高碳当量高强度灰铸铁设计性实验内容

1绪论

灰铸铁通常指断面呈灰色，其中的碳主要以片状石墨形式存在的铸铁。

灰铸铁组织结构可看成是碳钢的基体加片状石墨。按基体组织的不同灰铸铁分为三类：铁素体基体灰铸铁；铁素体+珠光体基体灰铸铁；珠光体基体灰铸铁。

灰铸铁的力学性能与基体的组织和石墨的形态有关。灰铸铁中的片状石墨对基体的割裂严重，在石墨尖角处易造成应力集中，使灰铸铁的抗拉强度、塑性和韧性远低于钢，但抗压强度与钢相当，也是常用铸铁件中力学性能最差的铸铁。同时，基体组织对灰铸铁的力学性能也有一定的影响，铁素体基体灰铸铁的石墨片粗大，强度和硬度最低，故应用较少；珠光体基体灰铸铁的石墨片细小，有较高的强度和硬度，主要用来制造较重要铸件；铁素体一珠光体基体灰铸铁的石墨片较珠光体灰铸铁稍粗大，性能不如珠光体灰铸铁。故工业上较多使用的是珠光体基体的灰铸铁。

灰铸铁其他性能良好的铸造性能、良好的减振性、良好的耐磨性能、良好的切削加工性能、低的缺口敏感性。

图0-1所示，铁素体灰口铸铁的显微组织，其中石墨呈灰色条片状分布在亮白色的铁素体基体上。

图0-2所示，为铁素体+珠光体灰口铸铁显微组织，其中除灰色条片状石墨外，暗灰色团块状为珠光体，亮白色部分为铁素体。

图0-1铁素体+粗大石墨片图0-2 铁素体+珠光体+粗大石墨片

图0-3所示，为珠光体灰口铸铁的显微组织，其中石墨呈灰色条片状，基体

为珠光体。

图0-4所示，为孕育灰口铸铁，经孕育处理后，灰色条片状的石墨变得细小而均匀分布（组织未经腐蚀）。

图0-3 珠光体+粗片状石墨图0-4 细小均匀的石墨片

1.1研究背景

1.1.1高碳当量高强度灰铸铁国内外发展状况

随着汽车工业的不断进步，发动机正向着大马力、速度和轻量化方向发展，对发动机上重要的缸体、盖等铸件提出了更高的要求，要求高强度、高致密性、高热疲劳性、低应力、表面光洁、尺寸精确。今年来，高强度灰铸铁得到很大发展，国外发动机缸体、缸盖的材质牌号都在HT250以上。此外，高强度灰铸铁还广泛应用于拖拉机、液压件、通用机械、试验仪器、农机等行业。

我国在高强度灰铸铁的研究与生产技术上与国外的主要差距如下：

1、强度低。同样的铁水化学成分生产出来的铸件，强度比国外低1~2牌号。若

想生产相同牌号的灰铸铁就必须降低碳含量。这将引起白口倾向增大，收缩倾向增大，使薄壁处加工困难，且易出现裂纹及铸造性能变差等问题。对于发动机上的缸体、缸盖铸件还会使渗漏倾向增大。

2、铸造工艺落后。铸件壁厚答、重量大，如机床类铸件比国外重10%以上。发

动机缸体比国外重30%以上。

3、耐磨性差、寿命低。国外汽车第一次大修里程汽油车一般在30万km以上，

柴油车在50-80万km，而我国汽油车仅为5-10万km，柴油车也只达10-15万km。

4、断面敏感性大，加工性能差。出现上述差距的主要原因之一是冲天炉熔炼技

术落后，铁水出炉温度较低。国外冲天炉一般以提高铁水质量为前提，不盲目追求节焦，积极发展高温热风、富氧送风，水冷无炉衬，使用铸造焦炭，连续作业的封闭式冶金冲天炉等，获得良好的经济效果。

