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1、高强度灰铸铁生产中不可忽视的技术问题1、摘要：灰铸铁是“面大量广”的常用金属结构材料。本文主要论述了合金元素硫、锰含量及其比例，微量元素钛和氮的控制，以及孕育剂加入量对灰铸铁组织和性能的影响。据统计，2007年我国铸件产量达到了3000万多吨，其中，灰铸铁占60-70%。由于灰铸铁具有独特的性能特点，它在机械、机床、冶金、汽车等行业的应用中占有非常重要的位置。改革开放30年来，我国的灰铸铁生产技术水平获得了很大提高。但与国外先进国家相比，还存在着较大差距。在高强度灰铸铁生产过程中，我国大多数工厂比较注重五大元素、合金元素、熔炼温度、铸造工艺等因素的控制，这些因素的控制对提高灰铸铁的内在质量和外

2、在质量是至关重要的。但是，还有一些其他因素没有引起人们足够的重视，这些同样对灰铸铁的质量有着重要影响，譬如，元素硫与锰的含量与比例，微量元素钛、氮的控制以及孕育剂加入量等细节的掌握。本文就这些因素对灰铸铁组织和性能的影响进行讨论，抛砖引玉，以期引起人们的注意。1硫、锰的控制（1）硫过去，由于我国的灰铸铁和球墨铸铁大部分利用冲天炉熔炼，铁液的增硫比较严重，导致原铁液的含硫量较高，使得铸铁的铸造性能、力学性能降低，球化效果不好，所以，在人们的记忆中硫是一个有害元素。随着电炉熔炼工艺的发展，可以容易获得含硫量低的铁液，这对处理球墨铸铁非常有利。但是，有些工厂在灰铸铁生产中发现，电炉灰铸铁的材质性能还

3、不如冲天炉好。因此，硫不能被简单的被认为是一个有害元素。在灰铸铁生产中发现，硫量控制在一定范围内，随着硫量的增加，片状石墨长度变短，石墨形态变得弯曲，而且石墨的头部变得钝化，并细化共晶团，提高强度。为什么硫在一定范围内，促进石墨化，改善石墨形态？硫在铁水中的溶解度很低，对Fe-C系平衡相图的影响不是很大。但硫降低碳在铁水中的溶解度，理应是一个促进石墨化的元素，实际上它对石墨化的影响比较复杂。硫对铸铁的凝固呈现双重作用【1】，一方面，硫与Mn、Sr、Ba等元素形成硫化物，为共晶石墨的成核提供基底，增加共晶团数量；另一方面，硫作为表面活性元素，富集在结晶前沿，会抑制共晶团的生长，增加结晶过冷度，白

4、口倾向增大。硫可溶于液态铸铁中，但不溶于凝固的奥氏体和共晶团中，所以适当的硫（0.040.10S）富集于共晶团的边界而干涉原子的扩散，从而限制共晶团的生长，使石墨分枝减少，导致生成厚而短的片状石墨。当硫含量较低（0.03）时，结晶前沿硫阻挡层的限制较弱，同时， 缺乏硫化物石墨晶核，降低孕育效果，则易于生成大个共晶团的D型石墨和菊花状石墨。当铁液中的含硫量增加到0.040.10时，铸铁的孕育效果增强，同时铁水的表面张力降低，铁水与石墨的湿润角减。沟酶嗟牧蚧锘壮晌诵，共晶团数增加，A型石墨取代了D型石墨。当铸铁的硫量超过0.11%，石墨由片状又逐渐返回到丛状D型石墨【2】。这是由于

5、当含硫量较高时，硫对铸铁结晶生长的抑制作用加强，使结晶的过冷度加大，造成有利于过冷石墨生长条件，甚至产生白口组织。经过大量生产和试验发现，将含硫量控制在0.06-0.10%范围内，可以增强孕育效果，改善石墨形态，对提高灰铸铁强度是有利的，同时，又能改善铸铁的机加工性能【3】。对于电炉熔炼灰铸铁，经常遇到含硫量低的情况，必须采取增硫措施，才能获得优质灰铸铁件。（2）锰在普通灰铸铁中，锰一直作为合金元素控制基体的珠光体含量，通常认为加锰可以提高灰铸铁的强度和硬度。实际上，锰对灰铸铁的强度性能的影响具有双重作用【4】：一方面，锰能促进珠光体的形成，细化珠光体，有助于提高强度；另一方面，含锰量太高，影

