预处理剂在灰铸铁缸体缸盖中的应用

张世伟

（平顶山伟业铸造材料有限公司，河南 平顶山 467000）

 

摘要：介绍了国内铸造行业熔炼工艺的现状和发展，详细阐述了以SiC为基体的预处理剂在熔炼过程中的使用方法及作用机理。指出了在感应电炉熔炼条件下，合理选择和使用预处理剂能有效提高铸件的综合品质。生产数据表明：熔炼时添加炉内预处理剂及出炉前添加出炉预处理剂，具有改善原铁液冶金质量、降低原铁液白口倾向，改善铸件的石墨形态、提高铸件的力学性能，提高铸件组织的致密性、降低铸件的渗漏废品率，降低铸件不同部位的硬度散差、改善铸件的加工性能及延长中频感应电炉炉衬的使用寿命等实践效果。

 

关键词：预处理剂；冶金质量；力学性能；铸件渗漏；加工性能

 

根据中国铸造行业十三五规划及国家节能减排及环保的要求，中频感应电炉在铸造企业将得到更为普遍的应用。使用中频感应电炉熔炼铸铁，具有方便控制和调节铁液的温度与成分、熔炼烧损小、噪音和污染小等优点。但感应电炉熔炼存在原铁液白口倾向大、易于产生过冷石墨、铸铁的抗拉强度不稳定、硬度散差大、铸件的渗漏废品率波动大等问题。随着终端客户对产品质量的期望不断提高，铸件采购商（尤其是发动机主机厂）对铸件质量的要求也越来越高，不仅要求铸件内外观表面质量好、尺寸精度高、力学性能满足服役的技术条件，还对铸件的加工性能、铸件质量稳定性和一致性提出了更高的期望。因此，在感应电炉熔炼条件下，如何提高原铁液的冶金质量，提高铸件（尤其是结构复杂的发动机缸体、缸盖铸件）的综合品质，是国内铸造行业共同努力探索和改善的课题。

随着铸造熔炼技术的发展，铁水预处理工艺已经被越来越多的铸造企业所接受和应用。当前国内预处理剂材料主要分为两大类：SiC或者以SiC为基体的预处理剂，利用预处理剂净化铁液、增加长效石墨核心、改善石墨形态等特点，提高铸铁的冶金质量，较多应用于灰铸铁；以Ba为主、La为辅的预处理剂，利用氧化反应原理，增加球墨铸铁的形核质点，显著提高冶金质量，主要用于球墨铸铁中^[1]。

本文将重点介绍以SiC为基体的预处理剂在灰铸铁缸体、缸盖铸件生产中的使用方法及作用机理，结合行业使用案例，重点介绍预处理剂在发动机缸体、缸盖上的使用效果，与铸造同仁共同探讨预处理剂的发展及使用。

 

一、预处理剂使用条件

 SiC在国外铸造行业已得到广泛应用。一般认为，预处理工艺发展可以分为2个阶段，即传统预处理工艺和现代预处理工艺。传统预处理工艺，通常做法是：在炉内加入SiC或石墨质增碳剂，利用这些物质新增的核心来改善铁液的冶金质量。现代预处理技术是在孕育之前，通过加入预处理剂，将铁液中的w(O)稳定地控制在较低的水平^[2]。目前SiC基本是冶金级碳化硅，所含杂质及灰分较多，且功能单一，不能有效而又稳定的实现铁水预处理所期望的目标。因此，生产产家以SiC作为基体材料进行了再制造及改良，再制品的综合性能得到明显提高（下文综述），一些生产高端铸件（缸体、缸盖）的企业通过试验及对比，其使用效果明显优于冶金级的碳化硅，因此，以SiC为基体的预处理剂顺应得到铸造工厂的青睐和应用。

