灰铸铁熔炼新工艺

灰铸铁是一种含有碳、硅、锰等多种元素的铁合金。它的强度之所以较低，是因其中所含有的碳元素大多以片状石墨的形态存在。这些片状石墨对基体组织起严重的割裂作用。因此，传统的灰铸铁熔炼工艺是以降低含碳量来保证灰铸铁具有所要求的强度。但是，含碳量降低会使灰铸铁的铸造性能变差，容易出现缩孔、缩松、浇不足等铸造缺陷。另外，在传统工艺中，含锰量也控制得比较低，一般在0.5%-1.0%的范围之内。

近年来，随着铸铁凝固理论的发展，人们对锰在灰铸铁中的作用有了更深入的了解。我们根据这些新认识，特别是从“高碳当量、高强度灰铸铁”的生产工艺中受到启发，改变传统工艺中“双低一高”(即低碳、低锰、高硅)的作法，以“双高一低气高碳、高锰，低硅的配料原则来编制灰铸铁的熔炼工艺。这样做，不但提高了灰铸铁的机械性能，而且改善了铸件的壁厚敏感性，消除了缩松、热裂等铸造缺陷。

1.新工艺的理论依据

过去，由于检测手段的限制，人们在铸铁凝固研究中的重点是研究凝固后的组织。现在，检测手段发展了，人们进而可以研究凝固过程中的组织。通过研究，发现铸铁凝固过程中的奥氏体枝晶骨架是影响铸铁性能的重要因素。形象地说，灰铸铁可以看成是一种类似钢筋混凝土的结构。奥氏体枝晶就是钢筋，共晶组织就是混凝土.金相分析证明.奥氏体枝晶是灰铸铁中的独立组成相，即使通过共析转变和共晶奥氏体结合，也仍然保持着自身的骨架形态和作用。因此，奥氏体枝晶的数量多、晶粒细小，必然使铸铁的强度提高。并且.枝晶的显微硬度越高，铸铁的强度越高。此外，奥氏体枝晶对铸铁的性能还有如下一些影响:

1.1奥氏体枝晶与铸铁的显微缩松

铸铁的显微缩松是由于枝晶间的凝固收缩得不到补偿所致。根据铸铁凝固理论，在大多数情况下.灰铸铁的实际共晶转变过程都是在已经具有大量初生奥氏体骨架间的残余铁液中进行的。通过电子金相技术观察也发现，缩松处的奥氏体枝晶的空间形貌确实是框架结构、因此，细化奥氏体枝晶，一方面可以提高铸铁的枝晶补缩(又称过滤补缩)能力，减轻晶间缩松的倾向。另一方面。奥氏体枝晶越多、越细，骨架间残余铁液的体积被分隔得越小，继续凝固时，即使得不到足够的补缩，形成的空洞的体积也就越小.只要这些空洞小得足以不影响铸件的使用，就可以认为所得的铸件是合格的。总之，奥氏体枝晶越小，铸铁的缩松倾向越小，组织越致密。

1.2奥低体枝晶与热裂

根据铸件热裂形成机理中的强度理论，热裂的产生是在铸铁凝固过程中一定温度时(一般认为是共晶反应结束前后)，铸件收缩受阻产生的应力，大于该温度下铸铁的强度极限，这样就会形成热裂。因此，提高铸铁的高温强度，即提高奥氏体枝晶的强度，减小共晶反应区间，有助于防止热裂产生。

在研究灰铸铁断裂中发现，奥氏体枝晶有阻碍裂纹扩展的作用。裂纹遇到枝晶大多改变方向，沿枝晶外缘继续扩展。所以，细化奥氏体枝晶也有助于防止热裂产生。

另外，裂纹形成后，如果还有残余的液相被输送到裂纹处，可以使这些裂纹“愈合”。因此，铸铁的枝晶补缩能力强也有助于防止热裂产生。

1.3锰在灰铸铁中的作用

锰在灰铸铁中具有如下一些作用

①促进奥氏体形成.细化奥氏体枝晶，并且固溶于其中，提高其显微硬度。

②增加共晶团的数量.

③细化石墨组织。

④增加、细化和稳定珠光体组织，

⑤与铸铁中的硫反应生成MnS，中和硫对铸铁的有害作用。

因此，适当增加灰铸铁中的锰含量，可以提高铸铁的强度，防止显微络松和热裂等铸造缺陷的产生.并且，由于锰稳定珠光体的作用，也使铸件的壁厚敏感性降低。显然，这些都正是我们所要寻求的。

2.工艺参数的确定

在传统的灰铸铁熔炼工艺中，由于没有充分认识到锰的作用，通常仅在0.5%--1. 0%的范围内选择锰含量。而新工艺将锰含量提高到i. o以上，以充分发挥锰的有益作用。下面，根据铸铁凝固理论的新观点.讨论灰铸铁的三种主要化学成分碳、硅、锰的控制范围。东风电机厂生产的灰铸铁牌号一般是HT150--HT250。下面的讨论也是针对这几种牌号的灰铸铁而言。

2.1碳的控制范围

碳在灰铸铁中的作用，可以说是“成也萧何败也萧何”，灰铸铁所具有的长处和短处都归因于其中的碳。一般说来，控制碳含量的原则是在保证灰铸铁具有足够强度的前提下，尽可能选择较高的碳含量。在新工艺中。由于锰含量的增加使强度提高，在同样的强度要求下，碳含量可以选得比传统工艺的高0.2%左右。实验也证明，较高的碳含量还有利于锰增加和细化奥氏体枝晶的作用。

2.2硅的控制范围

硅在灰铸铁中主要起石墨化作用，同时还具有一定的固溶强化作用。硅含量在1. 0%一2. 0%时，石墨化作用最显著。如果硅含量小于1.000*铸铁中会产生大量的游离碳化物。所以，硅含量的下限应大于1. 0。考虑到应留有一定的余量，其下限定为1.0%^'1.5%。上限又怎么定呢?由于碳的石墨化作用是硅的3倍，碳可以部分代替硅的石墨化作用。而锰又可以代替硅的固溶强化作用。另外。硅是扩大共晶反应区间，提高共晶反应温度的元素。因此，降低硅含量有助于防止热裂产生，并且还可以减少硅铁的加人量，降低生产成本。从这几点考虑，硅含量的上限定为1. 7%一1. 8%，比传统工艺的硅含量低0. 3%一0. 6 %

2.3锰的控制范围

尽管锰在灰铸铁中有许多有益作用，但也不是越多越好。实验证明，当锰硅差(铸铁中的锰含量与硅含量之差)大于零时，灰铸铁中可能出现游离碳化物，使机械性能降低。对灰铸铁而言，锰硅差宜为一0. 3%一0.5%因此，锰含量应控制在1.1%-'1.5%。