铸铁熔炼基本知识

铸铁熔炼基本知识(目录)1.熔解的目的2.灰铁与球铁主要的性能特征及成因a)灰铁的性能特点及成因b)球铁的性能特点及成因c)灰铁与球铁的本质区别3.影响铸件性能的主要因素a)合金元素对铸件性能的影响b)铁水中气体对铸件性能的影响c)铁水温度对铸件性能的影响d)炉料的影响4.合金的熔炼方式a)冲天炉熔炼b)感应电炉熔炼c)冲天炉、感应电炉双联熔炼5.铁水的处理a)球化处理b)孕育处理铸铁熔炼基本知识(内容)一、熔解的目的获得一定成分和一定温度的铁水二、球铁和灰铁的主要性能特点及原因灰铸铁中的立体片状石墨球墨铸铁中的石墨球1.灰铁的性能特点及原因a)强度性能差●石墨的缩减作用——灰铸铁组织中存在大量的石墨，石墨强度很低可近似认为无强度，这就使得材料的实际承载面积总比材料的实际面积要小●石墨的缺口（切割）作用——灰铸铁组织中的石墨大多以片状形式存在，在石墨片的尖端有应力集中现象易导致基体过载失效b)硬度不稳定——因受石墨的影响大硬度稳定性差c)缺口敏感性低——灰铸铁组织中存在大量的石墨，石墨的缩减作用与石墨的缺口作用使得灰铸铁缺口敏感性低，石墨片越粗大缺口敏感性越低d)良好的减震性——大量的石墨阻止了振动的传播，将能量转化成热能而散发e)良好的减摩性●石墨本身具有润滑作用●石墨脱落处可存储润滑油以保证油膜完整从而提高润滑效果2.球铁的性能特点a)强度和硬度高b)具有一定的韧性c)优良的屈/强比d)较低的缺口敏感性原因：石墨呈球状对基体割裂作用弱，基体连续3.球铁、灰铁性能差异的根本原因球铁、灰铁性能差异的根本原因在于石墨形状的不同。

球墨铸铁金相灰铸铁金相三、影响铸件性能的主要因素1.常见合金元素对铸件性能的影响a)C、Si（CE）的影响●碳当w(CE)%= w (C)%+ w (Si+P) %3●对球铁的影响●CE值过高会产生石墨漂浮现象，使夹杂物增多铸铁性能下降；CE值过低易产生缩松、裂纹等缺陷，CE值在4.6-4.7%左右时易形成组织致密的铸件（实际生产球铁时，如对性能成分无特殊要求，则原汤调质目标为C——3.85% Si——1.85%，球化处理后的成分约为C——3.65%Si——2.80%，w(CE)%= w (C)%+ w (Si+P) %3 =3.65%+2.80%+0.06%3=4.60%,成分的选取恰恰有利于得到致密铸件）石墨漂浮显微缩松●Si可减小铁水的白口倾向，可细化石墨，提高石墨的圆整度；但Si过高会降低铸件的韧性，提高脆性转变温度，因而在寒冷地区使用的铸件或有高韧性要求的铸件一般Si%<2.80%。

高Si可增强铸件高温时的耐氧化性。

（一般球铁产品的原汤Si含量在 1.65——1.85%左右，而Ford排气管原汤Si含量在3.10——3.20%左右，Si含量的增大有效的提高了排气管的高温耐氧化性）C化物的典型形貌●鉴于以上原因球墨铸铁的C、Si含量一般在以下范围内取值铁素体球铁 C：3.80-4.00% Si：2.40-2.80%珠光体球铁 C：3.60-3.80% Si：2.20-2.60%●对灰铸铁的影响●CE值高，组织中石墨粗大，强度降低，缩松倾向减小（在我们实际生产中FC15牌号原汤的C：3.50%，Si：2.10% CE值为4.20%；而FC25牌号原汤的C：3.30%，Si：1.75% CE值为3.89%。

