感应电炉生产灰铸铁缸体、缸盖的技术探讨
赵学清等
目前，铸造厂大多使用感应电炉熔炼铁液， 使用电炉熔炼铸铁，这样可以方便控制和调节铁液的温度与化学成分，熔炼烧损小，噪音和污染小，可以充分利用各种废切屑和废料，而且大块炉料时整块入炉重熔。但电炉熔炼的铁液收缩倾向大，白口倾向大，易产生过冷石墨，所得铸铁的强度与硬度较高，如果工艺不合理，会显著增加铸件的渗漏废品，随着感应电炉应用的不断普及，铁液的冶金质量越来越受到铸造行业的重视，获得优质铁液是铸造从业者共同追求的目标，高温纯净的铁液可以减少铸件的渣眼和砂眼，成分稳定且白口倾向小的铁液能够减少铸件的渗漏几率。
1 配料及熔炼工艺
1.1增碳剂+废钢生产合成铸铁
铸铁的组织和性能很大程度上取决于原材料的微观组织和质量。生铁中存在具有遗传性的粗大的过共晶石墨，在熔化过程中难以完全消除，使凝固过程中产生的石墨化膨胀作用削弱， 铸件的致密性降低，铁液收缩倾向增大，同时粗大的石墨还加大对基体的割裂作用，降低材料的性能。随着铸造技术的发展,越来越多的铸造企业采用全废钢，用增碳的方法调整含碳量来生产合成铸铁，废钢的价格较生铁便宜，主要是在相同的化学成分下能获得更好的力学性能。
在生产合成铸铁时，增碳剂的选用非常重要，尤其对致密性要求高的薄壁高强度的缸体、缸盖铸件，一定要采用经过高温石墨化的增碳剂，增碳剂中S和N量是衡量增碳剂品质的重要指标。
采用未经过高温石墨化的增碳剂，其杂质和灰分较多，并且需要较长时间才能扩散到铁液中。如果熔炼时间短，就会出现假增C的效果，即炉内铁液的上部分ω（C)量在范围内，下部分ω(C) 量低于要求的范围，这种铁液浇注铸件很容易出现缩松，经过高温石墨化处理的增碳剂，C原子从原来的无序排列状态过渡到片状石墨的有序排列状态，片状石墨才能成为石墨形核的**核心，从而促进石墨化。
未经过高温石墨化的增碳剂含有较多的N 和S,会使铁液中ω(N )量增加。生产合成铸铁时加入大量废钢，废钢中也含有大量的N,使铁液 中ω(N)量升高，当铁液中ω(N)量超过0.01%, 有可能导致形成N2气孔，尤其是当( N )量超过 0.014%时更甚。
1.2废钢的选用
废钢的来源要稳定，**是轻型车的冲压板材，为保证溶炼效率，打包压块后,块度**不超过300 mm×300 mm×400 mm。如果废钢来源不稳定，其中含有的杂物会使铁液中Pb)、ω( As)和 ω( A1 )M增高，影响缸体、缸盖铸件的性能，严重 时造成批量废品。
1.2.1 Pb的影响
微量的Pb就可以引起石墨形态恶化，随着 ω(Pb)量的增多，石墨由正常分布的A型开始变为蜘蛛状、爪状、刺刀状，并且石墨头部变尖，边缘变得粗糙不平，呈锯齿状，并出现分枝,形成闭合的环形石墨（如图1);当ω（Pb)量继续增加时，主石墨干上出现多条沉积的二次石墨，形成典型的魏氏石墨。
由于微量的Pb引起石墨形态的变异，使其对基体的割裂作用增强，因而强烈地降低灰铸铁的力学性能。
笔者公司经过多年对Pb元素的研究得出：当以生铁为主配料时，ω(Pb)量上限为0.000 8%;生产合成铸铁时，ω( Pb)量上限为0.001 5%否则缸体轴承座处的石墨就会变异，造成缸体的力学性能下降，从而引起因材料不合格的废品。
1.2.2 As（砷）的影响
As在铸铁中是一种微量有害元素，影响铸铁的显微组织。As元素的存在可促进灰铸铁形成D型石墨，使基体变成珠光体,改变灰铸铁的白口倾向等，导致铸铁力学性能降低。此外含As铸铁还容易产生缩孔、缩松、裂纹、偏析以及夹渣等铸造缺陷，使铸造生产的质量控制变得困难。
笔者公司原设定的ω( As)量为0.008 %,在采用增碳剂+废钢生产合成铸铁过程中，ω(As) 量最尚达到0.011 6%，为验证ω( As)量对灰铸铁缸体、缸盖力学性能的影响，对ω( As)量超出 0.008 0%的铸件进行力学性能检测，检测结果如 表1、表2所7K。
图1 m，( Pb)量为0.003 3%时的石墨形态
