高强度灰铸铁生产中不可忽视的技术问题

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（0.04－0.10％S）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0.04－0.10％时，铸铁的孕育效果增强，同时铁水的表面张力б降低，铁水与石墨的湿润角θ减小，使得更多的硫化物基底成为石墨核心，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S<0.2%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，σb随Mn/S的增大而降低；当CE为3.90%~4.05时，σb随Mn/S的增大先降低然后提高。当CE为3.70%~3.95%时，Mn/S=3~5，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=5~7，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Ｔｉ可以细化石墨，但随着钛含量的增加，Ｄ型石墨增多，并且，Ti分布在Ｄ型石墨区域。当Ti含量超过0.15％，Ｄ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0.13%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，铁液的白口倾向减小，具有提高灰铸铁冶金质量指标的趋势。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。