高強(qiáng)度灰鑄鐵生產(chǎn)技術(shù)新進(jìn)展
高強(qiáng)度灰鑄鐵生產(chǎn)技術(shù)新進(jìn)展
侯起飛，劉勝新，孫玉福，楊娟，王劉利
河南省中原內(nèi)配股份有限公司，河南孟州454750;2.鄭州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南鄭州450002)
摘要:從優(yōu)化化學(xué)成分、提高鐵液純凈度和成分均勻性，強(qiáng)化孕育效果等方面介紹了高強(qiáng)度灰鑄鐵生產(chǎn)技術(shù)的最新進(jìn)展。通過(guò)資料總結(jié)認(rèn)為:灰鑄鐵生產(chǎn)技術(shù)的主要發(fā)展方向是高CE、高強(qiáng)度、高Si/C比、低應(yīng)力和良好的加工性能;難點(diǎn)是獲得高溫、成分穩(wěn)定、純凈度高的鐵液和強(qiáng)化孕育。
關(guān)鍵詞:灰鑄鐵;高強(qiáng)度;CE;合金化
灰鑄鐵作為傳統(tǒng)的金屬材料在鑄造生產(chǎn)中占有重要地位。雖然近年來(lái)灰鑄鐵在世界鑄鐵總產(chǎn)量中所占的比例有所下降，但是統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明灰鑄鐵在鑄鐵件中仍占有重要地位。2006年世界鑄鐵總產(chǎn)量為9136.8萬(wàn)t，其中灰鑄鐵件為4253.9萬(wàn)t，我國(guó)灰鑄鐵件占世界灰鑄鐵件總量的32.7%。在節(jié)能降耗、汽車輕量化的形勢(shì)下，灰鑄鐵材料仍能得到如此廣泛的應(yīng)用，與其良好的鑄造成型性、減磨性、減震性和成本低廉等特點(diǎn)密不可分。汽車輕量化、大功率化的發(fā)展，對(duì)灰鑄鐵材料的薄壁高強(qiáng)度化要求越來(lái)越高。石墨的形態(tài)和分布是決定灰鑄鐵材料強(qiáng)度和切削性能的關(guān)鍵。為了使灰鑄鐵同時(shí)獲得高強(qiáng)度、好的鑄造性能與加工性能，滿足“薄壁高強(qiáng)”要求，國(guó)內(nèi)外工作者進(jìn)行了大量研究開發(fā)工作，其新進(jìn)展主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
優(yōu)化化學(xué)成分
1.1優(yōu)化CE與w(Si)/w(C)比值
高強(qiáng)度灰鑄鐵的組織中應(yīng)有一定數(shù)量的奧氏體枝晶作骨架;有足夠數(shù)量共晶團(tuán)數(shù)目;石墨為A型、中等尺寸的片狀石墨;層片間距較小的百分之百的珠光體。降低w(C)量、提高w(Mn)量，白口傾向增加，硬度提高，但惡化鑄件加工性能。在一定的CE范圍內(nèi)，提高w(Si )lw(C)比值，可提高灰鑄鐵強(qiáng)度。表1為相同強(qiáng)度時(shí)，中、日機(jī)床鑄件在CE和二(Si )/w( C)比值方面的對(duì)比。表2為中國(guó)一汽、二汽、德國(guó)MAN和Motortex公司氣缸體、缸蓋鑄件在CE、w(Si)/w(C)比值及合金元素方面對(duì)比。從表1可以看出，CE相當(dāng)時(shí)，國(guó)內(nèi)灰鐵件的抗拉強(qiáng)度比日本的低1-2個(gè)牌號(hào)。相同牌號(hào)時(shí)，日本灰鐵件的CE和w(Si)/w（C)比值比國(guó)內(nèi)的高。由表2可以看出，德國(guó)灰鐵件的CE高于國(guó)內(nèi)產(chǎn)品，合金元素的加人量比國(guó)內(nèi)的少，w（Si)/w（C)比值略低于國(guó)內(nèi)產(chǎn)品。
