使用低合金廢鋼生產(chǎn)合成鑄鐵熔煉工藝的研究及應(yīng)用

周 瑞，白忠軍，張玉松，劉王強(qiáng)

（陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司，陜西寶雞 722409）

我公司主要生產(chǎn)重卡變速箱，每年產(chǎn)生大量低合金廢鋼，為提升企業(yè)內(nèi)部資源利用率，降低生產(chǎn)成本，加快企業(yè)內(nèi)循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，以低合金廢鋼為主要原料生產(chǎn)合成鑄鐵熔煉工藝勢(shì)在必行。本文以低合金廢鋼為主要原材料生產(chǎn)合成鑄鐵的熔煉工藝、鑄件成分設(shè)計(jì)與控制進(jìn)行探討，并介紹多元微合金合成灰鑄鐵的微觀組織和性能。

1 試驗(yàn)方法及內(nèi)容

試驗(yàn)采用2t 酸性爐襯中頻感應(yīng)爐熔煉，熔煉工藝為：廢鋼+生鐵+增碳劑，化清后加入合金調(diào)整化學(xué)成分，溫度升至1420～1450℃時(shí)取樣，檢測(cè)化學(xué)成分，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果調(diào)整成分，加回爐料至滿爐，升溫至1580～1600℃后出爐，出爐時(shí)按倒包工藝加粒度為10～20mm 的孕育劑0.45%。隨后澆注（1460～1520℃）變速器殼體、單鑄試棒，鑄造方法采用消失模鑄造。

本文使用的廢鋼是生產(chǎn)齒輪產(chǎn)生的8620H廢鋼，它的主要成分見表1。

表1 8620 廢鋼化學(xué)成分 w/%

廢鋼中合金元素Mn、Cr 含量較高，其中Mn作為鑄鐵的五大元素，具有穩(wěn)定碳化物、阻礙石墨化的作用。錳之所以阻礙石墨化，是因?yàn)殄i溶入滲碳體時(shí)形成（Fe、Mn）3C，加強(qiáng)了碳原子的結(jié)合力，使?jié)B碳體更穩(wěn)定。另外，錳阻礙共晶凝固時(shí)石墨化的作用不強(qiáng)烈，而阻礙共析轉(zhuǎn)變石墨化的作用則比較明顯，故錳較強(qiáng)烈地促進(jìn)并穩(wěn)定珠光體，使灰鑄鐵強(qiáng)度提高。灰鑄鐵件中一般只加入0.2%～0.3%的鉻，如加入量超過0.35%，有可能出現(xiàn)少量游離滲碳體而增加鑄件的縮松傾向；加鉻量超過0.5%，則有可能出現(xiàn)較多游離滲碳體，影響鑄件加工切削性能[1]。并且8620H 中還有各種合金元素，它對(duì)鑄鐵具有強(qiáng)化作用，因此灰鑄鐵的成分需要重新設(shè)計(jì)。

試驗(yàn)使用的增碳劑是人工合成的石墨化增碳劑，增碳劑的理化指標(biāo)見表2。

表2 增碳劑理化指標(biāo)

試驗(yàn)用的孕育劑為粒度為10mm～20mm 的常規(guī)SiBa 孕育劑，烘干后使用。

2 試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 確定增碳劑吸收率

人造石墨的原材料是焙燒或煅燒的石油焦和瀝青焦，篩分后以不同粒度分層裝入熱處理爐，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間高溫焙燒，使得結(jié)構(gòu)由無(wú)定型碳轉(zhuǎn)變?yōu)閷訝钍▓D1）。人造石墨增碳劑具有固定碳含量高（C＞98.5%）、吸收率高、增碳的可控性和預(yù)測(cè)性好；質(zhì)量穩(wěn)定、雜質(zhì)極低；人造石墨與鐵液中石墨的同質(zhì)異核作用而提高鐵液的形核能力，具有一定的孕育效果。人造石墨增碳劑的原材料供應(yīng)充足，可以工業(yè)化批量生產(chǎn)，完全滿足合成灰鑄鐵熔煉工藝的生產(chǎn)。

圖1 層狀石墨形成過程

碳在鐵液中溶解受到碳顆粒表面液體邊界層的傳質(zhì)影響。資料顯示，無(wú)煙煤顆粒的增碳能力遠(yuǎn)低于石墨化增碳劑。對(duì)兩種增碳劑表面觀察，發(fā)現(xiàn)非石墨化增碳劑粒表面有一層很薄的粘性灰層，這是除其組織結(jié)構(gòu)外影響它在鐵液中擴(kuò)散溶解的另外一個(gè)主要原因[2]。通過查詢資料，石墨化增碳劑在冶金行業(yè)的吸收率為90%，但是各個(gè)工廠熔煉工藝有所區(qū)別，其實(shí)際吸收率也存在差異。為了取得石墨化增碳劑在我廠消失模鑄造的吸收率，進(jìn)行如下試驗(yàn)。

