一、技术要求及生产条件
（1）技术要求 液压件主要包括液压泵、增压器、气动和流体控制等零部件，出口量较大。材质牌号以HT300为主，还有HT250和HT200。铸件重量不大，但结构较为复杂，壁厚在18～35mm。力学性能要求用同包铁液浇注的单铸试棒（φ27mm）来表征，抗拉强度在275～335MPa，硬度在185～236HBW,铸件本体硬度差小于35HBW。金相组织由体积分数≥95%的细片状珠光体，少量渗碳体和＜1%的磷共晶组成。石墨形态以A型为主，石墨长度为4～6级，允许存在少量的B型、C型石墨，且分布均匀。铸件外观要求表面粗糙度值低，不允许有夹渣、夹砂和微裂纹等缺陷。铸件机械加工后，全部铸件都做渗漏试验。
（2）生产条件 使用国产自动造型线和半自动翻转浇注机进行批量生产，单件或小批量生产采用手工造型。有两台1t中频感应电炉熔炼铁液。炉前采用QL-BS4000型智能分析仪快速检测铁液中的碳、硅、硫元素含量，用快速热电偶测温枪在线检测铁液温度。原铁液经1520℃过热后出炉，出炉温度为1480～1500℃。采用随流孕育和包内孕育相结合的复合式孕育方式。用FeSi75和SiBa3合金进行炉前孕育剂处理。浇注前用湿砂型三角试样检查白口深度。用10t万能试验机检测灰铸铁的抗拉强度，用布氏硬度计测试灰铁的硬度，用光学显微镜进行微观组织分析。
（3）熔炼工艺及参数 熔炼用原材料包括低碳优质废钢、铸造生铁及回炉铁（浇冒口和同类产品机加工的铁屑）。废钢是优质螺纹切头和钢板裁剪后边角料，无锈蚀，无油污；生铁为Z15铸造用生铁；回炉铁的浇冒口经滚筒清理，表面无粘砂，还有同类产品机加工后的铁屑。随流孕育用FeSi75，化学成分见表1，SiBa10孕育剂的化学成分见表2。其他中间合金有FeMn、FeMo65和纯铜等。
二、影响灰铸铁机械加工性能因素
石墨形态及分布是决定灰铸铁强度和切削性能的关键。在化学成分和金相组织相同的条件下，进口件比国产件材质性能要高出1～2个牌号；进口件硬度高于国产件，而切削加工性能反而优于国产件。究其原因，主要与进口件碳当量高、石墨析出量多且分布均匀、组织均匀性好和夹杂物含量少及材质纯净度高有关。另外，组织中游离碳化物较少，通常小于1%。因此，在感应电炉熔炼条件下获取高碳当量、高冶金质量的铁液是保障灰铸铁综合性能的关键所在。
影响灰铸铁加工性能的因素主要包括炉料配比、化学成分、熔炼及孕育处理工艺、微观组织控制以及冷却速率等方面。消除内应力也能使切削性能得到改善。另外，实践证明，经过时效处理过的铸件具有良好的切削性能，尤其是经过长期存放的铸件，在内应力消除后，晶界的断屑效果明显改善，切削能效显著提高。当今机械加工的切削追求高速化，切削速度越来越快，而高速切削对断屑效果特别敏感。除石墨断屑作用外，晶界状态对高速切削也非常敏感，即晶界处的应力及微小颗粒数量都会影响到刀具的使用寿命。由此可知，在提高灰铁强度指标的前提下，合理地控制灰铸铁的微观组织是改善材质加工性能的关键所在。
三、影响铁液冶金质量的因素
1．碳当量
决定灰铸铁力学性能的主要因素为石墨形态和基体类型。当碳当量较高时，石墨析出数量增加，铁素体化倾向较大，会大大降低灰铸铁的力学性能。为了改善高碳当量灰铸铁的强度，必须进行低合金化处理，这在一定程度上又会恶化材质的机械加工性能。因此，在材质控制方面，确定适宜的碳当量有利于提高和改善材质强度和加工性能。
