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1、高强度灰铸铁生产技术新进展 侯起飞1 ，刘胜新2 ，孙玉福2 ，杨娟2 ，王刘利2 ( 1 河南省中原内配股份有限公司，河南孟州4 5 4 7 5 0 ；2 郑州大学材料科学与工程学院，河南郑州4 5 0 0 0 2 ) 摘要：从优化化学成分、提高铁液纯净度和成分均匀性，强化孕育效果等方面介绍了高强度灰铸铁生产技术的最新进 展。通过资料总结认为：灰铸铁生产技术的主要发展方向是高C E 、高强度、高S i C 比、低应力和良好的加工性能；难点是 获得高温、成分稳定、纯净度高的铁液和强化孕育。 关键词：灰铸铁；高强度；C E ；合金化 中图分类号：T G 2 5 l文献标识码：B 文章编号：1 0
2、 0 3 8 3 4 5 ( 2 0 1 0 ) 0 1 0 0 4 9 - 0 5 R e c e n tP r o g r e s so fH i g hS t r e n g t hG r a yI r o nP r o d u c t i o nT e c h n i q u e H O UQ i - f e i l ，L I US h e n g - x i n 2 , S U NY u f u 2 ，Y A N GJ u a n 2 , W A N Gk u u 2 ( 1 H e n 肌Z h o n g y u a nE n g i n eF i R i n g sS t o
3、c kC o 。M e n g z h o u 4 5 4 7 5 0 。C h i n a ；2 M a t e r i a l sa n dE n g i n e e r i n gC o U e g e ， Z h e n g z h o uU n i v e m i t y ，Z h e n g z h o u4 5 0 0 0 2 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：T h er e c e n tp r o g r e s so fh i g hs t r e n g t hg r a yc a s ti r o np r o d u c t i o nt
4、e c h n i q u ew a si n t r o d u c e di nt h ea s p e c t so fo p t i m i z i n g c h e m i c a lc o m p o s i t i o n ，i n c r e a s i n gi r o nm e l tp u r i t y ，i n t e n s i f y i n gi n o c u l a t i o ne f f e c t ，e t c B ys u m m a r i z i n gt h el i t e r a t u r e sr e p o r t s ，i t W
5、 a sc o n s i d e r e dt h a tm a i nd e v e l o p m e n td i r e c t i o no ft h eg r a yc a s ti r o np r o d u c t i o nt e c h n i q u ei st oa d o p th i s hC E ，h i g hs t r e n g t h ， h i s hS i Cr a t i o r e d u c es t r e s sa n di m p r o v em a c h i n a b i l i t y ；a n dt h em a i nd
6、i f f i c u l t yo fh i s hq u a l i t yg r a yc a s ti r o np r o d u c t i o ni s h o wt oo b t m nh i i s ht e m p e r a t u r e ，c o m p o s i t i o n - s t a b l ea n dh i g hp u r i t yi r o nm e l ta n dh o wt oi n t e n s i f yi n o c u l a t i o n K e yw o r d s ：g r a yc a s ti r o n ；h i