首先，預(yù)估增碳劑吸收率90%，以此為依據(jù)設(shè)計(jì)配料單，配料單見表3。理論計(jì)算通過增碳劑增碳后鐵水含碳量為3.363%。按照我廠消失模鑄造工藝需求熔煉，爐前成分檢測(cè)含碳量為3.369%。澆注后鑄件成分檢測(cè)含碳量為3.260%（碳燒損造成碳含量下降）。試驗(yàn)過程的成分見表4。通過試驗(yàn)，確定石墨化增碳劑在我廠消失模鑄造熔煉的吸收率同樣為90%。

表3 增碳劑吸收率試驗(yàn)配料單（質(zhì)量/kg）

表4 增碳劑吸收率試驗(yàn)成分 w/%

2.2 鑄件成分與配料單設(shè)計(jì)

由于本項(xiàng)目使用低合金廢鋼作為原材料生產(chǎn)合成鑄鐵，引入了各種微合金元素，對(duì)提高鑄件性能與硬度都有促進(jìn)作用，并且通過試驗(yàn)，對(duì)鑄件性能、硬度檢測(cè)分析，同時(shí)參考GB/T9439、卡特標(biāo)準(zhǔn)1E0018，最終完成灰鑄鐵鑄件成分與配料單的設(shè)計(jì)，見表5、6。

表5 原鐵水和鑄件化學(xué)成分 w/%

表6 配料單（重量/kg）

2.3 生產(chǎn)驗(yàn)證及結(jié)果分析

根據(jù)鑄件成分與配料單，連續(xù)生產(chǎn)HT200 一個(gè)月，對(duì)生產(chǎn)的鑄件每班隨機(jī)抽取3 個(gè)樣本，一個(gè)月抽取288 個(gè)樣本進(jìn)行硬度檢測(cè)，并與傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的鑄件硬度進(jìn)行對(duì)比，頻率分布表對(duì)比見圖2。

圖2 鑄件硬度頻率分別對(duì)比

通過對(duì)傳統(tǒng)熔煉工藝與合成鑄鐵熔煉工藝生產(chǎn)的鑄件硬度分析對(duì)比，合成鑄鐵工藝生產(chǎn)的鑄件硬度平均值為194.4HB，比傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的高10HB，這與資料[3，4]描述的相反。這是因?yàn)楸竟に囀褂玫膹U鋼為低合金鋼，所生產(chǎn)的合金鑄鐵含大量微合金元素，微合金元素改變了鑄件組織，最終導(dǎo)致鑄件硬度提升。

本次試驗(yàn)每班澆鑄一組單鑄試棒，一個(gè)月共得到99 個(gè)樣本，與傳統(tǒng)熔煉工藝生產(chǎn)的單鑄試棒抗拉強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，頻率分布對(duì)比見圖3。

圖3 鑄件抗拉強(qiáng)度頻率分別對(duì)比

通過對(duì)傳統(tǒng)熔煉工藝與合成鑄鐵熔煉工藝生產(chǎn)的單鑄試棒抗拉強(qiáng)度對(duì)比分析，合成鑄鐵的抗拉強(qiáng)度平均值為294MPa，與傳統(tǒng)熔煉工藝鑄件抗拉強(qiáng)度對(duì)比，抗拉強(qiáng)度提高22MPa，這與資料[3，4]規(guī)律相同。

本次試驗(yàn)澆注鑄件為我廠某變速器殼體，殼體平均壁厚10mm，厚壁處厚度為27mm，薄壁厚度為8mm。解剖一件鑄件進(jìn)行微觀組織檢測(cè)，圖4為鑄件厚壁區(qū)和薄壁區(qū)的金相組織。由圖4 觀察，鑄件所有石墨都為A 型片狀石墨，前端面石長(zhǎng)4級(jí)，側(cè)壁石長(zhǎng)達(dá)到5 級(jí)，這種細(xì)小均勻的A 型片狀石墨既提高了鑄件的強(qiáng)度，同時(shí)又改善了鑄件的切削性能。這說(shuō)明增碳劑不僅僅起到增碳的作用，同時(shí)由于碳的熔點(diǎn)遠(yuǎn)高于熔煉溫度，熔煉過程中增碳劑的擴(kuò)散形成大量的彌散分布的石墨結(jié)晶核心，增強(qiáng)鑄鐵的形核能力，促進(jìn)了A 型片狀石墨的形成。

