高强度灰铸铁生产技术新进展

侯起飞，刘胜新，孙玉福，杨娟，王刘利

河南省中原内配股份有限公司，河南孟州454750;2.郑州大学材料科学与工程学院，河南郑州450002)

  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CE、高强度、高Si/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;CE;合金化

灰铸铁作为传统的金属材料在铸造生产中占有重要地位。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。2006年世界铸铁总产量为9136.8万t，其中灰铸铁件为4253.9万t，我国灰铸铁件占世界灰铸铁件总量的32.7%。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。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来越高。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，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。

优化化学成分

1.1优化CE与w(Si)/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、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w(C)量、提高w(Mn)量，白口倾向增加，硬度提高，但恶化铸件加工性能。在一定的CE范围内，提高w(Si )lw(C)比值，可提高灰铸铁强度。表1为相同强度时，中、日机床铸件在CE和二(Si )/w( C)比值方面的对比。表2为中国一汽、二汽、德国MAN和Motortex公司气缸体、缸盖铸件在CE、w(Si)/w(C)比值及合金元素方面对比。从表1可以看出，CE相当时，国内灰铁件的抗拉强度比日本的低1-2个牌号。相同牌号时，日本灰铁件的CE和w(Si)/w（C)比值比国内的高。由表2可以看出，德国灰铁件的CE高于国内产品，合金元素的加人量比国内的少，w（Si)/w（C)比值略低于国内产品。

在相同CE条件下，w（Si)/w（C)比值提高，抗拉强度可提高30-60 MPa。高的CE和高w(Si)/w（C)比值，可促进石墨化，减少白口倾向，降低

铸件应力;但、(Si )/w （C)比值太高时，高w(Si)/w（C)比值和高CE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CE(3.9%-4.2%)下，w(Si)/w（C)比值在0.60-0.75内强度值较佳。1.2优化以（Mn)、w（S)量与w（Si)/w（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“硫化物核心理论”认为，电炉熔炼的铁液中w(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，w(S)量控制在0.05%-0.12%。当w( S ) <0.05%时，建议使用增硫剂，并且最好在熔炼后期升温时加人。

加Mn可以提高灰铸铁的强度和硬度，但是增大w(Mn )量能否提高强度与w(S)量有关。在w(S)量较高的铸铁中，w(Mn )量越高，形成的MnS夹杂物越多。MnS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MnS会发生聚集，形成局部密集的MnS排列。同时，铁液中自由S原子的数量减少，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Mn强化基体的合金化作用被MnS所带来的不利影响压制了，而且在较高CE的铁液中增硫的作用也被Mn破坏，导致灰铸铁性能降低。因此，w（Mn)量与w（S)量的选择应该综合考虑，通常认为当w（S) }0.2%时w(Mn)=1.7w(S) 0.3来考虑w(Mn)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Cr,Mn,Cu,Sn,Mo等元素，加人量一般在0.1%一1.0%为宜。合金元素

使用效果的好坏与加人量、加人方式及所使用孕育剂的种类有关。将Cr直接加人到原铁液中，其加人量上限为0.35%，否则将出现碳化物;包内冲入法加Cr，其加人量上限可达0.45 %。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。 国内外对Nb,V,Ti微合金化及孕育处理方面做的大量研究表明，Nb,V,Ti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。普通灰铸铁中加人质量分数为1%的V时灰铸铁抗拉强度高达400 MPa。一般说来，Ti是很强的碳化物形成元素，其含量很少时w(Ti)<0.08% )，细小的含Ti化合物可作为石墨的核心，有促进石墨化的作用。Nb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Nb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