高強度灰鑄鐵生產(chǎn)中不可忽視的技術問題

1、高強度灰鑄鐵生產(chǎn)中不可忽視的技術問題1、摘要：灰鑄鐵是“面大量廣”的常用金屬結構材料。本文主要論述了合金元素硫、錳含量及其比例，微量元素鈦和氮的控制，以及孕育劑加入量對灰鑄鐵組織和性能的影響。據(jù)統(tǒng)計，2007年我國鑄件產(chǎn)量達到了3000萬多噸，其中，灰鑄鐵占60-70%。由于灰鑄鐵具有獨特的性能特點，它在機械、機床、冶金、汽車等行業(yè)的應用中占有非常重要的位置。改革開放30年來，我國的灰鑄鐵生產(chǎn)技術水平獲得了很大提高。但與國外先進國家相比，還存在著較大差距。在高強度灰鑄鐵生產(chǎn)過程中，我國大多數(shù)工廠比較注重五大元素、合金元素、熔煉溫度、鑄造工藝等因素的控制，這些因素的控制對提高灰鑄鐵的內在質量和外

2、在質量是至關重要的。但是，還有一些其他因素沒有引起人們足夠的重視，這些同樣對灰鑄鐵的質量有著重要影響，譬如，元素硫與錳的含量與比例，微量元素鈦、氮的控制以及孕育劑加入量等細節(jié)的掌握。本文就這些因素對灰鑄鐵組織和性能的影響進行討論，拋磚引玉，以期引起人們的注意。1硫、錳的控制（1）硫過去，由于我國的灰鑄鐵和球墨鑄鐵大部分利用沖天爐熔煉，鐵液的增硫比較嚴重，導致原鐵液的含硫量較高，使得鑄鐵的鑄造性能、力學性能降低，球化效果不好，所以，在人們的記憶中硫是一個有害元素。隨著電爐熔煉工藝的發(fā)展，可以容易獲得含硫量低的鐵液，這對處理球墨鑄鐵非常有利。但是，有些工廠在灰鑄鐵生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，電爐灰鑄鐵的材質性能還

3、不如沖天爐好。因此，硫不能被簡單的被認為是一個有害元素。在灰鑄鐵生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，硫量控制在一定范圍內，隨著硫量的增加，片狀石墨長度變短，石墨形態(tài)變得彎曲，而且石墨的頭部變得鈍化，并細化共晶團，提高強度。為什么硫在一定范圍內，促進石墨化，改善石墨形態(tài)？硫在鐵水中的溶解度很低，對Fe-C系平衡相圖的影響不是很大。但硫降低碳在鐵水中的溶解度，理應是一個促進石墨化的元素，實際上它對石墨化的影響比較復雜。硫對鑄鐵的凝固呈現(xiàn)雙重作用【1】，一方面，硫與Mn、Sr、Ba等元素形成硫化物，為共晶石墨的成核提供基底，增加共晶團數(shù)量；另一方面，硫作為表面活性元素，富集在結晶前沿，會抑制共晶團的生長，增加結晶過冷度，白

4、口傾向增大。硫可溶于液態(tài)鑄鐵中，但不溶于凝固的奧氏體和共晶團中，所以適當?shù)牧颍?.040.10S）富集于共晶團的邊界而干涉原子的擴散，從而限制共晶團的生長，使石墨分枝減少，導致生成厚而短的片狀石墨。當硫含量較低（0.03）時，結晶前沿硫阻擋層的限制較弱，同時， 缺乏硫化物石墨晶核，降低孕育效果，則易于生成大個共晶團的D型石墨和菊花狀石墨。當鐵液中的含硫量增加到0.040.10時，鑄鐵的孕育效果增強，同時鐵水的表面張力降低，鐵水與石墨的濕潤角減小，使得更多的硫化物基底成為石墨核心，共晶團數(shù)增加，A型石墨取代了D型石墨。當鑄鐵的硫量超過0.11%，石墨由片狀又逐漸返回到叢狀D型石墨【2】。這是由于

5、當含硫量較高時，硫對鑄鐵結晶生長的抑制作用加強，使結晶的過冷度加大，造成有利于過冷石墨生長條件，甚至產(chǎn)生白口組織。經(jīng)過大量生產(chǎn)和試驗發(fā)現(xiàn)，將含硫量控制在0.06-0.10%范圍內，可以增強孕育效果，改善石墨形態(tài)，對提高灰鑄鐵強度是有利的，同時，又能改善鑄鐵的機加工性能【3】。對于電爐熔煉灰鑄鐵，經(jīng)常遇到含硫量低的情況，必須采取增硫措施，才能獲得優(yōu)質灰鑄鐵件。（2）錳在普通灰鑄鐵中，錳一直作為合金元素控制基體的珠光體含量，通常認為加錳可以提高灰鑄鐵的強度和硬度。實際上，錳對灰鑄鐵的強度性能的影響具有雙重作用【4】：一方面，錳能促進珠光體的形成，細化珠光體，有助于提高強度；另一方面，含錳量太高，影