圖4 變速器殼體厚壁和薄壁區(qū)域金相組織

2.4 合成鑄鐵工藝對(duì)鑄件冶金質(zhì)量的影響

同一成分的鐵液經(jīng)不同處理，便能獲得不同性能的鑄鐵。本工藝的冶金過程進(jìn)行了改變，為衡量灰鑄鐵的冶金質(zhì)量，使用灰鑄鐵在?30mm 單鑄試棒測(cè)量得到的抗拉強(qiáng)度和硬度與共晶度（Sc）計(jì)算出成熟度（RG）、硬化度（HG）、相對(duì)硬度（RH）和品質(zhì)系數(shù)（Qi）[5]。

式中，C總為鑄鐵含碳量（%）；Si、P：鑄鐵中硅、磷含量（%）。

式中，σb測(cè)為從?30mm 單鑄試棒測(cè)量得到的抗拉強(qiáng)度（MPa）。

式中，HBS 為布氏硬度值測(cè)量值。

式中，HBS 為布氏硬度測(cè)量值。

表7 為兩種熔煉工藝鐵水成分平均值，同時(shí)根據(jù)圖2、3 統(tǒng)計(jì)的硬度和抗拉強(qiáng)度計(jì)算成熟度（RG）、硬化度（HG）相對(duì)硬度（RH）和品質(zhì)系數(shù)（Qi）。

表7 兩種工藝成分統(tǒng)計(jì) w/%

傳統(tǒng)熔煉工藝的冶金質(zhì)量的指標(biāo)計(jì)算結(jié)果如下：

合成鑄鐵熔煉工藝生產(chǎn)的灰鑄鐵的冶金質(zhì)量指標(biāo)計(jì)算結(jié)果如下：

由以上數(shù)據(jù)可以看出，傳統(tǒng)熔煉工藝生產(chǎn)的鐵液成熟度為0.9788，說(shuō)明灰鑄鐵冶金質(zhì)量達(dá)到平均水平；用低合金鋼生產(chǎn)合成鑄鐵的鐵液成熟度RG 為1.1426＞1，說(shuō)明對(duì)冶金因素控制優(yōu)秀，并優(yōu)于傳統(tǒng)熔煉工藝。兩種工藝生產(chǎn)的灰鑄鐵的相對(duì)硬度均為0.84，表面灰鑄鐵的強(qiáng)度高、硬度低，有良好的切屑性能。傳統(tǒng)熔煉工藝生產(chǎn)的鐵液品質(zhì)系數(shù)1.162，用低合金鋼生產(chǎn)合成鑄鐵的鐵液品質(zhì)系數(shù)1.238，說(shuō)明合成鑄鐵生產(chǎn)的灰鑄鐵優(yōu)于傳統(tǒng)工藝，且都是優(yōu)質(zhì)鑄鐵。品質(zhì)系數(shù)高，說(shuō)明低合金鋼生產(chǎn)合成鑄鐵強(qiáng)度高，同時(shí)兼具良好的切屑性能。

2.5 合成鑄鐵成本降低

合成鑄鐵工藝配料將廢鋼比例增加，并且由于低合金鋼的加入帶入大量微合金元素，并取消錳鐵的加入，這樣可以大大降低生產(chǎn)成本。根據(jù)各種原輔料采購(gòu)成本和廢鋼出售價(jià)格綜合計(jì)算，每年可為我廠節(jié)省成本600 萬(wàn)元以上。

3 總結(jié)

（1）本項(xiàng)目通過技術(shù)創(chuàng)新，優(yōu)化鑄件成分和配料單，提升企業(yè)內(nèi)部資源利用率，加快企業(yè)內(nèi)循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。為鑄造行業(yè)提供了一種新的熔煉工藝，擴(kuò)大了熔煉原材料選擇范圍。

（2）以低合金廢鋼為主的合成鑄鐵工藝提高了鑄件的綜合性能?？估瓘?qiáng)度高于普通灰鑄鐵20MPa 以上，硬度提高了10HB，有效提高鑄件的機(jī)械性能。

（3）合成鑄鐵工藝實(shí)施后，灰鑄鐵的成熟度（RG）由0.9788 提高到1.1426，說(shuō)明新工藝有效的激發(fā)了材質(zhì)的潛力；相對(duì)硬度（RH）基本無(wú)變化，鑄件的切削性能依舊良好；品質(zhì)系數(shù)由1.162 提高至1.238，品質(zhì)系數(shù)提高了6.54%，提高了灰鑄鐵的質(zhì)量。

（4）降低生產(chǎn)成本，提升了企業(yè)的綜合競(jìng)爭(zhēng)力。