摘要：本文主要論述了合金元素硫、錳含量及其比例，微量元素鈦和氮的控制，
以及孕育劑加入量等對(duì)灰鑄鐵組織和性能的影響。
關(guān)鍵詞：灰鑄鐵；合金元素；微量元素；力學(xué)性能

         In-neglected Technological Problems in Production of
                     High Strength Gray Cast Iron
Abstract: The paper mainly discussed the infulence of content of Surlfur andMangnese, Mn/S ratio, trace element, such as Ti and N, and addition of inoculant on the micro-structure and mechanical properties of high strengh gray cast iron.

Key Words: Gray iron，Alloy element，Trace element，Mechanical properties

     據(jù)統(tǒng)計(jì)，2007 年我國(guó)鑄件產(chǎn)量達(dá)到了 3000 萬(wàn)多噸，其中，灰鑄鐵占 60-70%。由于灰鑄鐵具有獨(dú)特的性能特點(diǎn)，它在機(jī)械、機(jī)床、冶金、汽車等行業(yè)的應(yīng)用中占有非常重要的位置。改革開(kāi)放 30 年來(lái)，我國(guó)的灰鑄鐵生產(chǎn)技術(shù)水平獲得了很大提高。但與國(guó)外先進(jìn)國(guó)家相比，還存在著較大差距。在高強(qiáng)度灰鑄鐵生產(chǎn)過(guò)程中，我國(guó)大多數(shù)工廠比較注重五大元素、合金元素、熔煉溫度、鑄造工藝等因素的控制，這些因素的控制對(duì)提高灰鑄鐵的內(nèi)在質(zhì)量和外在質(zhì)量是至關(guān)重要的。但是，還有一些其他因素沒(méi)有引起人們足夠的重視，這些同樣對(duì)灰鑄鐵的質(zhì)量有著重要影響，譬如，元素硫與錳的含量與比例，微量元素鈦、氮的控制以及孕育劑加入量等細(xì)節(jié)的掌握。本文就這些因素對(duì)高強(qiáng)度灰鑄鐵組織和力學(xué)性能的影響進(jìn)行討論，拋磚引玉，以期引起人們的注意。

1 硫、錳的控制
  （1）硫
  過(guò)去，由于我國(guó)的灰鑄鐵和球墨鑄鐵大部分利用沖天爐熔煉，鐵液的增硫比較嚴(yán)重，導(dǎo)致原鐵液的含硫量較高，使得鑄鐵的鑄造性能、力學(xué)性能降低，球化效果不好，所以，在人們的記憶中硫是一個(gè)有害元素。隨著電爐熔煉工藝的發(fā)展，可以容易獲得含硫量低的鐵液，這對(duì)處理球墨鑄鐵非常有利。但是，有些工廠在灰鑄鐵生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，電爐灰鑄鐵的材質(zhì)性能還不如沖天爐好。因此，硫不能被簡(jiǎn)單的被認(rèn)為是一個(gè)有害元素。
  在灰鑄鐵生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，硫量控制在一定范圍內(nèi)，隨著硫量的增加，片狀石墨長(zhǎng)度變短，石墨形態(tài)變得彎曲，而且石墨的頭部變得鈍化，并細(xì)化共晶團(tuán)，提高強(qiáng)度。

  為什么硫在一定范圍內(nèi)，促進(jìn)石墨化，改善石墨形態(tài)？硫在鐵水中的溶解度很低，對(duì) Fe—C 系平衡相圖的影響不是很大。但硫降低碳在鐵水中的溶解度，理應(yīng)是一個(gè)促進(jìn)石墨化的元素，實(shí)際上它對(duì)石墨化的影響比較復(fù)雜。硫?qū)﹁T鐵的凝固呈現(xiàn)雙重作用[1]，一方面，硫與 Mn、Sr、Ba 等元素形成硫化物，為共晶石墨的成核提供基底,增加共晶團(tuán)數(shù)量；另一方面，硫作為表面活性元素，富集在結(jié)晶前沿，會(huì)抑制共晶團(tuán)的生長(zhǎng)，增加結(jié)晶過(guò)冷度，白口傾向增大。硫可溶于液態(tài)鑄鐵中，但不溶于凝固的奧氏體和共晶團(tuán)中，所以適當(dāng)?shù)牧颍?.04－0.10％S）富集于共晶團(tuán)的邊界而干涉原子的擴(kuò)散，從而限制共晶團(tuán)的生長(zhǎng),使石墨分枝減少，導(dǎo)致生成厚而短的片狀石墨。當(dāng)硫含量較低（<0.03％）時(shí),結(jié)晶前沿硫阻擋層的限制較弱，同時(shí), 缺乏硫化物石墨晶核，降低孕育效果，則易于生成大個(gè)共晶團(tuán)的 D 型石墨和菊花狀石墨。當(dāng)鐵液中的含硫量增加到 0.04－0.10％時(shí)，鑄鐵的孕育效果增強(qiáng)，同時(shí)鐵水的表面張力б降低，鐵水與石墨的濕潤(rùn)角θ減小，使得更多的硫化物基底成為石墨核心，共晶團(tuán)數(shù)增加，A型石墨取代了 D 型石墨。當(dāng)鑄鐵的硫量超過(guò) 0.11%，石墨由片狀又逐漸返回到叢狀 D 型石墨[2]。這是由于當(dāng)含硫量較高時(shí)，硫?qū)﹁T鐵結(jié)晶生長(zhǎng)的抑制作用加強(qiáng)，使結(jié)晶的過(guò)冷度加大，造成有利于過(guò)冷石墨生長(zhǎng)條件,甚至產(chǎn)生白口組織。

