毛永濤，鮑俊敏，喬進(jìn)國，杜紀(jì)柱，伍啟華，莊肅棟

（濰柴動(dòng)力（濰坊）鑄鍛有限公司，山東濰坊 261199）

隨著柴油機(jī)爆發(fā)壓力不斷提高，對(duì)鑄件材質(zhì)力學(xué)性能提出了更高的要求。柴油機(jī)氣缸體的材質(zhì)牌號(hào)從H T250提高到了H T300，甚至H T350.我公司新研發(fā)的某系列柴油機(jī)對(duì)氣缸體材質(zhì)要求為：鑄件本體抗拉強(qiáng)度≥250M P a，硬度為190～240H B，石墨為A型且片長(zhǎng)4～6級(jí)，珠光體含量≥98%.圖1為該系列氣缸體產(chǎn)品圖，產(chǎn)品尺寸為：900mm×600mm×500mm，瓦口處壁厚可達(dá)50 mm.該系列氣缸體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且壁厚差異較大，給熔煉工藝帶來了一系列挑戰(zhàn)。本文對(duì)熱風(fēng)水冷富氧沖天爐熔煉生產(chǎn)高強(qiáng)度灰鑄鐵氣缸體生產(chǎn)工藝進(jìn)行總結(jié)，僅供同行參考。

1 熔煉工藝及鐵水質(zhì)量控制

1.1 熔煉設(shè)備

原鐵液的獲得采用的是一臺(tái)35 t/h熱風(fēng)水冷富氧長(zhǎng)爐齡沖天爐與兩臺(tái)80 t有芯感應(yīng)保溫電爐雙聯(lián)熔煉。35 t/h沖天爐用于熔化鐵液，80 t保溫電爐用于鐵液保溫及調(diào)整鐵液化學(xué)成分。熱風(fēng)富氧沖天爐改善了沖天爐的冶金特性，可以顯著提高鐵液溫度，提升鐵液質(zhì)量，為獲得高強(qiáng)度灰鑄鐵奠定了基礎(chǔ)。

圖1 氣缸體產(chǎn)品圖

1.2 原材料選擇及爐料配比

1.2.1 原材料選擇及質(zhì)量控制

沖天爐熔煉原材料主要包含廢鋼、生鐵、回爐料、焦炭、硅鐵、錳硅合金以及石灰石，原材料的品質(zhì)直接決定著熔煉鐵水的質(zhì)量，從而關(guān)系到高強(qiáng)度灰鑄鐵的品質(zhì)。熱風(fēng)沖天爐的應(yīng)用，大大提高了沖天爐熔煉的增碳系數(shù)，因此可以提高爐料配比中廢鋼的比例，由于廢鋼中雜質(zhì)元素含量少，氣體含量低，提高爐料中廢鋼比例是獲得高性能、質(zhì)量穩(wěn)定的灰鑄鐵的關(guān)鍵[1]。廢鋼的來源很復(fù)雜，最好選用碳素廢鋼或低合金結(jié)構(gòu)鋼，廢鋼不得銹蝕，對(duì)于鉻、錳等元素含量高的廢鋼要單獨(dú)使用，避免引起鐵水錳、鉻含量的波動(dòng)。

傳統(tǒng)沖天爐中加入大比例的生鐵以調(diào)節(jié)鐵液的碳含量，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例一般在20%以上，由于生鐵中含有原生的粗大石墨，石墨的熔點(diǎn)在2 000℃以上，在沖天爐熔煉過程中不能完全熔盡，在結(jié)晶過程中會(huì)使鑄件中石墨形態(tài)變得粗大[2-3]。生產(chǎn)高強(qiáng)度灰鑄鐵要避免生鐵的不良組織遺傳到鑄鐵組織中。另外要注意生鐵中微量元素對(duì)灰鑄鐵的影響，微量元素中的P b、A s、T i可降低鑄件抗拉強(qiáng)度且對(duì)鑄件切削加工性能有不利影響。因此選用生鐵對(duì)微量元素進(jìn)行了規(guī)定，要求ω（P b）≤0.000 5%、ω（A s）≤0.0008%、ω（T i）≤0.05%，同時(shí)要求生鐵表面潔凈無粘附泥沙等雜物，塊度應(yīng)小于250 mm，每塊重量應(yīng)小于20 kg.

回爐料為鑄件澆冒口及廢鑄件，要求不得有嚴(yán)重的銹蝕、油污或泥沙混雜。硅鐵及錳硅合金在沖天爐熔煉過程中提高了鐵液的硅、錳含量，硅鐵要求含硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥72%，錳硅鐵要求含錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥65%.