7、g hs t r e n g t h ；C E ；a l l o y i n g 灰铸铁作为传统的金属材料在铸造生产中 占有重要地位l ”。虽然近年来灰铸铁在世界铸铁 总产量中所占的比例有所下降，但是统计数据表 明灰铸铁在铸铁件中仍占有重要地位。2 0 0 6 年 世界铸铁总产量为9 1 3 6 8 万t ，其中灰铸铁件为 4 2 5 3 9 万t ，我国灰铸铁件占世界灰铸铁件总量 的3 2 7 。在节能降耗、汽车轻量化的形势下，灰 铸铁材料仍能得到如此广泛的应用，与其良好的 铸造成型性、减磨性、减震性和成本低廉等特点 密不可分翻。汽车轻量化、大功率化的发展，对灰 铸铁材料的薄壁高强度化要求越
8、来越高1 3 t 。石墨的 形态和分布是决定灰铸铁材料强度和切削性能 的关键。为了使灰铸铁同时获得高强度、好的铸 造性能与加工性能【4 】，满足“薄壁高强”要求，国内 外工作者进行了大量研究开发工作，其新进展主 要表现在以下几个方面。 收稿日期：2 0 0 9 0 8 2 4 修定日期：2 0 0 9 0 9 0 9 作者简介：侯起飞( 1 9 7 2 一) ，男，河南焦作人，工程师，长期从事铸 铁生产技术及新品开发工作。 1 优化化学成分 1 1优化C E 与w ( S i ) w ( C ) 比值 高强度灰铸铁的组织中应有一定数量的奥 氏体枝晶作骨架；有足够数量共晶团数目；石墨 为A 型、
9、中等尺寸的片状石墨；层片间距较小的 百分之百的珠光体。降低训( C ) 量、提高彬( M n ) 量， 白口倾向增加，硬度提高，但恶化铸件加工性能。 在一定的C E 范围内，提高w ( S i ) w ( C ) 比值，可 提高灰铸铁强度1 5 J 。表1 1 4 J 为相同强度时，中、日机 床铸件在C E 和w ( S i ) w ( C ) 比值方面的对比。表 2 1 4 1 为中国一汽、二汽、德国M A N 和M o t o r t e x 公司 气缸体、缸盖铸件在C E 、w ( S i ) w ( C ) 比值及合金 元素方面对比。从表1 可以看出，C E 相当时，国 内灰铁件的抗拉
10、强度比日本的低1 2 个牌号。相 同牌号时，1 3 本灰铁件的C E 和w ( S i ) 励( c ) 比值 比国内的高。由表2 可以看出，德国灰铁件的C E 高于国内产品，合金元素的加入量比国内的少， w ( S i ) w ( C ) 比值略低于国内产品。 现代铸铁2 0 1 0 14 9 万方数据 表1 强度相同的中、日机床铸件C E 和w ( S i ) w ( C ) 比值 对比( ) T a b 1C Ea n dS i Cr a t i oc o m p a r i s o nb e t w e e n C h i n e s ea n d J a p a n e s em a
11、 c h i n et o o lc a s t i n g sw i t hs a m es t r e n g t h ( ) 删P a 国家牌号舶) 蚓( 品以鬻 表2 中国、德国部分企业气缸体、缸盖铸件的C E 、 伽( S i ) w ( C ) 比值及合金元素对比( ) T a b 2 C E ，S i Cr a t i oa n da l l o ye l e m e n t sc o m p a r i s o no f c y l i n d e rb l o c ka n dh e a dc a s t i n g sb e t w e e ns o m eC h i n
12、e s ea n d s o m eG e r m a n ye n t e r p r i s e s ( ) 昙，急洲础川s i ，。品“鬻：c 合金元素 在相同C E 条件下，w ( S i ) w ( c ) 比值提高，抗 拉强度可提高3 0 6 0M P a l 6 1 。高的C E 和高w ( S i ) w ( C ) 比值，可促进石墨化，减少白口倾向，降低 铸件应力；但w ( S i ) w ( c ) 比值太高时，高w ( S i ) w ( C ) 比值和高C E 的双重影响使石墨粗大、珠光 体量下降及片层间距增大，强度反而会降低。实 验表明，在高C E ( 3 9 4 2