在碳当量较低的情况下，随着Si/C比的增大，灰铸铁强度呈现出先增大后减小的趋势，强度峰值对应的Si/C比在0.7～0.9；当Si/C比一定时，随着CE的增大，灰铁强度指标随之下降。在较高碳当量下，上述规律的实用性较弱。对高牌号灰铸铁而言，适宜的CE为3.75%～3.85%，Si/C比值为0.57～0.67。
2.炉料
炉料优劣是影响铁液质量的重要因素。生铁中的杂质和微量元素含量和组织缺陷都具有遗传性。例如，低硅生铁熔化后碳化物原子及其伴生的白口、缩松、裂纹等缺陷会遗传，因此灰铸铁炉料最好选用Z18以上牌号的铸造生铁。生铁中的微量元素构成遗传性的载体，高炉低氮生铁会产生粗大石墨，因此电炉熔炼时要注意使用增碳剂的含氮量。据相关资料显示，微量的氮可以提高铸铁力学性能，但是过量的氮会产生气孔和微裂纹等缺陷。增加废钢加入量能降低铁液的含碳量，提高力学性能。只用废钢和回炉料，用增碳的方法调节碳量，称为合成铸铁。相同的化学成分，合成铸铁力学性能更好。要求使用的废钢应该严格挑选，因废钢成分很杂，易切削钢含铅元素，低碳镇静钢含铝元素，合金钢含合金元素，这些元素也会严重影响和恶化铁液的冶金质量。
3.低合金化处理
合金化是强化基体，提高强度和刚度的有效方法。生产中通常加入Cu、Mo、Cr、Sn、Mn等元素，加入量一般在0.1%～1.0%，见表3。合金元素的使用效果与加入方式、加入量以及所用的孕育剂种类有关。直接将Cr加入到原铁液中，加入量最大为0.35%，否则就会产生碳化物，而且使铁液流动性变差。合金元素复合添加的作用要比单独使用效果好，有许多合金的配合使用是特别有效的，合金配合使用还能减少合金元素的加入总量，从而降低铸件的生产成本。
4.孕育处理
（1）孕育剂的作用 促进石墨化，降低白口倾向；降低断面敏感性；消除过冷石墨；增加共晶团数；改善力学性能。对于灰铸铁件，已有多种的孕育处理方法。选用合适的孕育处理方法非常重要，往往是决定产品质量的重要因素。企业应根据自身条件，通过试验选定最适合本企业特点的方法。处理方法一经确定，就应严格控制工艺过程以保证铸件质量的稳定。
（2）孕育剂种类及孕育工艺的选择 孕育剂种类众多，比较常用的有：75SiFe、RESiFe、BaCaSi/SrSi等微合金化孕育剂等。因此，应根据生产实际合理选择。在孕育工艺方面，高强度灰铸铁尽量采用随流孕育工艺，但要严格控制加入量。
（3）孕育剂用量的确定 传统生产方式认为，严格控制原铁液的Si含量，通过大孕育来获得高强度灰铸铁。实践证明，在孕育处理上，加大孕育剂用量，一方面会使铸铁收缩倾向增大，同时增大夹渣倾向，因此宜将孕育剂用量控制在0.25%～0.4%。
FeSi75是最常采用的孕育剂，其中的铝、钙含量对孕育效果有一定的作用，不含铝、钙的硅铁对灰铸件的孕育作用小。一般认为在铁液中铝和钙会与氧、氮反应形成高熔点的化合物，成为石墨结晶的核心。加入孕育剂后铁液中可形成局部的富硅微区有利于石墨析出。所以，采购孕育用硅铁时要考虑其中铝和钙的含量，铁液中的含铝量不能高，0.01%的铝就可能导致铸件产生皮下针状气孔。
出铁时用FeSi75进行孕育处理，孕育效果会很快地随时间的推移而衰退，孕育后5~7min，作用的衰退可在50%以上，约15min后，孕育作用将大部或全部消失。为确保铸件质量通常都要在孕育后10min内浇注完成，最好在铁液自浇包注入铸型时进行再次孕育。
