铸铁及其熔炼：性能和工艺探讨

常用的铸铁是接近共晶成分（w（C）=2.5%～4.0%、w（Si）=1.0%～2.5%）的铁碳合金。它具有良好的铸造性能，又易于切削加工，适合制造形状复杂的铸件，是工业中应用较广的材料。在普通机器中，铸铁件的质量占机器总质量的50%以上。

铸铁的种类较多。按碳存在的形态（以化合态存在的记为C化合，以石墨态存在的记为C石墨）不同，可分为白口铸铁（碳全部为C化合）、灰铸铁（碳主要为C石墨）及麻口铸铁（碳大部分为C化合）；按石墨形状不同，可分为灰铸铁（片状石墨）、蠕墨铸铁（蠕虫状石墨）、可锻铸铁（团絮状石墨）和球墨铸铁（球状石墨）；按金属基体不同，可分为铁素体铸铁、珠光体铸铁、铁素体与珠光体混合基体铸铁。另外，加入合金元素，从而具有特殊性能的铸铁称为合金铸铁。

1.灰铸铁

1）石墨对灰铸铁性能的影响

石墨是决定灰铸铁性能的主要因素。石墨本身的力学性能极差，它好似空洞和缺口存在于金属基体中，特别是片状石墨的尖角，会引起应力集中。因此，石墨数量愈多、形态愈粗大、分布愈不均匀，对金属基体的割裂就愈严重。灰铸铁的抗拉强度低，塑性差，但却有良好的吸震性、减摩性和低的缺口敏感性，且易于铸造和切削加工。它常用于制造机座、箱体等静载下的承压件及导轨、活塞环、缸套等滑动摩擦副的零件。

铸铁中的碳以石墨形式析出和聚集的过程称为石墨化。铸铁的性能在很大程度上取决于石墨的数量、大小、形状及分布。石墨化不充分，易产生白口，铸铁硬、脆，难以切削加工；石墨化过分，形成粗大的石墨，则铸铁的力学性能会降低。因此，在生产中应控制石墨化过程。影响铸铁石墨化程度的主要因素是化学成分和冷却速度。

（1）化学成分　铸铁中常见的碳、硅、锰、磷、硫都会影响铸铁的石墨化程度。

①碳和硅　碳是促进石墨化的元素，含碳愈多，可能析出的石墨愈多，但这种可能性还取决于硅的含量。硅是强烈促进石墨化的元素（称为孕育剂）。含硅越多，石墨化的可能性就越大；反之，碳含量高而硅含量少时，容易得到含C化合的白口铸铁。因此，铸铁中碳、硅含量愈高，析出的石墨就愈多、愈粗大，而金属基体中的碳含量就愈少（即基体中的铁素体增多，珠光体减少）；反之，则析出的石墨就愈少、愈细小。实验证明，控制铸铁中碳、硅含量的比例将得到不同组织与性能的铸铁，如图2.2所示。由该图可见，碳、硅含量过低时，易获得硬且较脆的白口或麻口铸铁；而碳、硅含量过高时，易获得石墨粗大、强度和硬度很低的铁素体灰铸铁。

图2.2　碳、硅含量与铸铁组织的关系

Ⅰ—白口铸铁区；Ⅱ—麻口铸铁区；Ⅲ—珠光体铸铁区；Ⅳ—珠光体-铁素体铸铁区；Ⅴ—铁素体铸铁区

②硫和锰　硫是强烈阻碍石墨化的元素，硫含量高，易促使铸铁形成白口组织。同时，硫还形成低熔点（985℃）、分布于晶界上的FeS-Fe共晶体，造成铸铁的热脆性。硫是铸铁中的有害元素，一般将硫含量控制在0.1%～0.15%之间。

