高强度高碳当量灰铸铁生产工艺问题1-采用合成铸铁

高强度高碳当量灰铸铁生产中的工艺问题
灰铸铁的生产历史已经有三千多年了，但真正生产工艺，生产
技术，发展到目前的水平，只是工业革命以后，大约在200年左右
的时间内才得到蓬勃发展，可以说，他的发展史也是人类文明的发
展史，由于各种各类的机械设备的出现，才对灰铸铁提出了各种各
样的性能要求，可以看出，铸铁的发展史紧紧围绕着强度的提高来
进行的，当然这种提高得到了其他学科的进步的帮助，尤其是显微
镜的问世和铁碳平衡图的建立使我们在提高铸铁强度上有了可靠的
理论根据和工具。

在工业革命以前，灰铸铁的生产是不讲强度和要求的，也没有
强度测量手段，客观上对铸铁件也没有高强度铸件的要求，1860年
灰铸铁的抗拉强度才60-80Mpa水平，到目前，短短二百多年，在铸
铁的抗拉强度已经可以达到400Mpa，而同是铸铁家族里的孕育铸铁，可锻铸铁，蠕墨铸铁，球墨铸铁，ADI最高强度可达到1600Mpa，可
见人类对铸铁机械性能的提高，取得了多大的进步。

现在已经公认，灰铸铁的机械性能取决于金相组织，要想提高
机械性能就要想办法改善或改变铸铁的金相组织，大概来讲要从两
个方面着手，第一个方面是改善基体组织，因珠光体强度比铁素体高，因此高强度铸铁必须保证全珠光体，其量一般要求大于95%，
因为还有少量的磷共晶和碳化物及铁素体，所以只保证了珠光体量
还不够，还应该使珠光体中的铁素体和碳化物间的片间距减少，就
是还要保持细片状的珠光体，同时还要使珠光体中的铁素体得到强化。

第二方面，就是要改善或改变石墨的形状，大小和分布，因为
石墨很软，没有什么强度，片状石墨割断了基体的连续性，当石墨
的端部很尖时，应力集中更明显，使铸铁的基体发挥不了钢基体那
样的作用，因此强度低而无韧性，孕育铸铁，可锻铸铁，蠕墨铸铁，球墨铸铁主要是改变了石墨形状，从片状----蠕虫状-----团絮状--
--球状而大幅度地提高了强度，并获得了韧性。

故此可看出，对提
高强度来讲，改变石墨形状是最有效的，但我们的任务是不能仿照
生产上述铸铁那样的处理工艺，用他们来代替生产机床铸件、汽车
铸件，我们还要保留灰铸铁固有的优良铸造性能和加工性能，以及
散热性，减震性能及较低的生产成本等，但我们要想办法使石墨变短、变粗、使其弯曲减少对基体的割裂作用。

从灰铸铁的发展来看，在提高强度方面大概经历了三个阶段，
即钢性铸铁时期，低碳当量高强度灰铸铁时期和高碳当量高强度灰
铸铁时期。

钢性铸铁出现之前，我们一般只能生产HT200级别以下的铸铁件，我们称他们为“普通铸铁”，它的炉料配比基本上以生铁锭为主，铁液出炉前不做任何处理即可浇注，他们的特点是碳硅含量高，石墨粗大，铁素体基体为主，因此强度低。

为了提高强度，试图借鉴铸钢的经验，因为灰铸铁也可以看做
是在钢的基体上，加入了石墨片，因此用多加废钢（比例增加至
40%-80%）以减少石墨量，增加初生奥氏体枝晶量。

我们把这种灰铸
铁称为钢性铸铁，在孕育铸铁出现以前，他们曾发挥过重要作用，
因和普通铸铁相比，强度有所提高，但这种铸铁的白口化倾向无法
抑制，铸铁薄壁，尖角处的白口难以避免，高温过热时出现的过冷
石墨难以消除，尤其是复杂的薄壁铸件难以生产，而导致了钢性铸
铁的强度难以进一步提升。