  經(jīng)過(guò)大量生產(chǎn)和試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，將含硫量控制在 0.06-0.10%范圍內(nèi)，可以增強(qiáng)孕育效果，改善石墨形態(tài)，對(duì)提高灰鑄鐵強(qiáng)度是有利的，同時(shí)，又能改善鑄鐵的機(jī)加工性能[3]。對(duì)于電爐熔煉灰鑄鐵，經(jīng)常遇到含硫量低的情況，必須采取增硫措施，才能獲得優(yōu)質(zhì)灰鑄鐵件。

（2）錳
   在普通灰鑄鐵中，錳一直作為合金元素控制基體的珠光體含量，通常認(rèn)為加錳可以提高灰鑄鐵的強(qiáng)度和硬度。實(shí)際上，錳對(duì)灰鑄鐵的強(qiáng)度性能的影響具有雙重作用[4]：一方面，錳能促進(jìn)珠光體的形成，細(xì)化珠光體，有助于提高強(qiáng)度；另一方面，含錳量太高，影響鐵液結(jié)晶時(shí)的形核，使共晶團(tuán)數(shù)量減少，石墨粗大，甚至可能出現(xiàn)過(guò)冷石墨，從而使鑄鐵的強(qiáng)度降低。近年來(lái)，通過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐證明，灰鑄鐵強(qiáng)度并不是隨錳量提高而增加，如在汽缸蓋生產(chǎn)中，錳量增加，灰鑄鐵抗拉強(qiáng)度降低，如表 1 所示[5]。
     在鐵液中，錳與硫化合形成 MnS，隨著錳量增加，與錳結(jié)合的硫量就大，使鐵液中的自由硫含量降低，抑制了硫的有利作用，石墨長(zhǎng)度增加，端部鈍化效果變差，導(dǎo)致鑄鐵性能下降。另外，形成的大量 MnS 夾雜物，一部分形成石墨核心，另一部分則會(huì)發(fā)生聚集，形成局部密集的 MnS 排列，消弱了基體的強(qiáng)度。因此，含錳量增加，灰鑄鐵的強(qiáng)度降低。
  另外，有資料表明[6]，錳對(duì)灰鑄鐵強(qiáng)度的影響與碳當(dāng)量有關(guān)。當(dāng)碳當(dāng)量為3.65-3.95%時(shí)，其抗拉強(qiáng)度隨著錳量的增加顯著降低。當(dāng)碳當(dāng)量為 3.96-4.15%時(shí)，其抗拉強(qiáng)度隨著錳量的增加有所提高。

（3）Mn/S 比
  由于硫在灰鑄鐵中具有雙重作用，同時(shí)，錳與硫化合形成的 MnS 又具有核心功能，但過(guò)多的 MnS 對(duì)灰鑄鐵的強(qiáng)度沒(méi)有益處。所以，硫和錳的含量在鑄鐵中存在著相互制約的關(guān)系，即存在著一個(gè)合理的 Mn/S。通常認(rèn)為，當(dāng)S<0.2%時(shí)，以 Mn=1.7S+0.3 來(lái)考慮錳含量。
   生產(chǎn)實(shí)踐證明[6]，Mn/S 對(duì)灰鑄鐵的性能有較大的影響。當(dāng)CE 為 3.70%~3.85%時(shí)，σb 隨 Mn/S 的增大而降低；當(dāng) CE 為 3.90%~4.05 時(shí),σb 隨 Mn/S 的增大先降低然后提高。當(dāng) CE 為 3.70%~3.95%時(shí)，Mn/S=3~5，抗拉強(qiáng)度較佳，取 Mn/S=4；當(dāng) S=0.07%~0.15%時(shí)，Mn 0.3%~0.6%。當(dāng) CE 為 3.96%~4.05%時(shí)，Mn/S=5~7，抗拉強(qiáng)度較佳，取 Mn/S=6，當(dāng) S=0.07%-0.15%時(shí)，Mn 0.4%~0.9%。

