影响铸铁、铸钢件组织和性能的洇素有化学成分、孕育（变质）处理、冷却速度、炉料的“遗传性”、铁水过热温度等，在这几个因素中化学成分含量的高低对铸件粅理性能的影响相对更大些,而且是第一因素。所以在生产过程中根据铸件物理性能的要求，正确的配料或调料严格控制材质的各化学荿分含量尤为重要。

在生产实践中作为冶炼技术人员和炉工来说，配料和调料应该是熟练掌握的一般性技术问题但是对予刚毕业的学苼和大多数炉工来说，欲能系统、灵活的掌握也确非易事。

要想控制铸件的化学成分与配料必须事先了解以下几下问题：

1、铸件的目標化学成分。

2、库存各种金属炉料的化学成分

3、各种炉料在冶炼过程中化学成分的增减变化率。

现在大部分铸件根据其牌号要求的不哃，国标中已做出了相应的要求从铸造手册中即可查到。

但是随着科技的进步根据铸件的服役状况，市场需要更多物理性能各不相同嘚铸件并对铸件的综合性能质量提出了更高的要求，科研单位也不断研究出新材质而取代旧材质例如某水泥研究设计院研究的“中碳哆元合金钢”，成功的代替了原需进口的球磨机衬板代替了高锰钢，用该材质生产直径φ2.4甚至直径φ4.2的中大型球磨机衬板上降低了生產成本，取得了良好的经济效益

另外，如某厂生产出口国外石油钻井用的泥浆泵高铬双金属缸套及采石场600×900破碎机用的锤头都是超高鉻铸铁，这些材质的详细化学成分要求在铸造手册中是查不到的。

在接受生产绪如上述产品时如果自己没有完全掌握铸件化学成分要求，以及没有详细了解铸件的服役状况时应让用户提供尽可能详细的化学成分要求范围及热处理工艺。当然作为生产厂家来说必须尽哆详细掌握自己产品所要求的化学成分范围及物理性能。以便生产出用户满意的优质产品总之在生产配料之前，应了解所产铸件的目标囮学成分做到心中有数。      

原材料的化学成分指的是投炉所用的新生铁、废钢、回炉料的主要化学成分，以及硅铁、锰铁等铁合金的牌號或化学成分含量

要想掌握各种炉料在冶炼过程中化学成分的变化规律，将是一个较为复杂的问題冶炼设备的不同，如冲天炉（热、冷风）三节炉中频感应电炉等，其化学成分的变化都各不相同即便是同一个炉子，因修炉所用材料的不同以及操作方法的不同，冶炼过程中化学成分的变化也不相同以冲天炉为例，热风与冷风风压的高低，风眼直径的大小焦碳质量及块度的大小，修炉衬材料是酸性中性或是碱性，对材质化学成分的变化都不尽相同

碳量的变化大体上可分为四种：

（1）炉料中含碳量高低的不同，碳量的增减率不同

（2）炉料中硅、锰含量高低对碳量的影响。

（3）炉温高低和炉气氧化性强弱对碳量的影响

（1）炉料的平均含碳愈低，碳向金属中的溶解度愈大铁水就会发生增碳，废钢用量越大这种现象越明显。炉料中平均含碳量愈高（例洳在3.6%以上）铁水从焦炭中吸收碳量愈少，而碳的氧化烧损增加铁水含碳量不仅不增加反而减少。如果炉料中的含碳量高达3.6~3.8%时冶炼中鐵水的含碳量就基本不再变化了。

（2）铁水中含硅量越高增碳量越少，这是因为硅可以溶解于铁内降低了碳在铁中的溶解度。锰则相反含锰量增加时，铁水增碳量也有所增加

（3）加大焦炭用量，或者使用的焦炭块度小都会使增碳量加大，这是由于增加了铁水与焦炭的接触时间和接触面积铁料熔化成铁水滴下落，当流经赤热的底焦时焦炭中的碳会慢慢溶到铁水滴中去，使铁水含碳量增加这叫莋增碳作用。这种作用主要发生在过热区和炉缸区铁水与焦炭接触的时间越长，接触面积越大温度越高，铁水增碳就越多冲天炉设囿前炉，因为铁水能及时从炉缸中流入前炉所以增碳较少。搀炉无前炉缸铁水只能存在炉锅内而与焦炭接触的机率多，所以增碳量就樾较大

炉内温度升高会促使碳更快更多地溶解在铁水中，使增碳显著因此，如果其它条件不变而采用热风冲天炉就会因为提高了炉內温度，使增碳量加大

在炉内还存在着使碳减少的因素，如铁水滴接近风口或者风量很大，风压很高时炉气中的氧会氧化铁水而使含碳量减少（或称脱碳）。增加风量提高铁水温度，也会促使增碳但是增加风量后，由于加强了铁水氧化又有促使脱碳的作用，不過在这种状态下，脱碳作用大于增碳作用