在相同CE條件下，w（Si)/w（C)比值提高，抗拉強(qiáng)度可提高30-60 MPa。高的CE和高w(Si)/w（C)比值，可促進(jìn)石墨化，減少白口傾向，降低
鑄件應(yīng)力;但、(Si )/w （C)比值太高時(shí)，高w(Si)/w（C)比值和高CE的雙重影響使石墨粗大、珠光體量下降及片層間距增大，強(qiáng)度反而會(huì)降低。實(shí)驗(yàn)表明，在高CE(3.9%-4.2%)下，w(Si)/w（C)比值在0.60-0.75內(nèi)強(qiáng)度值較佳。1.2優(yōu)化以（Mn)、w（S)量與w（Si)/w（C)比值
在鑄鐵的生產(chǎn)中，S一直被認(rèn)為是一種有害元素。但研究表明，S對(duì)灰鑄鐵的組織和性能有著重要影響，尤其是對(duì)采用電爐熔煉的高強(qiáng)度灰鑄鐵而言“硫化物核心理論”認(rèn)為，電爐熔煉的鐵液中w(S)及硫化物含量低，形核能力低，白口傾向增大，往往難于得到理想的組織和性能，尤其是難于得到理想的A型石墨，且D,E型石墨增加。提高鐵液中w（S）量，不僅改善切削加工性能，而且還可以提高A型石墨的數(shù)量，并使石墨長(zhǎng)度變短，形態(tài)彎曲和端部鈍化。電爐熔煉鐵液要得到正常的石墨形態(tài)，w(S)量控制在0.05%-0.12%。當(dāng)w( S ) <0.05%時(shí)，建議使用增硫劑，并且最好在熔煉后期升溫時(shí)加人。
加Mn可以提高灰鑄鐵的強(qiáng)度和硬度，但是增大w(Mn )量能否提高強(qiáng)度與w(S)量有關(guān)。在w(S)量較高的鑄鐵中，w(Mn )量越高，形成的MnS夾雜物越多。MnS可以作為石墨非自發(fā)形核的核心，促使鑄鐵石墨化，但過(guò)量的MnS會(huì)發(fā)生聚集，形成局部密集的MnS排列。同時(shí)，鐵液中自由S原子的數(shù)量減少，石墨將變得平順，長(zhǎng)度變長(zhǎng)，端部的鈍化效果變差，其綜合影響的結(jié)果是Mn強(qiáng)化基體的合金化作用被MnS所帶來(lái)的不利影響壓制了，而且在較高CE的鐵液中增硫的作用也被Mn破壞，導(dǎo)致灰鑄鐵性能降低。因此，w（Mn)量與w（S)量的選擇應(yīng)該綜合考慮，通常認(rèn)為當(dāng)w（S) }0.2%時(shí)w(Mn)=1.7w(S) 0.3來(lái)考慮w(Mn)量。
1.3低合金化及微合金化
合金化是強(qiáng)化基體、提高強(qiáng)度和剛度的有效方法。生產(chǎn)中一般加入Cr,Mn,Cu,Sn,Mo等元素，加人量一般在0.1%一1.0%為宜。合金元素
使用效果的好壞與加人量、加人方式及所使用孕育劑的種類有關(guān)。將Cr直接加人到原鐵液中，其加人量上限為0.35%，否則將出現(xiàn)碳化物;包內(nèi)沖入法加Cr，其加人量上限可達(dá)0.45 %。合金元素復(fù)合添加的作用優(yōu)于單獨(dú)使用，有些合金的配合作用是特別有效的。合金的配合使用可以減少合金元素的加入總量，從而降低了成本。 國(guó)內(nèi)外對(duì)Nb,V,Ti微合金化及孕育處理方面做的大量研究表明，Nb,V,Ti可以與鐵液中的非金屬元素C和N發(fā)生反應(yīng)，形成碳化物、氮化物、碳氮化物等微小質(zhì)點(diǎn)，細(xì)化基體中的珠光體。普通灰鑄鐵中加人質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的V時(shí)灰鑄鐵抗拉強(qiáng)度高達(dá)400 MPa。一般說(shuō)來(lái)，Ti是很強(qiáng)的碳化物形成元素，其含量很少時(shí)w(Ti)<0.08% )，細(xì)小的含Ti化合物可作為石墨的核心，有促進(jìn)石墨化的作用。Nb可使灰鑄鐵保持較高的石墨含量，所以灰鑄鐵保持了良好的減磨性能;同時(shí)Nb在灰鑄鐵中可以形成大量彌散分布的碳化物質(zhì)點(diǎn)，又使灰鑄鐵具有良好的抗磨性能。