锰也会阻碍铸铁石墨化，它具有稳定珠光体（阻碍珠光体中碳的石墨化）的作用，能提高铸铁的强度和硬度。同时，锰与硫的亲和力大，二者易结合形成熔点高（1600℃）、密度小的MnS，MnS将上浮并随熔渣排出炉外。故锰是铸铁中的有益元素，一般将其含量控制在0.6%～1.2%之间。

③磷　磷对铸铁的石墨化影响不显著，但当磷含量超过0.3%时，便形成呈网状分布于晶界的低熔点、高硬度的Fe3P共晶体。这有利于铸铁耐磨性的提高，故耐磨铸铁件的磷含量可高达0.5%～0.7%。然而，磷含量过高将造成铸铁的冷脆性增强。因此，一般将铸铁件的磷含量限制在0.5%以下，对于高强度铸铁件，则将磷含量限制在0.2%～0.3%之间。

（2）冷却速度　冷却速度很慢时，碳原子析出很充分，并不断聚集，形成粗大的石墨片。随着冷却速度的加快，碳原子析出变得不够充分，聚集较慢，只有部分碳原子以细石墨片形式析出，而另一部分碳原子以渗碳体形式析出，使铸铁基体中出现珠光体。冷却速度很大时，石墨化过程不能进行，碳原子全部以渗碳体形式析出而产生白口组织。

铸铁的冷却速度主要受铸型的冷却条件及铸件壁厚的影响。不同铸型材料的导热能力不同，如金属型导热快，冷却速度大，碳的石墨化受到严重阻碍，铸件易获得白口组织；而砂型冷却慢，铸件得到的组织就不同。例如铸造冷硬轧辊、矿车车轮，就是采用局部金属型（主体是砂型）来激冷铸件的表面，使铸件表面产生耐磨的白口组织。

当铸型材料相同时，铸件的壁厚不同，其组织和性能也不同。在厚壁处冷却较慢，铸件易获得铁素体基体和粗大的石墨片，力学性能较差；而在薄壁处，冷却较快，铸件易获得硬而脆的白口组织或麻口组织。在实际生产中，一般是根据铸件的壁厚（对于重要铸件指其重要部位的厚度，对于一般铸件则取其平均壁厚）选择铁液的化学成分（主要指碳、硅），以获得所需的铸铁组织。砂型铸造时，铸件壁厚和碳、硅含量对铸铁组织的影响如图2.3所示。

2）灰铸铁的孕育处理

因粗大片状石墨对灰铸铁中金属基体的割裂作用，灰铸铁的力学性能偏低（Rm=100～200 MPa）。提高灰铸铁性能的途径是减少石墨数量并减小其尺寸，并使石墨分布均匀。孕育处理是提高灰铸铁性能的有效方法，其原理是：先熔炼出相当于白口或麻口组织的低碳、硅含量（w（C）=2.7%～3.3%、w（Si）=1.0%～2.0%）的高温（1400～1450℃）铁液，然后向铁液中冲入少量细粒状或粉末状的孕育剂。孕育剂一般为含硅75%的硅铁合金（有时也用硅钙合金），加入量为铁液的0.25%～0.6%。孕育剂在铁液中形成大量弥散的石墨结晶核心，使石墨化作用骤然加强，从而得到细晶粒珠光体和分布均匀的细片状石墨组织。经孕育处理后的铸铁称为孕育铸铁，它的强度、硬度较孕育处理前显著提高（Rm=250～350 MPa，硬度为170～270 HBS）。原铁液中碳含量愈小，石墨愈细小，铸铁强度、硬度愈高。但因石墨仍为片状，故铸铁塑性、韧性仍然很差。

