灰铸铁研究与生产的最新进展及展望

灰铸铁研究与生产的最新进展及展望

近20多年来，对于灰铸铁、钢、可锻铸铁的需求呈下降的趋势，虽然对球铁的需求依然较大，但是其增长也趋于平缓。我国铸铁件年产量约占铸件总量的87％。在铸铁件中，灰铸铁件(含合金铸铁件)产量占82．8％。当前，世界铸件总量约为7 000万t，铸铁产量约为5 400万t，其中灰铸铁件占72％［1，2］。以上统计表明，灰铸铁在铸铁件中仍占主要地位。由于受能源、劳动力价格和环境因素的影响，今后西方发达国家的铸件产量将会逐渐减少，转而向发展中国家采购一般铸件，但同时又会向发展中国家出品高附加值、高技术含量的优质铸件。

我国机械、汽车和建筑成为支柱产业，为灰铸铁行业的发展提供了极好的发展机遇，但是总体来说，我国灰铸铁铸造生产面临着经济效益差，铸件质量低，铸造生产工艺装备等基础条件差，能源、材料消耗高，劳动条件恶劣，环境污染等问题。例如，我国铸件的尺寸精度比国外发达国家普遍低l~3级；表面粗糙度比国外低1~2级；相同碳当量灰铸铁件牌号比国外普遍低1~2级［3］。因此必须加速开发高附加值、高技术含量的优质灰铸铁件的步伐。

而与上述钢铁金属铸造成鲜明对照的是铝合金铸造领域正不断繁荣。节约能耗的要求加速了汽车工业的轻量化步伐，同时使得铝合金铸件所占比例不断增加，因此，未来铸件市场竞争更加激烈。与铝合金铸件相比，低成本和良好的铸造性能是灰铸铁件的一个主要优势，因此灰铸铁广泛应用在汽车、市政建设、输油管、铸锭模、卫生器具和暖气片、阀门、内燃机、农机、泵和压缩机、冰箱及空调、家用器具等领域。目前，制约灰铸铁件增长和发展的主要因素之一是轻量化，铸铁轻量化必将为铸铁工业注入新的活力。因此，高强度薄壁灰铸铁件的生产技术开发成为问题的关键。

为了与铝合金行业竞争，钢铁行业正在开发超轻量化的轿车车体结构，使其成本低于轻合金制造的车体结构。灰铸铁生产领域也迫切需要进行类似的工作，美国铸造协会(AFS)已经成立了一个薄壁铸铁小组，其研究目标是开发和完善薄壁铸造技术，以低成本生产高强度轻量化铸件［4］。薄壁铸件生产技术涉及铸铁性能、充型过程、精密造型、机加工、模具、工艺设计和市场等方面。许多研究和实践表明，开发薄壁铸铁件的首要任务是开发高碳当量高强度灰铸铁及其强化工艺。

先进技术对传统产业的渗透与融合正逐渐对灰铸铁领域产生较大的影响。铸铁的压铸工业化研究表明，半固态压铸板状灰铸铁件在热处理后抗拉强度达到400MPa，伸长率达3％。灰铸铁表面激光处理使灰铸铁件能够满足在特殊场合对铸件表面和基体的不同要求。人工智能和神经网络技术在铸造领域的应用则能够大大改善铸造生产中的控制系统，预测以及建止质量保证体系，对于铸造行业改善操作条件，降低成本将起到重要的作用，［5—7］。1 高碳当量灰铸铁组织的强化

1.1 铸铁高强化＼薄壁化的基本问题

众所周知，灰铸铁的强度主要取决于石墨和基体组织。具有优良的铸造性能，是灰铸铁的重要特征，共晶度接近于1时铸造性能最佳，然而其强度却一般随碳当量的提高而降低。长期以来，对铸铁的凝固过程、孕育处理和合金元素对灰铸铁组织和性能的影响已进行了大量的、系统的研究［8～11］，然而研究所用成分的碳当量均在3.8％附近。对高碳当量条件下的研究还比较少［12］。如何使铸铁碳当量提高到3.9％~4.2％时，既能维持良好的铸造性能，又能满足HT300灰铸铁的性能要求，这是广大铸造工作者极为关注的问题。高碳当量灰铸铁组织的主要特点是：石墨粗大，奥氏体枝晶数量少，基体组织易出现铁素体。一般降低铸铁中C、Si含量，减少石墨数量可以提高强度。然而C、Si含量的减少会诱发D型石墨的析出，容易产生白口化倾向。同样铸件要薄壁化一方面要求材料自身进一步提高强度，又必须防止因冷却速度增大产生的组织白口化倾向。铸铁的组织参数与性能之间的关系是一种非确定的相关关系，要解决铸铁高强化、薄壁化的基本问题，首先要在高碳当量条件下，在相对重要的四个因素：增加枝晶数量、细化共晶团、细化石

