铸铁件生产过程铁水特性若干问题的探讨 华中科技大学 黄志光 摘要： （一） 、熔炼铸铁时，铁水温度是否越高越好？ （二） 、灰铸铁的化学成分中，硫、磷是否越低越好？ （三） 、灰铸铁的共晶团数是否越多越好？ （四） 、灰铸铁的硅碳比如何选择？ （五） 、球铁无冒口铸造对铁水的特性有何要求？ （一） 、熔炼铸铁时，铁水温度是否越高越好？ 1、灰铸铁过热温度与其强度、硬度的关系为： A、在 1300～ 1460℃的范围内，随铁水温度的升高，其抗拉强度、布氏硬度值都上升 B、在 1460～1500℃范围内，随铁水温度的升高，其抗拉强度继续上升，但布氏硬度变化不大 C、在 1500～ 1600℃范围内，随铁水温度的升高，其抗拉强度还在上升，但布氏硬度下降 2、随着铁水温度的提高其化学成分与含气量发生变化： 在冲天炉熔炼中，存在着两个反应： 2[C] + O2→2CO [Si] + O2→SiO2在一定的化学成分和压力下，两者反应有一个平衡温度，对于含 C3.3%，Si2.0%的铸铁，其平衡温度Tp为1420℃，在铁水处于Tp+50℃，就会发生Si的还原反应： SiO2 +2C→[Si] + 2CO 所以，生产中可观察到，铁水温度越高，硅酸烧损越少，甚至出现增硅现象。
铁水中的含氧量，当共晶度为0.91时，其含氧量的变化为： 铁水温度℃ 1400℃ 1500℃ 1600℃ 含氧量PPM 24 45 100 含氧量升高，使灰铸铁件产生针孔的概率提高，特别是对于壁厚在8～15mm的铸件，若铁水中还含有少量的铝和钛，更易出针孔而过高的浇注温度还会引起缩孔 当然，铁水温度过低，会形成MnS气孔，其气孔直径在2～10mm，孔内还可观察到MnS颗粒 试验表明：过低的浇注温度会提高气孔的废品率，而过高的浇注温度会增加缩孔的废品率 浇注温度与气孔引起的废品率的关系为： T浇℃ 1360 1366 1378 1395 气孔废品率% 36 25 6 0 浇注温度与缩孔引起的废品率的关系为： T浇℃ 1360 1366 1378 1395 缩孔引起废品率% 36 25 6 0 所以，在该生产条件下，普遍认为最佳浇注温度是1395～1420℃，但是，生产条件各自不同，不能照搬别人的结论 3、铁水温度的选择，应考虑铸件的壁厚、大小和选择的牌号 通常壁厚越大，浇注温度和过热温度都可适当调低；而随牌号越高，碳当量越低，铁水温度就要升高因为各种牌号与液相线温度的关系为： 灰铁牌号、铸件壁厚、铁水适宜温度推荐值为： 牌号 C当量%平均 铸件壁厚mm 铁水适宜温度℃ HT150 4.12 4～15 ﹥15～50 1430 1420 HT200 3.78 6～15 ﹥15～50 ﹥50 1450 1440 1430 HT250 3.58 8～30 ﹥30 1460 1450 HT300 3.48 15～30 ﹥30 1470 1460 HT350 3.30 15～30 ﹥30～50 ﹥50 1480 1470 1460 值得指出：牌号越高，虽然温度要求越高， 但是其过热度不但没升高，反而下降。
如对于同时壁厚为 15mm，其牌号与过热度的关系为： 所以，在生产中可观察到：尽管高牌号铸件的浇注温度较高，但其铁水的流动能力不如浇注温度较低的低牌号铸件的流动能力，其原因在于：后者的过热度较前者高 4、铁水温度如何判断：有时，铁水表面呈耀眼的亮白色，给人以“铁水温度很高”的印象，并且，可观察到其相应的炉渣呈泡沫状此时，若采用热电偶温度计测量其铁水温度并不高 灰铁牌号HT 150 200 250 300 350 液相线温度℃ 1168 1204 1224 1235 1255 牌号HT 150 200 250 300 350 铁水适宜温度℃ 1430 1450 1460 