灰铸铁应用发展的一些动向解读Word文档格式.docx

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46.5

2478.3

25.1

2012

10083.5

4599.6

45.6

2516.7

25.0

2013

10323.0

4782.2

46.3

2505.8

24.3

目前，欧洲有一些国家球墨铸铁件的产量略大于灰铸铁件的产量，如法国、英国、丹麦、挪威、奥地利、西班牙、葡萄牙和瑞士等。

但是，铸件产量最多的5国中，只有美国的球墨铸铁件产量略高于灰铸铁件，其它各国产量居首位的都是灰铸铁件，参见表2。

表2铸件产量居前五位各国的铸件总产量、灰铸铁件和球墨铸铁件产量

中国

美国

印度

德国

日本

铸件总产量（万吨）

3960.0

823.8

905.2

479.4

475.8

灰铸铁件产量（万吨）/占比（％）

1900.0/48.0

263.3/32.0

618.0/68.3

218.5/45.6

215.8/45.4

球墨铸铁件产量（万吨）/占比（％）

1050.0/26.5

275.3/33.4

105.3/11.6

148.7/30.9

135.1/28.4

4126.0

1000.8

999.4

546.7

547.4

1968.0/47.7

296.2/29.6

679.8/68.0

254.1/46.5

219.0/40.0

1037.5/25.1

384.1/38.4

109.0/11.0

169.8/31.1

163.5/29.9

4250.0

1282.5

934.4

521.4

534.3

2010.0/47.3

429.6/33.5

625.4/66.9

239.3/45.9

220.9/41.3

1090.0/25.6

448.0/35.0

98.1/10.5

164.2/31.5

137.8/25.8

4450.0

1225.0

981.0

518.7

553.8

2055.0/46.1

408.3/33.3

670.0/68.3

238.1/45.9

213.6/38.6

1160.0/26.1

425.2/34.7

100.0/10.2

154.2/29.7

168.3/34.4

正是由于灰铸铁的用量很大、应用面很广，而且还是最便宜的铸造合金，大家对它已经习以为常，一般都视之为最普通、最简单的事物，有的人甚至对其有些不屑一顾。

实际上，虽然人类与灰铸铁件打交道已经三千年多了，但是，迄今为止，我们对它的认识仍然十分肤浅，灰铸铁潜在的功能远没有充分发挥，研究、开发的空间仍然广阔。

为了适应各行业持续发展的需求，进一步加强对灰铸铁的研究，从而在材质和熔炼工艺方面不断有所创新，是铸造行业必须面对的重要课题。

近二、三十年，各工业国家都很重视灰铸铁方面的研究和创新，从而，在其应用方面出现了一些令人振奋的新动向。

一、汽车行业中灰铸铁件应用的可喜动向

汽车行业中，灰铸铁件的应用很广，除制动鼓、制动盘等要求热导率高的铸件是传统的灰铸铁件外，由于灰铸铁在铸造性能、耐磨性、减震性能等方面的优点，二、三十年以前，在内燃机缸体、缸盖方面，灰铸铁一直都是占主导地位的材质。