孕育铸铁的另一优点是冷却速度对其组织和性能的影响很小，因此铸件上厚大截面的性能较均匀。孕育处理对铸件厚大截面硬度的影响如图2.4所示。

图2.3　壁厚和碳、硅含量对铸铁组织的影响

Ⅰ—白口铸铁；Ⅱ—麻口铸铁；Ⅲ—珠光体铸铁；Ⅳ—珠光体-铁素体铸铁；Ⅴ—铁素体铸铁

图2.4　孕育处理对铸件厚大截面硬度的影响

1—孕育铸铁；2—普通灰铸铁

孕育铸铁适用于静载下强度、耐磨性或气密性要求较高的铸件，特别是厚大铸件，如重型机床床身、气缸体、气缸套及液压件等。

必须指出的是：

①孕育处理前原铁液的碳、硅含量不能太高，否则孕育后石墨数量多而粗大，反而使铸铁的强度降低；

②铁液出炉温度不应低于1400℃，以免孕育处理操作后的铁液温度过低，使铸件产生浇不到、冷隔、气孔等缺陷；

③经孕育处理后的铁液必须尽快浇注，以防止孕育作用衰退。

3）灰铸铁件的生产特点、牌号及选用

（1）灰铸铁件的生产特点　灰铸铁一般在冲天炉中熔炼，成本低廉。因灰铸铁的成分接近共晶成分，凝固中又有石墨化膨胀补偿收缩，故流动性好，收缩小，铸件的缩孔、缩松、浇不到、热裂、气孔倾向均较小。灰铸铁件通常采用同时凝固工艺，一般不需冒口补缩，也较少使用冷铁。

灰铸铁件一般不能用热处理来提高其力学性能，这是因为，灰铸铁组织中粗大石墨片对基体的破坏作用不能通过热处理来消除或减轻。对精度要求高的铸件，可进行时效处理，以消除内应力，防止加工后变形；或进行软化退火，以消除白口组织，降低铸件硬度，改善其切削加工性能。

（2）灰铸铁的牌号及选用　灰铸铁的牌号用“灰”“铁”二字汉语拼音的首字母“H”“T”和表示其抗拉强度（MPa）的数字表示。按GB/T 9439—2010，灰铸铁分为八个牌号，其中常用的六个牌号灰铸铁的抗拉强度、特性及应用举例如表2.2所示。

表2.2　灰铸铁的抗拉强度、特性及应用举例

续表

注：灰铸铁HT250至HT350是经孕育处理的孕育铸铁。

HT100、HT150、HT200属于普通灰铸铁，其中：HT100为铁素体灰铸铁，其因强度、硬度低而很少应用，仅用于薄壁铸件或不重要的铸件；HT150为珠光体-铁素体灰铸铁，是铸造生产中最容易获得的铸铁，力学性能可满足一般要求，故应用最广；HT200为珠光体灰铸铁，一般用于力学性能要求较高的铸件；HT250至HT350是经过孕育处理的孕育铸铁，用于要求更高的重要件。

应指出的是：因灰铸铁的性能不仅取决于化学成分，还与铸件壁厚有关，故选择铸铁牌号时，必须考虑铸件壁厚。例如壁厚分别为8 mm、25 mm的两种铸铁件，均要求Rm=150 MPa，则壁厚为25 mm的铸件应选HT200，而壁厚为8 mm的铸件应选HT150。同理，用试棒代替铸件本体取样进行铸铁性能测试时，亦必须选择能反映铸件壁厚的、恰当的试棒直径。

2.可锻铸铁

可锻铸铁（其实不可锻）俗称玛钢或玛铁。它是将白口铸铁在退火炉中经长时间高温石墨化退火，使白口组织中的渗碳体分解为铁素体或珠光体基体加团絮状石墨而得到的铸铁。

1）可锻铸铁的生产特点

制造可锻铸铁必须采用碳、硅含量很低的铁液，通常w（C）=2.4%～2.8%，w（Si）=0.4%～1.4%，以获得完全的白口组织。如果铸出的坯件中已出现石墨（即呈麻口或灰口），则退火后不能得到团絮状石墨（仍为片状石墨）。

