高强度 HT250 灰铸铁的熔炼技术

灰铸铁自问世以来,因综合性能优于其它材料而被广泛应用于机械行业,尤其是合金化HT250多数用于发动机缸体、缸盖,以及机床等有特殊要求的地方。但如何熔炼出优质的铁液,是多年来一直困扰铸造工作者的一个难题。本厂生产的LJ465Q曲轴箱,是微型汽车发动机的主要部件,材质为HT250,对理化性能有特殊的要求,由于原材料及熔炼方面的因素,铁液质量曾时好时坏,严重影响了生产。经过多年攻关,各种问题现以基本解决。本文作者总结了近年来质量攻关所获得的经验,针对该产品在熔炼方面的特点提出相应的解决措施。

1化学成分和炉料配比的确定

1.1化学成分的确定

灰铸铁的化学成分必需按铸件的壁厚和技术要求合理选择。

(1)碳当量的选择。

传统方法认为,提高灰铸铁强度就要降低碳当量,或者提高锰量来提高灰铸铁中珠光体比例,以此来提高强度。但是,以降低碳当量来提高灰铸铁强度的方法会带来许多不利因素,如工艺性能变差、白口倾向增大难以加工等,因此未被广泛采用。当前,普遍采用的方法是在达到较高强度的前提下,使用尽可能高的碳当量。碳当量的提高可以大大改善灰铸铁的铸造性能,使缩孔、缩松减少,降低铸造废品率。本厂生产的LJ465Q曲轴箱是典型的薄壁件,壁厚最薄处为315～4mm,碳当量控制在410%～411%。同时针对碳在化学成分中的核心作用,参考此前生产的276Q、376Q曲轴箱,选择碳量在313%～314%,硅量在210%～211%,炉前采用快速光谱分析仪对成分进行控制。至今已生产铸件13万件,铸件抗拉强度都能达到250MPa以上,硬度也可达到190～240HBS,完全满足产品技术要求。

(2)合金元素的控制

合金元素在灰铸铁中的作用主要是提高铸件的强度,主要表现为:①细化石墨和共晶团;②增加基体中珠光体的含量,并使珠光体的片间距细化;③提高渗碳体的热稳定性;④形成碳化物或含有合金元素的磷共晶等硬化相。但合金元素的加入一方面要考虑其对性能的影响,另一方面还要考虑经济性。一些贵重金属(如镍)虽然对铸件力学性能的提高有较大的帮助,但价格较贵,增加了铸造成本,故不予采用。本厂加入的合金是铜、锰铁、铬铁,加入量分别为0170%～0175%、0175%～0180%、0125%～0130%。

1.2炉料配比的确定

为确保获得较高的力学性能,炉料中采用大量废钢,并相应减少生铁使用量,以生产出合格铸铁。这在现实生产中具有两方面的意义。①有效地提高了铸件的性能;②因减少了生铁使用量,使铸造成本得到很好地控制。由于本厂采用的熔炼设备为工频电炉,大量废钢的加入,必然要求通过适当的方式将铁液碳量提高到合理的范围内。因此,通过在炉内加入快速增碳剂来调整铁液的含碳量。同时也要注意,增碳剂的过多加入会降低铁液的质量,为此本厂曾经付出了惨痛的代价。而炉料配比又直接决定了所加增碳剂的数量,故本厂生产的LJ465Q曲轴箱使用的炉料配比为生铁∶废钢∶回炉料=2∶5∶3。同时,在熔炼过程中加入快速增碳剂以提高铁液中的碳含量。

2炉料的选择

正确选择炉料是获得高质量铁液的必要条件,它不仅影响铸件的化学成分,而且对组织也有较大的影响。因炉料所含微量元素不同,虽然同样的化学成分,同样的铁液处理方式,但得出的结果可能大相径庭,这被铸造学者称之为生铁的遗传性。本厂对生铁要求比较严格,通过不断的试用、摸索,最后在全国范围内指定两个厂家定点采购,并通过加强与供方的合作,保证了生铁的质量。由于炉料中使用的废钢比例增加,所以要求废钢成分波动小、杂质含量低、表面铁锈少,废钢厚度要大于3mm。同时,对于回炉料应分类堆放,表面干净无杂质。对LJ465Q曲轴箱所用回炉料,应尽可能使用其本体回炉料,其次是同一类铸件(如LJ462Q曲轴箱、376Q、276Q机体),再次是普通回炉料。

3熔炼操作

铸件的内在质量、外观质量以及是否存在缺陷都与铁液有关,高质量的铁液是获得优质铸件最基本和最重要的先决条件。熔化后的铁液必须满足以下要求:①具有较高的出铁温度和流动性,以保证浇注的铸件轮廓清晰,无冷隔、浇不足等缺陷,同时,可以使铸件组织均匀,从而改善铸件的力学性能;②化学成分应达到预定的要求;③必须将各种有害元素降低到一定程度,保持铁液纯净,减少渣、气体等夹杂物。从实践来看,适当的提高出铁温度对铸件力学性能、质量是有利的,但对熔炼设备、合金元素的烧损是不利的。由于LJ465Q曲轴箱最小壁厚只有6mm,且形状复杂,因此选择出铁温度为1520～1550℃,孕育处理后的浇注温度为1440～1460℃,采用快速测温仪对铁液进行温度控制。

4强化孕育处理

4.1孕育剂的选择

有了优质的铁液再配以有效的孕育,是获得高性能铸件的有效方法。通过有效的孕育不仅可以细化基体组织,改变石墨形态,还可以减少白口倾向,改善加工性能。近年来,我国已改变了以往单一使用硅铁作为孕育剂的状况,开发出了多种复合孕育剂。本厂使用的孕育剂为福士科复合孕育剂,再配以75硅铁进行孕育,效果相当好,多年来,LJ465Q曲轴箱可控指标很少不符合要求。

4.2孕育剂的加入方法

孕育剂一般在出铁口处加入,随铁液缓慢进入包内,通过铁液的冲刷、搅拌,力求均匀。实际操作时,待包内铁液达到约20%时,开始加入孕育剂,至包内铁液为80%时,全部加完。因此保证孕育剂在包内能充分均匀地溶入铁液中,使整包铁液成分均匀,才能保证铸件组织一致。

5结论

(1) 确定合理的化学成分和炉料配比是获得优质铁液,生产高性能灰铸铁件的前提条件;

(2) 加强炉料的管理和控制,减少微量元素对铸件质量的影响;

(3) 通过提高熔化温度,从而减少非金属夹杂的不良作用,是获得优质铸件的有效途径;

(4) 强化孕育工艺可以细化基体组织,改变石墨形态,还可以减少白口倾向,改善加工性能。