鑄鐵的熔煉方法及其特點

鑄鐵的熔煉方法及其特點鑄鐵是含碳量大于2.11或者組織中具有共晶組織的鐵碳合金。工業(yè)上所用的鑄鐵，實際上都不是簡單的鐵一碳二元合金，而是以鐵、碳、硅為主要元素的多元合金。鑄鐵的成分范圍大致為：C2.4-4.0%,Si0.6-3.0%,Mn0.2-1.2%,P0.1-1.2%,S0.08-0.15%。有時還加入各種合金元素，以便獲得具有各種性能的合金鑄鐵。根據(jù)碳在鑄鐵中存在的形態(tài)不同，通常可將鑄鐵分為白口鑄鐵、灰口鑄鐵及麻口鑄鐵。而灰鑄鐵中又可根據(jù)石墨的形態(tài)不同而分為普通灰鑄鐵，蠕蟲狀石黑鑄鐵，球黑鑄鐵以及可鍛鑄鐵。1灰鑄鐵灰鑄鐵通常是指具有片狀石墨的灰口鑄鐵，這中鑄鐵具有一定的機械性能、良好的鑄造性能以及其它多方面的優(yōu)良性能，因而在機械制造中業(yè)獲得最廣泛的應(yīng)用。表1為灰鑄鐵的新的國家標準。該標準是以灰鑄鐵的抗拉強度作為分級依據(jù)的。由于灰鑄鐵對冷卻速率的敏感性（壁厚效應(yīng)），同一種牌號鑄鐵在不同鑄件壁厚條件下的實際強度有很大的差別（薄壁與厚壁之間在強度上的差別達50-80MPa）。表1灰鑄鐵分級牌號抗拉強度MPa(kg/mm2)HT100>100(10.2)HT150>150(15.3)HT200>200(20.4)HT250>250(25.5)HT300>300(30.6)HT350>350(35.7)球墨鑄鐵及蠕墨鑄鐵球墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵一般是用稀土鎂合金對鐵液進行處理，以改善石墨形態(tài)，從而得到比灰鑄鐵有更高機械性能的鑄鐵。球墨鑄鐵依照其基體和性能特點而分為六種：即鐵素體（高韌性）球墨鑄鐵，珠光體（高強度）球墨鑄鐵，貝氏體（耐磨）球墨鑄鐵，奧氏體一貝氏體（耐磨）球墨鑄鐵，馬氏體一奧氏體（抗磨）球墨鑄鐵及奧氏體（耐熱、耐蝕）球墨鑄鐵。蠕墨鑄鐵具有不同比例的珠光體—鐵素體基體組織。鑄鐵性能與其石墨的蠕化程度（蠕化率）及基體有關(guān)。在石墨蠕化良好條件下，珠光體蠕墨鑄鐵的強度和硬度較高，耐磨性強。適于制造耐磨零件，如汽車的剎車鼓等。而鐵素體蠕墨鑄鐵的導(dǎo)熱性較好，在高溫作用下，不存在珠光體分解問題，組織較穩(wěn)定，適用于制造在高溫下工作、需要有良好的抗熱疲勞能力、導(dǎo)熱性的零件，如內(nèi)燃機汽缸蓋、進排氣岐管等?？慑戣T鐵可鍛鑄鐵是將白口鑄鐵通過固態(tài)石墨化熱處理（包括有或無脫碳過程）得到的具有團絮狀石墨的鐵碳合金。采用不同的熱處理方法，可以得到具有不同組織和性能的可鍛鑄鐵，即黑心可鍛鑄鐵、珠光體可鍛鑄鐵和白心可鍛鑄鐵。當將白口鑄鐵毛坯件在密封的退火爐中進行熱處理，即在中性爐氣條件下退火時，得到的鑄鐵組織中有呈團絮狀的石墨（退火碳）存在。這種石墨雖不很圓整和緊密，但它對基體的割裂作用則比灰鑄鐵中的片狀石墨要小得多，因此它能使鑄鐵得到較高的強度及良好的韌性。鑄鐵的基體可以通過熱處理來加以控制。使之成為鐵素體或珠光體。用這種方法得到的鐵素體基體可鍛鑄鐵因組織中有石墨存在，因而鑄鐵的斷面呈暗灰色，而在表層經(jīng)常有薄的脫碳層呈淺灰色，故通稱為黑心可鍛鑄鐵。