但是，自上世纪80年代中期以后，出于轻量化的考虑，汽车设计方面，汽油机缸体、缸盖的材质开始出现了用铝合金代替灰铸铁的趋向。

80年代末期，欧洲缸体、缸盖铸件采用铝合金材质者大约还只占10％左右，到2007年，十多年时间内，即快速增长到占50％左右，大有很快就全部取代灰铸铁的势头。

但是，从2007年开始，情况有了很值得关注的变化：

2007～2009年间，欧洲用这两种材质制造的缸体、缸盖，用量大体上保持稳定、平衡的态势；

而且，从2010年起，进一步出现了逆转的态势，铝合金缸体、缸盖的用量缓慢下降，与之相应，灰铸铁缸体、缸盖的用量呈现了逐渐增长的态势。

近二、三十年来，这种情况是颇为罕见的，其主要原因是：

1、随着对燃料利用率和废气排放的要求日益严格，内燃机废气排放的温度不断提高，铝合金高温力学性能方面的弱势日益显现；

2、冶炼铝的能耗很大，炼制1吨铝需耗能45000kWh左右，大约是炼制1吨生铁的10倍。

用铝合金铸件代替灰铸铁件，虽然实现了轻量化，但大幅度增加了产品的总体能耗；

3、比之灰铸铁件，铝合金铸件的生产成本明显较高。

灰铸铁的主要弱项是强度较低，为了增强灰铸铁在竞争中的优势，必须在不过多提高生产成本的条件下改善其力学性能。

如果能做到这一点，不仅在汽油机缸体、缸盖方面比铝合金更具竞争能力，在高功率柴油机缸体、缸盖方面也可以与蠕墨铸铁一争高下。

要想在不过多提高生产成本的条件下改善灰铸铁的力学性能，关键在于发掘传统灰铸铁的潜在功能，为此，必须对灰铸铁的凝固过程有更为深入的认识，包括初生奥氏体枝晶的析出、石墨的生核、共晶转变、残留易熔相的凝固及其影响、前期的预处理、孕育处理、合金元素的合理应用等许多方面的问题。

目前，各工业国家都加强了这些方面的研究工作。

更为重要的是，要将经过确认的成果、按照企业的具体条件，逐步落实在生产过程中。

合金元素的应用方面，要尽可能地利用资源充裕、价格低廉的材料。

二、预处理工艺的推广应用

铸铁的预处理工艺，是为适应感应电炉熔炼的冶金特点而导出的。

大约在上世纪70年代后期开始应用于欧洲，随后，差不多与感应电炉熔炼铸铁的工艺同步发展。

感应电炉熔炼组织中含石墨的铸铁，采用预处理工艺，可以改善石墨结晶析出的生核条件，从而使铸铁的共晶转变温度提高，减轻过冷度，增加共晶团数量，还可以使铸铁力学性能参数值的波动范围减小，改善铸件的加工性能。

预处理工艺的良好作用，已经由很多研究工作和实际生产条件下的考核所确认。

目前，一些工业国家中，预处理工艺的应用面很广，可以说已经是感应电炉熔炼铸铁的常态工艺。

1980年、82年，笔者曾经在美国造访过好几家用感应电炉熔炼铸铁的铸造厂，就没有见到一家不采用预处理工艺的。

2013年，我国灰铸铁件的产量为2055万吨，占全世界灰铁铸件总产量的43％，但是，据我所知，采用预处理工艺的铸造厂却很少很少。

预处理工艺的效果是肯定的，但是，这项工艺从开始研发至今，毕竟只有四十多年，尽管一些工业国家进行了大量的试验研究工作，迄今为止，对其作用机制的认识，最多也不过是知其梗概而已。

工艺过程中，许多变数的影响都还有待深入的探索。

1、预处理工艺的兴起

从上世纪60年代起，中频感应电炉有了重大的改进，晶闸管静态变频电源、逆变变频电源相继问世，热效率可达70％，加以生产安排灵活方便、有利于环境保护等方面的优点，感应电炉的应用日益增多。