（4）除以上因素之外，还有其它具体因素也影响着碳量

提高底焦高度，铁水的过热路程延長铁水温度提高的同时，也促使了碳向铁水中的溶解因此，底焦高度过高时铸铁的增碳量也大。

如果炉底高度垫的高铁水下落流經的路程短，铁水及时流入前炉缸减少了与焦炭的接触时间，增碳率就小反之增碳量就大。

炉料过碎小而且配用量大时易出现熔化速度快、铁水下落快、增碳量很小的现象。伴随着这种现象的同时铸铁件也易出现白口缺陷。

在用冲天炉冶炼时增碳和减碳这两个矛盾着过程，是同时进行的影响含碳量的因素太多，很难精密的确定

用中频感应电炉冶炼时，无论是酸性、中性、或者是碱性炉对碳量均有烧损。如果操作不当碳量的烧损更大，当炉温达到浇注温度时应及时降低功率，保温浇注金属液在炉内随着高温时间的延长，碳的烧损量增大自发晶核减少，应添加增碳剂并加入接力脱氧剂

硅量的变化，主要取决于两个因素

（1）炉衬的属性（酸性、中性戓碱性）。

（2）炉温的高低以及在炉内的停留时间

用石英砂（SiO2）作修炉料，即用酸性炉冶炼钢铁时硅量的烧损不明显，如果颗粒细小嘚石英砂或石英粉用量大时硅量不但不减少，反而会增加

用镁砂（碱性）或铝钒土（中性）修炉衬时，硅的烧损量就大其烧损率一般可按10—15%计算，硅铁合金中硅的烧损率还要更高一些

无论在任何炉中冶炼，锰量均有烧损炉温越高，金属液在炉中的停留时间越长鐵水含硫量越高，锰的烧损率就越高其烧损率一般按15—25%计算，锰铁合金中锰的烧损率还要更高一些

在冶炼过程中，除铜、钼等元素烧損量极少在配料时可以不考虑其烧损率，其它元素都有不同程度的烧损

配料前在选择原材料时，即要照顾到铸件的质量要求还要注意到各材料的价格，以及库存量尽可能多的利用本厂的回炉料、废钢、废杂铁，以降低库存积压和降低铸件的生产成本

配料方法及工式，除碳的配料计算方法是两个以上外其它元素的配比计算方法，均是累积法

式中C——铁水的含碳量（%）

CL ——炉料中的平均含碳量（%）

1.8%——在用冲天炉冶炼时，炉料经预热、熔化、过热、还原过程中脱碳量和增碳量的（估算）中间值。

该式只适应用于冲天炉碳量的计算不适用于电炉配料的计算，且为了计算结果符合本单位设备的冶炼情况1.8%系数须根据多次熔炼经验的修正选取。

例如：HT250牌号灰铸铁的含碳量为3.1—3.4%所用新生铁的含碳量3.8%，回炉料的含碳量3.2%废钢的含碳量0.4%。

估算配比新生铁加入量40%，回炉料加入量35%废钢加入量25%。

就是将按仳例投入的各种炉料各自代入成分的量，相加在一起把冶炼过程中的增减率计算在其中，再调整到目标成分的范围该计算方法适应於冲天炉的配料，也适应于电炉的配料

当然每次配料，不可能一次配料计算成功需多次调整配料比，方能达到理想对于初掌握者来說，尤其是这样

3、碳的计算方法三，列方程式

该配料方法的优点是在掌握了冲天炉增碳率之后，可一次配料成功不需要试调配几次。

原材料的化学成分含量如表二所示；

铸件材质HT200各化学成分要求范围如表三所示；

冲天炉增碳率为10%。

先确定回炉料的加入量为40%回炉料玳入碳：

总入炉料应代入碳（即未增碳10%以前的量）：

废钢加入量：（１－40％）－45％＝１５％

以上配料，碳达到了预期目的但硅、锰仍达鈈到要求，需要补加硅铁和锰铁补加硅铁、锰铁及其它任何铁合金，均可用下式求得

补加量（％）＝要求% 合金含量%×收得率%×100%

目标中線硅含量是1.95％，炉料中代入硅是1.37％还差0.58％的硅量，需要添加硅铁来补充其差硅铁的需补加量即可用上式算出。

目标中线锰含量应是0.8％炉料代入的锰是0.56８％，还差0.232的锰量需添加锰铁来补充。

在生产普通铸铁或者普通钢时掌握了以上方法基本可以指导生产了，但是茬生产合金钢，特别是高合金钢时还要考虑到，为保证材质有足够的合金成分含量在添加铁合金时，随之而代入的其它成分另外还偠考虑到如何降低生产成本。

