烟机低合金化高强度灰铸铁的研究和应用

烟机低合金化高强度灰铸铁的研究和应用上海烟业2006.01期作者:上海烟草机械责任有限公司新场分厂张峰摘要低合金化高强度灰铸铁（HT300）新产品的研究和开发，是填补烟机厂铸造中的一个空白，对于烟草机械的新产品开发有着重要的经济价值和社会效益。关键词CE称作碳当量其计算公式：CE=C+1/3（SI+P）1引言随着我国改革开放不断深入，我厂生产的烟草机械产品也在不断的更新和换代，相应地对我厂铸件材质的要求也越来越高，而如果采用原来的方法生产铸件，其材质的要求是达不到意大利“G、D”公司的要求的（我厂产品的技术从意大利G、D公司引进），而依靠进口，将不仅花费大量的人力和财力，也不利于我厂铸造水平的提高。因此，公司决定在无资料、无生产经验可以借鉴的情况下，把低合金化高强度灰铸铁作为攻关项目进行研究和开发。2研究目标低合金化高强度灰铸铁的工艺特点：是在高碳当量的前提下，采用加入少量合金元素及孕育处理相结合的方法，以使其基体组织得到强化、细化石墨并适当增加和稳定珠光体，形成碳化物以提高其铸铁的力学性能，其抗拉强度达到300N/mm2以上，并采用敲三角试片，使其白口宽度控制在4mm以下，防止“白口”现象发生，以保证产品的质量。3课题分析以往我厂生产的铸件，牌号都是HT200、HT250，其抗拉强度达不到新产品要求的300N/mm2以上，主要原因是铸件内部铁素体较多，奥氏体枝晶数量少，石墨粗长，从而分割基体，形成了许多微小裂纹，因此降低了铸件的机械性能。为了得到高强度的灰铸铁，保证其铸件的抗拉强度在300N/mm2以上，如果单从提高强度方面来试制，其方法有二种。方法一：改变炉料的组成，增大废钢的加入量，从而降低碳当量并进行包内孕育处理；方法二：加入少量合金元素与孕育相结合的措施。比较来看，方法一：由于降低了碳、硅含量，其碳当量较低，减少了石墨数量，细化了石墨，增加了初析奥氏体枝晶量，从而提高了铸铁的强度，但同时碳当量的降低会导致铸件性能的降低，铸件断面敏感性增大，铸件内应力增加，硬度上升，加工困难等问题。而方法二：利用在炉前加入少量合金元素，可适当促进和强烈稳定铸件内部珠光体的形成，并部分细化珠光体，强化铁素体，形成适量的碳化物，同时能使原铁液保持较高的碳当量，使其白口倾向减少，铸造性能好，不易产生缩孔、缩松现象。经过斟酌比较，再根据我厂铸件结构的特点（烟机产品结构复杂、薄壁铸件高强度），于是我们决定采用第二种方法，经过多次分析和比较，决定选用铜、铬两种合金同时使用及孕育处理相结合的方法来进行低合金化高强度灰铸铁的试生产。为了确保我厂低合金化高强度灰铸铁的试制成功，我们找出了一些在实际生产中影响低合金化高强度灰铸铁试制的一些主要问题，进行因果分析（见图1）：例如：原材料、操作、方法等，并对这些主要问题实行整改措施，具体落实到工作人员、检查人员，从而使得这些问题在现场生产过程中事先就行到了控制，以保证新产品试制成功。图1影响抗拉强度因果分析图4解决方案4．1配料计算（1）通过计算，确保各原料最佳的掺入比例：废钢25％；新生铁30％；回炉铁20％；留用铁水为25％，使试制铁水的化学成分达到设定要求。4．2、电炉熔炼工艺（1）选择合理的投料顺序留用铁水——废钢——熔剂——新生铁——回炉铁——硅锰铁——除渣——增碳剂——合金——除渣。（2）变质剂铁水包内处理。（3）孕育剂铁水包内处理。4．3炉前控制（1）光谱分析试样，调整其化学成分。（2）用湿型三角试片检测，原铁水白口宽度一般控制在4毫米以下。4．