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0

I 关键词]灰铸铁;高强度;薄壁件中图分类号:TG 143文献标识码:A

Progress of Research on High Strength Gray lron

SEN Yong -hua .PAN Dong -j ie .HUANG Lie -gun

I 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0

1

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O

2

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1

W 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