2 鈦的控制
   鈦是強(qiáng)烈形成碳化物，與碳、氮、氧具有很強(qiáng)的化學(xué)親和力，形成 TiN、TiC、或 Ti（N C），其硬度極高(TiC 3200Hv，VC 2800Hv)，常以顆粒狀存在于鑄鐵基體中。少量的Ｔｉ可以細(xì)化石墨，但隨著鈦含量的增加，Ｄ型石墨增多，并且，Ti 分布在Ｄ型石墨區(qū)域。當(dāng) Ti 含量超過(guò) 0.15％，Ｄ型石墨達(dá)到 95％。Ti 對(duì)灰鑄鐵抗拉強(qiáng)度有較大的影響[7]。當(dāng)含 Ti 量在 0.13%以下時(shí)，灰鑄鐵的抗拉強(qiáng)度隨含 Ti量的增加而下降，含 Ti 量為 0.13%時(shí)，出現(xiàn)了最低值 222.20MPa；當(dāng)含 Ti量大于 0.13%時(shí)，其抗拉強(qiáng)度隨含 Ti 量的增加而升高，當(dāng)含 Ti 量增加到 0.36%時(shí)，抗拉強(qiáng)度升高到 271.79MPa。Ti 對(duì)灰鑄鐵硬度也有較大的影響。當(dāng)含 Ti 量在0.04%以下時(shí)，隨 Ti 量的增加硬度下降；當(dāng)含 Ti 量大于 0.04%時(shí)，其硬度隨含 Ti 量的增加而增加;當(dāng)含 Ti 量為 0.36%時(shí)，硬度高達(dá) 226HB。
   Ti 含量小于 0.03%時(shí)，鐵液的白口傾向減小，具有提高灰鑄鐵冶金質(zhì)量指標(biāo)的趨勢(shì)。值得注意的是，含鈦量的大小對(duì)灰鑄鐵的加工性能影響較大[8]。隨著鈦含量的增加，刀具磨損嚴(yán)重，同時(shí)，影響加工鑄件的表面光潔度。

3 氮的控制
   一般情況下，氮在灰鑄鐵中含量較低，生產(chǎn)單位大都不具備化驗(yàn)氮的手段和儀器，所以，它對(duì)灰鑄鐵的作用沒(méi)有引起人們的足夠重視。研究表明[9]，氮對(duì)灰鑄鐵的組織有較大的影響，主要作用表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是對(duì)基體組織的影響；二是對(duì)石墨形態(tài)的影響。
   氮降低灰鑄鐵的共析轉(zhuǎn)變溫度，并使得共析轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間加大[10]。氮對(duì)灰鑄鐵基體的影響表現(xiàn)在三個(gè)方面：一是氮可以使初生奧氏體枝晶臂間距減??；二是氮作為碳化物穩(wěn)定元素，促進(jìn)鑄態(tài)珠光體的含量增加和穩(wěn)定性；三是有效地促進(jìn)共晶形核，細(xì)化基體組織，增加珠光體和鐵素體的顯微硬度。氮對(duì)鑄鐵石墨的形態(tài)、數(shù)量、分布有很大影響。日本張博等人的研究表明，鑄鐵中吹入氮?dú)猓患尤肴魏吻蚧?，可以使石墨球化。?duì)于普通灰鑄鐵，加入適量的氮可使得片狀石墨長(zhǎng)度縮短、彎曲程度增加、端部鈍化、長(zhǎng)寬比減小。因此，灰鑄鐵中含有一定的氮，可顯著提高強(qiáng)度和硬度。
  生產(chǎn)實(shí)踐證明，在相同化學(xué)成分條件下，沖天爐熔煉鐵液澆注的鑄件力學(xué)性能低于電爐熔煉。通常認(rèn)為，其原因是沖天爐鐵液溫度低，存在著爐料遺傳問(wèn)題。實(shí)際上，這與鐵液的含氮量有關(guān)。沖天爐熔煉時(shí)，由于使用生鐵量較多，而高碳生鐵的含氮量較低，一般沖天爐灰鑄鐵中的含氮量為 40-70ppm[11]。通常廢鋼的含氮量比鑄造生鐵高的多，用感應(yīng)電爐熔煉鑄鐵時(shí)，爐料中所用生鐵較少，廢鋼比例較大，另外，電爐熔煉多使用增碳劑，而大多數(shù)增碳劑中氮含量較高，所以，感應(yīng)電爐熔制的灰鑄鐵含氮量比較高。一般，爐料中廢鋼比例越大，鑄鐵中含氮量越高，如表 2 所示[11]。
        