13、 ) 下，w ( S i ) w ( C ) 比 值在0 6 0 0 7 5 内强度值较佳嗍。 1 2 优化州M n ) 、“S ) 量与以S i ) 以C ) 比值 在铸铁的生产中，S 一直被认为是一种有害 元素。但研究表明，S 对灰铸铁的组织和性能有 着重要影响，尤其是对采用电炉熔炼的高强度灰 铸铁而言I g l 。“硫化物核心理论”认为，电炉熔炼的 铁液中纠( S ) 及硫化物含量低，形核能力低，白口 倾向增大，往往难于得到理想的组织和性能，尤 其是难于得到理想的A 型石墨，且D 、E 型石墨 增加。提高铁液中W ( S ) 量，不仅改善切削加工性 5 0I 现代铸铁2 0 1 0 1
14、能，而且还可以提高A 型石墨的数量，并使石墨 长度变短，形态弯曲和端部钝化。电炉熔炼铁液 要得到正常的石墨形态，埘( S ) 量控制在0 0 5 。 0 1 2 。当w ( S ) 0 0 5 时，建议使用增硫剂，并且 最好在熔炼后期升温时加入。 加M n 可以提高灰铸铁的强度和硬度，但是 增大埘( M n ) 量能否提高强度与彬( S ) 量有关。在 埘( s ) 量较高的铸铁中，埘( M n ) 量越高，形成的 M n S 夹杂物越多。M n S 可以作为石墨非自发形核 的核心，促使铸铁石墨化，但过量的M n S 会发生 聚集，形成局部密集的M n S 排列。同时，铁液中 自由S 原子的数
15、量减少，石墨将变得平顺，长度 变长，端部的钝化效果变差，其综合影响的结果 是M n 强化基体的合金化作用被M n S 所带来的 不利影响压制了，而且在较高C E 的铁液中增硫 的作用也被M n 破坏，导致灰铸铁性能降低I l O l 。因 此，埘( M n ) 量与彬( S ) 量的选择应该综合考虑，通 常认为当加( S ) O 2 时，以加( M n ) = 1 7 w ( S ) + 0 3 来考虑埘( M n ) 量。 1 3 低合金化及微合金化 合金化是强化基体、提高强度和刚度的有效 方法。生产中一般加入C r 、M n 、C u 、S n 、M o 等元 素，加入量一般在0 1 1
16、0 为宜【】。合金元素 使用效果的好坏与加入量、加入方式及所使用孕 育剂的种类有关。将c r 直接加入到原铁液中，其 加入量上限为0 3 5 ，否则将出现碳化物；包内 冲入法加C r ，其加入量上限可达0 4 5 。合金元 素复合添加的作用优于单独使用，有些合金的配 合作用是特别有效的。合金的配合使用可以减少 合金元素的加入总量，从而降低了成本旧。 国内外对N b 、V 、T i 微合金化及孕育处理方 面做的大量研究表明，N b 、V 、T i 可以与铁液中的 非金属元素C 和N 发生反应，形成碳化物、氮化 物、碳氮化物等微小质点，细化基体中的珠光体1 1 习。 普通灰铸铁中加入质量分数为1
17、的v 时灰铸 铁抗拉强度高达4 0 0M P a - 4 1 。一般说来，T i 是很 强的碳化物形成元素，其含量很少时( 伽( T i ) 0 0 8 ) ，细小的含T i 化合物可作为石墨的核心， 有促进石墨化的作用。N b 可使灰铸铁保持较高 的石墨含量，所以灰铸铁保持了良好的减磨性 能；同时N b 在灰铸铁中可以形成大量弥散分布 的碳化物质点，又使灰铸铁具有良好的抗磨性 万方数据 能。 N 在钢中已经被作为一种合金元素来使用， 但N 在铸铁中的作用还没有引起足够的重视。 近年的研究表明，N 对铸铁中石墨组织的形态、 数量和分布都有显著影响。在灰铸铁中，N 使石 墨片长度缩短，弯曲程度增
18、加，端部钝化，长宽比 减小，共晶团细化，珠光体数量增多，珠光体和铁 素体的显微硬度提高【l 习。瑞典v o l v o 公司已开发 出了埘( N ) 量为0 0 0 09 0 0 1 60 的新型气缸 体和气缸盖【1 6 1 。国内成功开发出了一种特别适合 于大马力柴油发动机缸体的含微量v 和N 的新 型微合金化高C E 高强度灰铸铁，突破了国内外 为提高强度= | ! J I M o 、N i 等元素进行合金化的问题1 1 7 1 。 2 提高铁液纯度和成分均匀性 同样化学成分和相同金相组织，进口件较国 产件材质性能高出1 2 个牌号；硬度高于国产件 的进口件，切削加丁性能反而优于国产铸件，
