高强度灰铸铁的研究进展

第18卷第1期Vo 1.18No .1材料科学与工程Materials Science S Engineering 总第69期=========================================================Mar.2O O O 收稿日期:1999-O4-1O文章编号:1004-793X (2000)01-0136-05高强度灰铸铁的研究进展沈永华.潘东杰.黄列群(浙江省机电设计研究院.浙江杭州310002)I 摘要]介绍了高强度灰铸铁的研究发展状况及其意义.分析了高强度薄壁灰铸铁所需的成分组织及提高灰铸铁强度的一些措施0I 关键词]灰铸铁;高强度;薄壁件中图分类号:TG 143文献标识码:AProgress of Research on High Strength Gray lronSEN Yong -hua .PAN Dong -j ie .HUANG Lie -gunI Abstract ]Study development and significance of high strength gray iron are introduced .Component .structure and production technigue of high strength thin Wall gray iron castings are analyzed and several methods about improving strength suggested .I K ey w or d s ]gray iron ;high strength ;thin Wall 铸造行业是机电行业~汽车工业的基础0当今产品的发展方向为多功能~高效和节能.对产品结构的要求为轻型化~薄壁化~小型化和艺术化.相应对铸件要求轻量化~高强化~精密化(近净形化)~一致化和易切削0机电产品的性能质量直接受到铸件质量的影响0铸件壁厚每减少O.5mm 和1.5mm .铸件重量就减少4%和11%0铸件重量大幅度下降.可以节约资源.改善环境.由此可见.发展高强度铸铁.生产薄壁铸件具有巨大的技术~经济价值01概述灰铸铁所谓 高强薄壁.一般指壁厚3.O ~3.5mm .抗拉强度大于25O M P a 0高强度灰铸铁在工业发达国家已发展较快0目前.国外一般中小型发动机的缸体缸盖壁厚已降至3.5~4.5mm .就单位马力重量来看.各种拖拉机为3O ~5O K g /KW (国内为53~78K g /KW ).各种内燃机.国外为3~3.6K g /KW (国内为7~2O K g /KW )0所有这些改善.一方面促进了主机产品的档次提高.另一方面铸件单项成本也有所降低.对于铸造厂来说.铸件档次提高.增强了产品市场竞争力.而且获得更多的经济效益0应用高强度灰铸铁生产的薄壁铸件与相同的铝铸件相比具有更低的成本.可以代替大量的铝铸件0因此进一步研究开发高强度薄壁灰铸铁在工业发达国家仍是一个重大课题.如日本以开发面向二十一世纪的高强度薄壁灰铸铁为中心内容的一个研究课题就得到了政府3千万日元的经费支持0美国A F S 于1997年专门成立了一个薄壁铸铁集团(T W G )来完善和发展高强度铸铁及其薄壁件技术0我国是生产铸件的大国.年产铸件1OOO 多万吨.生产厂(点)有2万多个.大多数仅能生产中低档次的铸件.难以相当规模进入国际市场0目前.国内生产的灰铸铁大多是强度低.