高品质灰铸铁的生产技术

高品质灰铸铁既要有高的强度和硬度，同时还要有好的切削性能。组织要尽量追求均匀一致，即均匀分布、中等大小的A型石墨；均匀分布、中等或中细的珠光体基体；尽可能少的夹杂物颗粒；尽可能少的游离分布的渗碳体和磷共晶；材质纯净。

近几年，许多轿车合资企业在缸体国产化生产中都碰到了一个非常棘手的问题，即所有国产化的材质切削性能都较差。其原因可分为两大方面，一是先天不足，即基础件、硬件上存在差距，如熔炼技术、原材料质量等；二是工艺水平的差距，如孕育技术、合金化技术等。以下针对这几方面进行阐述。

1熔炼技术

讨论熔炼技术必须先弄清铁水中的碳是如何获得的，因为铁水中碳的获得方式不同，会对石墨的形态和分布产生根本的影响。

获得高品质的石墨是生产高品质灰铸铁关键的技术。高品质的石墨即是指均匀分布的、中等或中细大小的A型石墨。一切工艺措施都应该围绕这个目标。

国产化的灰铸铁材质与国外的主要差距表现为石墨形态，产生这种差距有许多深层次的原因，根本的原因是铁水中碳的获得方式不同。碳的获得方式有两种，一种是通过多加生铁获得；另一种是通过铁水渗碳获得，这两种方式对灰铸铁的性能都产生巨大的影响，即同样的铁水化学成分，性能会相差1~2个牌号。铁水中的碳如果是通过渗碳获得的，则石墨的形态好，分布均匀，大小适中。铁水中的碳如果是通过多加生铁获得的，则石墨的形态差，常会产生一些粗大的石墨，也就是所说的生铁遗传性。

铁水熔炼方式不同，渗碳技术也不同。电炉熔炼要往铁水中加入渗碳剂。而对于冲天炉熔炼，关键是要提高铁水的熔炼温度。国外冲天炉基本上都是采用热风送风，有的还加氧，焦炭的质量好，铁水熔炼温度高，能够达到1550摄氏度以上，因此焦炭在铁水中的渗碳率高，铁水中的碳基本上都是通过渗碳获得的，生铁基本不加或加入量很少。与国外相比，国内冲天炉熔炼技术比较落后，大都是采用冷风送风，对焦炭的质量不重视，铁水熔炼温度低，一般为1450摄氏度左右，焦炭的渗碳率低，铁水中的碳只能通过多加生铁来获得。而生铁加入量越多，材质的性能就越差，这是根本的先天不足。

对于电炉熔炼，同样存在着碳的获得方式问题。许多人往往采取简单的只用生铁和废钢配料的方法生产铸铁，这种大量加入生铁的做法严重影响了铸件质量。因此，一定要加入渗碳剂增碳，减少生铁的加入量，从根本上改善石墨的形态，提高材质的性能。

2原材料质量

原材料的质量取决于原材料中的微量元素含量。

铸铁中的微量元素主要来自生铁和废钢，生铁一定要用高品质的生铁，废钢一定要用碳素钢，严禁混入合金钢。

由于生铁的加入量较大，因此生铁质量的好坏对铸件质量产生重要影响。我国好的生铁产自本溪矿脉。但由于资源有限，现在生产的生铁中加入了一部分其他矿石，某些微量元素的含量比以前高了许多。

由于微量元素累积到一定程度会使铸铁产生不良的石墨组织并影响基体组织，有时候产生的影响是致命的，因此有必要了解各种微量元素的特点。

微量元素的影响可分为3大方面，一是对石墨的影响，如铅会严重恶化石墨形态；二是对基体组织的影响，如钒会促进产生大量的索氏体，恶化切削性能；三是对夹杂物的影响，如钛可形成钛化物颗粒，对切削性能产生影响。

3冷却速度

铁水冷却速度的快慢对石墨形态和金相组织产生很大影响，而冷却速度是由造型方法决定的。金属型铸造、金属壳型铸造、壳型填铁丸等铸造方法之所以能够生产出材质优良的铸件，正是由于其的冷却速度比较高。造型方法不同，冷却速度产生差异，对材质性能产生的影响是无法用其他工艺措施来弥补的。

对于曲轴和凸轮轴等轴类铸件，往往都要进行表面淬火处理，对材质的质量要求非常高。所以，这类铸件基本上都是采取冷却速度比较高的造型方法生产。

4合金化工艺

合金化的主要作用是提高铸件材质的强度和硬度。但合金化对石墨形态也是有影响的，许多人忽视了这方面的影响。

铜是生产灰铸铁常加入的合金元素，主要原因是由于铜熔点低，易熔解，合金化效果好，不增加铁水的白口倾向。因此，许多人认为多加铜不会产生危害性。但这种观点是错误的。铜的适宜加入量为0.2%~0.4%。大量地加铜，同时又加入锡和铬的做法对切削性能是有害的，它会促使基体组织中产生大量的索氏体组织。

钛在铁水中与氮、碳的亲合力强，容易形成氮化钛或碳化钛颗粒，一定数量的氮化钛或碳化钛颗粒分散分布在基体中，可提高缸体的耐磨性，但钛化物数量多，对加工性能不利，尤其是对精镗、珩磨危害性大，因此必须加以限制。控制钛的含量，一般是将钛含量控制在工艺要求的下限，即0.03%~0.05%。