而珠光體可鍛鑄鐵則是以其基體命名的。當將白口鑄鐵毛坯件在氧化性質(zhì)的爐氣條件下進行退火時，鑄件斷面上從外層到心部，發(fā)生強烈的氧化和脫碳。在完全脫碳層中無石墨存在，鑄鐵的組織為鑄素體。實際上，在小斷面尺寸條件下，鑄鐵的組織基本上為單一的鐵素體和退火碳。而在大斷面尺寸條件下，表層為鐵素體，中間區(qū)域為珠光體和鐵素體及退火碳，而心部區(qū)域則為珠光體及退火碳（間或有少量鐵素體）。這種鑄鐵斷面由于其心部區(qū)域有發(fā)亮的光澤，而表層色澤較暗，故通稱為白心可鍛鑄鐵。特種鑄鐵特種鑄鐵是指具有特殊使用性能的鑄鐵材料，主要包括抗磨鑄鐵、耐熱鑄鐵和耐腐蝕鑄鐵。為了使鑄鐵具有這些特殊使用性能，需要使鑄鐵有一定的組織。特種鑄鐵中既有非合金鑄鐵（例如普通白口抗磨鑄鐵），也有低合金鑄鐵、中合金鑄鐵和高合金鑄鐵（如中錳抗磨用球墨鑄鐵及高鉻抗磨用白口鑄鐵等）。對任何一種特種鑄鐵而言，首先是要求具備一定的使用性能，如抗磨、耐熱等。但由于是用來制造機器零件，就需要保證有一定的機械性能，主要是強度和塑性，為此需要在鑄鐵的化學成分設(shè)計上，考慮同時滿足特定的使用性能和一定的機械性能這兩方面的要求。由于特種鑄鐵中含有大量合金元素，使得其在熔煉和鑄造性能方面，與非合金化的鑄鐵有顯著的差別。大多數(shù)合金元素降低鑄鐵的鑄造性能，而含有大量合金元素的特種鑄鐵的鑄造性能通常是很差的，在鑄造過程中容易產(chǎn)生多種鑄造缺陷，因此需要針對各種鑄鐵在熔煉和鑄造方面的特性，采取適當?shù)墓に嚧胧?，防止缺陷的發(fā)生，以保證鑄件的質(zhì)量。鑄鐵的熔煉9.1熔煉對保證鑄件質(zhì)量的重要性熔煉鐵液是生產(chǎn)鑄鐵件的重要環(huán)節(jié)。鑄件質(zhì)量包括內(nèi)在質(zhì)量、外觀質(zhì)量以及是否形成缺陷等，這些都與鐵液方面因素有直接的關(guān)系。如鐵液的流動性、薄壁和結(jié)構(gòu)復(fù)雜鑄件的成型性以及冷隔缺陷等受鐵液溫度的影響，而熔煉的鐵液化學成分是否符合要求，則對鑄件的機械性能有直接的影響。鐵液中的氣體和非金屬夾雜物含量不僅影響鑄鐵的強度和鑄件的致密度，而且還與鑄件形成氣孔、裂紋等缺陷有關(guān)。隨著機械制造科學的發(fā)展，對鑄鐵提出薄壁、高強度的要求，鑄件的最小壁厚由過去4~6mm減小至2~3mm,這要求相應(yīng)提高鐵液澆注溫度。鐵液溫度還對鑄鐵件的內(nèi)在質(zhì)量有重要的影響，如灰鑄鐵件的質(zhì)量指標（GZ），即與鐵液溫度有顯明的關(guān)系。在球墨鑄鐵生產(chǎn)方面,熔煉出鐵液的溫度及原始含硫量成為球化及孕育處理有否成功的先決條件。9.2對鐵液質(zhì)量的基本要求1．出爐溫度不同牌號灰鑄鐵件的澆注溫度范圍大致為1330-14100C。在一般情況下，鐵液的出爐溫度至少比澆注溫度提高500C，故根據(jù)鑄鐵牌號（自HT100至HT350）和鑄件結(jié)構(gòu)條件的具體情況，鐵液出爐溫度應(yīng)不低于1380-14600C。當需要澆注特?。?-4mm）鑄件時，出爐溫度還應(yīng)提高20-300C。