而且铸件残余应力大~变形631量大~耐磨性差 不得不增加壁厚来弥补 严重困扰了工厂的生产O 如我国柴油机缸体铸件比国外重30%以上 汽车重量利用系数也比国外低10~15%O 虽然 高强度灰铸铁的研究在 七五期间就被列为科技攻关课题 在合成铸铁~孕育剂研究等方面都取得了一定的成果 但诸多原因未在生产中得到广泛地推广应用O 目前 我国大部分工厂发动机铸件仍使用HT 200牌号材质O 高强度灰铸件的生产与国外相比落后十多年O2提高灰铸铁高强度的研究进展灰铸铁的强度主要由石墨形态~尺寸和基体中珠光体~铁素体比例等因素所决定O 高强度灰铸铁组织应为:有一定数量的奥氏体枝晶为骨架 有足够的共晶团数目 石墨呈A 型 中等尺寸的片状石墨 片间距较小的百分之百珠光体O 经过国内外铸铁石者多年来大量的研究工作 对于如何提高灰铸铁强度总结出以下几个方面的措施:(1)调整铁水化学成分 主要是调整Si / 和(Si -Mn )值 提高铁水的内在冶金质量;(2)提高铁水熔炼温度 强度孕育 采用长效高效孕育剂;(3)利用废钢 采用合成铸铁熔炼工艺;(4)加入合金元素 低合金化铸铁O 近年来 由于铁水质量的提高 孕育剂的广泛应用 使灰铸铁的质量有了明显的提高O 灰铸铁向 三高一低的方向发展已被广大铸造工作者所公认 即在较高碳当量的条件下 获得高强度~高刚度~低应力的灰铸铁O 2.1高强度灰铸铁的成分和组织2.1.1提高 值 调节W Si /W 值提高灰铸铁强度的传统方法是降低化学成分中的碳当量() 提高Mn 的含量 从而提高灰铸铁中珠光体的比例O 但是 降低碳当量来提高灰铸铁强度的方法也带来了许多其他的不利因素 如工艺性能变差 白口倾向增大 难以加工 应力加大 易产生裂纹 铸件断面敏感性高 易产生废品 因此未能广泛地被应用O 当前 高强度低应力灰铸铁均采用高碳当量 即达到较高强度低应力灰铸铁增多采用高碳当量 即达到较高强度的前提下 采用尽量高的碳当量O 碳当量的提高使灰铸铁的铸造性能好转 缩松~缩孔减少 铸造应力也减少O 在一定碳当量的条件下 通过提高W Si /W (Si ~ 重量百分含量的比值)达到提高强度 降低应力的目的O 图1显示了W Si /W 与铸铁强度的关系 当W Si /W 值增加强度随之增大 同时可以看出W Si /W 也不能太高否则会降低图1W Si /W 值对铸铁强度的影响灰铸铁的强度 同时也可看出在 较低时 W Si / 值的提高对提高强度效果较好 所以针对每一个 值均有一个最佳的W Si /W 值O 如对于重型机床件在3.5~3.% W Si /W 值在0.65~0.75之间 可达HT 250以上 残余应力降低10~30% 同时可以减小断面敏感性 对铁水流动性~线收缩率无影响O 分析W Si /W 值对铸铁性能影响的原因主要有以下几点:D 高的W Si /W 可以增加初生奥氏体量 减少石墨量的析出(图2) 从而削弱石墨对基体的割裂作用 而且高的W Si /W 比值可以提高初生奥氏体的图2W Si /W 值与石墨含量的关系数量 初生奥氏体通过变质后可改善分布形态 提高灰铸铁的强度;@由碳~硅含量与显微组织关系图(图3)可以看出 高的W Si /W 比例更易获得单一珠光体组织; Si 可以扩大Fe - e /Fe -G (Fe - e )指碳在共晶过程中形成渗碳体~Fe -G 指碳在共晶过程中形成石墨)的共晶温度范围 并且促进石墨化作用 提高了铸铁形成白口的冷却速度 故白口倾向减小;@Si 对铁素体(珠光体中的铁素体)有一定的强度作用O 2.1.2调节(Si -Mn )差值和Mn 的含量Mn 在高强度灰铸铁中常作合金元素被加入其提高强度的机理表现在:阻碍石墨化 