优质高铬白口铸铁生产新工艺

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    优质高铬白口铸铁常被用于制作承受磨料冲刷、小能量冲击、冷—热交变应力作用、在具有一定酸碱度腐蚀介质和高温下服役使用的铸件。因此，在提高硬度的前提下，减少铸件的内应力无疑对延长使用寿命和提高使用效率有利。近年来，随着分级复合变质和其它冶金处理技术的日趋完善和发展，人们在分析传统制造工艺对组织和内应力形成的机制上，试验开发一种运用现代冶金处理技术实现铸态组织：即马氏体+适量残余奥氏体+M7C3+MC；亚温处理后组织：马氏体+少量残余奥氏体+M7C3+MC。本文就生产以马氏体为基体的优质高铬白口铸铁新工艺为例，对此加以介绍。 
    1 冶金处理技术  
    冶金处理技术对优质高铬白口铸铁的改性作用受制于在处理过程中所应具备的相关的动力学条件，其中包括温度和成分浓度条件。实践也证明，这两个条件对提高高铬白口铸铁的使用寿命至关重要。高铬白口铸铁的冶炼温度以1520-1580℃、处理温度1440—1480℃、浇注温度1380-1420 ℃为宜；碳量应控制在2．4％-3．0％范围内。  
    1.1变质处理  
    变质处理的作用主要是改善碳化物形态；减少夹杂、净化铁液；细化晶粒；稳定合金元素。  
    优质高铬白口铸铁采用Re—A1—Bi—Mg复合变质剂对铁液实施分级复合变质，这包括：  
    （1）将稀土和稀土变质剂分别于炉内、炉外进行处理，这样既能细化初晶奥氏体，也能控制铁液凝固过程的结晶。  
    （2）将变质剂按组分元素在铁液中异质形核生核能的大小，分别溶入铁液，从而不仅有效地脱硫、脱氧、去气和净化了铁液，而且显著增强了变质组织的抗“衰退”能力”。  
    例如，分级变质工艺是出液前向炉内加入0．06％—0．10％的钛铁和0．3％-0．4％的1号稀土硅铁合金，出铁液前将0．08％-0．12％Si20A150Fe+0．04％-0．08％Mg合金投入铁液包，出铁液时随流加入0．05％-0．10％Bi，转包时在包中加入0．6％-1．0％的1#稀土硅铁合金或在瞬时随流浇注时加入0．04％—0．08％的Ce-RE。  
    1.2 孕育处理  
    孕育处理的作用主要是改变、细化和稳定碳化物形态；细化晶粒；增强厚大铸件断面组织、性能的一致性。  
    优质高铬白口铸铁采用V渣—Ti—Zn复合孕育剂对铁液实施分级复合孕育。这主要包括：  
    (1)将V潦和V渣复合孕育剂分别于炉内、炉外进行处理，这样既能细化初晶奥氏体且能使水韧处理后的V元素固溶于奥氏体，起到固溶强化作用外，也能控制金属液凝固过程的碳化物异质形核的程度。 
    (2)将孕育剂按组分元素在金属液中异质形核生核能的大小，分别溶人金属液，从而增强孕育组织的抗“衰退”能力。  
    例如，出铁液前向炉内加入1％-1．5％Va，出铁液时随流加入0．1％-0．15％钛铁。  
    1.3微合金化处理  
    微合金化处理的主要作用是实现铸态基体组织期望；形成MC型碳化物。  
    (1)V、Mo、Ni或Cu、Mn元素的适当搭配可使铸件在基体铸态下稳定地获得细片状马氏体+适量奥氏体，并在随后的亚温处理过程发生部分A---M转变，基体得到二次硬化；弥散细小的二次渗碳体分布于基体内。  
    (2)添加微量V、Ti、W、Nb等元素，一则形成更高硬度的MC型碳化物，二则由于此类MC型碳化物熔点高，在凝固初期就弥散形核细化了共晶组织，随凝固时间的延续，晶粒数不断增加，液膜逐渐减少，变形减小，塑性增强，热裂敏感性也显著减小。  
    合金元素可在预脱氧后加入炉内，亦可安排在炉前进行处理。在Cr元素为12％-20％的质量百分比浓度的条件下，其微合金元素加入量Ti—V渣如前述：Mo为1．5％-2．5％；Mn为1．5％-3％；Cu为1．5％-2．0％；Nb为0．07％～0．10％。  
    2 性能对比与机理分析  
    2.1 性能对比  
    高铬白口铸铁经过上述冶金处理后，基体体积和各方面状态均发生了较大的变化。主要表现在： 
    (1)晶粒度由传统高铬白口铸铁的2-3级，提升到4级；  
    (2)夹杂物不但在数量上有较大的减少而且形态上也出现了球状变化；  
    (3)铸态组织避免和消除了网状碳化物，基体为细片状马氏体;  
    (4)处理后力学性能和使用性能大幅度提高。  
    2.2 机理分析  
    在合适的温度，合适的铁液基本成分的条件下，新工艺除了使变质处理、孕育处理、微合金化处理充分发挥各自的冶金处理作用外，还彼此互融，体现了三位一体、互为作用的效果。例如：  
    (1)随着合金元素的溶人改变了碳在奥氏体中的扩散系数，在凝固过程连续冷却条件下，扩散速度减小就意味着碳的析出量的减少；  
    (2)由良好的孕育效果形成的一定量的异质形核质点将导致奥氏体脱溶的碳原子和因铁液中浓度是起伏出现的碳原子集团优先向其扩散，从而使碳化物转向以异质形核为主的结晶方式；  
    (3)稀土等活性元素吸附在新生碳化物表面，使其难以连结成网状；  
    (4)在凝固过程中由于溶质元素再分配使添加的各种合金元素富集在奥氏体结晶前沿的液体中，提高了奥氏体的形核率，使奥氏体基体细化；  
    (5)经过变质处理，微合金化和孕育处理后，增大了铁液过冷倾向，使冷却速度对结晶过冷度的影响减弱，从而表现为厚大铸件断面的组织、性能趋以一致；  
    (6)变质处理、孕育处理和微合金化的共同作用细化了晶粒；消除了碳化物的网状析出；减少了夹杂数量、改变了夹杂形态、净化了晶界和铁液；增大了处理效果的稳定性，延长了“衰退”时间，为获得良好的亚温处理效果提供了有利的铸态组织和性能保证。  
    (7)铸件在一定冷却速度条件下凝固时，合金元素对延缓奥氏体转变的作用，突出表现在能否进行或多大程度上可能发生马氏体相变上。A—p是碳浓度变化的扩散型转变；A—M是碳浓度不变的结构型转变，而对碳原子来讲则是视其是处在长程还是短程的运动状态。当这种作用使碳原子只能在晶体内作短程运动，依托相变驱动力所产生的高速的铁原子晶格切变，就会在瞬间形成马氏体。  
    3 结语  
    分级化变质复合处理、孕育复合处理和微合金化处理的新工艺，为优质高铬白口铸铁的生产提供了简便稳定的技术支持。而建立动力学条件的冶金处理过程的局部和整体效果影响的理念，不论是运用该工艺，还是不断完善它都是必要的。