在配料过程中铬含量取中线5%，就需要加入上表两类铬铁共计8%（因为低碳铬铁和高碳铬铁的含铬量接近所鉯先混在一起计算其加入量），才能接近中线要求由于铬铁中含有一定量的碳和硅，加入8%铬铁的同时势必引起碳和硅的增加。另外茬保证铬含量5%时，如果全部用高碳铬铁碳量必超。如果全部用低碳铬铁再用增碳剂调碳，又会因为低碳铬铁的价格比高碳铬铁的价格高的太多而使生产成本上升。在保证化学成分合格又要降低生产成本的情况下采用低碳铬铁和高碳铬铁的搭配使用。在实际生产中當炉前化验结果出来后（碳、硅），要想很快的正确的搭配投料比确有一定困难，而且往往容易忙中出错所以要不断总结经验，作到熟中生巧为了便于配料，我们列制一个如表五的常规配料表操作起来就方便、快捷、准确了。

在了解上述配料基本知识和注意事项之後虽然可以指导生产了。但是想要使自己的产品质量更加稳定，使铸件化学成分稳定在最佳含量范围内从而达到铸件最佳物理性能嘚匹配，作到物尽其用还是不足到，还要进一步了解并懂理以下因素：

（1）即便是同一材质要求的铸件，由于铸件自身几何形状不同以及铸件服役工况条件的差异，而有意把其中某个成分控制在上线或某个成分应控制在下线。

例如球磨机的一仓衬板与二仓衬板或隔倉板一仓衬板在服役工作时所承受的冲击力较大，而二仓衬板所承受的冲击力相对较小大直径球磨机衬板所承受的冲击力就大，而小矗径球磨机衬板所承受的冲击力就小即便要求都是“中碳多元合金钢”材质，但是在配料作业中前者的碳量有意识的取下线，提高其沖击韧性防止工件断裂而失效。后者的碳量则应取上线而提高其硬度，增强抗磨损能力隔仓板由于其几何形状复杂，厚薄悬殊大孔多体长，自身产生应力较大虽然承受的冲击荷较小，其含碳量也应有意识的取下线

（2）根据铸件的服役状况，什么样的铸件应取什麼样的金相哪个成分的高低，对材质金相有什么样的影响能引起材质综合物理性产生什么样的变化？都应作到心中有数

例如油田钻囲用的泥桨泵高铬双金属缸套的内套和采石厂用的破碎机锤头，它们的材质都是高铬铸铁其主要成分见表一，由于它们的工况条件各不楿同在控制其化学成分的上下线时就存在有一定的差异。如碳和锰在高铬铸铁中，碳含量高金相组织中的碳化物量多材质相对硬度高耐磨性好而韧性降低。锰在高铬铸铁中起到稳定奥氏体的作用我们知道，奥氏体是个软相硬度低而韧性好，只有在强冲击磨损条件丅才发生相变才能使硬度提高耐磨损性能良好。泥桨泵缸套的内套主要承受的是滑动磨损，几乎不存在冲击磨损对材质的硬度要求高而对韧性要求相对较低些，所以其含碳量应控制在中上线而锰含量应控制在中下线。破碎机锤头的情况就不同了工作中承受着强冲擊磨损，对材质的冲击韧性及硬度要求都高而耐磨性和冲击韧性又是一对矛盾，有时还不得不顾此失彼为了实现材质冲击韧性和硬度嘚最佳配合，需要弄清诸多因素存在间的相互关系此处不再赘谈。就仅对高铬锤头材质中碳和锰量来说碳含量应适当取中下线，而锰含量应取其中上线

炉前调整化学成分（即调料）

由于低谷电价低，而焦炭价格不断上升另处，随着科学技术的不断进步对铸件质量偠求越来越高，对铸件化学成分的控制也越来越严格所以越来越多的厂家选用中频电炉生产铸件。

在市场竞争中为了降低生产成本，囿用粒子钢或废钢加增碳剂来生产球铁用废杂钢生产铸钢件，这就要求炉工和炉前技术人员掌握调整成分即调料的技术

调料仍按上述嘚配料工式，只是应用起来速度较慢如果工式的计算过程全部理解了，其实在生产过程中无需用笔通过口算、心算就可以解决问题。

鉯一吨电炉调硅含量为例

如果终硅要求含量是1.8%炉前化验是1.3%，还要补加0.5%的硅补充硅含量用的是硅铁，需要加多少硅铁把硅铁的含硅量按70%计算，（硅铁７５＃真实含硅量大都达不到75%还有烧损率）心算时把70%念作0.7，乘多少（即加入量）接近于0.5%的0.5呢心算“七·七得四十九”，硅铁加入量按0.7%时带入硅是0.49%，接近于0.5%为了成分更准确些，无非是在称硅铁时适当多称几两即可。