6、响铁液结晶时的形核，使共晶团数量减少，石墨粗大，甚至可能出现过冷石墨，从而使铸铁的强度降低。近年来，通过生产实践证明，灰铸铁强度并不是随锰量提高而增加，如在汽缸盖生产中，锰量增加，灰铸铁抗拉强度降低，如表1所示【5】。在铁液中，锰与硫化合形成MnS，随着锰量增加，与锰结合的硫量就大，使铁液中的自由硫含量降低，抑制了硫的有利作用，石墨长度增加，端部钝化效果变差，导致铸铁性能下降。另外，形成的大量MnS夹杂物，一部分形成石墨核心，另一部分则会发生聚集，形成局部密集的MnS排列，消弱了基体的强度。因此，含锰量增加，灰铸铁的强度降低。另外，有资料表明【6】，锰对灰铸铁强度的影响与碳当量有关。当碳当量为

7、3.65-3.95%时，其抗拉强度随着锰量的增加显着降低。当碳当量为3.96-4.15%时，其抗拉强度随着锰量的增加有所提高。（3）Mn/S比由于硫在灰铸铁则会具有双重作用，同时，锰与硫化合形成的MnS又具有核心功能，但过多的MnS对灰铸铁的强度没有益处。所以，硫和锰的含量在铸铁中存在着相互制约的关系，即存在着一个合理的Mn/S。通常认为，当S0.2%时，以Mn=1.7S+0.3来考虑锰含量。生产实践证明【6】，Mn/S对灰铸铁的性能有较大的影响。当CE为3.70%3.85%时，b随Mn/S的增大而降低；当CE为3.90%4.05时，b随Mn/S的增大先降低然后提高。当CE为3.70%3.95

8、%时，Mn/S=35，抗强度较佳，取Mn/S=4；当S=0.07%0.15%时，Mn 0.3%0.6%。当CE为3.96%4.05%时，Mn/S=57，抗拉强度较佳，取Mn/S=6，当S=0.07%-0.15%时，Mn 0.4%0.9%。2钛的控制钛是强烈形成碳化物，与碳、氮、氧具有很强的化学亲和力，形成TiN、TiC、或Ti（N C），其硬度极高（TiC 3200Hv，VC 2800Hv），常以颗粒状存在于铸铁基体中。少量的可以细化石墨，但随着钛含量的增加，型石墨增多，并且，Ti分布在型石墨区域。当Ti含量超过0.15，型石墨达到95。Ti对灰铸铁抗拉强度有较大的影响【7】。当含Ti量在0.

9、13%以下时，灰铸铁的抗拉强度随含Ti量的增加而下降，含Ti量为0.13%时，出现了最低值222.20MPa；当含Ti量大于0.13%时，其抗拉强度随含Ti量的增加而升高，当含Ti量增加到0.36%时，抗拉强度升高到271.79MPa。Ti对灰铸铁硬度也有较大的影响。当含Ti量在0.04%以下时，随Ti量的增加硬度下降；当含Ti量大于0.04%时，其硬度随含Ti量的增加而增加；当含Ti量为0.36%时，硬度高达226HB。Ti含量小于0.03%时，铁液的白口倾向减。哂刑岣呋抑苯鹬柿恐副甑那魇。值得注意的是，含钛量的大小对灰铸铁的加工性能影响较大【8】。随着钛含量的增加，刀具磨损严重，同

10、时，影响加工铸件的表面光洁度。3氮的控制一般情况下，氮在灰铸铁中含量较低，生产单位大都不具备化验氮的手段和仪器，所以，它对灰铸铁的作用没有引起人们的足够重视。研究表明【9】，氮对灰铸铁的组织有较大的影响，主要作用表现两个方面：一是对基体组织的影响，二是对石墨形态的影响。氮降低灰铸铁的共析转变温度，并使得共析转变温度区间加大【10】。氮对灰铸铁基体的影响表现在三个方面：一是氮可以使初生奥氏体枝晶臂间距减。是氮作为碳化物稳定元素，促进铸态珠光体的含量增加和稳定性，三是有效地促进共晶形核，细化基体组织，增加珠光体和铁素体的显微硬度。氮对铸铁石墨的形态、数量、分布有很大影响。日本张博等人的研究表明

11、，铸铁中吹入氮气，不加入任何球化元素，可以使石墨球化。对于普通灰铸铁，加入适量的氮可使得片状石墨长度缩短、弯曲程度增加、端部钝化、长宽比减小。因此，灰铸铁中含有一定的氮，可显着提高强度和硬度。生产实践证明，在相同化学成分条件下，冲天炉熔炼铁液浇注的铸件力学性能低于电炉熔炼。通常认为，其原因是冲天炉铁液温度低，存在着炉料遗传问题。实际上，这与铁液的含氮量有关。冲天炉熔炼时，由于使用生铁量较多，而高碳生铁的含氮量较低，一般冲天炉灰铸铁中的含氮量为40-70ppm【11】。通常废钢的含氮量比铸造生铁高的多，用感应电炉熔炼铸铁时，炉料中所用生铁较少，废钢比例较大，另外，电炉熔炼多使用增碳剂，而大多数增