由此可见在灰铁中CE值对强度有着直接的影响中间部位厚大无法利用冒口补缩，只有利用提高CE值得方法来减小缩松倾向，原汤C：3.50%，Si：1.95%此种成分已经与FC15很接近了）●CE值低，组织中石墨变细，强度增加，缩松倾向增大，铸造性能下降，硬度增大不易加工●在不改变CE值的前提下提高Si/C比，可提高铸件强度，高Si可增强铸件高温时的耐氧化性●一般灰铸铁中C：2.60-3.60%；Si：1.20-3.00%，C、Si含量根据铸件强度要求、主要壁厚的不同而分级较细b)Mn的影响●对球铁的影响●Mn具有稳定珠光体的作用，所以随Mn含量的增加铸件的强度增大，硬度增加，延伸率降低；同时Mn易形成碳化物，白口倾向大，含量过高时会在基体和共晶团边界上形成碳化物恶化铸件的力学性能●壁厚<6mm的铸件及铁素体基体的铸件中一般要求Mn<0.30%（所有FCD45材质原汤标准对Mn的要求均在0.30以下）,在珠光体基体的铸件中一般要求Mn<0.60%（高牌号的材质标准中Mn含量在0.60%左右）●对灰铁的影响●Mn会与S结合形成MnS。

因Mn和S都具有阻碍石墨化，稳定碳化物的性能，而MnS不阻碍石墨化，因此在灰铸铁中与S中和后剩余的Mn才起提高铸件力学性能的作用●在灰铁中一般Mn含量在0.40-1.20%范围内c)Cu的影响●Cu促进形成珠光体，抑制铁素体并固溶强化基体所以可以通过提高Cu的含量的方法提高铸件的机械性能●同时Cu可促进石墨化，消除游离渗碳体，改善铸件断面组织、性能的均匀性，故在提高铸件力学性能方面Cu比Mn更具有优越性，在高牌号铸铁中因Mn的加入量受限制通常采用加入Cu的方法来提高强度（铸件机械性能优良，加工性能好的一个重要原因就是厂内几乎所有产品中均加入了Cu来提高铸件强度）。

d)S的影响●对球铁的影响●S是反球化元素，球化时消耗稀土和Mg，对球化效果影响显著，通常依照原汤含S量决定球化剂的加入比例●对灰铁的影响●因Mn会与S结合形成MnS，故S过高会影响Mn对基体的强化作用●S可改善铸件加工性，MnS可促进石墨的非自发形核，对石墨化有利故在会铸铁中S有一定的积极作用●我们公司一般将S控制在0.055-0.12%的范围内e)P的影响●对球铁的影响●在球墨铸铁的凝固过程中易在共晶团界形成P共晶，急剧降低延伸率，冲击韧性，并增大缩松倾向，故在球铁中希望P尽量低，我们一般控制在0.06%以下。

Mo极易与P形成多元磷共晶，在含Mo的情况下对P含量要求更严格，Ford排气管中因加入了Mo故要求P在0.05%以下典型的磷共晶形貌●对灰铁的影响●提高铁水的流动性，提高灰铸铁的耐磨性，但过高会形成磷共晶降低韧性和致密性造成铸件冷裂。

我们公司控制在0.15%以下，在有致密性要求时控制在0.06%以下●因生产中不能脱磷，故只能通过对原材料含磷量的控制来控制铁水含磷量f)Mo的影响●Mo可明显提高强度，可提高抗热疲劳性，但Mo的加入提高了“低P”的要求g)Cr的影响●易形成碳化物降低延伸率和冲击韧性，故意一般要求Cr%<0.05%●能增加铸件的耐磨性,如在生产某些制动盘时要求加入一定比例的Crh)Sb的影响●对球铁的影响●属于干扰球化元素，但0.002-0.010%时可改善厚大断面的石墨球圆整度，增加石墨球数，增加珠光体含量。