技术要求缸体、缸盖的本体抗拉强度不低于 207 MPa,由表 1、表 2 可见，ω(As)量在 0.008 1% ~0.011 6%的铸件力学性能和金相组织都满足技术要求。对ω(As)量在 0.012% ~0.013% 的 496 件缸体铸件进行气密性检测发现，仅有2件铸件出现渗漏，渗漏率为0.4%，渗漏率未出现异常升高说明As在这个范围内，不会增加铸件的渗漏废品。
通过试验验证1当ω(As)量低于0.013% 时，灰铸铁具有较好的力学性能和冶金质量指标, 目前，笔者公司将ω( As)量控制在0.013%以下。
1.2.3 A1的影响
微量元素Al量在一定范围内并不会对发动机 缸体、缸盖铸件的质量产生影响，但当ω(As)量超 过一定范围后，就会产生H2气孔,使铸件报废。铁液中微量Al质量分数为0.01%~0.10%会发生如下反应:2A1+3H20
Al3O2+6H。如果铁液脱氧不好，而在金属的硬皮(或氧化膜)附近H的浓度又高，则有可能发生以下反应:2H+FeO—Fe0+Fe，产生的水就附着在生长着的晶粒上，成为气泡的核心此后，凝固过程中析出的H和由界面侵入的H都向气泡核心集中，使气泡长大。气泡来不及逸出时，就成为H2气孔。
笔者公司曾出现过一炉次的康明斯4B缸体气孔缺陷，由于流水号是相连的，所以判定为同一炉次浇注的铸件。解剖发现，内部存在很明显的气孔，调查发现该炉次ω(Al)量 为0.079 6%。同时，又出现了2炉次的ω(Al)量异常的铸件，炉前光谱样检验ω(Al)量分别为 0.039 2%和0.0414%。这2炉次的铸件没有任何缺陷，加工后渗漏废品也正常，分析认为导致ω(A1)量升高的主要原因是压块废钢中含有A1制品，在溶炼过程中使微量元素升高。为防止此类缺陷的再次出现，笔者公司规定炉前ω(Al)量不超过0.040 0%。
1.3 SiC的使用
铸铁熔炼时加人SiC，对于灰铸铁，由于非平衡石墨的预孕育作用，可以提高共晶团大M形成与生长的温度(减小相对过冷度），有利于形成A 型石墨;还町以因晶核数量增多，使片状石墨细小，提高石墨化程度，减少白口倾向，从而提高力学性能。
在灰铸铁、球墨铸铁和可锻铸铁的生产过程中，SiC通过以下反应:SiC+FcO=Si+Fe+CO,降低 FeO和MnO在渣中的含量，从而净化铁液
由于SiC的溶点较高，加人SiC的时间是关键。如果加入时间太短，SiC未全部进行溶解扩散，其中未溶融的SiC会以颗粒状的形态存在于铁液中，在铁液浇注后反而会形成渣眼；如果加入时间太长，铁液经过长时间的熔炼后，SiC所形成的形核也会慢慢消失，只能起到简单的增Si 作用。因此，建议SiC的加入时间**是在中频炉熔融1/3炉料时，并且炉料已经化清时加入， 伴随着铁液的搅拌作用，SiC的扩散效果会更好。 笔者公司通过对不加和加1%的SiC原铁液三角试块检测，结果显示，加入SiC的原铁液白口宽度为6 mm，不加SiC的原铁液白口宽度为10 mm。由于SiC经过一系列的冶金反应，反应产物中非平衡石墨可作为石墨生长的有效核心，降低了原铁液的白口倾向。
SiC中含有69%的Si，可以用于灰铸铁熔炼 时增Si,由于其价格比Si-Fe便宜，使用SiC还能在一定程度上降低生产成本。
1.4铁液的过热和高温静置
在一定范围内提高铁液的过热温度，延长高温静置的时间，都会导致铸铁的石墨及基体组织的细化，使铸铁强度提高;另外，高温铁液在一定的时间下静置，由于氧化渣的密度比铸铁的密度小，铁液中的氧化渣随着铁液的翻滚，会浮到铁液表面，通过出炉前扒渣处理，可以减少铁液中的氧化渣，净化铁液。但过热温度过高，过热时间过长，铁液中的核心就会消失，增大原铁液的白口倾向。 笔者公司从2010年开始严格实施铁液过热工艺，经过长时间的探索和经验总结，认为感应电炉中 铁液的过热温度控制在1500-1530 °，过热时间为5~10 min**，此时浇注的铸件石墨细小，组织致密。
2孕育处理