12、碳剂中氮含量较高，所以，感应电炉熔制的灰铸铁含氮量比较高。一般，炉料中废钢比例越大，铸铁中含氮量越高，如表1所示【11】。 另外，需要指出，不同炼钢工艺获得的废钢的含氮量也是不同的，如表2所示。 氮是廉价的资源，对改善灰铸铁的组织和力学性能具有积极的作用，在当今铁合金价格飞涨的形势下，有效利用氮对灰铸铁进行微合金化是值得重视的技术。但是，也应该充分注意过量的氮将造成气孔甚至微观裂纹缺陷。因此，在氮的应用中，应注重其科学性，充分合理地利用氮的积极作用，尽量避免其消极作用。4孕育剂加入量控制孕育处理是高强度灰铸铁生产中的重要技术环节。孕育的主要目的是：促进石墨化，减少白口倾向；改善断面均匀性；控制

13、石墨形态，减少过冷石墨，获得细小的A型石墨；增加共晶团数量；改善力学性能和其他性能。由于孕育可显着提高共晶团数量，有些工厂为了提高灰铸铁的强度，认为孕育剂加入量越多越好，有的达到0.8-1.0%。实际上这是一个错误的认识。孕育剂加入量是孕育工艺中必须考虑的一个重要因素。加入量太少，将导致孕育不足产生白口和硬度太高的现象，从而使力学性能和加工性能降低。但是，孕育剂加入量过多，并不能增加孕育效果，可能带来以下不利影响：过多的孕育剂加入量，使铁液降温增加，可能造成熔化不完全，增加夹渣的可能性；使铁液的收缩量加大而生产缩孔的可能性加大；由于共晶团数过多，导致粥状凝固，石墨化膨胀增加产生型壁位移，而易产

14、生缩松，造成铸件的渗漏。生产实践发现【3】，有意识的降低原铁液的含硅量而加大孕育量，灰铸铁的力学性能并不比高硅原铁液通过适量孕育得到力学性能好。一般认为，对原铁液尽量控制较高的含硅量，将孕育量控制在0.4%左右为宜。通常所讲的强化孕育处理，不是指加大孕育剂用量，而是指选择合适的优质孕育剂，改进孕育工艺方法。5结束语当前，随着市场竞争的加剧，灰铸铁作为一种传统的金属结构材料，正面临着质量、性能和价格的严重挑战。铸造企业应顺应灰铸铁材质高强度化、高附加值化和工艺稳定化的趋势，提高铸件质量，加大技术开发力度，籍以全面提升产品和服务质量，增强市场竞争力，提高技术经济效益。在灰铸铁的生产过程中，以往人们

15、只注重常规五大元素对铸铁材质的影响，而对其他一些微量元素认识不足，仅仅有的也是一个定性认识。近年来，由于铸造技术的进步，熔炼设备也在不断的更新，焦炭价格节节攀升，冲天炉熔炼成本逐渐增加，很多企业正在考虑用电炉代替冲天炉熔化铁液。电炉熔炼固然有其冲天炉不可比拟的优点，但电炉熔炼也失去了冲天炉熔炼的一些优点，这样，某些微量元素对灰铸铁的影响也就反映出来。因此，要想获得优质灰铸铁件，除了严格控制常规工艺外，对于其他容易被人们忽略的技术问题应给予足够的重视。2、如何改善铸件的内在与外观质量，提高铸件的技术含量，应对市场的竞争，是国内部分生产企业所面临的课题。铸件生产中的每个环节对质量都有着重要影响，不

16、可忽视。现将本人在实际工作中总结的一些技术措施归纳如下，供借鉴。 一、砂芯和砂型的刚性 砂型浇注后，由于铁液的静压力或凝固而引起的膨胀力，常导致型壁移动和砂芯溃散，这就会使铸件产生内部缩孔和表面缩陷。因此为使铸件尺寸稳定，要最大限度地使铸型紧实。 为了节约造型材料，造芯时广泛采用了空心砂芯，它比实体芯轻，故热容量。趟俣嚷，这会导致砂型扩张或砂芯溃散。此外，铁液可能通过芯头或砂芯上的裂纹而渗入其中空部分，这也会使铸件产生缺陷。为了提高空心砂芯的刚性，可用湿型砂或水玻璃砂充填；也可将壳芯作成两半，其内部设置加强筋，造芯后粘合可得到坚硬的砂芯。 二、正确选择浇注温度 1.浇注温度过低时可能形成

