铸造合金及其熔炼(铸铁)

左边的元素促进石墨化，右边的元素阻碍 石墨化，距铌越远作用越强烈。由此可知， 铸铁中的含量较多的碳、硅、锰、磷、硫都 会影响石墨化的进行
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第石墨化的元素，通 过调整碳和硅的含量可以控制灰铸铁的组织和性能。 灰铸铁碳的质量分数大多在2.6%～3.6%，硅的质量 分数在1.2%～3.0%。
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第三章 铸造合金及其熔炼
第一节 铸铁及其熔炼
一、铸铁 铸铁是一种以铁、碳、硅为基础的多元合 金，此外，还含有锰、磷、硫等元素。有时 为了改善铸铁的性能，还可加入铜、铬、钼 等合金元素。铸铁碳的质量分数一般在 2.4%～4.0% 。常用的铸铁有灰铸铁、球墨铸 铁、蠕墨铸铁和可锻铸铁。
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第三章 铸造合金及其熔炼
图3-1 灰铸铁的组织
a)铁素体灰铸铁 b)铁素体-珠光体灰铸铁 c)珠光体灰铸铁
灰铸铁中存在的片状石墨，一方面减少了金属基体的 承载面积，另一方面石墨片的尖角处造成了应力集中，所 以，灰铸铁的抗拉强度较差，塑性较低。由此可见片状石 墨的数量大小和分布状况是影响灰铸铁性能的主要因素。
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图3-4 铸件壁厚（冷速）和化学成分对铸铁组织的影响
Ⅰ-白口铸铁区 Ⅱ-麻口铸铁区 Ⅲ-珠光体灰铸铁区 Ⅳ-珠光体加铁素体灰铸铁区 Ⅴ-铁素体灰铸铁区
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（4）孕育铸铁
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向碳、硅含量较低的铁液中加入一定数 量的孕育剂，造成人工晶核，改变铁液的结 晶条件，从而细化共晶团，改善石墨的尺寸 及分布，提高灰铸铁的力学性能。这种灰铸 铁叫孕育铸铁。 孕育铸铁生产的关键是原铁液化学成分的 选择、孕育剂、孕育处理方法及炉前控制。
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（2）化学成分对灰铸铁组织和性能的影响
灰铸铁的化学成分除了含有碳、硅、锰、 磷、硫五种主要元素外，还含有一些其它元 素，各种元素及其含量都对灰铸铁的性能产 生不同影响。 铸铁的组织取决于石墨化程度，研究化学 元素对灰铸铁组织的影响，主要研究化学元 素对石墨化的影响。
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图3-5 三角试块的形状及尺寸
表3-2
牌号 HT350 HT300 HT250
孕育前后的试块白口宽度
孕育前的白口宽度 12～ 24 8～ 18 6～ 12
（单位：mm）
5～ 10 4～ 8 3～ 7
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孕育后的白口宽度
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第三章 铸造合金及其熔炼
第三章
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铸造工(高级) 培训要点：
第三章 铸造合金及其熔炼
重点掌握各种铸造合金的牌号及性能； 化学成分对灰铸铁、球墨铸铁性能的影响； 孕育铸铁、球墨铸铁的生产技术； 冲天炉熔炼操作工艺、一般过程和基本原理； 熔炼配料计算方法； 了解各种铸造合金的发展趋势； 了解铸钢和非铁合金的熔炼过程及主要设备。
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灰铸铁的力学性能是由金属基体组织及石墨 形态决定的。分为以下三种： 1) 铁素体灰铸铁 在铁素体基体上分布着粗 大的片状石墨，其强度、硬度都较低； 2) 铁素体-珠光体灰铸铁 在铁素体和珠光 体基体上分布着细小的片状石墨，其强度、 硬度都比铁素体灰铸铁为高； 3) 珠光体灰铸铁 在珠光体基体上分布着细 小的片状石墨，具有较高的硬度，在灰铸 铁中强度最高。
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为缩短从孕育到凝固的时间，防止孕育衰退， 加强孕育效果，减少孕育剂用量，目前已发展 了许多瞬时孕育方法，如浇包漏斗随流孕育、 硅铁棒孕育、喂丝孕育、型内孕育等。 孕育剂的加入量应严格控制。孕育剂的加入 量与铁液成分、铸件壁厚、孕育剂种类和孕育 方式有关。一般炉前孕育的加入量为铁液重量 的0.2%～0.5%，瞬时孕育为0.08%～0.2%。
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3）孕育处理方法 一般孕育处理的方法是将 孕育剂均匀地加在出铁槽的铁液流上，使其 随铁液冲入铁液包内。孕育剂的加入时间应 占出铁时间的60%以上，并在出铁接近三分 之一时加入，保证孕育剂与铁液均匀混合。 出铁完毕后可适当搅拌。这种孕育处理方法 又称炉前孕育或一次孕育。孕育处理后的铁 液应在规定时间内浇完，以防孕育衰退。
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铸铁中的元素按其对石墨化影响的不同， 可分为促进石墨化和阻碍石墨化两大类。