焦炭在沖天爐熔煉中不僅提供了熱源，同時(shí)也是鐵液中碳元素的重要來源，對(duì)鐵液溫度及成分有重要影響。沖天爐用焦炭應(yīng)符合灰分少、強(qiáng)度高和反應(yīng)性低的要求。因此，必須嚴(yán)格控制焦炭質(zhì)量，包括焦炭的灰份、揮發(fā)份、硫、固定碳、水份等。我公司選用鑄造焦，焦炭技術(shù)要求如表1所示。

表1 焦炭技術(shù)要求

1.2.2 爐料配比

爐料配比主要指廢鋼、生鐵及回爐料三種鐵料的比例。在確定爐料配比時(shí)，一方面要保證足夠高的廢鋼比例以提高鑄件的力學(xué)性能，另一方面要充分消化生產(chǎn)的鑄件澆、冒口及廢鑄件，最后用生鐵來調(diào)節(jié)鐵液碳含量。根據(jù)熱風(fēng)水冷富氧沖天爐的增碳系數(shù)等綜合因素，確定爐料配比（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為，廢鋼60%～70%，生鐵10%～15%，回爐料20%～30%.

1.3 原鐵液化學(xué)成分及質(zhì)量控制

原鐵液化學(xué)成分主要包括碳、硅、錳、硫、磷等元素的含量，鐵液質(zhì)量控制則包括化學(xué)成分控制及鐵液出爐溫度控制。鐵液的化學(xué)成分決定著鑄件金相組織從而影響著鑄件的力學(xué)性能，足夠高的鐵液出爐溫度則有利于穩(wěn)定鐵液化學(xué)成分，提升鐵液質(zhì)量。

該氣缸體屬于薄壁復(fù)雜鑄件，從鑄造工藝性考慮，選取較高的碳、硅含量即較高的碳當(dāng)量。較高的碳當(dāng)量可保證鐵液良好的鑄造工藝性，可減小白口傾向及鑄件縮松、滲漏等缺陷[4]。原鐵液中碳、硅元素的波動(dòng)范圍對(duì)生產(chǎn)高強(qiáng)度灰鑄鐵氣缸體也有很大影響，熱風(fēng)沖天爐通過調(diào)整層焦量、風(fēng)量等熔化參數(shù)可以控制原鐵液碳、硅含量的波動(dòng)范圍。沖天爐熔煉鐵液碳、硅含量波動(dòng)為：△ω（C）≤±0.05%，△ω（Si）≤±0.1%，可保證原鐵液碳、硅含量穩(wěn)定?；诣T鐵中錳與硫是通過化合為M n S起作用的，是以存在“錳硫比”。錳一般被認(rèn)為是合金化元素，加入適量的錳可以提高鑄件的抗拉強(qiáng)度和硬度。鐵液中含有一定量的硫可以有效改善鑄件的切削性能，過高含量的硫則會(huì)導(dǎo)致鑄件石墨形態(tài)惡化，因此鐵液硫含量不宜過低也不宜過高，對(duì)于沖天爐熔煉來說控制爐料及焦炭的含硫量是控制鐵液含硫量的關(guān)鍵。綜合分析該系列氣缸體鑄件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，最終確定的原鐵液化學(xué)成分如表2所示。

表2 鐵液化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

熱風(fēng)沖天爐采用的是高溫熔煉技術(shù)，這樣就會(huì)獲得非常好的滲碳效果，特別是富氧和熱送風(fēng)，在提高爐溫的同時(shí)，也提高了熔化率。熱風(fēng)沖天爐的鐵液出爐溫度可達(dá)到1 500℃～1 550℃，高的鐵液出爐溫度有利于穩(wěn)定鐵液化學(xué)成分，消除氣孔、縮松等鑄造缺陷。