4化学成分的选择（1）原铁水应保持较高碳当量，以使铁水具有良好流动性。（2）铁水在相同的碳当量下，选用高碳硅比（C/Si）。（3）提高铁液的出铁温度，以使铁水具有良好铸态性能。4．5温度控制（1）热点隔测1520度出铁水。（2）1480度浇铸。4．6原料（1）采用优质的新生铁，干净的废钢。（2）保证硅铁、锰铁、增碳剂的有效含量，以保证其吸收率。4．7变质剂、孕育剂、合金的加入量（以出1.2吨铁水为例）（1）按熔炼工艺要求，变质剂（氮化铬）按0.3％称量加入。（2）孕育剂（锶硅）按0.5％称量加入。5具体实施各原料按配料百分比各自加入，含碳量用增碳剂调整；含硅量则用75％硅铁调整；含锰量用65％锰铁调整；磷和硫的含量均小于要求值，熔炼时铁水温度控制在1500度——1520度之间。5．1低合金化高强度灰铸铁（HT300）的理论设计和实际效果（见表1）5．2试制过程在实际测试中，出铁水温度控制在1500度——1520度之间，浇铸温度控制在1470度——1490度之间，铁水的含量碳量控制在C=3.15（％）——3.25（％）；硅控制在Si＝2.10（％）——2.30（％）时，将合金（铜）按1.2％比例加入，氮化铬与孕育剂（锶硅）按0.6％：1.0％加入时，发现抗拉强度可以达到360N/mm2，敲三角试片，白口宽度在6—-9毫米之间，同时铁水流动性差。敲开铸件，从它的断面上可以看到，虽然断面晶粒较细，但铸件断面的颜色呈银灰色，铸件的薄壁处有“白口”现象出现，而且敲打铸件，发现铸件有脆化的趋势，机加工时，发现铸件内部有缩松现象发生，同时硬度达到HB240左右，给机加工带来困难。表1铸铁（HT300）特征、化学成分关系表经过多次反复调整，最终确定了合金（铜）按0.9％加入；氮化铬与孕育剂（锶硅）按0.3％：0.6％加入，铁水的含碳量控制在C=3.30（％）——3.35（％）之间，含硅量控制在在Si=1.70（％）——1.90（％）之间，此时铸件的抗拉强度仍可达到320N/mm2以上，同时铁水的流动性好，铸件的各项性能指标都表现良好。而在铁水保持高碳当量时，应有较高的碳量、较低的硅量，这样在添加合金后能获得最好的强度和断面均匀性并起到防止硅增加铁素体、粗化珠光体、中和合金元素的作用。同时，在机加工时，发现铸件内部的缩松现象也不见了，三角试片白口宽度降至4毫米以下，而铸件硬度仍可保持在HB=180200左右，铸件薄壁处未出现“白口”现象，通过这样不断反复调整，终于生产出合格的铸件。6结论6.1应用效果（1）经过加入少量合金（铜和铬），不仅可以在铁水共析转变时显著地稳定和部分细化珠光体，而且能促进碳化物形成，再加上锶硅孕育剂孕育处理，从而减少合金（铬）的白口倾向，改善铸件断面均匀性，使原铁水中石墨两头钝化，类似蠕虫状，呈细片状，从而减少了石墨对基体的切割作用，同时适当增加共晶团数和促进细片珠光体的形成，以有利于强度的增加。（2）通过加入少量合金，不仅可以生产出高强度、高使用性能的铸件，而且大大减少了废钢的加入量，所以对我国目前供应的原材料废钢质量差、量又少的局面有着特别重要的意义。6.2应用效益（1）经济效益通过试制低合金化高强度灰铸铁的成功，不仅使我厂节约了资金，缩短了生产周期，也为我总厂——烟机厂新产品迅速占领市场赢得了先机，同时也增强了我们自己在铸造行业中的市场竞争力。（2）社会效益通过新产品的开发，不仅使我厂在新铸件的开发上积累了丰富的经验，同时也为我们上海烟草机械有限公司在新产品自主研发上提供强有力的支持，相信不远的将来，我们烟机公司将拥有完全具有自己知识产权的烟机产品。