墨和强化基体中找出哪些因素更加重要，更有潜力可挖?进而在明确应主要强化的组织参数基础上研究其强化措施。

1.2 强化高碳当量铸铁组织的途径

近年来，范志康［13］等人利用模糊回归方法分析确定了灰铸铁各组织因素对铸铁强度的贡献大小的重要程度。其研究结果表明，高碳当量条件下提高基体显微硬度对铸铁强度影响最大；其次是增加组织中奥氏体枝晶数量、细化石墨、细化共晶团。通过综合控制前三个因素，可在碳当量3.9％~4.2％范围内获得强度达到300MPa，总体铸造性能较传统HT300优良的灰铸铁。其主要强化措施是：(1)控制灰铸铁五大常规元素中的偏析元素Mn和反偏析元素Si［如w(Mn)+w(Si)在3.2％~4.2％，w(Mn)/w(Si)比在1.12~1.23之间]可使铸铁组织中的共晶团和枝晶内外显微硬度相对均匀，且基体的平均显微硬度较高，使铸铁获得相对高的强度；(2) 增加组织中奥氏体枝晶数可通过添加合金元素，如Ti、Cr、Mo和Mn等，这些元素在高碳当量时增加组织中枝晶数量的能力均比在低当量时强，以Ti尤为突出，其次是Cr。Ti、Cr、Mo和Mn均是反偏析元素，也是石墨化元素，它们靠减少碳在铁液中的活度，限制石墨析出而增加组织中的枝晶数量，Ti

还能住硫化锰表面形成钛化物，限制石墨析出，促进枝晶数量的增加；(3)高碳当量时，细化石墨可通过添加元素Ti、Cr等。Ti易促进D型石墨形成，用加Ti的方法生产D型石墨铸铁，进行孕育处理可使组织中共晶团细化，石墨的方向性分布得到改善，有利于铸铁强度的提高。

2 薄壁高强度灰铸铁件的生产技术

铸造出高强度、薄壁及复杂内腔铸件，必须从材质、工艺和装备等整体上采取综合措施加以解决。国外在发动机缸体缸盖的铸造和薄壁高强度灰铸铁的孕育处理方面达到较高水平，同时也引起我国同行的关注。

2.1 发动机缸体和缸盖

为了提高发动机单位重量的功率和降低油耗，提高材质性能减小铸件壁厚，减轻铸件乃至整机重量是缸体和缸盖铸造业的发展目标。

据统计，1995年世界上主要汽车公司(13个)的发动机铸铁件产量为459.9万t，其中缸体和缸盖重量为265.2万t，占发动机铸铁件重量的57.7％。汽车发动机缸盖采用铝合金的比率较高，占57.7％，铸铁占42.3％，而缸体采用铝合金材质的只占6.6％，铸铁件占93.4％。缸体缸盖两者合计，铸铁件占79.6％，铸铝件占20.4％。我国1995年缸体和缸盖铸件产量约为56.7万t，其材质几乎全部采用高强度灰铸铁，只有大马力的发动机缸盖个别采用了蠕墨铸铁，［14］。

缸体和缸盖的材质必须有较高的力学性能和热疲劳性能，要求铸件本体主要部位的珠光体含量90％以上，石墨形态应大部分呈A型，石墨最大长度应在250μm以下。

缸体和缸盖为大批量流水线生产，必须在工艺、装备、原辅材料和管理等方面采取综合措施，才能保证其质量。然而在上述诸方面，我国与工业发达国家差距很大。在发达国家，生产中对于高碳当量、低合金化、强化孕育等技术的应用已相当普及，而我国基本上从80年代初才开始这方面的研究和试制工作［15］。在相同碳当量条件下，国内所采用的牌

号普遍比国外低1~2级，国外工厂的一般碳当量为3.9％~4.1％；而国内许多厂家的一般碳当量控制在3.8％～4.0％；有些厂甚至将碳当量降低到3.7％［即w(C)3.1％~3.3％；w(Si)

1.7％~

2.0％］。而当CE采用

3.9％~

4.1％时，只能达到HT200水平。另外，国内铸件本体质量与国外铸件差距较大，主要反映在：铸件断面均匀性差，部分工厂的缸盖铸件在薄壁处珠光体量只有50％~80％，并存在有较多量的D、E型石墨，硬度只达到130~151 HB，断面硬度差超过50 HB，本体强度在150MPa以下。国外缸体和缸盖的最小壁厚仅3.2±0.5

mm，我国为(4.2~4.5)±0.8mm［13、14］。

因此，必须结合国情开发和采用先进的铸造工艺、技术，尽早改变我国在此方而的落后面貌。在技术方面，应采取的措施是：(1)获得高温优质铁液；(2)低合金化；(3)孕育处理等［13，14］。由于缸盖形状复杂，壁很薄，为保证其良好的铸造性能和切削性能，应尽量采用高的碳当量。对于HT250，碳当量应控制为3.9％~4.1％。同时，低合金化对缸体缸盖的有利作用日益受到人们的