2 孕育處理及鑄件合金化

在獲得了優(yōu)質(zhì)的原鐵液后，對(duì)鐵液進(jìn)行孕育處理及合金化，是獲得高強(qiáng)度灰鑄鐵的重要手段。孕育處理可以有效改善鑄件的顯微組織和性能，合金化則可以顯著提高鑄件的力學(xué)性能。對(duì)于該系列氣缸體，選取出鐵時(shí)孕育與隨流孕育相結(jié)合的孕育方式。出鐵時(shí)孕育既在鐵液從80 t保溫電爐流向澆注包時(shí)進(jìn)行孕育。孕育方式為通過定量漏斗將孕育劑加入到鐵液流中，孕育劑隨鐵液流入澆包，這種孕育方式可有效減少孕育劑浪費(fèi)。目前，孕育劑的品種包含硅鐵、鋇硅鐵、鍶硅鐵、碳硅鈣、稀土硅鐵等。氣缸體澆注重量可達(dá)300 kg以上，屬于較重且壁厚較厚鑄件，故選取可改善斷面均勻性且抗衰退能力較強(qiáng)的硅鋇孕育劑進(jìn)行出鐵時(shí)孕育，結(jié)合原鐵液硅含量最終確定出鐵時(shí)孕育的孕育量為0.2%～0.5%.隨流孕育是在鐵液從澆包流入鑄型時(shí)對(duì)鐵液進(jìn)行二次孕育，可以有效減少孕育衰退，提高鐵液的孕育效果。隨流孕育選取的孕育劑為硅鋯孕育劑，孕育量為0.06%～0.08%.鋯元素不僅可以改善石墨形態(tài)，還能有效控制鐵液氮含量。

選擇合適的孕育劑后，再加入適量的合金元素，就可以獲得理想的金相組織，從而獲得高強(qiáng)度灰鑄鐵?；诣T鐵中加入適量范圍的合金元素可以促進(jìn)基體中珠光體的生成并細(xì)化珠光體同時(shí)還可以強(qiáng)化鐵素體，從而提高高強(qiáng)度灰鑄鐵的抗拉強(qiáng)度和硬度[5]。圖2為各種常用合金與灰鑄鐵抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系。氣缸體選取的合金化元素為銅、鉻、鉬、錫等。銅可以有效改善石墨形態(tài)，穩(wěn)定珠光體且不會(huì)引起鐵液白口傾向，故加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)可高至1.0%.鉻可以顯著提高鑄件抗拉強(qiáng)度及硬度，但加入量過大會(huì)引起鐵液白口傾向，故加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般不超過0.4%.鉬可以有效提高鑄件的抗拉強(qiáng)度，但過量鉬會(huì)引起鑄件縮松等缺陷，故質(zhì)量分?jǐn)?shù)不宜超過0.4%.

圖2 合金元素對(duì)灰鑄鐵抗拉強(qiáng)度的影響[6]

3 鑄件材質(zhì)性能檢驗(yàn)

對(duì)鑄件本體進(jìn)行解剖取樣，按照?qǐng)D紙位置取性能試樣，圖紙規(guī)定五個(gè)取樣位置，其中中間瓦口下主螺栓柱處冷卻條件最差，抗拉強(qiáng)度也最低，如果該位置合格，可以保證其他取樣位置合格，因此重點(diǎn)對(duì)該位置的金相組織和抗拉強(qiáng)度及硬度值進(jìn)行了檢測(cè)。金相組織及力學(xué)性能如表3及圖3所示，高強(qiáng)度灰鑄鐵氣缸體本體抗拉強(qiáng)度可以穩(wěn)定達(dá)到250 M P a以上，鑄件本體的珠光體體積分?jǐn)?shù)在98%以上，石墨呈A型，石墨片長(zhǎng)4級(jí)。

表3 氣缸體本體力學(xué)性能

圖3 氣缸體主螺栓柱位置金相照片

4 結(jié) 論

利用熱風(fēng)水冷富氧沖天爐生產(chǎn)牌號(hào)H T300以上的高強(qiáng)度灰鑄鐵氣缸體，抗拉強(qiáng)度、硬度及金相組織均能滿足材質(zhì)要求，利用熱風(fēng)沖天爐生產(chǎn)高強(qiáng)度灰鑄鐵其工藝控制要點(diǎn)主要有如下幾方面：

1）充分利用熱風(fēng)水冷富氧沖天爐的冶金特性，選擇合適的爐料配比，以及通過選擇合適的原材料及對(duì)原材料質(zhì)量進(jìn)行控制，熔化出優(yōu)質(zhì)的原鐵液；

2）通過選擇合理的鐵液碳、硅、錳、硫、磷等元素含量以及對(duì)鐵液出爐溫度的控制嚴(yán)格控制鐵液質(zhì)量；

3）選擇硅鋇孕育劑及硅鋯孕育劑進(jìn)行出鐵時(shí)孕育及隨流孕育，能保證鑄件的孕育效果，獲得良好形態(tài)的石墨；通過加入銅、鉻、鎳、錫等合金化元素，可獲得高強(qiáng)度灰鑄鐵氣缸體。