1470 1480 铁水过热度℃ 262 246 236 235 225 有些工厂据此现象， 作为判断炉内元素的烧损和铁水氧化程度的依据： 将用接触式 （如热电偶）和非接触式（如光学、 红外测温仪）同时测量铁水的温度，用其差值来判断铁水质量： 元素烧损 % 两者温差℃ Si Mn 渣中 FeO 含量 % 铁水氧化程度 0～15 15～40 15～25 20～30 10～15 氧化 >40 >25 >30 >15 严重氧化 由于氧在渣中和在铁液中有一定的分配值，在渣中含氧越高，铁水中含氧也越高，其关系为： 渣中 FeO% 5.60 5.65 7.2 8.34 11.30 14.35 铁水中含氧量 PPM 40 47 72 86 95 110 所以，铁水表面发亮而流动性又不良，是由于铁水被强烈氧化的结果，若用冲天炉生产，应适当调整风量。
（二） 、灰铸铁的化学成分中，硫、磷是否越低越好？ 灰铸铁中尤其是牌号较高的灰铸铁件，并不是硫、磷越低越好，而是应有一个适当的量 1、硫对灰铸铁的影响 A、含硫量对灰铸铁共晶团的影响： 由于硫化物可以作为共晶石墨形核的基底，同时又能抑制共晶团的长大，但是，硫又是促进铸铁形成白口的元素，所以，适当的硫量是有利的 铸铁的化学成分为： C 3.19% Si 2.1% Mn 0.75% P 0.04%时，硫量的变化为 S 0.016%， 0.014%， 0.4%时，壁厚变化从5/8英寸至 3 英寸时，对铸件的白口宽度和共晶团个数的关系为： （一英寸 =25.4mm） 含 S 量 壁厚为5/8寸时的 白口宽度1/32英寸 共晶团数 试样直径英寸 个数 /英寸2% 纯白口 总白口 1.2 2.0 3.0 0.016 10 22 700 700 650 0.041 8 16 900 816 650 0.40 16 28 1863 1024 1000 （而用 0.2%的 85Si-Fe 孕育后，其相应变化为） ： 0.016 3 5 3500 2260 1700 0.041 2 3 1975 1600 975 0.40 8 14 1700 1421 1025 可见，从减少白口的角度考虑，含硫量在 0.041%时，白口宽度最小，无论孕育与否都一样，但从共晶团数则处于中间状态。
B、硫对灰铸铁机械性能的影响 对非孕育与孕育灰铸铁抗拉强度和相对硬度的影响为： 布氏硬度值（ HB） HR 100+3.03×抗拉强度（磅/英寸2） 布氏硬度值（ HB） 1MP=145 磅 /英寸2； HR100+0.44 бb（MPa） 试验表明：无论孕育或非孕育铸铁，当 S≤0.04%时，其布氏硬度随硫量的增加而迅速提高；当 S>0.04%后，硬度的增加趋缓，含硫量在 0.006%时，基体中有 40%珠光体，而在含硫 0.04%时，珠光体含量为 100%，无论对于孕育或非孕育灰铸铁，其抗拉强度在S0.04-0.06%之间达到最大值，而且相对硬度达最低值 同时， 实验表明， 当灰铁的含硫量低于0.04%时， 难以使含Sr的Si-Fe发挥孕育作用当灰铁的化学成份为：C 3.2% Si 1.9% Mn 0.6% P 0.1%，调整铸铁中的 S 量，其对共晶团的影响为： 铸铁中的S% 0.005 0.013 0.020 0.03 0.046 共晶团数 个/cm220 92 92 132 450 对于薄壁的冰箱压缩抗铸件，虽然其化学成分规定 C3.3-3.7%，Si1.8-2.7%，Mn0.3-0.7%，而 P.S≤0.1%；由于是用合成铸铁，其 P.S 可以非常低。