增加珠光体731图3碳~硅量对灰铸铁组织的影响和奥氏体枝晶的机理表现在=阻碍石墨化9增加珠光体和奥氏体枝晶的含量9同时可有效降低共析转变温度9促使珠光体片细化9片间距缩小;Mf可以无限固溶于奥氏体9也可固溶于基体组织9达到强化基体组织的作用0Mf的含量9特别是(Si-Mf)差值对提高灰铸铁强度影响较大0如图4所示9当铁水中(Si-Mf)差值减小时9铸铁强度提高0在(Si-Mf)差值低于1.4后9图4|Si-Mf|值与铸铁强度的关系强度变化不大或稍有降低0(Si-Mf)差值一般控制在1.1O~1.4O0也有资料表明9含Mf量比含Si量高O.2~1.3%可得到另一种高强度灰铸铁0陕西理工大学科研工作者曾对这种铸铁作了深入研究9认为灰铸铁含Si1.5~3.O%范围内9提高含Mf量9特别是当含Mf量大于含Si量后9能显著细化共晶团9易于获得D~E型石墨和细珠光体;另外9(Si-Mf)差值在O~O.5%之间9含Mf量大于2%9还可在灰铸铁中获得不同类型的硬化相0这种高强度灰铸铁已经在机床~缸套~液压铸件等部分零件中得到了生产验证02.1.3其他合金元素灰铸铁中加入合金元素来提高强度的主要机理表现在=D细化石墨和共晶;@增加基体中珠光体的含量9并使珠光的片间距细化;@提高渗碳体的热稳定性9防止珠光体在高温下发生分解9提高铸铁的耐热性;D生成碳化物或含有合金元素的复合磷共晶等硬化相0合金元素按增强铸铁硬度的作用大小排列依次为=V~MO~Cr~Mf~Cu~Ni 9按降低断面敏感性9改善断面均匀性的作用大小排列为=MO~V~Cr~Cu~Mf~Ni 0合金元素的加入一方面要考虑对性能的影响9另一方面要考虑经济性9由于其他合金元素较昂贵9生产中一般加入Cr~MO~Cu等元素9加入量一般认为在O.1~1%为宜0图5显示了Cr~MO~Cu 加入量与灰铸铁强度的关系0国内也有文章指出9 Cr-Mf-Cu复合加入可得到满意的金相组织=1OO%珠光体含量的基体组织9珠光体较细(1-2级);A型石墨9大小为2-3级;共晶团为九为39O-44O个/ Gm2图5Cr~MO~Cu与铸铁强度的关系z.z高强度铸铁的熔炼铸件的内在质量~外观质量以及是否形成缺陷等都与铁液方面的因素有直接的关系0高质量的铁液是生产优质铸件最基本和最重要的先决条件0因此研究高强度铸铁9其熔炼也是重要的一部分0高强度灰铸铁对铁液的要求归纳起来有以下几点;D较高的出铁温度9可以使铁液组织均匀化9改变铸铁的机械性能9同时可以保证薄壁铸件轮廊清晰9无冷隔缺陷0如图6~图7~图8所示9随铁液温度提高9抗拉强度有明显提高9硬度开始略有提高9随后便下降9所以其质量指标显著提高0国外一般要求出铁温度达到148OC以上0@熔炼后得到的铁液的化学成分应达到设计要求;@必须将有害成分降低到限量以下9铁液纯净9尽量减少渣~气体~夹杂物0实现以上要求9对于冲天炉熔炼要使用铸造焦来提高831图6铁液温度与抗拉强度的关系图7铁液温度与硬度的关系图8铁液温度与质量指标的关系出铁温度 推行冲天炉与感应电炉双联熔炼 在获得高质量铁水的同时又可节能~提高熔炼效率 炉料也是重要因素 不仅直接影响铸铁的化学成分 而且对铸铁的组织有很大的影响 在灰铸铁熔炼时加入较多的废钢 可以使铁水内存在大量的低碳微区 以及由此微区形成的先共晶奥氏体预存晶核 使先共晶奥氏体易于形成和发展 从而使所在的共晶团边界的珠光体得到细化 也就是促使珠光体片层细密~晶粒细化 从而提高抗拉强度 国外生产高强度灰铸铁应用较多的是感应炉或冲天炉 电炉双联熔炼 炉料用50%以上的废钢 