铸铁的几个关键技术问题的探讨

灰铸铁的几个关键技术问题的探讨1.灰铸铁中锰、硫的特性及作用灰铸铁中的锰、硫是一对非常特殊的元素，由于锰、硫要形成MnS夹杂物，这就使得锰、硫的作用变得有些特殊。⑴锰我们一直把锰作为一个合金化元素来用，认为加锰能提高灰铸铁的强度和硬度，这种观点很少有人怀疑过。但是，通过试验却发现事实并非如此。在碳硅量高，硫量也较高的前提下，加锰后灰铸铁的性能并没有提高，反而下降。对于这样的结论，我们经过了反复的验证，试验结果见表1。表表11锰锰对对灰灰铸铸铁铁性性能能的的影影响响组次原铁液化学成分（(wb)(%)孕育剂及加入量性能/MPaCSiMnPSCrCuSnφ30试棒φ60试棒第一组3.301.700.400.030.110.200.550.02锶锆0.353302500.70同上3002450.95315235第二组3.101.720.440.030.120.210.580.02硅铁0.403602900.80同上326260由于加锰反而使性能降低，因此，在碳硅量高、硫量也较高的情况情况下，w(Mn)控制在0.4%～0.5%的范围内有利于生产高强度灰铸铁。⑵硫灰铸铁中的硫究竟是有利还是有害，对硫的认识经过了一个逐步提高的过程；从认为硫是有害元素，到灰铸铁中要加入一定量的硫来改善切削性能，改善孕育效果和石墨形态。我们逐步认识了灰铸铁中硫在一定含量范围内是有利的，这个w(S)范围是0.08%～0.12%。灰铁液中的硫过低是不利的：石墨形态差，孕育的效果也不好。但对于这一点，仍有很多人认识不足。当w(S)小于0.05%时，一定要进行增硫处理，否则，孕育效果差。许多人已经知道灰铸铁中加硫会发改善切削性能，而除此之外，加硫还能提高灰铸铁的性能，表2是一组试验数据，可以说明。表表22硫硫对对灰灰铸铸铁铁性性能能的的影影响响组次原铁液化学成分（(wb)(%)孕育剂及加入量性能/MPaCSiMnPSCrCuSnφ30试棒φ60试棒第一组3.352.020.470.030.020.240.570.0275硅铁0.32602200.05同上2802200.082752300.11290225第二组3.081.700.420.030.050.170.580.04硅铁0.402920.10同上350加硫能提高灰铸铁性能是由于硫改善石墨形态，并细化共晶团的结果。随着硫量的提高，石墨长度变短，端部变钝，形态变得弯曲（见图1及图2），因此能提高灰铸铁的性能。现在就可以解释为什么在碳硅当量高、硫量也较高的情况下，灰铸铁中加锰不起合金化作用，性能反而降低：因为在碳硅当量高、硫量也较高时，锰高就会中和铁液中的硫，形成MnS，锰量增加，中和的硫量就大，使铁液中的自由硫量降低，石墨形态就要发生不利的变化，石墨变得平顺，长度变长，端部的钝化效果变差，这些变化都会影响到性能。另外，大量MnS夹杂物的一部分会成为石墨的晶核，还有一部分会发生聚集，形成局部密集的MnS排列，夹杂物本身是要影响材料性能的这就是加锰反而使灰铸铁性能降低的原因。锰的合金化作用被形成MnS的这一特性所带来的不利影响掩盖了。锰与硫在碳硅当量高、硫量也较高的灰铸铁中的这一特性一定要引起重视。如果不了解锰、硫的这一特性，把锰作为提高性能的合金元素的结果是：加入许多锰，性能反而降低。如果再加入更多的其他合金元素，又会使铸造性能变差，极其有害，这种情况很容易被人忽略。2.硬质点颗粒对断屑性能的影响切削性能差时我们往往归结为材料中有硬质点，如碳化物或其他硬质点（碳化钛、氮化钛），所以要改善切削性能，就要尽可能采取措施减少硬质点，数量越少越好。因此通常合金化大都采取以加铜、锡为主，并且加大孕育量，认为这对切削性能有利。之所以得出这样的结论是认为硬质点会打刀。微小的、分布在晶界处的硬质点会打刀吗？我们知道，微波的碳化物、磷共晶以及硫化锰、碳化钛、氮化钛颗粒硬度都很高，但是当刀具切削时，把这些微小硬质点从材料的基体上剥落下来的阻力并不是很大，刀具并不是从硬质点上强行过去。