促进石墨化元素 阻碍石墨化元素
Al，C，Si，Ti，Ni，Cu，P，Co，Zr，Nb，W，Mn，Mo，S，Cr，V，Fe，Mg，Ce，B ＋ ————————————————○——————————————————— －
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3）磷 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韧性和 致密性。磷量高往往是铸件产生冷裂的原因。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% ； 高强度灰铸铁的磷的质量分数应控制在0.12%以下； 有致密性要求的，磷的质量分数需低于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%。
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1）原铁液化学成分的选择 选择适宜的碳、硅含量（碳当量）的原铁 液，是生产孕育铸铁的关键。碳、硅含量过 高不经孕育处理就是灰口组织，孕育处理反 而造成石墨粗大，使强度下降；碳、硅含量 过低，则增加熔炼困难，降低铸造性能，增 加孕育剂消耗。因此，一般选择位于铸件组 织图上麻口区内或白口区域边缘（靠近麻口 区）的成分，在孕育处理后，就可使铸铁转 入珠光体区域。见图 3-3 。一般原铁液的碳 的质量分数为2.8%～3.3%，硅的质量分数为 1.0%～1.6%。
此外，炉前采用的检查方法还有炉前快速化 学分析法、直读光谱分析法、热分析法、炉前 快速金相法等。
5）孕育铸铁的组织和性能 孕育铸铁的 组织，是在致密的珠光体基体上，均匀地分 布着细小的片状石墨，所以孕育铸铁的强度、 耐磨性等均比普通灰铸铁高。另一特点是断 面敏感性小。但减震性、缺口敏感性略低于 普通灰铸铁。由于碳、硅含量低，所以流动 性差，收缩较大。
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4）炉前控制 在生产过程中，为及时检查铁 液的化学成分，确定孕育剂的加入量并检查 孕育效果，避免浇注后出现废品，必须在炉 前采取简单、迅速、较正确的检查，并据此 采取相应的措施。 炉前常用的检查方法是三角试块白口检 测。三角试块的形状和尺寸见图3-5。试块 一般采用干型立浇。浇注后待其冷却至暗红 色后放入水中激冷，然后敲断，观察断口处 的颜色、晶粒大小，并测量白口宽度。白口 宽度与铸铁牌号的对应关系见表3-2。
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4）合金元素 灰铸铁的低合金化是提高其力学性能、 使用性能及节省材料的重要途径，低合金灰铸铁可 以含有一种或几种合金元素，其总的质量分数一般 在3%以下，合金元素的作用主要有以下几方面： 改善并显著提高铸铁的力学性能，增加硬度； 增加铸件性能的均匀性，降低断面敏感性； 改善铸件的塑性； 改善铸铁的高温及低温性能； 提高铸铁热处理的淬透性及改善耐磨性。 常用的合金元素有：铬、镍、钼、铜、钒、锡、 钛、硼等。
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图3-3 铸件组织图
Ⅰ—白口区 Ⅱa—麻口区 Ⅱ、Ⅱb. Ⅲ—灰口区
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锰在孕育铸铁中的作用，除中和硫外， 还能增加珠光体含量。所以，孕育铸铁 锰的质量分数含量一般较高，为 0.8% ～ 1.0%。 硫、磷作为有害元素，都会降低铸铁强 度，应加以限制，一般硫的质量分数限 制 在 0.1% 以 下 ， 磷 的 质 量 分 数 限 制 在 0.15%以下。
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（5）灰铸铁的发展（自学） 目前，全世界铸铁生产中，灰铸铁约占 60%～80%以上。因此不断提高灰铸铁的力学性 能，发展高强度灰铸铁时铸铁材质发展的重要 方向之一。其途径有： 加强孕育剂的研究和运用； 调整铁液的化学成分； 附加合金元素； 通过微量元素的变质行为改善石墨形态； 增加废钢用量。
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1. 灰铸铁
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（1）灰铸铁的牌号及性能 抗拉强度是灰铸铁 最主要的力学性能，灰铸铁的牌号是按其大 小来区分的，根据GB9439-1988《灰铸铁件》 的规定，按单铸φ30mm试棒的抗拉强度值将 灰铸铁分为六种牌号，见表3-1。
表3-1 按单铸试棒性能分类
牌号 HT100 HT150 HT200 抗拉强度 σ b/MPa≥ 100 150 200 牌号 HT250 HT300 HT350 抗拉强度 σ b/MPa≥ 250 300 350
碳是构成石墨的元素，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。一般以碳当量综合考虑碳和硅的影响。 碳当量过高，促使灰铸铁石墨片变粗、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，会导致灰铸铁铸造性能降低、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，必须选取合适的碳硅量，使灰铸铁碳当量控制在合适 的范围内。