低溫”澆注創(chuàng)造了條件；而且有利于削除鑄件的氣孔、縮孔缺陷。

其次要考慮合金元素的作用，鉻、銅元素在共晶轉(zhuǎn)變中，鉻阻礙石墨化，促成碳化物、促進(jìn)白口；而銅則促進(jìn)石墨化作用，減少斷面白口。兩元素相互作用在相對(duì)程度上得到中和，避免在共晶轉(zhuǎn)變中產(chǎn)生滲碳體而導(dǎo)致鑄件薄壁處形成白口或硬度提升；而在共析轉(zhuǎn)變中，鉻和銅都可以起到穩(wěn)定和細(xì)化珠光體的復(fù)合作用，但各自的作用又不盡相同。以恰當(dāng)比例配合，能較好發(fā)揮兩者各自的作用。在含wCr＝0.2％灰鑄鐵中加入wCu＜2.0％，銅不僅促進(jìn)珠光體轉(zhuǎn)變，提升并穩(wěn)定珠光體量和細(xì)化珠光體，促進(jìn)A型石墨產(chǎn)生和均化石墨形態(tài)；銅還能少許提升含量，wCr＞0.2％灰鑄鐵的流動(dòng)性，這尤其對(duì)殼體薄壁累鑄件有利。復(fù)合加入鉻、銅可使鑄件致密性進(jìn)一步提升，因此對(duì)于要求耐滲漏的鑄件。加入適量的鉻、銅、有利于改善材質(zhì)本身的致密性，提升其抗?jié)B漏能力。

珠光體基本是高強(qiáng)度灰鑄鐵生產(chǎn)中希望獲得的組織，因?yàn)橹挥幸灾楣怏w為基礎(chǔ)的鑄鐵強(qiáng)度高、耐磨性好。錫能有效增加基體組織中珠光體含量，并促進(jìn)和穩(wěn)定珠光體形成，我們生產(chǎn)實(shí)踐的結(jié)論是把錫含量控制在0.7％～0.09％.

2．嚴(yán)把原輔料質(zhì)量關(guān)

入廠原輔材料須進(jìn)行取樣分析，做到心中有數(shù)，不合格的原輔材料不投入使用。要保障工作量的原鐵液，須選用高碳、低磷、低硫、低于擾（生鐵供應(yīng)商要有微量元素分析報(bào)告單）元素的生鐵；選用純凈的中碳鋼，對(duì)其所含成分Cr、mo、Sn、v、Ti、Ni、Cu等微量元素以化驗(yàn)結(jié)果決定取舍，對(duì)能穩(wěn)定珠光體的廢鋼成分優(yōu)先選用。生鐵和廢鋼須經(jīng)過(guò)除銹處理后方能允許使用，附著油污的要經(jīng)250°烘烤。

對(duì)鐵合金、孕育劑同樣采用定點(diǎn)采購(gòu)，力求成分穩(wěn)定，塊度（粒度）合格。分類堆放，避免受潮。這樣的要求避免了鑄鐵爐料“遺傳性”帶來(lái)的缺陷。

使用前的準(zhǔn)確計(jì)量是熔煉合格鐵液的質(zhì)量保障。指出，對(duì)于感應(yīng)電爐熔煉、嚴(yán)謹(jǐn)爐料中混有密封器皿和易爆物。

（1）堅(jiān)持把理論配料（配料計(jì)算）和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合。無(wú)論采取試算法還是圖解法，理論上計(jì)算的配料數(shù)據(jù)，不能確定為配比，還要掌握中頻爐熔化過(guò)程中元素的變化規(guī)律。如果爐襯屬酸性材料，鐵液溫度＞1500℃，在Si的加入量上只能取下限，而碳須取上線。

（2）掌握各種入爐金屬材料的化學(xué)成分和各元素?zé)龘p與還原規(guī)律。對(duì)回爐鐵（澆冒口、報(bào)廢鑄件）的分類堆放、編號(hào)記載，提出成分明確的嚴(yán)格要求。爐內(nèi)還原的元素在配料時(shí)減去，爐內(nèi)燒損的元素配料時(shí)補(bǔ)上。