这就像犁地时，地里的沙被翻出来一样，沙粒不会造成阻力，因为它尺寸很小，这和地里的大块石头造成的危害是不一样的。如果把刀具磨损的原因归结为是小的硬质点造成的，就会采取一切措施来消除硬质点，这样就可能误入歧途了。现代的高速切削达到了800m/min，刀具的冷却方式是风冷，刀具的磨损主要是由于断屑不好，造成温度升高而引起，任何影响断屑的因素，哪怕是细微的变化，都会影响到刀具的寿命。对此将在下面的论述中作更详细的解释。如果采用加入铜、锡为主的合金化，用强有力的孕育措施大幅消除晶间碳化物、磷共晶以及其他硬质点颗粒时，我们改善的并不是材料的断屑性能，而是改善了韧性，这对高速切削的刀具寿命提高不会有明显的作用，甚至多加铜的合金化反而是有害的。通过特殊的处理可以对晶间微小碳化物的数量和分布做出检验，常规的金相做不到这一点。对比进口铸件和国产铸件（图3、图4），国产铸件十分注意消除碳化物，但并没有获得预期的效果。实际上我们还发现，当铸件中含有较多数量碳化钛和氮化钛颗粒时，高速切削的刀具寿命并不差，我们也有意做过不加钛的试验，目的就是减少硬质点的数量，但并没有因此改善切削性能。对于多加钛确实影响到切削性能主要的原因是，钛使石墨产生过冷倾向，是由于恶化了石墨形态，使断屑性能明显变差，不能归结为是形成氮化钛或碳化钛硬质点。种种迹象表明，铸件中含有一定数量的微小硬质点对于提高断屑性能是有利的，其中硫化锰硬质点改善切削性能也应当是断屑性能改善的结果，尽管有人推测是硫化锰粘附在刀具上，在切削过程中形成熔融的硫化锰，因而减少了切削阻力，但这种推测很难使人信服。我们在提高高速切削性能所作的工作中，归纳起来有下面几点经验可供大家借鉴：⑴改善石墨形态是提高切削性能的重要措施。石墨是灰铸铁切削过程中裂纹扩展及断屑的重要因素，因此改善石墨形态是提高切削能最重要的措施。冲天炉熔炼要做到高温熔炼，因为高温熔炼促进增碳的最好措施也能减少铁液氧化倾向。因此热风冲天炉是必要的硬件条件；对于电炉熔炼，增碳工艺是最好的工艺，也是改善切削性能的最重要的措施。⑵随流孕育很重要，但要适量，不能过量。随流孕育也改善石墨形态的重要手段，而且建议使用进口的随流孕育剂，但是随流孕育不能过量。我们很多人只看到随流孕育的好处，但是加入量太大，会增加铁素体的数量，提高材料的韧性，这对高速切削的断屑性能是不利的。⑶合金化不能以加铜为主，要适当增加微小硬质点的数量。这也是我们以前走过了弯路后得到的经验，对硬质点的过分担心缘于我们推理的错误，认为刀具一定要切过硬质点，而硬质点又是那么硬，所以要打刀。实际上分布在晶间的微小硬质点增加了材料的断屑性能，适当提高了材料的脆性，这一点也是使高速切削性能提高的重大突破。多加铜会提高材料的韧性，并不能改善决屑性能。⑷原材料中要严格控制有害元素的含量。从我们的经验来看，主要是控制生铁中钒的含量，钒使高速切削性能严重恶化。3.时效处理可以大幅提高高速切削时的刀具寿命高速切削不同于传统的低速切削，随着研究的不断深入，许多奇怪的现象被发现。其中，铸件存放数月后，在没有任何基体变化的情况下，高速切削时的刀具寿命就会比原来得到大幅度的提高，这个现象已经是被越来越多的人认识和公认的事实了。这就是铸造应力消除的结果：铸件在凝固的过程中，应力产生在晶界处，会造成晶界处晶格的变形，产生很大的拉应力或压应力，这个力会增加断屑的难度，增大切削的阻力。当时效处理数月后，随着应力的消失，晶界的断屑效果改善，切削性能就会明显提高。高速切削对断屑的变化非常的敏感，这一变化应付反应在刀具的寿命大幅度提高。这再次说明晶界处的物理状态对高速切削过程来说是非常重要和敏感的，也可以反过来说明晶界处的微小碳化物颗粒的变化会影响到刀具的使用寿命。了解上述现象后，就会认清这样的问题：我们在同一条生产线上加工进口铸件和国产铸件时，进口铸件都是经过运输、存放数月以上，切削性能又有了大幅度的提高，即使国产铸件以同样的工艺，同样的原材料，生产出了同样材料牌号的铸件，也会在与进口铸件的对比中处于明显的劣势，这是由于铸造应力不同造成的。