高强度高碳当量灰铸铁生产工艺问题4—化学成分的合理选配

化学成分的合理选配

1.碳、硅、碳当量

灰铸铁的主要成分是铁、碳、硅。碳和硅对灰铸铁的显微组织及最终的性能起着决定性的影响，下图是由C和Si的不同含量对直径30试棒的组织的影响，我们所要的高强度高碳当量铸铁，其C和Si含量应在Ⅱ区，即珠光体+石墨的灰口铸铁区，生产上多是通过调整和控制碳硅含量来获得所需的铸件牌号和性能。

硅是铸铁件中产生石墨的基础，含硅量越高，亚共晶铸铁越接近共晶点，在按稳定系统结晶条件下，灰铁的石墨量越多，机械性能就越低。反之，在碳含量减低，远离共晶点时，结晶间距加大，而初生奥氏体越多，使基体骨架更为坚强，在不产生枝晶间石墨条件下，铸铁性能就提高。

硅是强烈的石墨化元素，它的作用要比碳大，硅能使Fe-C合金的共晶点和共析点向上，向左移动，使铸铁件能在比较高的温度下进行共晶和共析转变，从而促进了石墨化。

生产中采用碳当量（CE）来综合考虑碳和硅对铸铁组织和性能的影响，碳当量实际上表示铸铁的实际成分离共晶体的远近，当CE=43%时，表示这种含硅铸铁成分是共晶成分，提高碳当量能使石墨变粗数量增加，抗拉强度，硬度下降，反之。降低碳当量能减少石墨数量，细化石墨，增加初生奥氏体，从而提高灰铸铁的力学性能。

碳当量：Ce=C+1/3（Si+P）

而在欧洲常用共晶度Sc来表示铸铁的实际成分与共晶点的远近，Sc=1，为共晶铸铁，Sc<1与亚共晶铸铁，Sc>1与过共晶铸铁，Sc=C÷（426-0.312Si-0.27P）或简化为Sc=C÷[4.3-1/3（Si+P）]

经过大量的实验数据统计，获得铸铁的抗拉强度与CE或Sc的关系为：

抗拉强度=10.000（K-2CE）xf1Xf2 (1)

其中，K=11.80（直径22试棒）k=11.50（直径30试棒） k=11.00（直径50试棒）CE=碳当量，f1，f2……合金元素因子

其计算结果为英寸磅（psi）1psi=0.006894Mpa

或抗拉强度=981-785XSc 简化为：抗拉强度=1000-800Sc (2)

也可由图查得CE与抗拉强度的关系

40

30

20

直径为30mm的铸态灰铸铁试棒的抗拉强度与CE关系

用公式（1）或公式（2）依碳当量及共晶度计算得出的抗拉强度就是众多数据统计出

来的经验式，也可以说反映出了正常的工艺技术水平下得出的机械性能，如果我们的

强度低于这个水平，说明我们工艺水平低，而高于这个水平，说明我们的工艺先进，

无论是在技术上，管理上，都是一流的，所以可用成熟度来衡量。

用在直径30mm的试棒上测得的抗拉强度值和用共晶度算出的抗拉强度之比，称为成熟度，它用下列经验分式来计算：

RG=Rm测÷（981-785XSc）X100%或简化为

RG=Rm测÷（1000-800Sc）X100%

RG------成熟度（%）

Rm测----从直径30mm试棒测得的抗拉强度（Mpa）

Sc------共晶度

2，硫，锰

硫和锰是传统的五大元素。在铸铁中有重要作用，可其作用机制非常复杂，影响因素

也很多，到现在也还没有完全搞明白，鉴于铁中硫和锰对力学性能有重要影响作用，

机理又很复杂，目前认知又很有限，所以美国AFS于2012年启动了一项新的课题，“锰和硫对灰铸铁性能的影响“，主旨是根据热力学原理，分析研究灰铸铁中硫和锰

的关系，确定凝固时，自由硫的作用，课题目标四项：1，认识硫锰含量与不同截面厚度的铸铁件强度之间的关系，2.进一步认识硫和锰与石墨组织的关系，3.研究如何通过平衡硫和锰含量以提高厚截面铸铁件强度，生产高牌号铸铁件时尽量不用或少用合金。

4.力求对硫在铸铁中生核及凝固过程中的多种作用有更好的认识，按规定本课题应在2014年底结束，并要在AFS年会上发表，可惜在2015年会上只讲了实验过程，并未

发布实验结果，可见对硫和锰的影响因素还没有完成研究。

目前国内对硫和锰的影响，都趋于要一起考虑但到底硫和锰应该控制在什么范围，硫

和锰怎么配对，意见尚不统一。

BCIRA活页文选6指出：一般来说，只要符合硫含量按下列计算值，被锰充分地中和

原则，这两种元素的含量要尽可能低，其公式为：

Mn%=1.7XS%+0.3%

如果按目前合成铸铁的配比，熔炼出来的硫一般在0.04%以下，如果按0.04%计算，则Mn含量应当为0.368%。

最近美国新出版的金属铸造原理指出硫影响，需要考虑锰的反应，锰和硫的关系应按

以下原则：

1.7XS%=Mn 锰和硫反应的理论值

1.7XS%+0.35=Mn 是促进珠光体组织的锰含量没有对硫提出含量要求

美国R.B.Gundlach基于热力学计算，在灰铸铁共晶温度下（1160摄氏度）平衡常数（Mn%XS%）大致等于0.03,1973年，美国俄亥俄州西储大学的J.E Wallace，从优选硫量的角度，用不同硫量试验在硫和锰的乘积（Mn%XS%）为0.03左右时，出现抗

拉强度的最高值。

美国Wisconsion大学的C.R.loper等也对锰和硫在灰铸铁中的作用进行研究，。1988

年得知，抗拉强度最高的铸铁硫锰的乘积（Mn%XS%）都在0.04左右，看来由平衡

常数（Mn%XS%）来控制灰铸铁中的硫锰含量是一项可取的方式。

日本资料认为，Mn0.4%，S%0.03%时强度达到峰值，去年11月我到日本铸造厂参观，座谈时间到高强度铸铁的成分控制时以保密为由拒绝回答，但在参观现场时我去实验

室查阅，，他们的HT250、HT300检测记录时，确实锰含量为0.4-0.5%，硫在0.04%左右。

林州一铸造厂，生产HT275灰铸铁以电梯新产品铸件，锰含量按照1%，硫含量按照0.08-0.10%控制，结果铸件渣孔严重，，200炉没有浇出合格铸件，我建议将锰含量

降至0.4%，硫就按照0.04%，结果，产品合格了。

一汽在生产汽缸体汽缸盖时，原锰含量0.8-1.0%硫0.06-0.08%，但通过实验，高锰

不但不能增加强度，反而降低了强度，所以现在硫0.06-0.08%锰含量控制在0.5%。

到底硫和锰按照多高的含量合适，建议大家去实践解决，我个人倾向于低硫，低锰。

硫不能低于0.05%，或0.06%大多提出最好为0.06-0.08%是基于需要硫生成硫化物来作为异质晶核为根据的。国外是在生产合成铸铁时认知的，我国是从二汽成为BCIRA海外会员带回的技术资料上了解到这一技术的。但我认为孕育不良的解决办法，不只增加了硫这一项，还可以用合适的孕育剂，用碳化硅作为预处理剂来解决。因此