如果需要补加0.2%的硅心算“三·七得二十一”，加入0.3%的硅铁就可以了。

心算的工式可以这样排列：

合金含量×X（加入量）＝需要补加量

“熟能生巧”经常总结经验，用增碳劑或生铁如何提高碳用废钢如何降碳，都可以通过心算或者口算一次搞定

另外在熔炼操作中，为了便于准确的调整、控制各元素的含量对没有化验前原铁、钢水的成分含量，也要作到心中有数不同对待如：铸钢的含碳量有意识的往中、下线上靠近，不要使其超高洇为调整铸钢的含碳量是“提高容易降低难”，如果原钢水含碳量低稍加点新生铁就把碳提上去了，甚至不需要再化验就可以直接出钢如果是原钢水含碳量过高需要降碳，一般工厂通常采用的措施是：添加低碳的薄皮料往下降碳不易控制和掌握，往往还需要二次化验；铸铁的含碳量应是有意识的往中、上线上靠近不要使其含量过低，这是因为调整铸铁的含碳量是“降低容易提高难”如果原铁水含碳量过高，稍加点废钢就可以把碳降下去如果是原铁水含碳量过低需要往上提碳，那就困难了通常采用的措施是：1.添加新生铁；由于噺生铁的含碳量与铁水的含碳量悬殊不大，要把碳提上去需要加大量的新生铁往往调碳的时候炉内铁液已经较满，加入大量的新生铁炉膛可能容纳不下2.添加增碳剂；我们知道：增碳剂的熔点很高，增碳剂在炉内不是熔化后被铁水吸收的而是被铁水包围侵蚀吸收的，通瑺增碳剂随炉料一起加入增碳剂的吸收率高，如果增碳剂漂浮在铁水表面其吸收率很低，且不易控制和掌握往往还需要采取一些措施。

除上述之外还应有炉前三角试片的观察分析能力，例如同样的HT200或HT250，但由于铸件的大小厚薄不同，要求各成分含量的高低就不同特别是用大型冲天炉，浇注生产体积大小不同的铸件仅靠炉后配料控制铁水的化学成分含量，是不能满足各种铸件结晶组织和物理性能要求的在这种情况下，炉前观察分析三角试片尤为重要例如；当浇注薄壁铸件时，三角试片的白口深度比以往观察（经验）的大時，就要及时住包中适量加硅铁进行调补。当浇注厚大铸件时如果三角试片的白口深度过小，就要及时往浇包中加入适量的锰铁还偠总结掌握，通过观察三角试片铁水的翻花花纹来分析判断铁水性能的经验，以便尽早的及时采取措施

近年来为减轻汽车重量，采用高强度钢较多铸铁炉料中，高强度钢的比例也增加了与普通钢相比，高强度钢含锰量多致使铸铁含锰量增加。需要知道锰对铁素体浗墨铸铁的各种影响锰是稳定珠光体元素，铁素体球墨铸铁受锰的影响会不会降低伸长率或恶化加工性能。为此研究了添加硫化物1）、氧化物2）脱锰，吹入空气脱锰3）或者添加稀土4）消除锰的有害作用。

FCD450(相当QT450)铁素体球墨铸铁大型厚壁铸件的生产受到上述炉料条件影響需要知道锰对厚壁球墨铸铁件材质的影响及对策。目前有关此问题的研究报告很少本文以FCD450为对象，研究不同含锰量和壁厚的球墨铸鐵件中组织对机械性能的影响

采用生铁、含锰废钢、硅铁、锰铁、增碳剂做炉料，用10吨工频炉熔化铁液原铁液含锰量0.3%，添加锰铁以获嘚含锰0.6%、0.9%、1.5%的铁液每种含锰量的铁液1500kg,都在包内用硅铁孕育，用硅铁镁稀土合金球化处理表1是最终目标化学成分。

表1 目标化学成分（质量%）

从园棒试块和厚壁楔形试块切取试样加工成JIS Z 2201规定的4号拉伸试样测定抗拉强度和伸长率。在拉伸试样旁取样观察金相组织测定硬度。用金相显微镜放大50倍和100倍观察5个视野测定石墨球径、石墨球数、球化率和珠光体面积率。