然而“将我们铸件也存放数月”的想法是不可行的，那么我们只能在技术上寻求突破，要比进口铸件做得更好。这一点我们做到了。因此，我们要想达到和国外铸件基本相当的刀具加工寿命，采取和国外相同的工艺是行不通的，我们的材料必须有更好的断屑能力，更好的切削性能，来弥补由于铸造应力没有很好的消除带来的不利，因此技术上没有创新和突破是不行的。4.如何减小高强度灰铸铁的收缩倾向高强度与收缩一直是一对矛盾，生产高强度的铸件，收缩倾向大，收缩问题如果不能很好解决，应付产生大量的收缩废品缺陷。解决材料的收缩问题，总的原则是要有较高的碳硅当量。高碳硅当量加合金化的工艺比低碳硅当量少加合金的工艺收缩倾向小，因此，应当在选择高碳硅量前提下，开发提高性能的新技术。减少收缩具体的措施可以从以下方面考虑：⑴促进石墨化的工艺措施是减少铁液收缩的最好措施。电炉熔炼：增碳技术的应用是解决铁液收缩的关键技术。由于铁液凝固过程中的石墨析出产生石墨化膨胀作用，良好的石墨化会减少铁液的收缩倾向，因此，增碳技术是最好的工艺。由于加入增碳剂提高了铁液的石墨化能力，因此，采用全废钢熔炼加增碳剂的工艺，铁液的收缩倾向反而更小。这是非常重要的一个观念转变，传统的观念是认为多加废钢会增大铁液的收缩倾向，这样我们就容易走入一个误区，不愿意多用废钢，而喜欢多用一些生铁。多用生铁的缺点是：生铁中有许多粗大的过共晶石墨，这种粗大的石墨具有遗传性，如果低温熔炼，粗大的石墨难以消除，粗大的石墨从液态遗传到了固态，使凝固过程中本来由于石墨析出应该产生的膨胀作用削弱，因此使铁液凝固过程中的收缩倾向增大，粗大的石墨又必然降低了材料的性能。因此，与用废钢增碳工艺相比，大量用生铁的缺点就是：①强度性能低。同样成分做过对比试验，性能低半个排号。②收缩倾向大。同样条件下，比废钢增碳工艺收缩大。对于电炉熔炼，增碳技术的核心是使用高品质的增碳剂。采用废钢增碳工艺，增碳剂就成为增碳工艺中最重要的环节。增碳剂质量的好坏决定了铁液质量的好坏，增碳工艺能否获得好的石墨化效果，减少铁液收缩，主要取决于增碳剂：①增碳剂一定要选用经过高温石墨化处理的增碳剂。。只有经过高温石墨化处理，碳原子才能从原来的无序排列变成片状排列，片状石墨才能成为石墨形核的最好核心，促进石墨化。②好的增碳剂含硫都非常低，w(S)小于0.03%是一个重要的指标。对于冲天炉熔炼：高温熔炼是最关键的技术指标，高温熔炼可以有效消除生铁粗大石墨的遗传性。高温熔炼可以提高渗碳率，减少配料中的生铁加入量。以渗碳方式获得的碳活性好，要比多加生铁带来的碳有更好的石墨化作用，反映在铸件上，就是石墨的形态更好，分布更均匀。石墨的形态好，就会提高材料的性能，包括切削性能，而石墨化效果好，就能减少铁液的收缩倾向。⑵提高原铁液的硅量，控制孕育量。灰铸铁中的硅一部分是原铁液中的硅，一部分是孕育带入的硅。许多人喜欢原铁液中的硅低点，然后用很大的孕育量孕育，这种做法并不科学：大量的孕育是不可取的，这会增大收缩倾向。孕育是为了增加结晶核心的数量，促进石墨化，少量的孕育（0.2%～0.4%）就可以达到这个目的。从工艺控制来说，孕育量应该相应稳定，不能有过大的变化。这就要求原铁液的硅量也要相应稳定。提高原铁液的硅量，既可以减少白口和收缩倾向，又能发挥硅固溶强化基体的作用，性能反而不降低。目前比较科学的做法是提高灰铸铁原铁液的含硅量，孕育量控制在0.3%左右，这样可以发挥硅的固溶强化作用，对提高强度有利，也对减少铸件收缩有利。⑶合金化的方法对铁液收缩有很大影响。合金化能有效提高铸铁的性能，我们常用的合金元素是铬、钼、铜、锡、镍。铬：铬能有效地提高灰铸铁的性能，随着加入量的增加，性能会一直提高。铬的白口倾向比较大，这是大家最顾忌的问题。加入量太大，会出现碳化物。至于铬量的上限如何控制，不同的加铬工艺，上限有所不同，如果铬加入到原铁液中，其上限不要超过0.35%，提高原铁液中的铬量会使铁