 另外，需要指出，不同煉鋼工藝獲得的廢鋼的含氮量也是不同的，如表 3 所示。
              

  氮是廉價(jià)的資源，對(duì)改善灰鑄鐵的組織和力學(xué)性能具有積極的作用，在當(dāng)今鐵合金價(jià)格飛漲的形勢(shì)下，有效利用氮對(duì)灰鑄鐵進(jìn)行微合金化是值得重視的技術(shù)。但是，也應(yīng)該充分注意過(guò)量的氮將造成氣孔甚至微觀裂紋缺陷。因此，在氮的應(yīng)用中，應(yīng)注重其科學(xué)性，充分合理地利用氮的積極作用，盡量避免其消極作用。

4 孕育劑加入量控制
     孕育處理是高強(qiáng)度灰鑄鐵生產(chǎn)中的重要技術(shù)環(huán)節(jié)。孕育的主要目的是：促進(jìn)石墨化，減少白口傾向；改善斷面均勻性；控制石墨形態(tài)，減少過(guò)冷石墨，獲得細(xì)小的 A 型石墨；增加共晶團(tuán)數(shù)量；改善力學(xué)性能和其他性能。
  由于孕育可顯著提高共晶團(tuán)數(shù)量，有些工廠為了提高灰鑄鐵的強(qiáng)度，認(rèn)為孕育劑加入量越多越好，有的達(dá)到 0.8-1.0%。實(shí)際上這是一個(gè)錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)。孕育劑加入量是孕育工藝中必須考慮的一個(gè)重要因素。加入量太少，將導(dǎo)致孕育不足產(chǎn)生白口和硬度太高的現(xiàn)象，從而使力學(xué)性能和加工性能降低。但是，孕育劑加入量過(guò)多，并不能增加孕育效果，可能帶來(lái)以下不利影響：過(guò)多的孕育劑加入量，使鐵液降溫增加，可能造成熔化不完全，增加夾渣的可能性；使鐵液的收縮量加大而產(chǎn)生縮孔的可能性加大；由于共晶團(tuán)數(shù)過(guò)多，導(dǎo)致粥狀凝固，石墨化膨脹增加產(chǎn)生型壁位移，而易產(chǎn)生縮松，造成鑄件的滲漏。
     生產(chǎn)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)[3]，有意識(shí)的降低原鐵液的含硅量而加大孕育量，灰鑄鐵的力學(xué)性能并不比高硅原鐵液通過(guò)適量孕育得到力學(xué)性能好。一般認(rèn)為，對(duì)原鐵液盡量控制較高的含硅量，將孕育量控制在 0.4%左右為宜。
     通常所講的強(qiáng)化孕育處理，不是指加大孕育劑用量，而是指選擇合適的優(yōu)質(zhì)孕育劑，改進(jìn)孕育工藝方法，如長(zhǎng)效孕育劑、隨流孕育、型內(nèi)孕育等。

5 結(jié)束語(yǔ)
     當(dāng)前，隨著原材料價(jià)格上升，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的更加劇烈，灰鑄鐵作為一種傳統(tǒng)的金屬結(jié)構(gòu)材料，正面臨著質(zhì)量、性能和價(jià)格的嚴(yán)重挑戰(zhàn)。鑄造企業(yè)應(yīng)順應(yīng)灰鑄鐵材質(zhì)高強(qiáng)度化、高附加值化和工藝穩(wěn)定化的趨勢(shì)，提高鑄件質(zhì)量，加大技術(shù)開(kāi)發(fā)力度，籍以全面提升產(chǎn)品和服務(wù)質(zhì)量，增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，提高技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。
     在灰鑄鐵的生產(chǎn)過(guò)程中，以往人們只注重常規(guī)五大元素對(duì)鑄鐵材質(zhì)的影響，而對(duì)其他一些微量元素的認(rèn)識(shí)不足，僅僅有的也是一個(gè)定性認(rèn)識(shí)。近年來(lái)，由于鑄造技術(shù)的進(jìn)步，熔煉設(shè)備也在不斷的更新，當(dāng)前焦炭?jī)r(jià)格節(jié)節(jié)攀升，沖天爐熔煉成本逐漸增加，很多企業(yè)正在考慮用電爐代替沖天爐熔化鐵液。電爐熔煉固然有其沖天爐不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，但電爐熔煉也失去了沖天爐熔煉冶金反應(yīng)好的一些優(yōu)點(diǎn)。這樣，某些微量元素對(duì)灰鑄鐵組織和性能的影響也就反映出來(lái)。因此，要想獲得優(yōu)質(zhì)灰鑄鐵件，除了嚴(yán)格控制常規(guī)工藝外，對(duì)于其他容易被人們忽略的技術(shù)問(wèn)題，如硫、錳、微量元素的控制，以及孕育劑加入量等應(yīng)給予足夠的重視。

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