除了要求铁液的碳、硅含量低以外，可锻铸铁件的壁厚也不得太大，否则铸铁件冷却速度缓慢，不能得到完全的白口组织。同时，可锻铸铁件的尺寸也不宜太大，因为进行石墨化退火时，要将白口铸铁坯件置于退火炉中的退火箱内，显然，铸铁坯件的尺寸受退火箱、退火炉尺寸的制约。同时，白口铸铁的流动性差，收缩大，铸造时应适当提高浇注温度，采用设置冒口、冷铁及防裂肋等铸造工艺措施。

可锻铸铁件的石墨化退火工序是：先清理白口铸铁坯件；然后将其置于退火箱，并加盖，用泥密封；再将其送入退火炉，缓慢加热到920～980℃，保温10～20 h；最后按规范冷到室温（对于黑心可锻铸铁还要在700℃以上进行第二阶段保温）。石墨化退火的周期一般为40～70 h，因此，可锻铸铁的生产过程复杂，周期长，能耗大，铸件成本高。

2）可锻铸铁的性能牌号及选用

可锻铸铁的石墨呈团絮状，其对基体的割裂作用相对片状石墨而言大大减轻，因而可锻铸铁的抗拉强度明显高于灰铸铁，一般为300～400 MPa，最高可达700 MPa。尤为可贵的是这种铸铁具有一定的塑性与韧性（A≤12%，αKU≤30 J/cm2），例如，材质为可锻铸铁的固定扳手弯曲成120°也不会断裂。可锻铸铁就是因具有一定塑性、韧性而得名，但它并不能真正用于锻造。

按照退火方法的不同，可锻铸铁可分为黑心可锻铸铁、珠光体可锻铸铁及白心可锻铸铁，其性能及应用举例如表2.3所示（白心可锻铸铁已很少使用了，故介绍从略）。其牌号中的“KTH”“KTZ”分别表示黑心可锻铸铁、珠光体可锻铸铁，两组数字中前者表示铸铁的最低抗拉强度（MPa），后者表示铸铁的伸长率（%）。黑心可锻铸铁的基体为铁素体，故其塑性、韧性好，耐腐蚀，适合用于制造耐冲击、形状复杂的薄壁小件和各种水管接头、农机件等。珠光体可锻铸铁的强度、硬度及耐磨性优良，并可通过淬火、调质等处理来强化，珠光体可锻铸铁可取代钢来制造小型连杆、曲轴等重要件。

表2.3　可锻铸铁的特性及应用举例

可锻铸铁虽然存在退火周期长、生产过程复杂、能耗大的缺点，但在形状复杂、承受冲击载荷的薄壁小件的制造方面，仍有不可替代的作用。这些小件用铸钢制造困难会较大，若用球墨铸铁制造，品质又难以保证。可锻铸铁件不仅受金属原材料的限制小，且品质容易控制。可锻铸铁今后的发展方向主要是开发快速退火新工艺和研发新品种。

3.球墨铸铁

球墨铸铁（简称球铁）是向铁液中加入一定量的球化剂和孕育剂而直接得到球状石墨的铸铁。

1）球墨铸铁对原铁液的要求及其处理工艺

（1）铁液化学成分　球墨铸铁对原铁液化学成分的要求与一般灰铸铁的基本相同，但成分控制较严，其中硫、磷对球墨铸铁危害很大，其含量越低越好，一般应使w（S）≤0.07%、w（P）≤0.1%，并要求适当提高碳含量（w（C）=3.6%～4.0%），以保证良好的铸造性能和消除白口倾向。