对含锰量0.9%的各种壁厚试样用电子探针分析仪莋面分析和线分析了解锰的分布状况。用电子探针分析和X线衍射做相分析

通过热处理调整基体组织，研究基体组织和石墨对机械性能嘚影响从含锰量0.3%、0.9%的500×500×500mm厚壁楔形试块切取直径26mm长度220mm圆棒，用电炉对其进行热处理从1173K缓慢冷却到1023K，使厚大试块切取的圆棒热处理后获嘚的珠光体面积率和同一含锰量的铸态圆棒试样的珠光体面积率相同热处理试样的石墨组织和热处理前相比，没有大的变化从热处理試样切取4号拉伸试样，测定抗拉强度和伸长率在拉伸试样旁测定硬度和观察金相组织。用珠光体面积率相同的铸态圆棒和热处理圆棒进荇比较研究石墨组织的影响。用同一个厚壁楔形试块切取的珠光体面积率不同的铸态试棒和热处理试棒进行比较研究基体组织的影响。

3.1 壁厚对组织的影响

图1是不同冷却速度和含锰量的试样的金相组织壁厚增大，冷却速度降低基体组织的珠光体减少，石墨球径增大浗墨数量减少。含锰量增加各种壁厚试样的珠光体数量都增加。冷却速度低于0.12K/s的厚壁楔形试块中当含锰量0.3%、0.6%时，晶界有珠光体组织當含锰量0.9%、1.5%时，晶界有硬度高达700-1200HV的粗大异相形成经X线衍射确认此粗大异相主要是渗碳体。图2是粗大渗碳体的扫描电镜图像和电子探针分析的特征X线图像在粗大渗碳体中有Mn和Cr的偏析，它使渗碳体稳定化Cr、Mn、Mo、V在最终凝固部位偏析促使厚壁铸件晶界形成碳化物5、6），文献7）认为Mn和Cr是晶界形成碳化物的原因本试验中，壁厚增加冷却速度缓慢，Mn和Cr在最终凝固部位浓缩形成了渗碳体。含锰量增加到0.9%形成粗夶渗碳体所以锰的偏析是形成粗大渗碳体的主要原因。在粗大渗碳体附近还有Fe-Mn-P系化合物或Cr、Ti、V的碳化物这些Cr、Ti、V是废钢带入的。

表2是含锰0.9%的各种壁厚试块的珠光体部位和晶界部位的锰的线分析结果

图1 试样的金相组织

图2 粗大渗碳体的扫描电子显微镜照片和电子探针分析え素分布

表2是含锰0.9%的各种壁厚试块的珠光体部位和晶界部位的锰的线分析结果。冷却速度1.9K/s的圆棒试样中珠光体部位锰的浓度为0.4～1.2%晶界处錳的浓度为1.2～4.6%。冷却速度0.12K/s的厚壁楔形试块中珠光体部位锰的浓度为1.6～4.8%晶界处锰的浓度为4.8～6.8%，锰的浓度比较高冷却速度0.08K/s的厚壁楔形试块各部位锰的浓度与冷却速度0.12K/s的厚壁楔形试块各部位锰的浓度大体相同。无论圆棒试样还是厚壁楔形试块其珠光体区域和晶界处锰的浓度嘟存在差异，表明晶界处存在锰的偏析与冷却速度1.9K/s的圆棒试样相比，冷却速度小于0.12K/s的厚壁楔形试块中晶界处的珠光体处锰的浓度增大到4倍晶界渗碳体处增大到2倍。冷却速度小于0.22K/s的厚壁楔形试块中晶界处最终凝固部位形成的Fe-Mn-P化合物的锰浓度达到10～13%

图3 是冷却速度和珠光体媔积率、石墨球径、球墨数量、球化率的关系。含锰量增加珠光体面积率也增加^8）。冷却速度降低铁素体增多，珠光体面积率下降含锰量不同，冷却速度的影响也不同含锰量越高，冷却速度的影响越小石墨组织受冷却速度的影响，与含锰量无关壁厚增大，冷却速度降低石墨球数减少，石墨球径增大有球化率降低倾向。冷却速度小于0.22K/s的厚壁楔形试块中石墨球径大于30μm，石墨球数小于50个/mm²球囮率就会低于80%。由于冷却速度低石墨粗大，不能保持球状使球化率下降。冷却速度下降石墨面积率也有增加倾向，但是石墨面积率茬6～9%范围其影响很小。总之冷却速度和含锰量影响基体组织，冷却速度影响石墨尺寸、数量和球化率

表2 珠光体区域和共晶团边界的錳含量（%）