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S0.2%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，Mn0.3%~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，Mn0.4%~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（NC），其硬度极高（TiC3200Hv，VC2800Hv），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。氮降低灰铸铁的共析转变温度，并使得共析转变温度区间加大【10】。氮对灰铸铁基体的影响表现在三个方面：一是氮可以使初生奥氏体枝晶臂间距减小，二是氮作为碳化物稳定元素，促进铸态珠光体的含量增加和稳定性，三是有效地促进共晶形核，细化基体组织，增加珠光体和铁素体的显微硬度。氮对铸铁石墨的形态、数量、分布有很大影响。日本张博等人的研究表明，铸铁中吹入氮气，不加入任何球化元素，可以使石墨球化。对于普通灰铸铁，加入适量的氮可使得片状石墨长度缩短、弯曲程度增加、端部钝化、长宽比减小。因此，灰铸铁中含有一定的氮，可显着提高强度和硬度。生产实践证明，在相同化学成分条件下，冲天炉熔炼铁液浇注的铸件力学性能低于电炉熔炼。通常认为，其原因是冲天炉铁液温度低，存在着炉料遗传问题。实际上，这与铁液的含氮量有关。冲天炉熔炼时，由于使用生铁量较多，而高碳生铁的含氮量较低，一般冲天炉灰铸铁中的含氮量为40-70ppm【11】。通常废钢的含氮量比铸造生铁高的多，用感应电炉熔炼铸铁时，炉料中所用生铁较少，废钢比例较大，另外，电炉熔炼多使用增碳剂，而大多数增碳剂中氮含量较高，所以，感应电炉熔制的灰铸铁含氮量比较高。一般，炉料中废钢比例越大，铸铁中含氮量越高，如表1所示【11】。另外，需要指出，不同炼钢工艺获得的废钢的含氮量也是不同的，如表2所示。氮是廉价的资源，对改善灰铸铁的组织和力学性能具有积极的作用，在当今铁合金价格飞涨的形势下，有效利用氮对灰铸铁进行微合金化是值得重视的技术。但是，也应该充分注意过量的氮将造成气孔甚至微观裂纹缺陷。因此，在氮的应用中，应注重其科学性，充分合理地利用氮的积极作用，尽量避免其消极作用。4孕育剂加入量控制孕育处理是高强度灰铸铁生产中的重要技术环节。孕育的主要目的是：促进石墨化，减少白口倾向；改善断面均匀性；控制石墨形态，减少过冷石墨，获得细小的A型石墨；增加共晶团数量；改善力学性能和其他性能。由于孕育可显着提高共晶团数量，有些工厂为了提高灰铸铁的强度，认为孕育剂加入量越多越好，有的达到0.8-1.0%。实际上这是一个错误的认识。孕育剂加入量是孕育工艺中必须考虑的一个重要因素。加入量太少，将导致孕育不足产生白口和硬度太高的现象，从而使力学性能和加工性能降低。但是，孕育剂加入量过多，并不能增加孕育效果，可能带来以下不利影响：过多的孕育剂加入量，使铁液降温增加，可能造成熔化不完全，增加夹渣的可能性；使铁液的收缩量加大而生产缩孔的可能性加大；由于共晶团数过多，导致粥状凝固，石墨化膨胀增加产生型壁位移，而易产生缩松，造成铸件的渗漏。生产实践发现【3】，有意识的降低原铁液的含硅量而加大孕育量，灰铸铁的力学性能并不比高硅原铁液通过适量孕育得到力学性能好。一般认为，对原铁液尽量控制较高的含硅量，将孕育量控制在0.4%左右为宜。通常所讲的强化孕育处理，不是指加大孕育剂用量，而是指选择合适的优质孕育剂，改进孕育工艺方法。5结束语当前，随着市场竞争的加剧，灰铸铁作为一种传统的金属结构材料，正面临着质量、性能和价格的严重挑战。铸造企业应顺应灰铸铁材质高强度化、高附加值化和工艺稳定化的趋势，提高铸件质量，加大技术开发力度，籍以全面提升产品和服务质量，增强市场竞争力，提高技术经济效益。在灰铸铁的生产过程中，以往人们只注重常规五大元素对铸铁材质的影响，而对其他一些微量元素认识不足，仅仅有的也是一个定性认识。近年来，由于铸造技术的进步，熔炼设备也在不断的更新，焦炭价格节节攀升，冲天炉熔炼成本逐渐增加，很多企业正在考虑用电炉代替冲天炉熔化铁液。电炉熔炼固然有其冲天炉不可比拟的优点，但电炉熔炼也失去了冲天炉熔炼的一些优点，这样，某些微量元素对灰铸铁的影响也就反映出来。因此，要想获得优质灰铸铁件，除了严格控制常规工艺外，对于其他容易被人们忽略的技术问题应给予足够的重视。2、如何改善铸件的内在与外观质量，提高铸件的技术含量，应对市场的竞争，是国内部分生产企业所面临的课题。铸件生产中的每个环节对质量都有着重要影响，不可忽视。现将本人在实际工作中总结的一些技术措施归纳如下，供借鉴。一、砂芯和砂型的刚性砂型浇注后，由于铁液的静压力或凝固而引起的膨胀力，常导致型壁移动和砂芯溃散，这就会使铸件产生内部缩孔和表面缩陷。因此为使铸件尺寸稳定，要最大限度地使铸型紧实。为了节约造型材料，造芯时广泛采用了空心砂芯，它比实体芯轻，故热容量小，凝固速度慢，这会导致砂型扩张或砂芯溃散。此外，铁液可能通过芯头或砂芯上的裂纹而渗入其中空部分，这也会使铸件产生缺陷。为了提高空心砂芯的刚性，可用湿型砂或水玻璃砂充填；也可将壳芯作成两半，其内部设置加强筋，造芯后粘合可得到坚硬的砂芯。二、正确选择浇注温度1.浇注温度过低时可能形成的缺陷（1）硫化锰气孔此种气孔位于铸件表皮以下且多在上面，常在加工后显露出来，气孔直径约2~6mm。有时孔中含有少量熔渣，金相研究表明，此缺陷是由MnS偏析与熔渣混合而成，原因是浇注温度低，同时铁液中含Mn和S量高。为防止这种缺陷，用冲天炉化铁时可在多孔材料的浇包中用气流连续脱S，将S降至0．06％~0．08％。这样的含S量和适宜的含Mn量（0．5％~0．65％），可以