钛含量过多，会使石墨过冷，容易产生大量D、E型过冷石墨，所以钛含量一定要控制在下限，并采取有效的孕育措施，消除过冷石墨的影响。

钛的烧损严重，往铁水中直接加入钛铁时，钛的吸收率不稳定，成分难以控制，所以应将其做成中间合金加入到铁水中。

稀土元素能中和灰铸铁中的许多杂质元素，净化铁水，尤其是与硫产生强烈的反应，形成石墨成核的核心，显著地影响材料性能。因此，稀土元素在灰铸铁中的作用是有利的。特别是对于用高碳当量的铁水生产比较厚大的铸件时，加入稀土元素有利于细化石墨，不致于使石墨过分粗大，提高材质性能。

稀土元素的负面影响主要是使铁水过冷倾向增大，因此加入量不易过多，具体加入量要根据铁水和铸件进行调整。稀土还有使石墨形态蠕变的倾向。

往铁水中加入稀土元素同样有技术性，直接加入时吸收效果很差，而且造渣严重，必须将其做成中间合金，用一种载体元素把它带入到铁水中。

锡和锑都是强烈地稳定珠光体的合金化元素，当希望提高铸件的硬度时，尤其是冷却条件比较差的铸件，加入少量的锡和锑能起到明显的改善作用。

锑的合金化作用比锡更强烈。锡对石墨形态没有影响，锑使石墨长度变短，尤其是对于厚大铸件，使石墨变短的作用更明显。虽然石墨长度变短了，但石墨并不细化，并伴有少量块状石墨。对于生产厚大断面的铸件，无论是球铁还是灰铁，加入少量的锑对改善其石墨形态是有利的。

锑的含量不超过0.02%时，对材质的性能不会产生有害的影响。但如果锑的含量过高，则会使材质脆化，产生有害影响。

铬的合金化效果是非常强烈的，主要是因为加铬使铁水白口倾向增大，铸件易收缩，产生废品。所以，应对铬量加以控制。一方面希望铁水中含有一定量的铬，以提高铸件的强度和硬度；另一方面又将铬严格控制在下限，以防止铸件收缩而造成废品率增加。传统的经验认为，原铁水铬量超过0.35%时，将对铸件产生致命的影响。

采用铬锰硅合金，用包内冲入法加入时，虽然铬量提高了，但铁水的白口倾向和收缩倾向并不增大，铬量可以放宽到0.5%。对比试验发现，单独加铜生产的气缸体，缸壁处会产生许多菊花状的B型石墨；而改用铬锰硅生产的缸体，缸壁处菊花状的B型石墨基本消除，缸孔硬度提高，生产工艺稳定。

5孕育技术

孕育的主要目的是为了促进石墨的析出，消除白口。

对孕育技术的研究主要是对孕育剂的研究和孕育方法的研究。我国孕育剂的品种比较单一，主要还是以75SiFe为主。75SiFe中的铝、钙含量对孕育效果影响很大，尤其是钙的含量。我们现在使用的75SiFe，其钙含量低，孕育效果差。为了提高孕育效果，应当要求孕育剂生产厂家提高钙的含量。含1.0%~1.5%钙、0.8%~1.2%铝的75SiFe才会有较好的孕育效果。

近几年，我们国家开发了多种以75SiFe基的孕育剂，满足了不同类型铸件特别是薄壁高强度灰铸铁件的要求。

a含钡孕育剂。钡在改善铸件壁厚敏感性和提高抗衰退能力方面有显著效果，即具有长效性。

b含稀土孕育剂。少量稀土能提高孕育效果，有显著减小白口倾向的作用，减慢衰退速度。但加入量不能过大，否则会使白口增大。如与钙、钡复合使用，则其白口倾向减小，过冷石墨减少，具有长效功能，是生产薄壁高强度灰铸铁较好的孕育剂。

c含锶孕育剂。能使厚断面出现的缩孔、缩松减少，薄断面能显著消除白口，衰退慢。

d含锆孕育剂。加锆可提高抗衰退能力，有利于消除铸件中的气孔，减小白口倾向，得到均匀分布的A型石墨。随流孕育技术在球铁生产中是一项非常关键的技术，但是在灰铁生产中却很少应用，这主要是对它的重要性认识不足。生产高品质的灰铸铁是离不开随流孕育技术的。随流孕育能有效地改善石墨形态，促进石墨均匀析出。对于生产薄壁缸体铸件，能有效防止薄壁处产生白口，还能减少或消除基体组织中游离分布的渗碳体和磷共晶，使珠光体组织片层间距均匀。

长期以来，许多从事铸铁材料研究的人把更多的精力放在了球墨铸铁和蠕墨铸铁的研究上，却忽略了对灰铸铁生产技术的研究。其实，高品质灰铸铁的生产技术和球墨铸铁一样，都需要认真研究给予足够的重视。

6结束语

综上所述，在对铸铁材质质量产生重大影响的五大方面的因素中，铸铁熔炼技术、原材料质量、铸型冷却速度对铸铁材质产生的影响是根本的。如果材质方面产生的差距是由这几方面的因素造成的，要想通过合金化工艺和孕育技术来弥补，有时是不可能的。所以，对基础的、硬件方面的重要性一定要认识清楚。