（3）合金元素以一次性配入為原則，除Si以外其它配料時(shí)取中限，合金（Mo、Cr、Cu、Sn等）可在熔清扒渣后加入，在酸性爐中燒損較少。C、Si在扒渣及孕育時(shí)還可以補(bǔ)充。就感應(yīng)爐熔煉鑄件而言，遵循先增碳后加硅的原則。

（4）對(duì)P、S含量的控制，P、S量主要來(lái)源于新生鐵，可以通過(guò)選擇爐料將P、S量控制在要求范圍內(nèi)，所以須要使新生鐵的wP＜0.06％，wS＜0.04％，這樣在配料計(jì)算時(shí)P、S量就可以不于考慮。（因鑄件的技術(shù)要求：wP≤0.06％，wS≤0.04％）。

（5）凡入爐的金屬材料均嚴(yán)格按照要求準(zhǔn)確計(jì)量。

3．中頻電爐熔煉的控制

要根據(jù)中頻電爐的冶金特性編制合理的熔煉工藝，從裝料。溫度控制及在各不同溫度下加入合金、增碳劑、造渣劑以及出鐵溫度各個(gè)環(huán)節(jié)嚴(yán)格控制，力求用短的熔煉時(shí)間、小的合金燒損與氧化，達(dá)到控制和穩(wěn)定金相組織，提升鑄件質(zhì)量的目的。

在生產(chǎn)實(shí)踐中，我們將整個(gè)熔煉全過(guò)程分為三期溫度進(jìn)行控制。這里所謂的三期溫度指：熔清溫度、扒渣溫度和出鐵溫度。

熔清溫度：即取樣溫度以前的熔化期，決定著合金元素的吸收與化學(xué)成分的平衡，因此要避免高溫熔化加料，避免搭棚“結(jié)殼”。否則鐵液處于沸騰或高溫狀態(tài)、碳元素?zé)龘p加劇，硅元素不斷在還原，鐵液氧化加劇雜質(zhì)增加，按工藝要求熔化溫度控制在1365℃以下，取樣溫度控制在（1420±10）℃。取樣溫度低了存在鐵合金未熔化完，取的試樣化學(xué)成分勢(shì)必?zé)o代表性;溫度過(guò)高，合金燒損或還原，還會(huì)影響到精練期的成分調(diào)整。取樣后應(yīng)控制中頻爐功率。在爐前質(zhì)量管理儀對(duì)化學(xué)成分顯示出結(jié)果后恰好進(jìn)入到扒渣溫度。

扒渣溫度: 扒渣溫度是決定鐵液質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，因?yàn)樗c成分穩(wěn)定、孕育處理的效果密切相關(guān)，并直接影響到出鐵溫度的控制。扒渣溫度過(guò)高加劇鐵液石墨晶核燒損和硅的還原，對(duì)酸性爐襯，理論上鐵液含硅偏高后將產(chǎn)生排碳作用，影響按溫度系結(jié)晶，存在著產(chǎn)生反白口的傾向；若溫度過(guò)低，鐵液長(zhǎng)時(shí)間被裸露，碳、硅燒損嚴(yán)重。再次調(diào)整成分時(shí)，不僅延長(zhǎng)熔煉時(shí)間使鐵液過(guò)熱，而且易使成分失控，增大鐵液的過(guò)冷度，使正常結(jié)晶受到破壞。

