现代铸铁多材质、铁液及其熔炼设备的要求

现代铸铁件对材质、铁液及其熔炼设备的要求中国农业机械化科学研究院张伯明2010年7月铸造工业当今面临的两大任务：响应低碳经济，使铸造工业成为环境与人类生存友好的工业铸件要满足产品净形化、轻量化的要求反之，两者都会促使铸造技术水平的提高。净形化要求铸件尽量达到最终产品的形状：砂型铸件的加工余量减少——从过去的5～8mm减少到2～3mm促进了高精确度造型与制芯技术的发展轻量化就是满足功能的同时要减轻铸件重量：壁厚减薄——气缸体的壁厚从6～8mm减少到3～5mm使用了高牌号的铸铁：灰铸铁提高1～2级灰铸铁改为蠕墨铸铁灰铸铁改为球墨铸铁促进熔炼技术水平的提高现代铸件提出的第一个要求：从试棒性能验收演变成从本体性能验收。世界各国灰铸铁标准都强调了本体性能的重要性。铸铁件的性能取决于化学成分，也取决于冷却条件。在砂型条件基本稳定时就取决于铸件的壁厚。同样的化学成分可使薄处出白口或过硬，厚壁处过软。铸件的复杂性使得其材质的验收产生了演变：不同直径的试棒附铸试棒Φ30试棒本体试样气缸体从过去的Φ30mm试棒Φ20mm试棒或Φ15mm试棒实测顶面硬度、缸筒间取抗拉试样、缸筒壁上取金相试块类别TL-Vw009-ATL-VW009-B适用范围高要求汽油机缸体和柴油机缸体一般汽油机缸体w(C)%3.0～3.52.8～3.4w(Si)%1.8～2.71.8～2.8w(Mn)%0.3～1.0w(P)%＜0.2w(S)%＜0.14w(Cr)%0.15～0.450.15～0.40w(Cu)%＜0.8w(Ti)%0.03～0.10≤0.1w(Sn)%＜0.1w(Al)%＜0.008共晶度（Sc）Sc=C≤0.954.3－1/3（Si+P）基体组织片状珠光体铁素体量≤3%≤5%石墨类型A型A型石墨大小（缸筒上取样）3～44～7硬度（HBW）195～235（逐个检查）本体抗拉强度Rm≥220N/mm2表1某汽车公司对缸体材料和性能的规定变动次数化学成分（质量分数，%）孕育剂CSiMnPSCrCu种类加入量%13.35～3.41.65～1.70.7＜0.10.150.3ZL800.323.35～3.41.65～1.70.7＜0.10.150.2ZL800.333.4～3.451.65～1.70.7＜0.10.150.275SiFe0.343.4～3.451.65～1.70.7＜0.2＜0.10.150.275SiFe0.353.4～3.51.6～1.70.7＜0.20.08～0.10.150.2ZL800.42563.4～3.51.6～1.70.7～0.8＜0.20.08～0.10.150.2ZL800.673.5～3.551.7～1.80.7～0.75＜0.08＜0.140.15～0.200.20～0.25ZL800.283.5～3.551.7～1.80.7～0.75＜0.08＜0.140.15～0.200.20～0.25ZL800.293.5～3.551.7～1.80.6～0.7＜0.08＜0.140.15～0.200.20～0.25ZL800.2103.5～3.551.7～1.80.6～0.7＜0.08＜0.140.15～0.200.20～0.25ZL800.25表2某铸造厂生产表1所示缸体时的实际情况铸造工作者必须从按Φ30mm试棒配成分变成按铸件结构配成分铸件形状各异，每种铸件都需要有自己合适的成分和处理技术合适成分的范围非常窄每种铸件都应有自己的档案材料名称浇注温度℃化学成分（质量百分数，%）孕育剂试棒直径mm备注CSiMnCrCu种类加入量%大众缸体04940Kg1430-14003.5～3.551.7～1.80.6～0.70.15～0.200.2～0.25ZL800.220CE3.8～4.0大众缸体05242Kg1410-13803.5～3.551.8～1.90.6～0.70.15～0.200.20～0.25ZL807.5Kg/包20CE3.8～4.0大众缸体06846Kg1430-14003.5～3.551.7～1.80.6～0.70.3～0.350.4～0.5Grophidox0.320Sb0.04Ti0.03～4.0CE3.85～3.98GE气缸套243Kg1400-13703.45～3.501.6～1.70.70.20.5ZL800.2φ40-刹车鼓48771420-13803.3～3.352.20.5-0.3ZL800.420-刹车鼓2511440-14003.5～3.552.00.6-0.2ZL800.420-变速箱F881420-13903.45～3.551.8～1.90.6--ZL800.320CE3.8～4.0壳体1201390-13603.4～3.51.9～2.00.6--ZL800.230-变速箱831440-14003.4～3.52.40.5-0.3ZL800.120S0.11气缸体68711420-14003.55～3.601.7～1.80.75～0.800.35～0.400.4～0.5ZL800.230P＜0.08S0.125Opel飞轮8Kg1410-13603.3～3.351.70.6--ZL800.230CE3.9～4.0HT250Opel传动箱8.4Kg1430-14003.5～3.62.2～2.30.5～0.60.3-ZL800.2520HT250Opel刹车盘6Kg1420-13803.4～3.452.00.6FeSi750.220Mo0.2CE3.9～4.0Opel飞轮盘11.7Kg1410-13603.4～3.51.70.6--ZL800.320CE3.05～3.95表3德国某专业铸造厂对某些铸件的化学成分控制规定分类公学成分（平均值）（质量分数，%）备注CSiMnPCuCEA3.52.25≥0.650.10－4.27用质量分数为0.3%的Inoculin孕育；各级CE波动范围为±0.03；气缸体的CE为4.12～4.16%。