6、響鐵液結晶時的形核，使共晶團數(shù)量減少，石墨粗大，甚至可能出現(xiàn)過冷石墨，從而使鑄鐵的強度降低。近年來，通過生產(chǎn)實踐證明，灰鑄鐵強度并不是隨錳量提高而增加，如在汽缸蓋生產(chǎn)中，錳量增加，灰鑄鐵抗拉強度降低，如表1所示【5】。在鐵液中，錳與硫化合形成MnS，隨著錳量增加，與錳結合的硫量就大，使鐵液中的自由硫含量降低，抑制了硫的有利作用，石墨長度增加，端部鈍化效果變差，導致鑄鐵性能下降。另外，形成的大量MnS夾雜物，一部分形成石墨核心，另一部分則會發(fā)生聚集，形成局部密集的MnS排列，消弱了基體的強度。因此，含錳量增加，灰鑄鐵的強度降低。另外，有資料表明【6】，錳對灰鑄鐵強度的影響與碳當量有關。當碳當量為

7、3.65-3.95%時，其抗拉強度隨著錳量的增加顯著降低。當碳當量為3.96-4.15%時，其抗拉強度隨著錳量的增加有所提高。（3）Mn/S比由于硫在灰鑄鐵則會具有雙重作用，同時，錳與硫化合形成的MnS又具有核心功能，但過多的MnS對灰鑄鐵的強度沒有益處。所以，硫和錳的含量在鑄鐵中存在著相互制約的關系，即存在著一個合理的Mn/S。通常認為，當S0.2%時，以Mn=1.7S+0.3來考慮錳含量。生產(chǎn)實踐證明【6】，Mn/S對灰鑄鐵的性能有較大的影響。當CE為3.70%3.85%時，b隨Mn/S的增大而降低；當CE為3.90%4.05時，b隨Mn/S的增大先降低然后提高。當CE為3.70%3.95

8、%時，Mn/S=35，抗強度較佳，取Mn/S=4；當S=0.07%0.15%時，Mn 0.3%0.6%。當CE為3.96%4.05%時，Mn/S=57，抗拉強度較佳，取Mn/S=6，當S=0.07%-0.15%時，Mn 0.4%0.9%。2鈦的控制鈦是強烈形成碳化物，與碳、氮、氧具有很強的化學親和力，形成TiN、TiC、或Ti（N C），其硬度極高（TiC 3200Hv，VC 2800Hv），常以顆粒狀存在于鑄鐵基體中。少量的可以細化石墨，但隨著鈦含量的增加，型石墨增多，并且，Ti分布在型石墨區(qū)域。當Ti含量超過0.15，型石墨達到95。Ti對灰鑄鐵抗拉強度有較大的影響【7】。當含Ti量在0.

9、13%以下時，灰鑄鐵的抗拉強度隨含Ti量的增加而下降，含Ti量為0.13%時，出現(xiàn)了最低值222.20MPa；當含Ti量大于0.13%時，其抗拉強度隨含Ti量的增加而升高，當含Ti量增加到0.36%時，抗拉強度升高到271.79MPa。Ti對灰鑄鐵硬度也有較大的影響。當含Ti量在0.04%以下時，隨Ti量的增加硬度下降；當含Ti量大于0.04%時，其硬度隨含Ti量的增加而增加；當含Ti量為0.36%時，硬度高達226HB。Ti含量小于0.03%時，鐵液的白口傾向減小，具有提高灰鑄鐵冶金質量指標的趨勢。值得注意的是，含鈦量的大小對灰鑄鐵的加工性能影響較大【8】。隨著鈦含量的增加，刀具磨損嚴重，同

10、時，影響加工鑄件的表面光潔度。3氮的控制一般情況下，氮在灰鑄鐵中含量較低，生產(chǎn)單位大都不具備化驗氮的手段和儀器，所以，它對灰鑄鐵的作用沒有引起人們的足夠重視。研究表明【9】，氮對灰鑄鐵的組織有較大的影響，主要作用表現(xiàn)兩個方面：一是對基體組織的影響，二是對石墨形態(tài)的影響。氮降低灰鑄鐵的共析轉變溫度，并使得共析轉變溫度區(qū)間加大【10】。氮對灰鑄鐵基體的影響表現(xiàn)在三個方面：一是氮可以使初生奧氏體枝晶臂間距減小，二是氮作為碳化物穩(wěn)定元素，促進鑄態(tài)珠光體的含量增加和穩(wěn)定性，三是有效地促進共晶形核，細化基體組織，增加珠光體和鐵素體的顯微硬度。氮對鑄鐵石墨的形態(tài)、數(shù)量、分布有很大影響。日本張博等人的研究表明