（2）铁液温度　铁液出炉温度应高于1400℃，以防止球化及孕育处理操作后温度过低而使铸件产生浇不到等缺陷。

（3）球化和孕育处理　球化和孕育处理是制造球墨铸铁的关键，必须严格控制。

球化剂的作用是使石墨呈球状析出。纯镁是一种主要的球化剂，但其密度小（1.73 g/cm3）、沸点低（1120℃），若直接加入铁液，其将浮于液面并立即沸腾，利用率很低。如果采用特殊装置加入球化剂，不仅操作麻烦，而且不安全。镧（La）、铈（Ce）、钕（Nd）、镨（Pr）等17种稀土元素的球化作用虽比镁弱，但它们熔点高、沸点高、密度大，并有强烈的脱硫、去气能力，还能细化晶粒，改善铸造性能。我国有丰富的稀土资源，20世纪60年代初，我国开发了独具特色的稀土镁合金球化剂。这种球化剂综合了二者的优点，它与铁液反应平稳，操作安全，并减少了镁的用量。球化剂的加入量为1.0%～1.6%，视铁液化学成分和铸件大小而定。

孕育剂的主要作用是促进铸铁石墨化，防止球化元素所造成的白口倾向。同时，孕育还可使石墨圆整、细小，从而改善球墨铸铁的力学性能。常用的孕育剂为含硅75%的硅铁合金，加入量为铁液的0.4%～1.0%。

目前应用较普遍的球化处理工艺有冲入法和型内球化法。冲入法球化处理的过程如图2.5所示：首先将球化剂放在浇包底部的“堤坝”内，在上面铺以硅铁粉和草灰，以防止球化剂上浮，并使球化作用缓和；然后冲入占浇包容积2/3的铁液，使球化剂与铁液充分反应，并扒去熔渣；最后将孕育剂置于冲天炉出铁槽，再冲满浇包，进行孕育处理。

处理后的铁液应及时浇注，否则球化作用衰退，会引起球化不良，从而降低铸件性能。为了避免球化衰退现象，进一步提高球化效果，并减少球化剂用量，近年来常采用型内球化法，如图2.6所示。该方法是将球化剂和孕育剂置于浇注系统内的反应室，使铁液流过反应室，与之作用而产生球化效果。型内球化方法最适合在大量生产的机械化流水线上使用。

(www.zuozong.com)

图2.5　冲入法球化处理

图2.6　型内球化法

2）球墨铸铁件的铸造工艺

球墨铸铁碳含量高，接近共晶成分，其凝固特征决定了它会析出石墨，凝固收缩率低，缩孔、缩松倾向却很大。球墨铸铁在浇注后的一定时间内，其铸件凝固后形成的外壳强度甚低，而球状石墨析出时的膨胀力却很大，致使初始形成的铸件外壳向外胀大，于是造成铸件内部合金液不足，因而在铸件最后凝固的部位产生缩孔和缩松。

为了防止球墨铸铁件产生缩孔、缩松缺陷，应采用如下工艺措施。

（1）增加铸型刚度。阻止铸件外壳向外膨胀，并可利用石墨化膨胀产生“自补缩”的效果，防止或减少铸件的缩孔或缩松。如生产中常通过增加铸型紧实度、采用黏土干砂型或水玻璃化学硬化砂型（用于中小型铸件）、牢固夹紧砂型等措施来防止铸型型壁移动。