其余为回炉料~铁屑 该工艺也谓之合成铸铁 国内也有在研究和应用 2.3炉前处理优质的铁水配以合适的孕育剂进行有效的孕育是获得高性能铸铁的有效方法 近年来国内对高强度灰铸铁的孕育剂选择和孕育工艺的研究较为活跃 通过孕育来改善铸铁的性能 其机理是经过有效的孕育可细化基体组织 改变石墨形态 减小白口倾向 消除壁厚敏感度 改善加工性能 近年来国内外在提高孕育剂的效果 特别是延长孕育衰退时间方面 作了许多研究 发展了含有Sr ~Ce ~Ba ~Ca ~Al ~Ti ~Zr 等元素成分的硅孕育剂以及碳质孕育剂 根据几种孕育剂的对比实验表明(D 从提高铸铁强度的角度来看 CaBaCrCu (55%~60%Si ~3%~4%Ba ~5%~6%Ca ~2%~4%Cr ~2%~4%Cu )复合孕育剂效果最好 其次为75%Sif e (58%Si );@Sr I (46%~50%Si ~0.6%~1.0%Sr )和C Si (50%Si ~35%C )孕育剂减少白口能力最强;Ba I (60%~65%Si ~4%~6%Ba )~ZL 80(89%Si ~1.5%Zr )孕育剂降低断面敏感度明显 Sr I (73%~78%Si ~0.6%~1.0%Sr )孕育剂在减少白口的同时减少共晶团的数量; 在合成铸铁中 钢屑是用于高强度薄壁灰铸铁最经济而有效的孕育剂 钢屑具有强化基体和提高石墨化能力的双重作用;@一般来说 各种孕育剂发挥孕育作用的最佳时间是1~3min 75%Si f e 在孕育后短时间内孕育效果最好 但易衰退Ba I ~CaBaCrCu 衰退较慢 C Si 孕育衰退最慢另外 稀土类复合孕育剂也具有较好的孕育效果 稀土作为强烈的脱氧剂和脱硫剂 脱氧脱硫形成的氧化物~硫化物和硫氧化物一部分被排除 净化了铁液 另一部分稳定的商熔点非金属夹杂物 可以作为奥氏体结晶的有效基体 减少奥氏体结晶的过冷度 增加奥氏体形核数目 同时稀土硫化物~硫氧化物等可作为共晶结晶的石墨形成基底 并细化共晶团 但是稀土也会促进白口化 因此在薄壁件生产时要谨慎使用3应用及存在问题国外已经在汽车~机床~液压件~通用机械~精密机械~农业机械~试验仪器中较普遍采用高强度灰铸铁 如国外机床铸件在保证性能的前提下 其主要壁厚已由过去的20~30mm 降至10~20mm 小型精密机床床身壁厚甚至减至6~8mm 国内经过多年来的课题攻关以及通过引进消化国外先进生产技术931高强度灰铸铁的应用也越来越多如天津汽车发动机厂生产的夏利汽车发动机的缸体材质为HT25O 平均壁厚为4mm G但是国内高强度灰铸铁的应用主要集中在少数技术力量强~有一定规模的大型企业中而占有很大比率的中小企业特别是广大乡镇企业生产还停留在较低水平G一方面用户对铸件质量意识停留在以前的概念因此对灰铸铁的材质壁厚要求不高另一方面国内对高强度灰铸铁的质量控制还须进一步研究目前对技术力量和资金力量均薄弱的中小企业应用有一定的困难G大多数企业均采用生产中的试验来提高某具体铸件的强度没有较系统的研究G因此在今后高强度灰铸铁研究领域内研究和开发适合某一类铸件的一种成熟的配方和相应的孕育剂及生产工艺适合不同规模的企业稳定生产并作为一整套技术可实现商品化是广大铸造~材料研究工作者的一项重要任务G另外典型的高强度薄壁灰铁件如缸体~缸盖类铸件采用高碳当量材质在冲天炉熔炼条件下生产合格稳定达到HT25O仍为国内之首要任务和主要趋向G4结束语一种合适的化学成分~高质量的铁水~有效的孕育是稳定获得高强度灰铸铁的有效条件G近年来灰铸铁的产量在不断地萎缩铝铸件产量增加较快这也适应了铸件轻型化的要求G而应用高强度灰铸铁生产的薄壁件具有比铝铸件更低的成本必将代替部分铝铸件在市场上受到青睐G高强度灰铸铁的应用是反映一个国家铸造技术水平高低的重要内容之一是下一世纪灰铸件件产品的有效市场竞争力G参考文献[1]李隆胜.