11、，鑄鐵中吹入氮氣，不加入任何球化元素，可以使石墨球化。對于普通灰鑄鐵，加入適量的氮可使得片狀石墨長度縮短、彎曲程度增加、端部鈍化、長寬比減小。因此，灰鑄鐵中含有一定的氮，可顯著提高強度和硬度。生產(chǎn)實踐證明，在相同化學成分條件下，沖天爐熔煉鐵液澆注的鑄件力學性能低于電爐熔煉。通常認為，其原因是沖天爐鐵液溫度低，存在著爐料遺傳問題。實際上，這與鐵液的含氮量有關。沖天爐熔煉時，由于使用生鐵量較多，而高碳生鐵的含氮量較低，一般沖天爐灰鑄鐵中的含氮量為40-70ppm【11】。通常廢鋼的含氮量比鑄造生鐵高的多，用感應電爐熔煉鑄鐵時，爐料中所用生鐵較少，廢鋼比例較大，另外，電爐熔煉多使用增碳劑，而大多數(shù)增

12、碳劑中氮含量較高，所以，感應電爐熔制的灰鑄鐵含氮量比較高。一般，爐料中廢鋼比例越大，鑄鐵中含氮量越高，如表1所示【11】。 另外，需要指出，不同煉鋼工藝獲得的廢鋼的含氮量也是不同的，如表2所示。 氮是廉價的資源，對改善灰鑄鐵的組織和力學性能具有積極的作用，在當今鐵合金價格飛漲的形勢下，有效利用氮對灰鑄鐵進行微合金化是值得重視的技術。但是，也應該充分注意過量的氮將造成氣孔甚至微觀裂紋缺陷。因此，在氮的應用中，應注重其科學性，充分合理地利用氮的積極作用，盡量避免其消極作用。4孕育劑加入量控制孕育處理是高強度灰鑄鐵生產(chǎn)中的重要技術環(huán)節(jié)。孕育的主要目的是：促進石墨化，減少白口傾向；改善斷面均勻性；控制

13、石墨形態(tài)，減少過冷石墨，獲得細小的A型石墨；增加共晶團數(shù)量；改善力學性能和其他性能。由于孕育可顯著提高共晶團數(shù)量，有些工廠為了提高灰鑄鐵的強度，認為孕育劑加入量越多越好，有的達到0.8-1.0%。實際上這是一個錯誤的認識。孕育劑加入量是孕育工藝中必須考慮的一個重要因素。加入量太少，將導致孕育不足產(chǎn)生白口和硬度太高的現(xiàn)象，從而使力學性能和加工性能降低。但是，孕育劑加入量過多，并不能增加孕育效果，可能帶來以下不利影響：過多的孕育劑加入量，使鐵液降溫增加，可能造成熔化不完全，增加夾渣的可能性；使鐵液的收縮量加大而生產(chǎn)縮孔的可能性加大；由于共晶團數(shù)過多，導致粥狀凝固，石墨化膨脹增加產(chǎn)生型壁位移，而易產(chǎn)

14、生縮松，造成鑄件的滲漏。生產(chǎn)實踐發(fā)現(xiàn)【3】，有意識的降低原鐵液的含硅量而加大孕育量，灰鑄鐵的力學性能并不比高硅原鐵液通過適量孕育得到力學性能好。一般認為，對原鐵液盡量控制較高的含硅量，將孕育量控制在0.4%左右為宜。通常所講的強化孕育處理，不是指加大孕育劑用量，而是指選擇合適的優(yōu)質孕育劑，改進孕育工藝方法。5結束語當前，隨著市場競爭的加劇，灰鑄鐵作為一種傳統(tǒng)的金屬結構材料，正面臨著質量、性能和價格的嚴重挑戰(zhàn)。鑄造企業(yè)應順應灰鑄鐵材質高強度化、高附加值化和工藝穩(wěn)定化的趨勢，提高鑄件質量，加大技術開發(fā)力度，籍以全面提升產(chǎn)品和服務質量，增強市場競爭力，提高技術經(jīng)濟效益。在灰鑄鐵的生產(chǎn)過程中，以往人們

15、只注重常規(guī)五大元素對鑄鐵材質的影響，而對其他一些微量元素認識不足，僅僅有的也是一個定性認識。近年來，由于鑄造技術的進步，熔煉設備也在不斷的更新，焦炭價格節(jié)節(jié)攀升，沖天爐熔煉成本逐漸增加，很多企業(yè)正在考慮用電爐代替沖天爐熔化鐵液。電爐熔煉固然有其沖天爐不可比擬的優(yōu)點，但電爐熔煉也失去了沖天爐熔煉的一些優(yōu)點，這樣，某些微量元素對灰鑄鐵的影響也就反映出來。因此，要想獲得優(yōu)質灰鑄鐵件，除了嚴格控制常規(guī)工藝外，對于其他容易被人們忽略的技術問題應給予足夠的重視。2、如何改善鑄件的內在與外觀質量，提高鑄件的技術含量，應對市場的競爭，是國內部分生產(chǎn)企業(yè)所面臨的課題。鑄件生產(chǎn)中的每個環(huán)節(jié)對質量都有著重要影響，不