（2）安放冒口、冷铁，对铸件进行补缩。

球墨铸铁件易出现气孔，其原因是铁液中残留的镁或硫化镁与型砂中的水分会发生下列反应：

Mg+H2O=MgO+H2↑

MgS+H2O=MgO+H2S↑

生成的H2、H2S部分进入铁液表层，使铸件产生皮下气孔。为防止气孔缺陷，除应降低铁液硫含量和残余镁量外，还应限制型砂水分或采用干型。

此外，球墨铸铁件还容易产生夹渣缺陷，故浇注系统应能将铁液平稳地导入型腔，并有良好的挡渣作用。

3）球墨铸铁的牌号、性能及应用

球墨铸铁的牌号、性能及用途举例如表2.4所示。

表2.4　球墨铸铁的牌号、性能及用途举例

球墨铸铁牌号中的“Q”“T”是“球”“铁”二字的汉语拼音首字母，其后两组数字分别表示铸铁的最低抗拉强度（MPa）和伸长率（%）。表中QT400-18至QT450-10属于铁素体球墨铸铁，QT500-7至QT900-2属于珠光体球墨铸铁。由于球状石墨对基体的割裂作用和造成的应力集中现象较片状石墨大为减轻，基体对球墨铸铁力学性能的影响又起到了主导作用，基体强度利用率高达70%～90%，因此，球墨铸铁的力学性能与灰铸铁相比有显著提高。尤为突出的是球墨铸铁屈强比（Rp0.2/Rm≈0.7～0.8）高于碳钢（Rp0.2/Rm≈0.6），珠光体球墨铸铁的屈服强度超过了45钢。因在机械设计中材料的许用应力一般以屈服强度为依据，显然，对于承受的冲击载荷不大的零件，用球墨铸铁代替钢是完全可行的。

实验证明，球墨铸铁有良好的耐疲劳性能，其弯曲疲劳强度（带缺口试样）与45钢相近，扭转疲劳强度比45钢高20%左右，因此，球墨铸铁完全可以代替铸钢或锻钢用于制造承受交变载荷的零件。

球墨铸铁的塑性、韧性虽比钢差，但其他力学性能可与钢媲美，而且还具有灰铸铁的许多优点，如良好的铸造性、耐磨性、吸震性能及低的缺口敏感性等。

此外，还可用热处理方法进一步提高球墨铸铁的性能。多数球墨铸铁的铸态基体为珠光体加铁素体的混合组织，很少是单一的基体组织，有时还存在自由渗碳体，形状复杂件还有残余应力。因此，对球墨铸铁进行热处理主要是为了改变其基体组织，以获得所需的性能，这一点与灰铸铁不同。球墨铸铁热处理后的性能如表2.5所示。

表2.5　球墨铸铁热处理后的力学性能

与铸钢比，球墨铸铁的熔炼及铸造工艺简单，成本低，投产快，在一般铸造车间即可生产。目前球墨铸铁件在机械制造中已得到了广泛的应用，它成功地取代了不少可锻铸铁、铸钢及某些非铁金属件，甚至取代了部分承受载荷较大、受力复杂的锻件。例如，汽车、拖拉机、压缩机上的曲轴，现已大多用珠光体球墨铸铁取代传统的锻钢来制造。

球墨铸铁硅含量高，其低温冲击韧度较可锻铸铁差，又因球化处理会降低铁液温度，故在薄壁小件的生产中，其品质不如可锻铸铁稳定。

4.蠕墨铸铁

蠕墨铸铁是铁液经蠕化处理，使石墨呈蠕虫状（介于片状和球状之间的形态）的铸铁。

1）蠕墨铸铁的牌号和性能

蠕墨铸铁有五个牌号，即RuT420、RuT380、RuT340、RuT300及RuT260，其中RuT260采用铁素体基体，其余牌号采用铁素体加珠光体混合基体或珠光体基体。牌号中的“RuT”为“蠕铁”的汉语拼音的前三个字母，其后数字为该牌号铸铁的最低抗拉强度（MPa）。

蠕墨铸铁的性能介于基体相同的灰铸铁和球墨铸铁之间，有良好的力学性能（抗拉强度优于灰铸铁，低于球墨铸铁，有一定的塑性和韧性，伸长率为1.5%～8%），且其断面敏感性较普通灰铸铁小，故厚大截面上的力学性能较为均匀。

蠕墨铸铁还有良好的使用性能，它组织致密，突出的优点是导热性优于球墨铸铁，而抗生长性和抗氧化性比其他铸铁均高，耐磨性优于孕育铸铁及高磷耐磨铸铁。

2）蠕墨铸铁的生产

蠕墨铸铁的生产与球墨铸铁相似，铁液成分与温度要求亦相似。在炉前处理时，先向高温、低硫、低磷铁液中加入蠕化剂进行蠕化处理，再加入孕育剂进行孕育处理。蠕化剂一般采用稀土镁钛、稀土镁钙合金或镁钛合金，加入量为铁液的1%～2%。蠕墨铸铁的铸造性能接近灰铸铁，缩孔、缩松倾向比球墨铸铁小，故铸造工艺简便。