一般加入量0.006-0.010%，但要求采用含稀土的球化剂●对灰铁的影响●强烈促进珠光体形成，提高硬度、强度，在提高性能方面比Mn经济。

因其作用强烈，为防止通过返材对低牌号产品造成不良影响故对Sb的使用要加以控制i)Sn的影响●通常在球墨铸铁中加入一定比例，以提高珠光体的含量；但含量>0.1%时有反球化作用，且在共晶团界形成FeSn2偏析化合物导致使韧性降低，故使用中一般不超过0.10%2.铁水中气体对铸件性能的影响a)铁液中的气体元素以三种形式存在●溶解在液态或固态的铸铁中●与铁液中的元素化合●以气孔形式存在b)O——阻碍石墨化，一般在熔炼时带入c) N——阻碍石墨化，增加抗拉强度，含量高时易形成氮气孔，可用Ti固氮减少或消除氮气孔，一般在熔炼时带入d)H——阻碍石墨化，增加白口倾向，降低抗拉强度及塑性，提高硬度，一般在浇注时带入e)为减少铁液中的含气，应在溶解时防止铁水氧化，浇注时铁水包、浇注机充分预热，控制铁水中Al的含量3.铁水温度对铸件性能的影响●温度过低铁水流动性差不能得到外观完整的铸件，铸件薄壁处易出现白口，熔解温度过低时还会产生石墨粗大的现象●延长高温静止时间会细化石墨及组织●温度过高时会使石墨形态变差，甚至出现自由渗碳体●对于普通灰铁的过热温度要求在1550℃以下尽量高；球铁要保证在炉前处理后仍具有较好的冲型能力4.炉料的影响a)在生产中发现存在以下现象：炉料有变化时虽然调质后化学成分相同但最终铸件的组织（石墨化程度、白口倾向、石墨形态、基体组织）却相差很大。

b)以上现象的产生原因归结为以下几点：●遗传效应——在相同的生产条件下，合金的组织和性能取决于原材料的微观组织和质量。

●合金中含气的影响●其它未控制的微量元素的影响c)对于以上因素在生产中很难检测、控制，所以实际生产中要尽量保证原材料的稳定，和配比的稳定四、合金的熔解方式1.冲天炉熔解a)冲天炉熔解的特点●经济●不易准确控制铁水的温度及成分●对炉料尺寸要求较严格（噪声大、污染大b)冲天炉熔解过程中成分的变化一般情况下冲天炉熔解过程中，铁水会存在增碳，硅、锰氧化烧损，增的过程（硫主要来自于焦炭，所以在补脱硫的前提下如要得到低硫铁水就要严控焦炭的含硫量）2.电炉熔炼a)电炉熔解的特点●成本较高●易于准确控制铁水的温度及成分●可熔解废铁屑，大块料●噪声小、污染小b)电炉熔解的成分变化●C烧损（出铁水过程中要每出一包后加约0.5Kg碳粉来补充碳的烧损）●增Si●Mn烧损●S、P基本不变3.冲天炉、电炉双联熔炼可在较低能耗的前提下获得准确的成分准确温度的铁水，可直接熔解废铁屑，大块料五、铁水的处理1.球化处理a)球化处理的目的——使石墨生长成球状已得到球墨铸铁b)作用原理——镁、稀土具有强烈的脱硫、脱氧作用，硫、氧含量低至一定值时石墨生长成球状c)稀土、镁球化剂的优点——具有较好的反应动力学条件，有较高的抗干扰能力，石墨球圆整，比纯Mg安全，劳动条件好d)球化工艺——冲入法、自建压力包法、型内球化、镁块球化等。

因“冲入法”操作简单，在适当的控制下可获得稳定的球化效果，所以我们选用了“冲入法”进行球化。

冲入法球化示意图球化不良●球化不良——球化处理后，球化率未能达到预定的要求●球化不良的原因——铁水中S高，球化元素残留量低，铁液氧化，反球化元素含量高，孕育效果差，型砂含水高或S高球化衰退（不良）金相照片e)球化衰退●球化衰退——球化效果随时间的延长而变差●球化衰退的防止——控制球化完成到浇注结束的时间，降低铁液含硫量,及时扒除浮渣，适当增加球化剂加入量f)球化剂加入过量时易产生反白口反白口——在铸件凝固过程中，因C化元素的正偏析使C化元素在铸件中心部位富集，而导致在铸件中心部位出现白口组织的反白口的金相照片2.孕育处理a)孕育处理的目的——促进石墨化，减小白口倾向，改善断面均匀性，减少过冷石墨，细化组织改善力学性能b)作用原理——为铁水凝固结晶提供异质晶核c)孕育衰退●孕育衰退——孕育效果随时间的延长而变差●孕育衰退的防止——适当增加孕育剂加入量，采用长效孕育剂，尽量缩短孕育与浇注之间的时间间隔d)孕育处理工艺——倒包孕育、浇杯孕育、硅棒孕育、大块浮硅孕育、孕育丝、随流孕育。