冲天炉熔炼铸铁，已经有二百多年的历史，我们对于铸铁质量的控制已经积累了很多经验。

一旦转而改用感应电炉，铸铁熔炼的过程大不相同，简单地沿用老经验就难以确保铸件的冶金质量，生产中就会不断出现新的问题，如：

白口倾向大，石墨化程度不符合要求等。

尤其令人头痛的是，即使在炉料配比不变、原铁液的成分符合要求、铁液温度相同的条件下，也很难保持铸铁的性能稳定、一致。

预处理是针对上述问题研发的重要技术措施之一，上世纪70年代，欧洲铸造行业率先先采用这项工艺。

谁是这项工艺的创始人？

我没有办法确切地查证，但是，广为人知的是，英国S.Russell公司铸造部对于开发这项技术是有贡献的。

Russell公司1952年开始生产铸铁件。

60年代末，考虑到需求量增长的态势很强，而且环保的要求将日益严格，在原有冲天炉的基础上，装设了2台1.5吨感应电炉，1972年又增加了2台8吨感应电炉。

采用感应电炉熔炼后，为了解决铸铁冶金质量不稳定的问题，公司进行了多方面的分析研究，逐步认识到：

问题在于铸铁中SiO2之类的微细氧化物颗粒少了，共晶转变时石墨化的生核条件不充分。

据此，决定进行预处理的试验研究工作，预先在炉内加入预处理剂，使铁液中存在的SiO2之类的氧化物颗粒增加。

经过试验室工作和生产考核，都表明预处理的效果很好，铸铁性能的稳定性明显改善。

1978年美国铸造师学会的年会上，Russell公司的B.C.Godsell，介绍了研发预处理工艺的经验，受到了广泛的关注。

此后，对预处理工艺的试验、研究一直没有间断。

用感应电炉熔炼灰铸铁和球墨铸铁的企业，熔炼过程中采用预处理的日见增多，甚至还进一步推广到冲天炉熔炼。

2、在熔炼灰铸铁方面的应用

用感应电炉熔炼灰铸铁时，在保持原铁液中硫含量不低于0.06％，且有一定的氧含量的条件下，采用预处理工艺，可使铸铁共晶转变时的过冷度减小，避免组织中出现B型、D型和E型石墨，组织中共晶团数量增多，从而，铸铁的力学性能得以提高，而且比较稳定。

如果预处理工艺得当，还可以明显减缓孕育作用的衰退。

生产薄壁铸件时，不仅可避免组织中出现碳化物，而且可使过冷石墨（B型和D型）减至最少。

经预处理工艺的铁液，可用于砂型铸造，也可用于金属型铸造和离心铸造。

3、预处理剂及加入方法

1）碳化硅

从预处理工艺开始研发之日起，几十年来广泛用于灰铸铁的预处理剂是碳化硅，主要是碳化硅含量75％左右的冶金碳化硅。

今后，随着对预处理作用机制的认识逐渐深化，当然会不断有效果更好的新品种问世。

碳化硅是将硅砂和焦炭（或石油焦）置于电极加热的电阻炉内，在1450～1900℃的高温下，由碳将SiO2还原而制得的。

在制造、破碎、烧结过程中，SiC颗粒表面都会形成很薄的SiO2保护膜。

一般的碳化硅，都含有5％左右的游离SiO2，这也就是SiC抗氧化能力特别强，能用作耐火材料和电热组件的原因。

碳化硅溶于铁液后，游离SiO2以非常微细的颗粒分散于铁液中，对于异质晶核的生成非常有益。

国外有研究者认为，碳化硅的预处理作用主要在于含有这种游离SiO2。

碳化硅的熔点很高，在2700℃以上，2600℃以下相当稳定。

在熔炼铸铁的温度下，烧损量很少，而且不可能‘熔化’，只能逐步‘溶解’、扩散，因而其作用的时效相当长。

碳化硅加入后需要一定的时间使之溶于铁水，而且需要搅拌，以加速其溶解。

用感应电炉熔炼时，可在出铁前将预处理剂加入炉中。

考虑到碳化硅的密度低，约为3.2～3.3％，熔清后加入，易浮在液面，还是随固体炉料一并加入为好。

作为预处理剂，碳化硅的加入量一般为金属炉料的0.5～1％。

由于预处理的效果受铁液的成分、炉况条件以及作业方式等多种因素的影响，铸造厂最好是通过试验，求得适合企业具体条件的最佳用量。

2）预处理剂的发展

十多年前，瑞典Elkem公司基于T.Skaland等人对铸铁中石墨生核进行的研究工作，考虑到Al、Ca、Zr等元素的硫化物、氧化物，都是异质晶核中的主要组成物，研制了一种新型预处理剂“Preseed”，其主要成分（％）如下：