铸造合金及熔炼[M].机械工业出版社1989 11:3O~43 11O~112[2]范晓明等.孕育处理对薄壁高强度灰铸铁性能的影响[J].现代铸铁1997 4:25~3O[3]Carl R.Loper Jr.inoculation of Cast iron[J].Foundry Management g Technology.1996 9:42~48[4]N.H.P阿列克赛德罗夫.高质量铸铁[M].机械工业出版社1986 12[5]宗俊峰等.汽车发动机高强度灰铸件铸件的研究[J].铸造1993 3:18~19[6]黄志光等.高强度薄壁铸铁件的研究趋势[J].中国铸机1993 6:3~8[7]吴家立等.高强度薄壁灰铸铁件的研制[J].铸造 .1991 11:26~27[8]傅明喜.调整Si/C和(Si-Mn)差值用复合孕育处理方法提高灰铸铁强度[J].现代铸铁.1997 3:13~15 [9]Seymour.Katz.Thin wall iron Casitings-planningthe future[J].Foundry Management g Technology1997 7:34~36[1O]张伯明等.缸体和缸盖的铸造[J].现代铸铁1998 3:22~24高强度灰铸铁的研究进展作者：沈永华， 潘东杰， 黄列群， SEN Yong-hua， PAN Dong-jie， HUANG Lie-qun作者单位：浙江省机电设计研究院,浙江杭州,310002刊名：材料科学与工程英文刊名：MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING年，卷(期)：2000,18(1)被引用次数：6次1.Seymour Katz Thin Wall Iron Casitings-planning the future 19972.傅明喜调整Si/C和(Si-Mn)差值用复合孕育处理方法提高灰铸铁强度 19973.吴家立高强度薄壁灰铸铁件的研制 19914.黄志光高强度薄壁铸铁件的研究趋势 19935.宗俊峰汽车发动机高强度灰铸件铸件的研究 19936.N H P阿列克赛德罗夫高质量铸铁 19867.Carl R Loper Inoculation of Cast Iron 19968.张伯明缸体和缸盖的铸造 19989.范晓明孕育处理对薄壁高强度灰铸铁性能的影响 199710.李隆胜铸造合金及熔炼 19891.马颖皓使用锰铁孕育提高高碳当量灰铸铁力学性能研究[期刊论文]-现代商贸工业 2011(1)2.侯起飞.刘胜新.孙玉福.杨娟.王刘利高强度灰铸铁生产技术新进展[期刊论文]-现代铸铁2010(1)3.曹庆峰.王立志.李琪.张功国.洪新伟.陈言俊齿轮箱箱体裂纹失效分析[期刊论文]-热加工工艺2008(17)4.张帆.考宏涛.张振忠.刘娟敏活化处理对铸铁表面Ni-P化学镀层性能的影响[期刊论文]-南京工业大学学报（自然科学版） 2008(2)5.华正美铁基-石墨耐磨柔性导向衬套的研究[学位论文]硕士 20066.刘伟明.任凤章.李锋军灰铸铁生产技术的一些新进展[期刊论文]-拖拉机与农用运输车 2005(6)本文链接：/Periodical_clkxygc200001033.aspx。