但是，观察到一批铸件比另一批铸件的加工性优越，对两者进行分析表明：加工性能好的铸件，其S.P都比较高，显然是在炉料中加入磷铁和硫化铁 两者对比如下： 化学成份 机械性能 种类 C Si Mn P S Sb Sn бbMPa HB 好加工 3.27 2.15 0.43 0.065 0.083 0.002 0.035 250 187～215 不好加工 3.31 2.7 0.66 0.03 0.014 0.004 0.035 250 207～ 241 两者的共晶团与树枝晶的对比如下图：加工性能好的铸件，共晶团比较粗，树枝晶间距也较宽，而加工性能欠缺的铸件，则树枝晶很细，共晶团也很密虽然都是用含 Sr 硅铁孕育，但 S 低于 0.04%时，孕育作用受到限制 共晶团 树枝晶 加工性能良好的铸件的共晶团与树枝晶 2、磷对灰铸铁的影响 共晶团 树枝晶 加工性能欠缺的铸件的共晶团与树枝晶 （ 1）对于通用的灰铸铁件，如各类发动机、水泵、风力发电机等件磷是一个受限制的元素，一般要求 P≤0.15%，最好 P≤0.12%。
因为磷在灰铸铁中形成二元或三元磷共晶，而这些共晶体熔点比基体低，故容易引起铸件产生缩松冷裂等缺陷但是，磷并不是越低越好，而是应控制在一定的范围内磷可以减弱灰铸铁件的机械粘砂和化学粘砂，从而可使铸件表面光洁生产实践表明，当磷含量在0.02-0.04$时，铸件出现粘砂，而将含磷量增加至0.09-0.12%时，铸件粘砂就消失，并且铸件清砂时间可以减少35% 磷为什么有减少铸件粘砂的作用？铸件粘 砂主要产生在热节处，尤其是内腔的热节处，而不是发生在铁水静压力最大的位置即铸件的下部粘砂是发生在铸件的凝固过程，它是由铸铁共晶转变产生石墨化膨胀引起的 对于铁水中磷含量与铁水渗入深度的测量表明：含磷量越高，铁水渗入砂粒之间的深度越小另外，铸件粘砂严惩必导致强化抛丸，进一步造成铸件表面硬化，恶化加工性能 铸铁含 P 量 % 0.068 0.102 0.172 0.191 0.26 渗入深度 mm 12 8 4 1 无 由于粘砂导致强化清丸，造成铸件表面硬化，对此层进行扫描电镜观察，可观察到表面形成一些六角形的组织如下图，从而恶化了铸件的抗加工性能 1000× 2000× 铸件表面硬化层的扫描电镜观察 （ 2）磷用于改善铸件的耐磨性和流动性 对于要求耐磨性较高的铸件如机床导轨、活塞环、缸套等，往往采用含磷的合金铸铁，如 P-Cu-Ti 铸铁，含 P 量也在 0.35-0.65%；加磷的目的在于利用磷共晶的耐磨性达到减磨的目的。
对于一些薄壁铸件和艺术铸件，为了使铸件轮廓清晰，表面光洁，通常都会加入适量的磷，如缝纫机铸件含 P 为 0.3%，暖气片含 P 为 0.4-0.5%，一些艺术铸件含 P 量甚至达 1.5% （三）三角试片如何炉前检测铁水质量 三角试片常用于炉前铁水质量的检测铸铁是一种含有一定量的 Mn、 Si、 P、 S 的铁碳合金，铁碳合金液——因转变时，会出现两种形态的高碳相——石墨和渗碳体；前者以灰口形式出现，后者以白口形式出现当冷却速度一定时，随着 Fe-C 合金的碳当量越低，三角试片的白口宽度越宽，而当碳当量一定时，随冷却速度越大，白口宽度也越宽所以能够建立起碳当量 -白口宽度的关系由于孕育处理也可改变其白口的宽度值，故也可用来 评估孕育效果 碳硅总量—碳当量—白口宽度的关系： （ C+Si） %总量 5.87 5.06 4.79 4.81 4.59 碳当量 CE% 4.40 4.02 3.82 3.59 3.35 白口宽度 mm 无 ～ 2 4～ 5 ～ 6 ～ 8 各种牌号灰铸铁，其适宜的白口宽度为： 牌号 HT 100 150 200 250 300 白口宽度 mm 0～ 2 2.5～ 4 3.5～ 6 4.5～ 7 6～ 8 对于铸件而言，根据主要壁厚和要求，选择适当的白口宽度，设 f 为白口宽度与铸件壁厚之比，则： 要求最好的切削性能 f=15～ 20% 要求最佳的强度 。