N在鋼中已經(jīng)被作為一種合金元素來(lái)使用，但N在鑄鐵中的作用還沒(méi)有引起
足夠的重視。近年的研究表明，N對(duì)鑄鐵中石墨組織的形態(tài)、數(shù)量和分布都有顯著影響。在灰鑄鐵中，N使石墨片長(zhǎng)度縮短，彎曲程度增加，端部鈍化，長(zhǎng)寬比減小，共晶團(tuán)細(xì)化，珠光體數(shù)量增多，珠光體和鐵素體的顯微硬度提高。瑞典Volvo。公司已開發(fā)出了w(N)量為0.000 9%-0.016 0%的新型氣缸體和氣缸蓋。國(guó)內(nèi)成功開發(fā)出了一種特別適合于大馬力柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的含微量V和N的新型微合金化高CE高強(qiáng)度灰鑄鐵，突破了國(guó)內(nèi)外為提高強(qiáng)度加Mo,Nii等元素進(jìn)行合金化的問(wèn)題。
2提高鐵液純度和成分均勻性
同樣化學(xué)成分和相同金相組織，進(jìn)口件較國(guó)產(chǎn)件材質(zhì)性能高出1-2個(gè)牌號(hào);硬度高于國(guó)產(chǎn)件的進(jìn)口件，切削加工性能反而優(yōu)于國(guó)產(chǎn)鑄件，主要原因是其材質(zhì)的金相組織均勻性好，夾雜物含量少。金相組織的特點(diǎn)是由鐵液質(zhì)量決定的。傳統(tǒng)鐵液質(zhì)量的概念包括鐵液溫度、化學(xué)成分和純凈度。目前，對(duì)鐵液溫度、化學(xué)成分的精確控制已不成問(wèn)題。如何獲取高純凈度的優(yōu)質(zhì)鐵液，是保證灰鑄鐵綜合性能的關(guān)鍵。
2.，嚴(yán)格控制原輔材料的純凈度
據(jù)統(tǒng)計(jì)，鑄造用生鐵、SiFe合金孕育劑等輔助材料中的非金屬夾雜物帶給鐵液的不純與鐵液均勻度差的問(wèn)題占鑄造材質(zhì)廢品率的60%以上。因此，強(qiáng)化“精料出精品”的觀念，加強(qiáng)對(duì)原輔材料的管理是獲得優(yōu)質(zhì)鐵液的重要前提。
2.2高溫熔煉
采用1 500℃以上的高溫熔煉是提高鐵液純凈度的有效措施，高溫熔煉可以減少生鐵遺傳性的不利影響，有利于成分均勻。
2.3采用中間合金添加高熔點(diǎn)或低熔點(diǎn)金屬元素
將必須添加的適量合金元素，制成熔點(diǎn)適合鐵液溶解的中間合金，以中間合金的形式加人鐵液中，可有效解決合金的熔解與鐵液均勻性問(wèn)題，以此來(lái)提高組織均勻、減少?gòu)U品率。國(guó)內(nèi)外鋼鐵企業(yè)也采用添加中間合金的方法，進(jìn)行鋼液的精煉，生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。
2.4吹氣精煉
對(duì)灰鑄鐵進(jìn)行吹氣處理，可有效地去除鐵液中O,H等氣體，在凈化鐵液的同時(shí)，增加鑄鐵共晶團(tuán)的數(shù)量、改善孕育效果，從而提高灰鑄鐵強(qiáng)度。吹氣方法有兩種:其一是在包底安裝透氣塞，包底吹氫或吹氮精煉;其二是在感應(yīng)電爐爐底安裝透氣磚，爐底吹氫或吹氮精煉。中頻爐通過(guò)向爐內(nèi)吹氣，可大幅度降低鐵液中氣體和氧化夾雜物的含量，有效提高鐵液質(zhì)量。相同孕育處理?xiàng)l件下，吹氣凈化可改善灰鑄鐵的孕育效果最終提高鑄件材料牌號(hào)等級(jí)。
2.5精煉劑凈化