灰铸铁缸体、缸盖用的预处理剂分炉内预处理剂和出炉预处理剂两种。炉内预处理剂粒度在2.0mm~8.0mm(图1)，外观上为绿色晶体，无杂质，在熔炼过程中加入。一般为当炉内1/3至1/2铁水时分批加入，加入量在0.6%~1.2%之间。出炉预处理剂粒度在0.3mm~1.7mm（图2），在出炉前3~5min加入中频炉铁液表面，加入量在0.1%~0.2%之间，具体加入量的设定需根据炉前、炉后的C、Si含量，以免造成C、Si的含量偏差过大（或超工艺范围）。炉内预处理剂和出炉预处理剂材料组织相同，因加入时机差异，生产厂家根据试验结果对材料粒度进行了严格的区分，前者强调熔炼过程中的铁液净化作用，后者重在提高原铁液冶金质量的稳定性。

       

          图1 炉内预处理剂                           图2 出炉预处理剂

  

二、使用结果

1、生产条件

采用10吨中频感应电炉熔炼，采用增碳工艺。主要熔炼步骤：先加入回炉料，废钢，熔炼30~50分钟，待铁水化开，加入100kg炉内预处理剂，加入增碳剂，剩余废钢，合金等，熔化约25分钟后，扒渣取样，调整成分。成分调整合格后，铁水出炉3~5min前在中频炉铁液表面加入20kg的出炉预处理剂，送电搅拌，调整到工艺要求的出炉温度后即可出炉。

2、白口层宽度对比

   在相同的熔炼时间下，相同的成分及配料下，对比未加预处理剂和加预处理剂（炉内+出炉）的原铁液白口倾向，利用三角试块进行白口宽度检测，结果如下（表1，图3，图4）。

 

表1未加预处理剂与加预处理剂（炉内+出炉）白口层宽度对比

试验 编号	未加预处理剂		加预处理剂（炉内+出炉）
	熔炼时间（分钟）	白口层宽度（mm）	熔炼时间（分钟）	白口层宽度（mm）
1	98	10	96	6
2	94	8	95	5
3	96	8	97	6
4	102	9	95	5
5	110	10	107	6

 

          

                图3 未加炉内预处理剂，白口层宽度10mm     图4 加炉内预处理剂，白口层宽度6mm

3、力学性能与金相组织

   在相同的熔炼工艺、化学成分条件下，按照客户的技术要求取缸体轴承座部位式样进行分析，对比未加预处理剂和加预处理剂（炉内+出炉）生产的缸体铸件本体力学性能和金相组织分析的差异（表2）。

（1）力学性能及金相组织

表2 未加预处理剂与加预处理剂（炉内+出炉）力学性能与金相组织对比

试验 编号	方案	抗拉强度	硬度（HBW）	石墨组成	石墨长度	基体组织（%）
						铁素体	珠光体	碳化物
1	未加预处理剂	235	180 197 187 189	A	3	0	100	2
	加预处理剂 （炉内+出炉）	240	182 190 183 186	A	4	1	99	1
2	未加预处理剂	230	194 187 179 186	A	3	1	99	2
	加预处理剂 （炉内+出炉）	240	184 182 190 185	A	4	1	99	1
3	未加预处理剂	210	179 187 199 186	A	3	1	99	2
	加预处理剂 （炉内+出炉）	235	185 180 188 183	A	4	2	98	0
4	未加预处理剂	250	179 199 182 181	A	3	0	100	2
	加预处理剂 （炉内+出炉）	245	180 187 181 182	A	4	1	99	1
5	未加预处理剂	215	182 194 182 181	A	3	0	100	2
	加预处理剂 （炉内+出炉）	240	180 184 179 180	A	4	1	99	1

经过对比，加预处理剂（炉内+出炉），铸件的本体抗拉强度有所提高（提高12MPa),硬度稍微降低，但硬度之间的散差减少（由最大20HBW降至8HBW）。

（2）石墨大小

取缸体轴承座部位式样（轴承座为缸体最厚大部位，且为内浇口注入铁水处），在显微镜下对石墨进行对比分析（图5，图6），未加预处理剂石墨长度为3级（其它部位基本为4级），加预处理剂（炉内+出炉）后长度为4级（其它部位基本为5级）。加预处理剂（炉内+出炉）后，铸件石墨变细，变均匀。