二次孕育处理选用FeBa10Si55孕育剂，其具有很强的促进石墨化的能力，可改善薄壁铸件中石墨的形态和分布状况，增加共晶团，促成A型石墨形成，且有减缓孕育衰退的作用，处理时的用量仅为FeSi75的一半。含钡硅铁孕育剂是一种长效孕育剂，它更适于薄壁灰铁件，可有效改善石墨形状及分布，消除其过冷石墨和组织均匀性。例如，在生产牌号为HT250铬钼铜铸铁件时，用含钡硅铁孕育剂明显减小铸件的渗漏倾向。同样，钡硅铁孕育剂对液压件也非常适用，用0.1%的硅钡合金作孕育剂，能显著降低液压件的白口倾向，拟制游离渗碳体的产生，显著改善断面敏感性，使孕育效果延长30min左右，特别适用于有特殊技术要求的铸件。
（4）浇注方式 采用人工倾转式浇包浇注时，可在包嘴上用定量漏斗进行随流孕育。生产线上可采用带料斗的微型螺旋给料器进行随流孕育。
四、熔制过程的关键技术措施
（1）原辅炉料的严格管理 “精料出精品”。为了确保原材料化学成分和组分的稳定性，原辅材料应定点采购，入厂检验合格后才能使用。同时如实做好原始记录，有据可查，使质量问题有可追溯性。避免因原材料变化所导致的质量不稳定和质量下降。
（2）化学成分的优化设计及微合金化 优化后的液压件化学成分列入表4。
（3）炉料配比 经反复试验、比较，确定的炉料比例为：废钢40%、新生铁15%、回炉铁45%（浇冒口加同类产品机加铁屑：20%+25%）。
（4）加料顺序 投料顺序为：废钢→新生铁→回炉铁→锰铁→硅铁→除渣增碳剂→合金料。
（5）炉前控制 对每炉铁液要做好炉前快速分析，根据实际情况快速调整原辅材料的投放量，以确保原铁液化学成分的稳定性。
（6）过热温度的控制 铁液过热温度控制在1540～1520℃这个范围。适当的过热对消除原材料的“遗传性”非常有作用，而且有利于组织成分的均匀性。我们控制的出炉温度为1490～1520℃。
（7）强化孕育处理 出炉时用FeSi75进行瞬时孕育。孕育处理完毕后除渣，加覆盖剂，将浇包运送到铸型处，依据三角试片白口深度，决定Ba10Si55孕育剂的数量,白口宽度控制在约3.5mm为宜。随之准备浇注。浇注温度控制在1450～1480℃。浇注前浇包须烘烤到750℃以上。
（8）浇注工艺 浇注工的熟练程度对铸件质量影响很大。做到一稳二快三收流好。浇注时铁液流的忽大忽小、时快时慢都会影响铸件的成形质量；断流会使铸件产生冷隔或浇不足。因此，过去就有“三分造型，七分浇注”一说，生产现场对浇注工艺的管控十分重要。
结语
按照以上措施投入生产后，除抗拉强度其余指标符合技术要求，送到机械加工车间的铸件，先是经过小批量试加工，然后才批量生产；机械加工车间的工人普遍反映，虽然硬度稍高于过去的铸件，但是车削起来反倒更好，现在的铸件切削性能优于以前。
在中频感应电炉熔炼条件下，通过优化灰铸铁的化学成分和炉料配比，提高铁液的冶金质量，选用合适的长效孕育剂并强化孕育效果，同时进行低合金化处理，可以获得高强度易切削灰铸铁材质，满足出口液压铸件的生产技术和质量要求。
作者简介：袁东洲，陕西省内燃机配件厂。连炜，西安工业大学机电工程学院。陈金标，浙江台州市仙居元众液压机械公司。徐锦锋、魏兵，西安理工大学材料学院。
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