在1922年，美国的密烘公司，在钢性铸铁铁液出炉时，加入硅
钙合金使低碳铸铁消除了白口，获得细少均匀分布的A型石墨，以
及以从此为基础开发出来的孕育铸铁，由于各种用途的孕育剂的开
发和孕育方法的改良，使金相组织得到了全面的改善，从而使灰铸
铁的抗拉强度提高到300-400Mpa，很长时期以来，我们都在沿用这
种工艺，我们知道，他的基础是以低碳当量为前提的，就是铸铁在
孕育前，他的原始铁液凝固后应是灰口组织，或者是麻口，珠光体
的混合组织，如果在更高的碳当量下，当孕育前的铁液凝固时已经
是灰口组织，则孕育效果就比较差，或不明显，抗拉强度提高有限，我们把这种通过孕育而使相对比较低碳当量的铁液获得高强度的铸铁，称为低碳当量高强度灰铸铁。

改革开放以来，走出国门的人越来越多，对国外的灰铸铁生产
技术有了更进一步的了解，发现灰铸铁的生产中，同牌号的灰铸铁件，德国，日本等工业先进的国家碳当量比我们要高，如机床铸件，同为HT250我们的CE只与3.6-3.7%而国外的则是3.8%，而同样的
碳当量下，他们的铸件抗拉强度比我们的要高1-2个牌号，同为机
床铸件，我们生产时，铁液流动性，无法实现铸件薄壁化，铸件收
缩缺陷多，铸造应力大，使产品精度差，维修周期短，切削性能恶化，刀具磨损，损耗多，因此在高强度高端铸件的生产工艺技术上，和他们的技术比仍有很大差距。

近年来，我们在灰铸铁件的生产上也取得了一些成功的经验，
如一汽在生产缸体缸盖时，已成功地生产出HT300的高端产品，并
储备了生产HT350的技术。

我们今天把有关生产高强度，高碳当量的一些工艺技术问题，
拿出来一起分享，把所有能提高灰铸铁强度的各项工艺一项一项地
进行一遍梳理，看着哪一项我们做得不够，还有那些能改进的地方，哪一些工艺还不够成熟，在认识上还有分歧，怎么样通过实践去提
高我们的工艺技术水平，形成我们自己的一套生产技术。

提高灰铸铁抗拉强度的途径无非是以下几个方面：
1.优化炉料的组成
2.合理选配化学成分
3.严格温度控制
4.加强孕育处理
5.低合金化。

第一方面：优化炉料组成
1、采用合成铸铁
2、利用好铸铁中的氮
3、合理使用增碳剂
4、采用合成铸铁时出现的副作用
1、采用合成铸铁
国内从第六个五年计划开始攻关，首先由二汽和郑研所合作研
究合成铸铁技术，现在有电炉的铸造厂，很多都已经在采用这一技术，不但提高了灰铸铁的强度，也节约了生产成本，合成铸铁的配
料原则是高废钢配比+增碳工艺，很少用新生铁，或不用生铁，其主要好处是：
1.不用生铁或少用生铁，减少了生铁的遗传性，有利于提高灰铁的
强度
2.废钢用量越高，增碳剂用量就会越大，即能有效降低有害微量元
素，又能显著提高形核能力，铸件性能提高，而收缩倾向反而减少。

3.由于熔炼过程中，有碳层保护，铁液的氧化倾向减少，这也达到
了净化铁液的作用。

4.收缩问题是制约高强度灰铸铁如HT300，HT350生产的瓶颈，而
增碳工艺是解决铁液收缩的关键措施，电炉增碳工艺可以有效地减轻铁液的收缩和白口倾向，减少灰铸铁的断面敏感性，改善石墨形态，提高材料性能。

5.由于废钢的含氮量比生铁高，多加废钢能使铸件内的含氮量增加，
尤其是选用的增碳剂含有3000-5000ppm的含氮量时，既不会产
生氮气孔，而利用了氮的合金化作用，比加Cu，Cr等合金元素，更能提高灰铸铁的强度，还很节约成本，我们的试验结果是铸件内氮每增加10ppm，则可增加10MPa抗拉强度，或者说强度提高后就可以降低原来的合金元素含量。

6.通过对比实验，合成铸铁和原工艺大量使用新生铁相比，在同等
碳当量和生产条件下，铸铁的强度要高1-2个等级，如下表：
表1：国内相同碳当量下完成铸铁与普通铸铁对比：
0.25-0.35 Cu：0.6-0.8 Mo：0.25-0.35
合成铸铁成分，除Mn0.5-0.7外，其余同上
表2：德国电炉生产的合成铸铁效果对比
注：在采用合成铸件中出现的问题
1.S低引起的孕育不良
2.P低引起的粘砂。