研究表明，鐵液中加人與O,S等有害元素結(jié)合力強(qiáng)的元素，如RE,Ca,Ba,Mn等，在鐵液中形成熔點(diǎn)更高、更穩(wěn)定、密度更小的氧化物、硫化
物，從而減少了存在的有害元素，凈化了鐵液。文獻(xiàn)研究結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)精煉劑凈化后，鐵液中的有害元素將減少，最終產(chǎn)品的力學(xué)性能得到明顯提高。
3強(qiáng)化孕育效果
選用中頻電爐熔煉，在相同原材料下，與沖天爐相比，其過(guò)熱溫度高，熔化保溫時(shí)間長(zhǎng)，極易引起脫碳。同樣化學(xué)成分時(shí)，所澆注成的鑄件強(qiáng)度和硬度高，白口傾向大，石墨長(zhǎng)度短，且容易產(chǎn)生D,E型石墨;鐵液的流動(dòng)性較差，收縮增大，易引起各種鑄造缺陷。當(dāng)使用廢鋼量大于50%時(shí)，鐵液的保溫時(shí)間增加，上述現(xiàn)象更加嚴(yán)重。以前許多孕育劑是針對(duì)沖天爐而生產(chǎn)的，現(xiàn)在熔煉條件改變了，孕育劑也需要有所改變。因此，當(dāng)務(wù)之急是加強(qiáng)對(duì)薄壁高強(qiáng)度孕育鑄鐵件的研究，開發(fā)出適應(yīng)高CE（3.9%-4.2%)、高Si/C比灰鑄鐵的孕育劑，提高國(guó)內(nèi)鑄件材料牌號(hào)等級(jí)，降低產(chǎn)品成本、縮小與國(guó)外高強(qiáng)度灰鑄鐵件生產(chǎn)的差距。
3.1孕育劑的分類
孕育劑是孕育鑄鐵生產(chǎn)的關(guān)鍵。按照孕育劑的作用可將其分成兩類:石墨化孕育劑和穩(wěn)定化孕育劑。
3.1.1石墨化孕育劑
石墨化孕育劑根據(jù)成分又可分為:C系、Si系、特殊系。C系具有石墨化能力強(qiáng)、用量少，衰退慢、孕育效果好等優(yōu)點(diǎn)。但其熔點(diǎn)高，孕育溫度最好在1 450℃以上，并要配以適當(dāng)?shù)募尤舜胧员憧朔湮鼰岣∩?、飛散及空氣氧化等問(wèn)題。Si系孕育劑中實(shí)際應(yīng)用最廣的是75SiFe。特殊系孕育劑是指為了改善鑄件壁厚敏感性、提高抗衰退能力和滿足產(chǎn)品性能要求而添加了Ba,Sr,RE,Mg,Ca,V,Ti,Nb,N,Zr等元素的孕育劑。
含Ba孕育劑的主要作用是長(zhǎng)效而不是高效。研究表明，該類孕育劑具有抑制E型石墨出現(xiàn)，明顯改善鑄件壁厚敏感性，提高抗衰退能力的效果。與75SiFe相比，含Sr孕育劑石墨化能力較強(qiáng)，突出的特點(diǎn)是在減少白口的同時(shí)并不顯著增加共晶團(tuán)數(shù)，因此可以減少縮松傾向，改善鑄件致密性和耐水壓能力。孕育劑加入量相同的情況下，SiSr孕育后的鑄件斷面敏感性低，硬度也降低，有利于改善加工性能。因此，對(duì)于容易產(chǎn)生白口及易滲漏的薄壁高強(qiáng)度灰鑄鐵鑄件(如:缸體等)，可選用含Sr孕育劑進(jìn)行孕育。
對(duì)感應(yīng)電爐熔煉和爐料中廢鋼比例較大、w（S)量較低的鐵液來(lái)說(shuō)，前述的孕育劑效果都不顯著，而用RESiFe孕育劑卻特別適宜。少量的RE還可消除Pb和Bi對(duì)灰鑄鐵片狀石墨形態(tài)的有害影響，改善抗衰退性能，降低過(guò)冷頃向，減少D,E型石墨及白口的形成，提高孕育效果的均勻性，從而顯著提高鑄件的強(qiáng)度和塑性，改善鑄鐵的切削加工性。
在灰鑄鐵中，氮使石墨片長(zhǎng)度縮短，彎曲程度增加，端部鈍化，長(zhǎng)寬比減小，從而使其強(qiáng)度和彈性模量增加，特別是當(dāng)N和RE元素復(fù)合添加時(shí)效果更加顯著。近年來(lái)，已引起國(guó)內(nèi)外的關(guān)注。