B≤3.51.8～2.00≥0.650.10－4.19C3.42～3.481.80～2.0≥0.650.100.34.14D3.40～3.451.85≥0.650.100.34.09表4某拖拉机铸造厂的成分要求现代铸铁件生产时的第二个要求是高于1500℃的出铁温度：保证足够的浇注温度消除浇不足，冷隔缺陷，降低气孔、夹杂的缺陷要求之三：高的纯净度钢液的AOD、VOD等精炼方法能大幅度地改善钢的性能，那么有石墨存在的铸铁在精炼后性能能否有明显提高，因研究太少还不得而知，但有好处是肯定的。纯净主要指：铁液氧化少、含气量少、杂质少、不必要的微量元素少。提高温度至1500℃以上，能降低铁液的含氧量，因有反应:SiO2+2C→Si+2CO↑发生反应的理论温度tG可用下式计算：47.1527486%)()%(lg2GtCwSiw实际反应温度tH，因CO的逸出，铁液沸腾，故又称为沸腾温度：tH（℃）=0.7866×tG（℃）+362铁液在沸腾温度以上的好处：Si的释放使FeO减少Si+2FeO=SiO2+2Fe，氧化程度降低CO的逸出带出了铁液中的杂质和各种气体降低球化剂、蠕化剂的用量高温又能消除铁液的遗传性用冲天炉熔炼、铸造的一般中等用电炉熔炼、铸造的一般中等铸铸件中的粗大片状石墨X100件中较细片状石墨X100（铁（铁液温度＜1400℃）液温度＞1500℃）不同熔炼温度的石墨形态满足这些要求的措施选择合适的熔炼设备精确的加料系统针对不同铸件的大量技术工作冲天炉、冲天炉电炉双联、单独电炉熔炼及电炉电炉双联、只要熔炼温度在1500℃以上，都有除烟除尘措施，都能得到良好的铁液。选择的原则：生产的批量合金的种类能耗高低能源供应条件及价格无焦冲天炉：有充足的气源(预热要600M3,60M3/t铁液)燃气价格便宜无焦冲天炉必须要有双联措施（增碳难，不能多用废钢，C多在2.6～2.8%；升温效率不高)电炉与冲天炉相比取决于最终成本与生产习惯投资——都必须有除烟、除尘装置及供电系统批量大小，即合金种类变化频率，用冲天炉同种铁液需要量≥15t/h世界的趋势是热风炉保持且容量变大，冷风炉减少我国铸造厂小，又认为上电炉后不用除尘，又节能，故随着焦炭的涨价，很多厂会转向电炉美国1999年70%的铸铁是用冲天炉熔炼的。数量在减少熔化量在增加美国的冲天炉年份1963197319831991冲天炉数28171749868475我国是产煤、产焦的大国（占世界产量的70%），欧洲在近年焦炭价格上涨至500欧元/t仍大量使用冲天炉。因此我国必须要重视冲天炉技术，尤其是热风长炉令冲天炉的发展。至今国内引进过新旧6台热风冲天炉（一汽、潍柴、上钢三厂、天津三铸、新兴铸管），正运行的约12台。我国现在每年要熔化3500万t铁液，将来以50%用热风冲天炉熔炼则仅需10t/h的冲天炉700台，铸铁铸造厂数也可降低到3000个左右。10t/h冷风冲天炉10t/h热风冲天炉只要有精确的装料和适合的熔炼工艺，冲天炉能和电炉一样获得精确的铁液成分。反之若电炉熔炼而不重视炉料计算与控制也达不到合适的成分。炉料品种12345678每批总重规定重量批次7054451501502580190671812169044218414829781966618332700480130160228018566182337504081401702380193671831467650014413424791816618045696440176142247918968181467024161781442480191701805772442210015423781816417468696446150150217718167178896984901441862178201761892应加入量6345400513501350225720171060316308实际加入量6332404413461388271709170761016347误差，%0.20.970.292.86.21.50.171.10.24表6冲天炉自动加料的精确程度（单位：Kg）批号时间（时：分）炉料组成物重量（kg)12345678910总重16：0034025047011501443612180138526：0638024050013001413512180145636：1236022048012501503713190140446：1837024047011501423612180140356：2435022050012001433612180139966：3035025049013001423612180142876：3637027049011001463712180145386：4236024048012001483713190141796：48370230420120014436121801350106：54350250470130013734111701399前10批料总和360024104770121501437360121181014094规定配比3600.4480120014436120.0501410误差，%000.61.2500.200.8000.04117：055500470020015648240121460127：115000500022015949240121464137：174800480017015849240121373147：235200520020014645230111465157：305100450016016150250121368167：365300430020014545220111383后6批料总和309002850011509252861420708513规定配比5200480020015648240121440误差，%0.901.004.11.10.61.302.71.4冲天炉加料的均匀性国外某拖拉机铸造厂在16小时内，用真读光谱仪测定的冲天炉出铁铁液的成分（进电炉前）w(C)