為了滿足澆注鑄件的需要，不同牌號可鍛鑄鐵的出爐溫度應(yīng)不低于1460-14800C。對球墨鑄鐵及其它變質(zhì)處理的鑄鐵，在其球化一孕育處理過程中鐵液的溫度會有顯著的下降，為了補償鐵液的溫度損失，需相應(yīng)提高鐵液的出爐溫度。2．化學成分熔煉得到的鐵液化學成分需要滿足鑄件的規(guī)格要求。用沖天爐熔煉時，配料計算是保證鐵水化學成分合乎要求的首要環(huán)節(jié)。即根據(jù)鐵水化學成分的要求，考慮沖天爐在熔煉過程中元素的變化和爐料的實際情況，計算出各種金屬爐料的配合比例。各種牌號鑄鐵要求的化學成分隨鑄件壁厚和鑄造方法而異。例如，HT20-40鑄鐵的化學成分范圍為：C3.3-3.5%、Si1.5-2.0%、Mn0.5-0.8%、Sv0.12%、Pv0.25%。用于配置HT20-40的金屬料平均成分如表2。表2配置HT20-40的金屬料平均成分爐料名稱化學成分%CSiMnPSZ15生鐵4.191.560.760.040.036回爐料3.281.880.660.070.098廢鋼0.150.350.500.050.05所用鐵合金為含硅45%硅鐵，含錳75%的錳鐵。熔煉過程中兀素的變化為：Si-15%、Mn-20%、S+50%。其配料計算如下：1）計算爐料中各兀素的變化a)爐料含碳量：C鐵水％=1.8%+0.5C爐料％已知鐵水所需的平均含碳量為3.4%，按上式算得C爐料%=3.2%；爐料含硅量：已知鐵水所需的平均含硅量1.75%，硅的熔煉燒損為15%，則Si爐料=1.75/(1-0.15)=2.06%；爐料含錳量已知Mn鐵水=0.65%，熔煉燒損20%，故Mn爐料=0.65/(1-0.20)=0.81%；爐料含硫量已知S鐵水=0.12%，增硫50%，貝U：S爐料=0.12/(1+0.5)=0.08%；爐料含磷量磷在熔煉過程中變化不大，P爐料=P鐵水<0.25%綜合上列計算結(jié)果，所需配置的爐料平均化學成分為：C爐料3.2%、Si爐料2.06%、Mn爐料0.81%、S爐料<0.08%、P爐料<0.25%(2)初步確定爐料配比a)回爐料的配比：主要取決于廢品率和成品率，它隨具體生產(chǎn)情況而變化。此處取20%。

b)新生鐵和廢鋼配比:設(shè)新生鐵為X%，則廢鋼為80%-x%。按爐料所需含碳量為3.2%，新生鐵、廢鋼、回爐料的含碳量各為4.19%、0.15%、3.28%，可列出下式：4.19X+0.15(80-x)+3.28'20=32100得出x=60.0%。故鐵料配比為:Z15生鐵60%、廢鋼20%、回爐料20%。(3)然后按上述配比及各種爐料的成分，計算配合后的爐料成分如表3。表3爐料成分爐i配C%Si%Mn%S%P%料名稱比％Ki數(shù)t數(shù)成,數(shù)1戈數(shù)分量分量分量分量分量Z1)4-2!10)0()0000.5生鐵0.19.51.56.94.76.46.036.022.04024回10110)0()0000.爐料0.28.66.88.38.66.13.098.020.07014廢?(01C|0)0()0000.鋼0.15.03.35.07.50.10.050.010.05010合-31-()00.