冲天炉熔炼技术落后，铁水温度低带来一些列问题。对于生产缸体、缸盖这样薄壁复杂铸件，从铸造性能考虑，都选择较高的碳当量。为获得较高的碳当量，按我国现有的熔炼水平，就必须在配料中多加生铁，少加废钢。而国外由于铁水温度高，使用铸造焦炭，仍可以少加生铁，多加废钢，获得较高的碳当量。因此，同样的化学成分，国内生产的缸体、缸盖等铸件强度性能就要比国外的低，内在质量差。国内要达到同样牌号的铁水，就必须降低碳当量，结果又是铸造性能变差，铸件出白口、收缩、加工性能差、渗漏倾向增加。因此，提高冲天炉熔炼水平，提高铁液熔炼温度是生产高碳当量、高强度灰铸铁的根本出路。

造成与国外差距的第二个因素是孕育技术落后。国外非常重视孕育剂和孕育方法的研究，孕育品种很多，各有各的用途，针对不同的铸件，不同的生产条件，选择适用的孕育剂。近年来，国外发展了各种新型孕育剂，即在硅铁的基础上加进一些强化孕育效果的元素，如铝、钙、钡、锶、锆、镁等，而且是实现了孕育剂系列化、标准化、商品化。而国内前一段时间一直使用75SiFe孕育剂，品种单一，缺乏统一的质量要求，各个厂家生产的75SiFe质量各不相同，尤其对其中的铝、钙含量没有要求，铸件质量差。

1.2提高灰铸铁抗拉强度的途径

1.2.1优化铸铁成分与提高冶金质量

根据铸件要求从不同的资料中筛选出合理的化学成分。衡量标准主要有CE、Si/C、Mn%、合金元素。

碳当量：根据各元素对共晶点实际碳量影响，将这些元素的量折算成碳量的增减，谓之碳当量，以CE表示。CE=C+1/3（Si+P）

增加碳量，可改善铸造性能、熔炼容易、吸气少，但会使石墨粗大、数量增多，使机械性能变差。高的Si/C，即在共晶度一定时，适当降低灰铸铁的碳含量，

控制灰铸铁的Si/C，可显著提高铸铁的抗拉强度，使Si/C比在0.6~0.9，再加以适当的孕育和合金化，可获得综合性能良好的高强度灰铸铁。通过提高锰量来提高强度和硬度（过多会有碳化物），为提高铸造性能，控制碳化物含量，细化珠光体，在碳当量提高的情况下，保证其力学性能。调整高碳当量灰铸铁中的Si Mn 含量，在w(Mn+Si)=3.2%~4.2%，并控制（Mn%）/（Si%）=1.12~1.23可控制获得较理想的基体组织，是这种灰铸铁既能保证具有高的强度和刚度，又能保证有良好的耐磨性和耐压致密性，且具有良好的加工性能和铸造性能，是一种综合性能良好的高强度灰铸铁。

铁液要有一定的过热温度温

度、化学成分、纯净度是铁液的三

项冶金指标。铁液温度的高低又直

接影响到铁液的成分及纯净度。铁

液温度的提高有助于柱铸造性能

的改善，更主要的是，如果在一定

的范围内提高铁液温度，能使石墨

细化，基体组织细密，抗拉强度提

高。如图所示

1-C2.4% 2-C3.0% 3-C3.6%

图1-1过热温度对铸铁力学性能的影响对于孕育铸铁来说，过热铁液的要求着眼于纯化铁液，提高过冷，以期在孕育情况下加入大量人工核心，迫使铸铁在“受控”的条件下进行共晶凝固，从而达到真正的孕育目的。因此要做好孕育铸铁，要在最大程度上改变它在受控于自身条件的凝固特点，就必须有相当的过热温度（如>1450~1470℃）。

1.2.2孕育对灰铸铁力学性能的影响

铁液浇注前，在一定条件下（如一定的过热度、一定的化学成分、合适的加入方法等），向铁液中加入一定量的物质（成为孕育剂）以改变铁液的凝固过程，改善铸态组织，从而达到提高性能为目的的处理方法，谓之孕育处理。

孕育的目的在于促使石墨化，降低白口倾向；降低断面敏感性；控制石墨形态，消除过冷石墨；适当增高共晶团数和促进细片状珠光体的形成，从而达到改善铸铁的强度性能及其它性能（如致密性、耐磨性及切削性能等）地目的。