17、的缺陷 （1）硫化锰气孔 此种气孔位于铸件表皮以下且多在上面，常在加工后显露出来，气孔直径约26mm。有时孔中含有少量熔渣，金相研究表明，此缺陷是由MnS偏析与熔渣混合而成，原因是浇注温度低，同时铁液中含Mn和S量高。 为防止这种缺陷，用冲天炉化铁时可在多孔材料的浇包中用气流连续脱S，将S降至006008。这样的含S量和适宜的含Mn量（05065），可以显著改善铁液纯度，从而有效地防止这类缺陷。 （2）液体夹渣 加工后铸件表皮之下会发现一个个单体的小孔，孔的直径一般为13mm。个别情况下只有12个小孔。金相研究表明，这些小孔与少量的液体夹渣一起出现，但该处未发现S的偏析。研究表明，这种缺陷与浇

18、注温度有关，浇注温度高于1380时，铸件中未发现这种缺陷，故浇注温度应控制在13801420。值得一提的是改变浇注系统设计，未能消除此缺陷，故此种缺陷可以认为是由于浇注温度低以及铁液在微量还原气氛下浇注时形成的。 （3）砂芯气体引起的气孔 气孔和多空性气孔常因砂芯排气不良而引起。因为造芯时砂芯多在芯盒中硬化，这就常使砂芯排气孔数量不够。为了形成排气孔，可在型芯硬化后补充钻孔。 试验表明，改善型芯通气系统，可使浇注温度有较大的调整余地。 浇注温度过低最常见的原因是浇注前，铁液在敞口的浇包中长时间运输和停留而散热。用带有绝热材料的浇包盖，可以显著地减少热损失。 2.浇注温度过高 浇注温度过高会引起

19、砂型涨大，特别是具有复杂砂芯的铸件，当浇注温度1420时废品增多，浇注温度为1460时废品达50。在生产中，利用感应电炉熔炼能较好地控制铁液温度。 三、晶核的形成 （1）孕育的影响 孕育处理有时也会增加铸造缺陷，因为强烈孕育而急剧生核的铸铁件，形成碳化物的倾向增大了。所以建议孕育处理时孕育剂的用量能防止白口就可以了，健全铸件中的晶核比有缩孔的铸件要少的多。 （2）硫的作用 由于大多数废钢中含S量低，故电炉熔化废钢时，只能获得含S量低（005）的铸铁。此种铸铁对许多孕育剂来说不起作用，原因是孕育衰退的很快，所以用废钢在电炉中熔化时，常常在铸件中产生白口。故有时采用含硫量相当高的增碳剂，这样可使最

20、终ws005，以保证充分吸收孕育剂。 （3）铁液的保温和过热温度 近年来，人们倾向于用电炉熔化并保温铁液，但提高过热温度和增加保温时间会减少晶核的形成，故有产生白口的危险。考虑到经济和材料性能方面的原因，长时间保温时其温度应尽可能低些。 四、因砂芯引起的铸件尺寸误差 砂芯受热时首先是膨胀，然后产生塑性变形，这种在高温下所引起的变化与所用的型砂以及粘结剂的分解有关。 （1）硬化温度和硬化时间的影响 树脂砂的最初膨胀和热塑性同硬化温度和时间有关。硬化时间长的砂芯，其一次和二次膨胀就大，可能带来变形问题；而硬化时间短时，砂芯膨胀小且分解快。所以严格控制硬化时间和温度，对于制造高温性能稳定的砂芯是十分

21、重要的。 （2）砂芯涂料的影响 大部分砂芯表面要刷涂料，经试验发现，耐火涂料渗入砂芯表面的深度对砂芯变形有很大影响，当涂上含有表面活性剂的涂料时、因渗透深度大而防止了二次膨胀。 五、结语 本文所总结的一些方法对生产优质灰铸铁是十分重要的。在技术控制中，首先是应用金相检验法来鉴定缺陷。其次借助于化学分析法来检验，有了正确的鉴别方法，就比较容易找到防止缺陷的措施3、球化不良的特征是在铸件或式样的银白色的断口上，分布有肉眼可见的黑点，观察其显微组织时，除球状石墨外，还存在大量的片状石墨。球化不量的铸件，其机械性能往往达不到牌号要求，从而使铸件报废。产生球化不良的主要原因是：球化元素残余量不足；原铁水含硫量过高或铁水氧化严重；铁水中存在干扰元素等。造成球化元素残余量不足的原因有：球化剂加入量不足或其中镁含量不足；铁水温度过高，处理时烧损严重；或处理温度过低，包底有冻结现象，铁水硫、氧含量高等。针对上述原因采取必要的措施后，一般总能解决问题