16、可忽視?，F(xiàn)將本人在實際工作中總結的一些技術措施歸納如下，供借鑒。 一、砂芯和砂型的剛性 砂型澆注后，由于鐵液的靜壓力或凝固而引起的膨脹力，常導致型壁移動和砂芯潰散，這就會使鑄件產(chǎn)生內部縮孔和表面縮陷。因此為使鑄件尺寸穩(wěn)定，要最大限度地使鑄型緊實。 為了節(jié)約造型材料，造芯時廣泛采用了空心砂芯，它比實體芯輕，故熱容量小，凝固速度慢，這會導致砂型擴張或砂芯潰散。此外，鐵液可能通過芯頭或砂芯上的裂紋而滲入其中空部分，這也會使鑄件產(chǎn)生缺陷。為了提高空心砂芯的剛性，可用濕型砂或水玻璃砂充填；也可將殼芯作成兩半，其內部設置加強筋，造芯后粘合可得到堅硬的砂芯。 二、正確選擇澆注溫度 1.澆注溫度過低時可能形成

17、的缺陷 （1）硫化錳氣孔 此種氣孔位于鑄件表皮以下且多在上面，常在加工后顯露出來，氣孔直徑約26mm。有時孔中含有少量熔渣，金相研究表明，此缺陷是由MnS偏析與熔渣混合而成，原因是澆注溫度低，同時鐵液中含Mn和S量高。 為防止這種缺陷，用沖天爐化鐵時可在多孔材料的澆包中用氣流連續(xù)脫S，將S降至006008。這樣的含S量和適宜的含Mn量（05065），可以顯著改善鐵液純度，從而有效地防止這類缺陷。 （2）液體夾渣 加工后鑄件表皮之下會發(fā)現(xiàn)一個個單體的小孔，孔的直徑一般為13mm。個別情況下只有12個小孔。金相研究表明，這些小孔與少量的液體夾渣一起出現(xiàn)，但該處未發(fā)現(xiàn)S的偏析。研究表明，這種缺陷與澆

18、注溫度有關，澆注溫度高于1380時，鑄件中未發(fā)現(xiàn)這種缺陷，故澆注溫度應控制在13801420。值得一提的是改變澆注系統(tǒng)設計，未能消除此缺陷，故此種缺陷可以認為是由于澆注溫度低以及鐵液在微量還原氣氛下澆注時形成的。 （3）砂芯氣體引起的氣孔 氣孔和多空性氣孔常因砂芯排氣不良而引起。因為造芯時砂芯多在芯盒中硬化，這就常使砂芯排氣孔數(shù)量不夠。為了形成排氣孔，可在型芯硬化后補充鉆孔。 試驗表明，改善型芯通氣系統(tǒng)，可使?jié)沧囟扔休^大的調整余地。 澆注溫度過低最常見的原因是澆注前，鐵液在敞口的澆包中長時間運輸和停留而散熱。用帶有絕熱材料的澆包蓋，可以顯著地減少熱損失。 2.澆注溫度過高 澆注溫度過高會引起

19、砂型漲大，特別是具有復雜砂芯的鑄件，當澆注溫度1420時廢品增多，澆注溫度為1460時廢品達50。在生產(chǎn)中，利用感應電爐熔煉能較好地控制鐵液溫度。 三、晶核的形成 （1）孕育的影響 孕育處理有時也會增加鑄造缺陷，因為強烈孕育而急劇生核的鑄鐵件，形成碳化物的傾向增大了。所以建議孕育處理時孕育劑的用量能防止白口就可以了，健全鑄件中的晶核比有縮孔的鑄件要少的多。 （2）硫的作用 由于大多數(shù)廢鋼中含S量低，故電爐熔化廢鋼時，只能獲得含S量低（005）的鑄鐵。此種鑄鐵對許多孕育劑來說不起作用，原因是孕育衰退的很快，所以用廢鋼在電爐中熔化時，常常在鑄件中產(chǎn)生白口。故有時采用含硫量相當高的增碳劑，這樣可使最終ws005，以保證充分吸收孕育劑。 （3）鐵液的保溫和過熱溫度 近年來，人們傾向于用電爐熔化并保溫鐵液，但提高過熱溫度和增加保溫時間會減少晶核的形成，故有產(chǎn)