出鐵溫度：為保障澆注和孕育的較好溫度，我們一般控制在1520～1550℃。出鐵溫度的高和低都會(huì)對(duì)鑄鐵的結(jié)晶和孕育效果帶來(lái)影響，如果溫度過(guò)高（超過(guò)工藝規(guī)定溫度30℃以上），盡管爐前快速分析C、Si也適中,但試澆三角試片白口深度會(huì)過(guò)大或中心部位顯現(xiàn)麻口。出現(xiàn)此種情況即使采取措施向爐內(nèi)補(bǔ)加碳增大孕育量，筆者的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)是效果欠佳，且需在調(diào)低中頻功率后，進(jìn)行爐內(nèi)降溫處理，即向爐內(nèi)加入鐵液總量10%-15%經(jīng)過(guò)烘烤的新生鐵，這樣試片斷口心部麻口就轉(zhuǎn)為灰口，白口深度變小。若持續(xù)高溫時(shí)間較長(zhǎng)，采取如上方法后，仍須履行爐內(nèi)補(bǔ)碳措施。出鐵溫度按澆注溫度控制，殼體類鑄鐵件合適的澆注溫度為（1440±20）℃，能夠?qū)崿F(xiàn)“高溫出鐵，適溫澆注”，嚴(yán)格掌握和控制住當(dāng)然好。因?yàn)槌鲨F溫度低將導(dǎo)致澆注溫度低于1380℃，既不利于脫硫、除氣，而且影響孕育處理效果。隨著溫度的降低，冷隔、輪廓不清晰等問(wèn)題明顯增加。

4．鐵液的孕育處理

對(duì)生產(chǎn)變速器殼體用HT250進(jìn)行孕育處理，賴以提升材質(zhì)的耐磨性，使鑄件的組織和性能得以明顯改善，顯著提升各斷面上的硬度值，而且要在穩(wěn)定厚斷面上的珠光體量方面有相同作用，還可改善其壁厚的敏感性和鑄件在機(jī)械加工時(shí)良好的切削性能，尤其是對(duì)防止殼體鑄件的疏松、滲漏有特殊作用。

孕育劑的加入量依生產(chǎn)殼體鑄件的壁厚、化學(xué)成分和澆注溫度等因素確定，以壁厚處不出現(xiàn)疏松、滲漏，壁厚處不出現(xiàn)硬區(qū)為原則。生產(chǎn)實(shí)踐表明，Sr、Ba、Ca、Si-Fe孕育劑是提升強(qiáng)度灰鑄鐵較為理想的孕育劑，此種孕育劑發(fā)揮鋇（Ba）的抗衰退能力及提升A型石墨占有率，鍶（Sr）的特強(qiáng)白口能力，鈣（Ca）和硅（Si）所起的輔助孕育和滲透作用。這種強(qiáng)度組合的孕育劑，是生產(chǎn)高強(qiáng)度鑄鐵孕育處理中較為理想的選擇。

孕育次數(shù)與孕育效果的關(guān)系，隨孕育次數(shù)增加，鑄鐵內(nèi)部石墨分布均勻程度改善，A型石墨占有率和石墨長(zhǎng)度區(qū)別較大，經(jīng)兩次以上孕育的A型石墨占有率高，分布均勻，長(zhǎng)度適中。更重要的是多次孕育促使非自發(fā)晶核數(shù)量增多，強(qiáng)化了基體，從而提升并穩(wěn)定了鑄鐵的強(qiáng)度。

經(jīng)隨流復(fù)合孕育處理，并以漏斗式孕育包用鋇硅鐵+75硅鐵孕育后，避免鐵液隨流孕育滯后于澆注是控制孕育效果的關(guān)鍵。孕育處理后的鐵液應(yīng)在限定時(shí)間內(nèi)澆注完畢，一般不超過(guò)8min，包內(nèi)二次孕育3～5min孕育效果較好。硅鋇孕育劑可ＨＴ２５０的白口，改善其石墨形狀、分布、Ｅ、Ｄ型過(guò)冷石墨。因?yàn)椋判褪丸F素體組織，將使材質(zhì)致密性降低，嚴(yán)重惡化抗?jié)B漏性能。

５．實(shí)際生產(chǎn)的效果

鑄件上薄處無(wú)白口產(chǎn)生，其抗拉強(qiáng)度均達(dá)到ＨＴ２５０以上，試棒硬度達(dá)到１９０～２３０ＨＢW，殼體本體解剖，硬度在１９０ＨＢW左右，鑄件的品質(zhì)系數(shù)顯著提升，金相組織達(dá)到國(guó)外樣機(jī)殼體鑄造水平，珠光體為８５％～９０％，滿足了變速器殼體的強(qiáng)度要求，其力學(xué)性能達(dá)到國(guó)外同類機(jī)型變速器殼體的材質(zhì)水平。

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