孕育处理的目的是增加形核核心，促进石墨化，降低白口倾向。现代化工厂普遍采用出炉孕育+随流孕育2种孕育方式。
2.1出炉孕育
笔者公司出炉孕育是铁液出至转运包1/4 时随流冲人Si-Zr孕育剂。Zr在铁液中能生成 ZrC、AljZr、ZrN，增加析出和细化奥氏体枝晶，增
加石墨结晶核心，促进铁液石墨化，稳定获得铁素体基体，提高铸铁的强度。
通过多次试验对比，采用Si-Zr孕育剂比采用Si-Ba孕育剂的铸件本体强度、硬度要高。
Si-Zr孕育剂中的Zr与N反应生成氮化物，降低铁液中的溶解N，抑制孕育衰退，减少N2气孔。废钢中有较多的N，当使用增C工艺时，废钢 比例大，使用Si-Zr孕育剂，能够减少铁液因此产生的缺陷。
N2气孔缺陷，外观极易与缩松缺陷混淆，在加工厂检验时，通常以铸件裂纹和漏气的形式表现出来。解剖后发现，渗漏部位有裂隙状的缺陷，即使该缺陷在加工过程中没有被发现，在发动机的使用过程中，此处将成为裂纹源，随着发动机使用时间的延长，裂纹扩散将造成发动机缸体工作失效。
铸造分公司曾将废钢比例增大至60%,并采用Si-Ba孕育剂出炉孕育，铸件加工气密性检测时，渗漏废品高达3.3%,分析认为，主要是由于出现N2气孔而引起的异常，后来用Si-Zr孕育剂代替Si-Ba孕育剂，渗漏废品降低至1%以下。
2.2随流孕育
孕育衰退是孕育处理过程不容忽视的问题，相比出炉孕育，随流孕育铁液温度较低且孕育时间延后，从而明显减少孕育衰退现象，提高孕育效果。对于致密性要求高的灰铸铁缸体、缸盖，一般Si-Sr孕育剂的加入量为0.05%~0.1% Si-Zr孕育剂能有效促进共晶石墨化、减少铁液白口， 但不增加共晶团数，不增加铁液的缩松倾向，对降低铸件渗漏具有显著的作用。
笔者公司2008年以前采用的是出炉孕育+ 倒包孕育2种孕育方式，均为Si-Ba孕育剂，生产的康明斯4B缸盖渗漏废品率高达10%左右， 采用Si-Sr孕育剂进行随流孕育后，渗漏废品率降低至3.52%。
2.3出炉补C工艺
铸铁在熔融状态下并非单相液体，而是存在着未溶解石墨和渗碳体的多相体。如果长时间过热或频繁送电搅拌，铁液趋向于热力学平衡状态，未溶解的渗碳体和石墨基团被溶解，铁液中由于浓度起伏出现新的C原子基团，这些C原子基团可能以渗碳体型占多数，从而增加了铁液的白口倾向,铁液中有效的形核核心减少，导致孕育的回应能力降低，冶金质量变差。
在长期的生产过程中对熔炼时间与温度、 ω(C)量的变化进行数据统计(如表4、表5 )。由此可见，随着时间的加长、温度的升高，ω(c )量存在减少的趋势，而且有的ω( C)量与炉前相差0.10%以上。
为减少由于长时间保温和送电，导致铁液中白口倾向增大和c损失造成的副作用，在出炉时加入一定量的增碳剂进行补C，其颗粒迅速扩散到铁液中，既可以弥补C的烧损，又可以增加铁液中的形核核心，起到一部分孕育的作用，补C 处理用的增碳剂吸收率一般为70%~80%左右。
在同一炉次铁液中，通过出炉时加入0.06%的增碳剂进行微调，检验其白口层宽度，并于该炉次不增加增碳剂的铁液进行比对，结论为：随着感应电炉熔炼或保温时间延长，C存在烧损现象，如果出炉时进行一定的补C处理，可以有效降低白口倾向。产生一定的孕育效果。
结论
①冶金质量是生产优质铸件的根本保障, 形核核心是衡量冶金质量的重要指标
②感应电炉中加入一定量的SiC作预处理剂，增加铁液中的形核核心，降低白口倾向，并且能减少铁液中的氧化渣，起到净化铁液的作用。
③生产合成铸铁时，一定要选用经过高温石墨化处理的增碳剂，并对废钢的来源进行严格管控。
④感应电炉中铁液的过热温度控制在1500〜1 530°，过热时间为5~10 min**，此时浇注的铸件石墨细小，组织致密。
⑤大量使用废钢,通过增C工艺生产合成铸铁时，容易产生N2气孔，可以通过选用Si-Zr 孕育剂来消除N2气孔。
⑥出炉补C工艺，不仅能稳定炉后C的成分，更重要的是起到一定的孕育作用，增加了铁液中的石墨核心，降低铁液的白口倾向。