           

  图5 未加预处理剂，石墨3级                 图6 加预处理剂（炉内+出炉），石墨4级

 

4、组织致密性

在灰铸铁生产过程中，通过孕育处理提高铁液中非均质形核能力。预处理剂以SiC为基体，熔炼时加入的预处理剂，由于其熔点在2700℃，在铁液中不熔化，只按下列反应式融熔于铁液。

SiC+Fe=SiFe+C（非平衡石墨）

反应生产的C作为石墨析出的核心，增加了形核基体，可以提高共晶团大量形成与生长的温度（减少相对过冷度），使片状石墨变细小，组织致密，提高了铸件的致密性^[3]。

5、提高炉衬使用寿命

在感应电炉熔炼时，炉料的锈蚀氧化程度会影响炉衬的使用寿命。预处理剂在熔炼过程中，由于预处理剂中的SiC基体具有强大的还原金属氧化物的能力，通过   

SiC+FeO=Si+Fe+CO，

Si+O₂=Si0₂

这个反应，降低FeO和MnO在渣中的含量，从而净化铁液。同时，Si0₂会在炉壁积沉增加炉壁厚度，减轻炉料锈蚀引起的侵蚀影响，延长炉衬寿命。使用预处理剂后，中频炉使用炉次由平均300炉提高到平均335炉，炉衬使用寿命较之前延长10%左右。

同时，由于预处理剂纯度高，无杂质，再熔炼过程中不会增加铁液中的固态渣含量，有效保证铁液的纯净度。

 

三、使用案例

1、A公司使用案例

    A公司作为美国康明斯系列缸体缸盖的稳定供应商，为了满足康明斯提出的铸件内外质量要求，降低料废率等要求，2014年12月份开始经过多次试验验证，确定在熔炼过程中加预处理剂来提高铁液的冶金质量，并且广泛应用于生产中。其主要生产工艺为：10吨中频感应电炉熔炼铁水，每炉铁水出5包铁水后（炉内剩余2吨铁水），加入约2吨回炉料，2吨废钢，熔炼至铁水化开，加入100kg炉内预处理剂，按工艺要求加入增碳剂，废钢，合金等。成分合格后，出炉前3~5min加入20kg出炉预处理剂，送电搅拌并调整到工艺要求的出炉温度，出炉时加入0.3%孕育剂。

（1）本体抗拉强度对比

统计加预处理剂前后康明斯B缸体本体抗拉强度（L代表11月份，未加预处理剂；M代表12月份，加预处理剂）数据（表3），本体抗拉强度有平均10MPa提升。

表3 抗拉强度对比

原工艺批次	B缸体强度（MPa）	加预处理批量生产批次	B缸体强度（MPa）
09L4	225	09M4	225
12L4	225	10M4	240
13L4	255	11M4	245
15L4	195	13M4	245
16L4	215	14M4	250
17L4	230	17M4	240
20L4	230	18M4	230
21L4	230	19M4	230
22L4	220	24M4	225
24L4	230	25M4	230
26L4	215	27M4	230
平均值	225	平均值	235

 

加预处理剂（炉内+出炉）后，取连续25个班次的铸件抗拉强度值做X-MR控制图（图7），计算出过程能力指数CPK为1.98。CPK值˃1.33,过程能力良好、状态稳定。

                             图7 抗拉强度X-MR控制图

 

 

（2）本体表面硬度对比

统计加预处理剂后康明斯B缸盖本体硬度（表4），硬度散差减少。

 

表4  康明斯B缸盖硬度统计

批次	硬度HBW							备注
	1	2	3	4	最大值	最小值	差值
09M4	185	179	187	189	189	179	10	加预处理后，平均散差7.85HBW
11M4	179	185	179	183	185	179	6
12M4	180	187	183	183	187	180	7
16M4	179	179	188	179	188	179	8
19M4	186	187	191	192	192	186	6
20M4	180	183	185	191	191	180	11
22M4	186	188	187	193	193	186	7