3）蠕墨铸铁的应用

蠕墨铸铁的力学性能高，导热性和耐热性优良，因而适用于制造工作温度较高或温度梯度较高的零件，如大型柴油机的气缸盖、制动盘、排气管，钢锭模及金属型等。又因其断面敏感性小，铸造性能好，故可用来制造形状复杂的大型铸件，如重型机床和大型柴油机的机体等。用蠕墨铸铁代替孕育铸铁，既可提高铸件强度，又可节省废钢。

5.合金铸铁

当要求铸铁件具有某些特殊性能（如高耐磨、耐蚀性等）时，可在铸铁中加入一定量的合金元素，制成合金铸铁。

1）耐磨铸铁

普通高磷（w（P）=0.4%～0.6%）铸铁虽具有较好的耐磨性，但强度低，韧性差，故常在其中加入铬、锰、铜、钒、钛、钨等合金元素构成高磷耐磨铸铁。加入以上合金元素不仅可强化和细化基体组织，而且可形成碳化物硬质点，进一步提高铸铁的耐磨性等力学性能。

除高磷耐磨铸铁外，还有铬钼铜耐磨铸铁、钒钛耐磨铸铁及中锰耐磨球墨铸铁等。耐磨铸铁常用作机床导轨，汽车发动机的缸套、活塞环、轴套，球磨机的磨球等铸件的材料。

2）耐热铸铁

在铸铁中加入一定量的铝、硅、铬等元素，能使铸铁表面形成致密的氧化膜，如Al2O3、SiO2、Cr2O3膜等，保护铸铁内部不再继续氧化。另外，这些元素的加入能提高铸铁组织的相变温度，阻止渗碳体的分解，从而使这类铸铁能够耐高温（700～1200℃）。耐热铸铁一般用来制造加热炉底板、炉门、钢锭模及压铸模等铸件。

3）耐蚀铸铁

在铸铁中加入硅、铝、钙等合金元素，能使铸铁表面形成耐蚀保护膜，并提高铸铁基体的电极电位。根据铸件所接触的腐蚀介质的不同，可选择不同种类的耐蚀铸铁。它们常用来制造化工设备中的管道、阀门、泵、反应釜及盛储器等。

合金铸铁流动性差，易产生缩孔、气孔、裂纹等缺陷，化学成分控制要求严格，铸造难度较大，需采用相应的工艺措施，方能获得合格铸件。

6.铸铁的熔炼

熔炼铸铁的设备有冲天炉、反射炉、电弧炉、中频和工频感应电炉等，与其他熔炉相比，冲天炉可连续熔炼大量的金属。冲天炉的形状与高炉相似，都为用圆柱形或圆锥形钢筒和耐火材料砌成的井式炉，但冲天炉的炉顶没有用料钟装置密闭，而是与大气相通。

1）冲天炉的熔炼过程

冲天炉的每一批炉料均包括燃料、金属料、熔剂。燃料一般为焦炭，冲天炉内最底层的焦炭称为底焦；金属料包括铸造生铁、回炉铁（冒口、废铸件、铁屑）、废钢、铁合金（硅铁、锰铁）等；熔剂常采用石灰石、萤石等。焦炭、熔剂、金属料交替层装入炉内，如图2.7所示。

在熔炼过程中，冲天炉内的高温炉气不断上升，炉料不断下降，同时伴随着如下过程：底焦燃烧；金属料被预热、熔化和过热；发生冶金反应，铁液成分发生变化。故金属料在冲天炉内由固态变为液态并非简单的熔化过程，实质上为一熔炼过程。