3.1.2穩(wěn)定化孕育劑
穩(wěn)定化孕育劑在減少薄壁敏感性方面比石墨化孕育劑強(qiáng)，但處理薄壁件時(shí)要同時(shí)使用石墨化孕育劑。它對(duì)處理溫度和停留時(shí)間不像石墨化孕育劑那樣敏感，也不存在衰退問(wèn)題。只要鐵液溫度足以熔化孕育劑或處理后的鐵液溫度能滿足澆注要求，都可以得到滿意的結(jié)果。
3.1.3復(fù)合孕育劑
復(fù)合孕育劑是指各種孕育劑按照一定比例混合得到的機(jī)械混合物或含有多種元素的孕育劑。實(shí)踐證明，使用該種孕育劑可以綜合發(fā)揮不同元素的孕育能力，強(qiáng)化孕育效果，特別適合用于控制石墨形態(tài)，改善組織均勻性，開發(fā)薄壁高強(qiáng)灰鑄鐵。
3.2孕育劑的選擇
相同的孕育劑和相同處理工藝條件下，熔煉方式、化學(xué)成分、鐵液溫度及鑄型冷卻條件都會(huì)對(duì)孕育效果產(chǎn)生影響，因此根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際選擇適宜的孕育劑是生產(chǎn)高強(qiáng)度灰鑄鐵的關(guān)鍵。國(guó)外有的工廠將w(S)量0.067%定為分界線，不同的孕育劑分別適用于高于或低于w（S)量0.067%的鐵液。
對(duì)感應(yīng)電爐熔煉和爐料中廢鋼比例較大，w(S)量較低的鐵液，前述的孕育劑效果都不顯著，而用RESiFe孕育劑卻特別適宜。對(duì)于高CE,高w（Si）/w（C)比的高強(qiáng)度灰鑄鐵宜采用REBaCa,REN,SiSr類等復(fù)合強(qiáng)化孕育劑。4開發(fā)灰鑄鐵先進(jìn)制造技術(shù)
鑄鐵是一種具有極大開發(fā)潛力的復(fù)雜、多元、多相結(jié)構(gòu)材料，其組織和性能可隨其凝固方式的不同而發(fā)生很大的變化。其內(nèi)容主要包括:鑄鐵件表面層激光強(qiáng)化處理、鑄鐵的半固態(tài)鑄造、消失模鑄造、半固態(tài)壓鑄技術(shù)和真空壓鑄技術(shù)、計(jì)算機(jī)在鑄造行業(yè)的應(yīng)用等方面。從總體上看，關(guān)于灰鑄鐵研究開發(fā)的深度和廣度已達(dá)到相當(dāng)高的水平，特別是近十多年來(lái)隨著多學(xué)科交叉和高技術(shù)向傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的不斷滲透和融合，促進(jìn)了制造工藝的優(yōu)化和成本的降低，提高了灰鑄鐵件的高品質(zhì)化、高功能化的水平，拓寬了應(yīng)用領(lǐng)域。
5結(jié)束語(yǔ)
汽車技術(shù)輕量化、大功率化的發(fā)展，對(duì)灰鑄鐵材料的薄壁高強(qiáng)度化的要求越來(lái)越高。國(guó)內(nèi)外高強(qiáng)度灰鑄鐵發(fā)展的趨勢(shì)主要表現(xiàn)為:獲得高強(qiáng)度、剛度的同時(shí)，具有較好的鑄造性能與加工性能，即強(qiáng)度、硬度、石墨化三者聯(lián)系起來(lái)，達(dá)到力學(xué)性能、鑄造性能與加工性能的統(tǒng)一。突破灰鑄鐵生產(chǎn)瓶頸的首要任務(wù)是獲得優(yōu)質(zhì)鐵液和最佳的孕育處理工藝。
作者簡(jiǎn)介:侯起飛(1972-)，男，河南焦作人，工程師，長(zhǎng)期從事鑄鐵生產(chǎn)技術(shù)及新品開發(fā)工作。
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