19、主 要原因是其材质的金相组织均匀性好【培1 9 1 ，夹杂 物含量少。金相组织的特点是由铁液质量决定 的。传统铁液质量的概念包括铁液温度、化学成 分和纯净度。目前，对铁液温度、化学成分的精确 控制已不成问题。如何获取高纯净度的优质铁 液，是保证灰铸铁综合性能的关键。 2 1严格控制原辅材料的纯净度 据统计，铸造用生铁、S i F e 合金孕育剂等辅 助材料中的非金属夹杂物带给铁液的不纯与铁 液均匀度差的问题占铸造材质废品率的6 0 以 上。因此，强化“精料出精品”的观念，加强对原辅 材料的管理是获得优质铁液的重要前提。 2 2 高温熔炼 采用l5 0 0 以上的高温熔炼是提高铁液 纯净度的有效
20、措施，高温熔炼可以减少生铁遗传 性的不利影响，有利于成分均匀。 2 3 采用中间合金添加高熔点或低熔点金属元 素 将必须添加的适量合金元素，制成熔点适合 铁液溶解的中间合金，以中间合金的形式加入铁 液中，可有效解决合金的熔解与铁液均匀性问 题，以此来提高组织均匀、减少废品率。围内外钢 铁企业也采用添加中间合金的方法，进行钢液的 精炼，生产出优质产品。 2 4 吹气精炼 对灰铸铁进行吹气处理，可有效地去除铁液 中O 、H 等气体，在净化铁液的同时，增加铸铁共 晶团的数量、改善孕育效果，从而提高灰铸铁强 度1 2 0 l 。吹气方法有两种：其一是在包底安装透气 塞，包底吹氩或吹氮精炼；其二是在感应
21、电炉炉 底安装透气砖，炉底吹氩或吹氮精炼。中频炉通过 向炉内吹气，可大幅度降低铁液中气体和氧化夹杂 物的含量，有效提高铁液质量1 2 1 - 韧。相同孕育处理 条件下，吹气净化可改善灰铸铁的孕育效果 2 3 1 ， 最终提高铸件材料牌号等级。 2 5 精炼剂净化 研究表明，铁液中加入与O 、S 等有害元素结 合力强的元素，如R E 、C a 、B a 、M n 等，在铁液中形 成熔点更高、更稳定、密度更小的氧化物、硫化 物，从而减少了存在的有害元素，净化了铁液。文 献研究结果表明，经过精炼剂净化后，铁液中的 有害元素将减少，最终产品的力学性能得到明显 提高。 3 强化孕育效果 选用中频电炉熔炼
22、，在相同原材料下，与冲 天炉相比，其过热温度高，熔化保温时间长，极易 引起脱碳。同样化学成分时，所浇注成的铸件强 度和硬度高，白口倾向大，石墨长度短，且容易产 生D 、E 型石墨；铁液的流动性较差，收缩增大， 易引起各种铸造缺陷。当使用废钢量大于5 0 时，铁液的保温时间增加，上述现象更加严重。以 前许多孕育剂是针对冲天炉而生产的，现在熔炼 条件改变了，孕育剂也需要有所改变。因此，当务 之急是加强对薄壁高强度孕育铸铁件的研究，开 发出适应高C E ( 3 9 4 2 ) 、高S i C 比灰铸铁的 孕育剂，提高国内铸件材料牌号等级，降低产品 成本、缩小与国外高强度灰铸铁件生产的差距。 3 1
23、孕育剂的分类 孕育剂是孕育铸铁生产的关键。按照孕育剂 的作用可将其分成两类：石墨化孕育剂和稳定化 孕育剂。 3 1 1 石墨化孕育剂 石墨化孕育剂根据成分又可分为：C 系、S i 系、特殊系。C 系具有石墨化能力强、用量少，衰 退慢、孕育效果好等优点。但其熔点高，孕育温度 现代铸铁2 0 1 0 1 5 1 万方数据 最好在14 5 0 以上，并要配以适当的加入措 施，以便克服其吸热浮升、飞散及空气氧化等问 题。S i 系孕育剂中实际应用最广的是7 5 S i F e 。特 殊系孕育剂是指为了改善铸件壁厚敏感性、提高 抗衰退能力和满足产品性能要求而添加了B a 、 S r 、R E 、M g
24、, C a , V 、T i 、N b 、N 、Z r 等元素的孕育剂。 含B a 孕育剂的主要作用是长效而不是高 效。研究表明，该类孕育剂具有抑制E 型石墨出 现，明显改善铸件壁厚敏感性，提高抗衰退能力 的效果。与7 5 S i F e 相比，含S r 孕育剂石墨化能力 较强，突出的特点是在减少白口的同时并不显著 增加共晶团数，因此可以减少缩松倾向，改善铸 件致密性和耐水压能力。孕育剂加入量相同的情 况下，S i S r 孕育后的铸件断面敏感性低，硬度也 降低，有利于改善加工性能。因此，对于容易产生 白口及易渗漏的薄壁高强度灰铸铁铸件( 如：缸 体等) ，可选用含s r 孕育剂进行孕育。 对