（1）炉气、炉料温度的变化（图2.7）　来自鼓风机的空气经风口进入炉内，底焦完全燃烧，并放出大量的热，使炉温高达1600～1700℃。

图2.7　冲天炉内炉气和炉料温度的变化

显然，燃烧反应主要在风口以上的底焦中进行，层焦在未成为底焦之前几乎未燃烧。层焦的作用是补充底焦的消耗，以维持底焦高度不变。风口以下的炉缸区内无炉气流动，焦炭几乎不燃烧。

（2）炉料的熔化　从加料口装入的炉料，迎着上升的炉气下降，并被逐渐加热，当温度达1100～1200℃时，金属料开始熔化，形成液滴。下落的液滴经过过热区时，被高温的炉气和炽热的焦炭进一步加热，最后降落到炉缸中，经出铁口流至炉外铁水包中或经冲天炉的过桥流至前炉储存。熔渣从出渣口（出渣口高于出铁口并偏置一角度，图中未表示）排出炉外。

在炉料熔化过程中须控制底焦高度，保证铁料在该区中熔化，并使铁液充分过热，达到足够高的出炉温度。若底焦高度过低，金属将位于高温区，此时其熔化虽快，但氧化损耗会加剧，因此铁液温度仍然很低；若底焦高度过高，则炉料会位于低温区，要等待多出的底焦燃烧到正常高度时，金属料才开始熔化，因此熔化率低，焦炭消耗量大。

2）铁液化学成分的控制

由于熔炼中铁料与炽热的焦炭和炉气直接接触，铁液的化学成分将发生变化。

（1）硅和锰减少。具有氧化性的炉气使铁液中的硅、锰烧损，一般硅的烧损量为10%～20%，锰的烧损量为15%～25%。

（2）碳增加。一方面，铁料中的碳被炉气氧化烧损；另一方面，铁料在与炽热焦炭接触时又会吸收碳。因此，铁液碳含量的最终变化是炉内渗碳与脱碳两个过程综合作用的结果。实践证明，铁液碳含量的变化总是趋向于接近共晶点的碳含量。在大多数情况下，当铁料碳含量小于3.6%时，铁液将以增碳为主；当铁料碳含量大于3.6%时，铁液则以脱碳为主。鉴于铁料碳含量一般小于3.6%，故铁液大多是增碳。

必须指出，共晶点碳含量只是决定了铁料碳含量的变化趋向。实际上铁料碳含量愈低，铁液碳含量也愈低，所以在熔炼孕育铸铁、可锻铸铁时，为获得碳含量低的铁液，必须在铁料内配入一定比例的废钢，以降低铁料的原始碳含量。

（3）硫增加。铁料吸收焦炭中的硫，硫含量将增加50%左右。

（4）磷基本不变。进行金属炉料配备时，首先根据铸件所要求的组织、性能，由碳、硅含量与铸铁组织的关系图（图2.2）确定铁液应达到的碳、硅含量范围，然后根据现有铁料的成分，确定每批炉料中生铁锭、回炉铁及废钢铁的比例，并加入一定量的硅铁、锰铁等铁合金，以弥补铁料中硅、锰的烧损。由于在冲天炉内铁液通常难以脱除硫、磷，因此，欲得到低硫、磷铁液，应采用优质焦炭。为了解熔炼后铁液的成分与铸件壁厚之间的关系是否恰当，可在炉前浇注三角试样，用肉眼观察其试样断口组织（图2.8）进行粗略判断。例如，根据试样的白口宽度，即可确定该铁液所浇注的铸件不产生白口组织的最小壁厚。若铸件壁厚小于试样白口宽度就会在铸件薄壁处出现白口组织，此时可在炉前加入硅铁对铁液进行孕育处理，以消除白口组织，降低铸件硬度；若看到试样断口组织晶粒过粗，可向铁液中加入少量锰铁，使铸件的组织变细，硬度增加。

图2.8　三角试样断口组织