計00.20.39.69.052048要求成分3.201.06>(.81)<0.08<0.25差額0.001(.671(.12)合格合格4）計算鐵合金加入量a）硅鐵加入量今缺硅量0.67%，亦即每100公斤爐料需加硅0.67公斤。所用硅鐵含硅量為45%，故每100公斤爐料需加硅鐵量為0.67/0.45=1.5公斤b）錳鐵加入量同上法計算，每100公斤爐料需加入含錳75%的錳鐵為：0.12/0.75=0.16公斤。（5）制定配料單根據(jù)配比和層鐵量，確定每批爐料中各種爐料的重量，寫出配料單。設(shè)已知層鐵500公斤，可算得每批鐵料的組成為：生鐵：500'60%=300公斤、廢鋼：500'20%=100公斤、回爐料：500'20%=100公斤、45%硅鐵：500'1.5%=7.5公斤、75%錳鐵:500'0.16%=0.8公斤。3?有害成分鑄鐵熔煉過程中，必須將有害的元素成分（磷、硫以及其它干擾鑄鐵正常結(jié)晶和組織控制的微量元素等），控制在限量以下。1）脫硫沖天爐熔煉中鐵液中硫的來源，一是爐料中固有的硫，二是從焦碳中吸收的硫。酸性沖天爐不具有脫硫能力，堿性沖天爐能在一定程度上起到脫硫的作用。爐渣堿度在一定范圍內(nèi)提高時，有利于降低鐵液含硫量；溫度提高時，鐵液在熔煉過程中增硫量減少；爐氣氧化性強時，渣4FeO含量增高，不利于脫硫反應(yīng)的進行。適當提高焦鐵比，減小送風強度，有利于脫硫。但當生產(chǎn)球墨鑄鐵件時，除了用熱風沖天爐進行爐內(nèi)脫硫外，還常采用爐外脫硫的措施。爐外脫硫的基本要點是盡量擴大脫硫劑與鐵液之間的接觸面積，以加強脫硫效果。常用方法有：利用電石脫硫的搖動包脫硫法、噴射脫硫法、機械脫硫法、機械攪拌脫硫法和多空塞脫硫法等。2）脫磷磷對鑄鐵的機械性能，特別是對球墨鑄鐵和可鍛鑄鐵的韌性有害，因此要嚴格控制鑄鐵的含磷量。沖天爐熔煉的脫磷能力很弱。因此對鐵液的含磷量只能通過配料來控制。應(yīng)采用一定比例的低磷生鐵和廢鋼進行配料。4．鐵液純凈，含有的渣、氣體、夾雜物量少。為了將沖天爐熔煉中形成的夾雜物從鐵液中去除，常在熔煉過程中按照爐料重量，加入一定量的石灰石CaCO3作為溶劑。石灰石在高溫下分解，與泥沙、灰分等化合形成低熔點的復(fù)雜化合物——熔渣。熔渣易于與鐵液分離便于去除。當熔渣粘度高時，可加入一些螢石（CaF2），以降低爐渣熔點。9.3鑄鐵的熔煉方法及其特點熔煉鑄鐵的方法依照所用的熔爐設(shè)備而分為沖天爐熔煉，感應(yīng)電爐熔煉，電孤爐熔煉，反射爐熔煉，以及由某些方法的聯(lián)合，如沖天爐一電孤爐、沖天爐一感應(yīng)電爐雙聯(lián)法等。1．沖天爐熔煉法（1）沖天爐構(gòu)造沖天爐的基本構(gòu)造示如圖1。爐身、風箱及煙道等用鋼板焊成。爐身內(nèi)部通常砌以耐火磚層，以便抵御焦碳燃燒產(chǎn)生的高溫作用。為了儲存鐵液，多數(shù)沖天爐都配有前爐。（2）沖天爐熔煉原理在熔煉過程中，爐身的下部裝滿焦碳，稱為底焦。在底焦的上面交替裝有一批批的鐵料（生鐵、廢鋼、回爐料、鐵合金等）、焦碳及熔劑（石灰石、螢石等）。通過鼓風，使