中頻感應爐熔煉高強度鑄鐵的爐前控制

袁東洲

用中頻爐取代工頻爐或沖天爐已成為大勢所趨，而且為汽車制造業生產高品質的鑄件開創了一條新路。變速器殼體是汽車的基礎件之一，它既是多級齒輪的骨架，不僅要承重，還要經得起許多高強度螺栓在擰緊時所引起的局部較大壓應力，鑄件本身必須具有較高的耐壓性及耐蝕性，所以鑄件不得有疏松、晶粒粗大等缺陷，以免產生油的滲漏。傳統上采用HT150或HT200的鑄件作殼體材料，其鑄件質量不能適應汽車工業不斷提高整體質量的要求。這就需要添加微量C r、Mo、Cu等合金元素，以獲得珠光體基體為主的高強度適合于殼體的使用性能。為了生產高強度、高品質的鑄鐵汽車基礎件，在鑄造時采用中頻感應電爐成為必然。本文在使用中頻感應電爐熔制汽車變速器殼體鑄件用高強度鑄鐵的實踐中對爐前質量控制進行一些探索。

1. 高強度合金灰鑄鐵成分的設計

變速器殼體材質為HT250，硬度＜200HBW，要求易切削加工，進行油壓試驗不滲漏，在鑄鐵中添加微量多元合金成分，選擇合理的工藝參數，使鑄件獲得理想的金相組織和力學性能。要保證力學性能，就必須控制好基體組織和石墨形態。

高強度低合金化孕育鑄鐵的成分設計，首先要考慮鐵液碳當量與冷卻速度的影響作用。碳當量過高，鑄件厚壁處冷卻速度緩慢，鑄件厚壁處易產生晶粒粗大、組織疏松，油壓試驗易產生滲漏；若碳當量過低，鑄件薄壁處易形成硬點或局部硬區，導致可加工性變差。將碳當量控制在3.95%～4.05%，既可保證材質的力學性能，又接近共晶點，其鐵液的凝固溫度范圍較窄，為鐵液實現“低溫”澆注創造了條件；而且有利于消除鑄件的氣孔、縮孔缺陷。

其次，要考慮合金元素的作用，鉻、銅元素在共晶轉變中，鉻阻礙石墨化，促成碳化物、促進白口；而銅則有促進石墨化作用，減少斷面白口。兩元素相互作用在一定程度上得到中和，避免在共晶轉變中產生滲碳體而導致鑄件薄壁處形成白口或硬度提高；而在共析轉變中，鉻和銅都可以起到穩定和細化珠光體的復合作用，但各自的作用又不盡相同。以恰當比例配合，能更好地發揮兩者各自的作用。在含wCr＝0.2%灰鑄鐵中加入wCu＜2.0%，銅不僅促進珠光體轉變，提高并穩定珠光體量和細化珠光體，促進A型石墨產生和均化石墨形態，還能提高wCr＞0.2%灰鑄鐵的流動性，這尤其對薄壁殼體類鑄件有利。復合加入鉻、銅可使鑄件致密性進一步提高，因此對于要求抗滲漏的鑄件，加入適量的鉻、銅、有利于改善材質本身的致密性，提高其抗滲漏能力。

珠光體是高強度灰鑄鐵生產中希望獲得的組織，因為只有以珠光體為基體的鑄鐵強度高、耐磨性好。錫能有效增加基體組織中珠光體含量，并促進和穩定珠光體形成，我們生產實踐中控制wSn＝0.07%～0.09%。

2. 嚴把原輔料質量關

入廠原輔材料需進行取樣分析，做到心中有數，不合格的原輔材料絕不投入使用。要保證高質量的原鐵液，必須選用高碳、低磷、低硫、低干擾（生鐵供應商要有微量元素分析報告單）元素的生鐵；選用純凈的中碳鋼，對其所含成分Cr、Mo、Sn、V、Ti、Ni、Cu等微量元素以化驗結果決定取舍，對能穩定珠光體的廢鋼成分優先選用。生鐵和廢鋼必須經過除銹處理后方允許使用，附著油污的要經250℃烘烤。

對鐵合金、孕育劑同樣采用定點采購，力求成分穩定，塊度（粒度）合格，分類堆放，避免受潮。這樣的要求避免了鑄鐵爐料“遺傳性”帶來的缺陷。

使用前的準確計量是熔煉合格鐵液的質量保證。特別指出，對于感應電爐熔煉、嚴禁爐料中混有密封器皿和易爆物。

（1）堅持把理論配料（配料計算）和實踐經驗相結合。無論采取試算法還是圖解法，理論上計算的配料數據，不能確定為最終配比，還要掌握中頻爐熔化過程中元素的變化規律。如果爐襯屬酸性材料，鐵液溫度＞1500℃，在Si的加入量上只能取下限，而碳必須取上限。

（2）掌握各種入爐金屬材料的化學成分和各元素燒損與還原規律。對回爐鐵（澆冒口、報廢鑄件）的分類堆放、編號記載，提出成分明確的嚴格要求。爐內還原的元素在配料時減去，爐內燒損的元素配料時補上。

（3）合金元素以一次性配入為原則，除Si以外其他配料時取中限，合金（Mo、Cr、Cu、Sn等）可在熔清扒渣后加入，在酸性爐中燒損極少。C、Si在扒渣及孕育時還可以補充。就感應爐熔煉而言，遵循先增碳后加硅的原則。

（4）對P、S含量的控制，P、S量主要來源于新生鐵，可以通過選擇爐料將P、S量控制在要求范圍內，所以必須要使新生鐵的wP＜0.06%，wS＜0.04%，這樣在配料計算時P、S量就可以不予考慮（因鑄件的技術要求：wP≤0.06%，wS≤0.04%）。