25、感应电炉熔炼和炉料中废钢比例较大、 w ( S ) 量较低的铁液来说，前述的孕育剂效果都不 显著，而用R E S i F e 孕育剂却特别适宜。少量的 R E 还可消除P b 和B i 对灰铸铁片状石墨形态的 有害影响，改善抗衰退性能，降低过冷顷向，减少 D 、E 型石墨及白口的形成，提高孕育效果的均匀 性，从而显著提高铸件的强度和塑性，改善铸铁 的切削加工性。 在灰铸铁中，氮使石墨片长度缩短，弯曲程 度增加，端部钝化，长宽比减小，从而使其强度和 弹性模量增加，特别是当N 和R E 元素复合添加时 效果更加显著。近年来，已引起国内外的关注。 3 1 2 稳定化孕育剂 稳定化孕育剂在减少薄壁敏感
26、性方面比石 墨化孕育剂强，但处理薄壁件时要同时使用石墨 化孕育剂。它对处理温度和停留时间不像石墨化 孕育剂那样敏感，也不存在衰退问题。只要铁液 温度足以熔化孕育剂或处理后的铁液温度能满 足浇注要求，都可以得到满意的结果。 3 1 3 复合孕育剂 复合孕育剂是指各种孕育剂按照一定比例 混合得到的机械混合物或含有多种元素的孕育 剂。实践证明，使用该种孕育剂可以综合发挥不 同元素的孕育能力，强化孕育效果，特别适合用 于控制石墨形态，改善组织均匀性，开发薄壁高 5 2l 现代铸铁2 0 1 0 1 强灰铸铁。 3 - 2 孕育剂的选择 相同的孕育剂和相同处理工艺条件下，熔炼 方式、化学成分、铁液温度及
27、铸型冷却条件都会 对孕育效果产生影响，因此根据生产实际选择适 宜的孕育剂是生产高强度灰铸铁的关键。国外有 的工厂将w ( S ) 量0 0 6 7 定为分界线，不同的孕 育剂分别适用于高于或低于伽( S ) 量0 0 6 7 的 铁液。对感应电炉熔炼和炉料中废钢比例较大， 彬( S ) 量较低的铁液，前述的孕育剂效果都不显 著，而用R E S i F e 孕育剂却特别适宜。对于高C E 、 高w ( S i ) w ( C ) 比的高强度灰铸铁宜采用R E B a C a 、 R E N 、S i S r 类等复合强化孕育剂。 4 开发灰铸铁先进制造技术 铸铁是一种具有极大开发潜力的复杂、多
28、元、多相结构材料，其组织和性能可随其凝固方 式的不同而发生很大的变化。其内容主要包括： 铸铁件表面层激光强化处理、铸铁的半固态铸 造、消失模铸造、半固态压铸技术和真空压铸技 术、计算机在铸造行业的应用等方面。从总体上 看，关于灰铸铁研究开发的深度和广度已达到相 当高的水平，特别是近十多年来随着多学科交叉 和高技术向传统产业的不断渗透和融合，促进了 制造工艺的优化和成本的降低，提高了灰铸铁件 的高品质化、高功能化的水平，拓宽了应用领域。 5结束语 汽车技术轻量化、大功率化的发展，对灰铸 铁材料的薄壁高强度化的要求越来越高。国内外 高强度灰铸铁发展的趋势主要表现为：获得高强 度、刚度的同时，具有较
29、好的铸造性能与加工性 能，即强度、硬度、石墨化三者联系起来，达到力 学性能、铸造性能与加工性能的统一。突破灰铸 铁生产瓶颈的首要任务是获得优质铁液和最佳 的孕育处理工艺。 参考文献 【I A m o d e r nc a s t i n gs t a f fr e p o r t 4 1 s tC e n s u so fW o r l dC a s t i n g P r o d u c t i o n 一2 0 0 6 J M o d e mc a s t i n g , 2 0 0 7 ，9 7 ( 1 2 ) ：2 2 - 2 3 。 【2 1 曾大本灰铸铁研究和生产的新进展与展望【J
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34、b r i c a t e df r o mag r e yc a s t i r o na l l o y l P l U n i t e dS t a t eP a t e n t ，P a t e n tN o ：U S 7 4 1 9 5 5 4 8 2 【1 7 1 姜启J I l ，逢伟，邓钢，等微合金化高强度灰铸铁中国专利， 申请号C N 2 0 0 5 1 0 0 1 6 8 7 8 5 【1 8 】于永来突破铸造瓶颈，探索铁水净化新途径【J 1 汽车工艺与 材料，2 0 0 8 ，( 6 ) ：7 9 【1 9 蒋祖滨铁水净化新技术【J 】铸造设备研究，2 0 0 8 ，(
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