    加预处理剂后，B缸盖硬度平均散差为7.85HBW（最大硬度散差为11HBW）。统计原工艺（未加预处理剂）2014年1-10月份的6缸缸盖硬度，平均硬度散差为19.21HBW（最大硬度散差为30HBW）。生产实践证明，使用预处理剂后铸件的硬度散差值减小，铸件材质均匀性得到明显的提高。

 （3）渗漏数据对比

     统计自2015年12月9日-2017年4月生产的缸体缸盖渗漏废品率，并与2014年1-11月份的渗漏数据进行对比分析如下（表5）。

表5 缸体缸盖渗漏废品统计

铸件品种	零件号	渗漏件数	加工件数	加预处理剂渗漏废品率	同品种2014年1-11月份渗漏率
缸体	B缸体	52	61875	0.08%	0.64%
	D缸体	47	41673	0.11%	1.85%
缸盖	B缸盖	125	31122	0.40%	3.05%
	D缸盖	187	41426	0.45%	2.28%

   加预处理剂后，缸体及缸盖的渗漏废品率（加工客户处）降低，稳定性增加。B缸体渗漏废品率降至0.08%，D缸体渗漏废品率降至0.11%，B缸盖渗漏降至0.40%，D缸盖渗漏废品率降至0.45%。缸体缸盖铸件在加工客户处的废品率降低明显，综合废品指标达到客户提出的<1.0%的指标，实现了铸件加工费用的免赔指标，铸件品质得到客户的认可。

2、B公司使用案例

B公司生产的柴油缸盖铸件，前期由于加工性能较差，得到了加工客户的强烈抱怨。通过配料及熔炼工艺调整，在炉内加入冶金级的SiC，化学成分的重新优化及改进孕育处理效果等措施，加工性能无明显的改善效果。后在熔炼时加炉内预处理剂，出炉前加入出炉预处理剂，原铁液白口由8~10mm降低为5~6mm，不同部位的硬度散差由平均25HBW降低到平均8HBW，毛坯的加工性能得到明显提升。统计加预处理剂后的缸盖在加工客户的加工性能情况，以一把刀具加工的铸件毛坯数量为基准，对比结果如下（表6）：

表6 加工性能对比（换刀频次）

加工工序	粗铣底平面	粗铣排气管凸台	枪钻导杆孔	精铰导杆孔
原生产方案	93件/次	105件/次	113件/次	83件/次
预处理后方案	651件/次	672件/次	332件/次	285件/次

加预处理剂后，不同工序的加工性能均有提升，尤其在粗铣工序，加工性能提升约5倍。

四、结论

（1）采用中频感应电炉熔化灰铸铁缸体缸盖时，加入预处理剂（炉内+出炉），能有效净化铁液，原铁液冶金质量得到明显改善，石墨得到细化，改善了铸件的力学性能，提高了铸件本体的抗拉强度。

（2）加入预处理剂（炉内+出炉）后，组织致密性提高，铸件加工后的成品率得到提高，尤其是加工后的渗漏废品率明显降低，节约了加工后的质量损失费用。

（3）加入预处理剂（炉内+出炉），熔炼稳定性及一致性得到提高，减小了铸件不同部位的硬度散差，铸件的加工性能得到明显改善，铸件的品质得到了客户的认可。

 

参考文献：

[1]陈子华，预处理技术在球铁生产上的应用[J]，现代铸铁，2008，(01):54-59

[2]陈子华，球墨铸铁预处理技术原理及生产应用实例[J]，现代铸铁，2010，(05):31-36

[3]张文和，铸铁的SiC预孕育预处理[J]，铸造，2009,03；279-281

 

 

作者简介： 张世伟（1971.09.29），男，河南平顶山人，铸造工程师，主要从事铸造原材料制造、原材料贸易、原材料技术咨询及铸造技术服务等方面的研究工作。