（5）凡入爐的所有金屬材料均嚴格按照要求準確計量。

3. 中頻電爐熔煉的控制

要根據中頻電爐的冶金特性編制合理的熔煉工藝，從裝料、溫度控制，在各不同溫度下加入合金、增碳劑、造渣劑，以及出鐵溫度各個環節嚴格控制，力求用最短的熔煉時間、最小的合金燒損與氧化，達到控制和穩定金相組織，提高鑄件質量的目的。

在生產實踐中，我們將整個熔煉全過程分為三期溫度進行控制。這里所謂的三期溫度是指熔清溫度、扒渣溫度和出鐵溫度。

熔清溫度：即取樣溫度以前的熔化期，決定著合金元素的吸收與化學成分的平衡，因此要避免高溫熔化加料，避免搭棚“結殼”。否則鐵液處于沸騰或高溫狀態，碳元素燒損加劇，硅元素不斷在還原，鐵液氧化加劇，雜質增加，按工藝要求熔化溫度控制在1365℃以下，取樣溫度控制在（1420±10）℃。取樣溫度低時存在鐵合金未熔化完，取的試樣化學成分勢必無代表性。取樣溫度過高時，合金燒損或還原，還會影響到精煉期的成分調整。取樣后應控制中頻爐功率。在爐前分析儀對化學成分顯示出結果后恰好進入到扒渣溫度。

扒渣溫度：扒渣溫度是決定鐵液質量的重要環節，因為它與成分穩定、孕育處理的效果密切相關，并直接影響到出鐵溫度的控制。扒渣溫度過高會加劇鐵液石墨晶核燒損和硅的還原，特別對酸性爐襯，理論上鐵液含硅偏高后將產生排碳作用，影響按溫度系結晶，存在著產生反白口的傾向；若溫度過低，鐵液長時間被裸露，碳、硅燒損嚴重。再次調整成分時，不僅延長熔煉時間使鐵液過熱，而且易使成分失控，增大鐵液的過冷度，使正常結晶受到破壞。

出鐵溫度：為保證澆注和孕育的最佳溫度，一般控制在1520～1550℃。出鐵溫度高或低都會對鑄鐵的結晶和孕育效果帶來影響。如果溫度過高（超過工藝規定溫度30℃以上），盡管爐前快速分析C、Si也適中，但試澆三角試塊白口深度會過大或中心部位顯現麻口。出現此種情況即使采取措施向爐內補加碳增大孕育量，筆者的實踐經驗是效果欠佳，且需在調低中頻功率后，進行爐內降溫處理，即向爐內加入鐵液總量10%～15%經過烘烤的新生鐵，這樣試塊斷口心部麻口就轉為灰口，頂尖的白口深度變小。若持續高溫時間較長，采取如上方法后，仍需履行爐內補碳措施。出鐵溫度按澆注溫度控制，殼體類鑄鐵件合適的澆注溫度為（1440±20）℃，能夠實現“高溫出鐵，適溫澆注”，嚴格掌握和控制住當然最好。因為出鐵溫度低將導致澆注溫度低于1380℃，既不利于脫硫、除氣，還特別影響孕育處理效果。隨著溫度的降低，冷隔、輪廓不清晰等問題明顯增加。

4. 鐵液的孕育處理

對生產變速器殼體用HT250進行孕育處理，賴以提高材質的耐磨性，使鑄件的組織和性能得以明顯改善，顯著提高各斷面上的硬度值，而且要在穩定厚斷面上的珠光體量方面有相同作用，還可改善其壁厚的敏感性和鑄件在機械加工時良好的可加工性，尤其是對防止殼體鑄件的疏松、滲漏有特殊作用。

孕育劑的加入量依生產殼體鑄件的壁厚、化學成分和澆注溫度等因素確定，以壁厚處不出現疏松、滲漏，壁薄處不出現硬區為原則。生產實踐表明，Sr、Ba、Ca、Si-Fe孕育劑是提高灰鑄鐵強度最為理想的孕育劑，此種孕育劑發揮鋇（Ba）的抗衰退能力及提高A型石墨占有率，鍶（Sr）的特強消除白口能力，鈣（Ca）和硅（Si）所起的輔助孕育和滲透作用。這種組合的孕育劑，是生產高強度鑄鐵孕育處理中較為理想的選擇。

孕育次數與孕育效果的關系，隨孕育次數增加，鑄鐵內部石墨分布均勻程度改善，A型石墨占有率和石墨長度區別較大，經兩次以上孕育的A型石墨占有率高，分布均勻，長度適中。更重要的是多次孕育促使非自發晶核數量增多，強化了基體，從而提高并穩定了鑄鐵的強度。

經隨流復合孕育處理，并以漏斗式孕育包用鋇硅鐵+75硅鐵孕育后，避免鐵液隨流孕育滯后于澆注是控制孕育效果的關鍵。孕育處理后的鐵液應在限定時間內澆注完畢，一般不超過8min，包內二次孕育3～5mi n孕育效果最佳。硅鋇孕育劑可消除HT250的白口，改善其石墨形狀、分布，消除E、D型過冷石墨。因為E型石墨和鐵素體組織，將使材質致密性降低，嚴重惡化抗滲漏性能。

5. 實際生產的效果

鑄件上最薄處無白口產生，其抗拉強度均達到HT250以上，試棒硬度達到190～230HBW，殼體本體解剖，硬度在190HBW左右，鑄件的品質系數顯著提高，金相組織達到國外樣機殼體鑄造水平，珠光體為85%～90%，滿足了變速器殼體的強度要求，其力學性能達到國外同類機型變速器殼體的材質水平。