SiCaZrAl

62～690.6～1.93.0～5.03.0～5.0

据称这种预处理剂的效果很好，用量比碳化硅少得多，只是金属炉料的0.1％左右。

此外，也有用晶态石墨作预处理剂的报道。

三、逐渐增强对灰铸铁中初生奥氏体枝晶的控制

出于强度方面的考虑，灰铸铁主要是亚共晶铸铁，在对热导率、耐磨性能或减震性能有特殊要求、必须增加组织中石墨所占的份额时，也有用共晶或微过共晶成分的。

影响灰铸铁力学性能的因素很多，主要如：

初生奥氏体的数量和形态、片状石墨的数量和形态、共晶团的数量、基体组织和最后凝固区的状况等。

灰铸铁中初生奥氏体枝晶是影响力学性能的重要因素，铸铁组织中初生奥氏体枝晶所占的体积分数提高，铸铁的强度随之提高，交错、接搭的枝晶尤为有益。

长时期以来，在改进灰铸铁力学性能方面的研究工作主要是都着重于孕育处理，从而改善石墨片的形态、增加共晶团的数量、增强基体组织。

此外，在优化成分、合金化方面也做了大量的研究工作。

铸造界的许多前辈为这类工作奉献了毕生的精力，使得灰铸铁的性能得以不断改善，从而具有很强的适应能力，至今仍然是用量最大的铸造合金。

但是，长时期以来，对灰铸铁中初生奥氏体枝晶方面的研究工作，相对而言的确是太少了。

其主要原因是，初生奥氏体在二次结晶过程中要发生碳的脱溶和共析转变，用常规的显微观察方法很难分辨其形貌、大小以及在铸铁组织所占的份额。

也正是因为这个原因，到目前为止，我们对初生奥氏体的认知还很不够，控制的自由度当然也就不大，在实际生产中，工艺技术人员在质量控制方面很少考虑初生奥氏体的作用，大家对它也知之甚少。

长期以来，铸造行业中提高灰铸铁强度的一项主要措施是降低铸铁的碳当量，实际上，其主要作用就是提高组织中初生奥氏体所占的体积分数。

为提高强度而加入的合金元素，除改善组织、增加珠光体含量以外，很多元素也还具有促进初生奥氏体增加的作用。

近几十年，一些国家的高等学校和研究机构都增强了对铸铁中初生奥氏体的研究，检测组织中初生奥氏体含量的方法也不断改进，使我们对控制初生奥氏体的作用有了进一步的认识。

看来，在实际生产中，通过控制初生奥氏体提高灰铸铁强度已经为期不远了。

1、初生奥氏体枝晶的析出

工业用的灰铸铁，以亚共晶铸铁居多。

亚共晶铸铁凝固过程中首先析出的是初生奥氏体，这是大家都熟知的。

实际生产中，铸铁件是在非平衡条件下凝固的，共晶、微过共晶（即使碳当量高达4.7％），铸造组织中仍然有一定量的初生奥氏体，这里，就不同共晶度的铸铁作简单的分析，见图1

图1亚共晶、过共晶铸铁中初生奥氏体的析出

a－亚共晶铸铁；

b－过共晶铸铁

（1）亚共晶铸铁

碳当量为Fe亚的亚共晶铁液，冷却到液相线BC以下，就开始析出低碳初生奥氏体枝晶，液相中碳当量随之沿BC线逐渐增高。

冷却到温度T1，由于已逐渐析出初生奥氏体枝晶，液相中的碳含量增高到C1。

冷却到共晶温度TEG，液相中的碳含量为共晶碳含量C，由于并非处于平衡状态，而且铁液中没有石墨作为共晶奥氏体析出的依托，不可能在此温度下发生共晶转变。

冷却到共晶温度TEG以下某一温度T2时，液相中的碳含量已经沿BC的延长线增高到C2，为过共晶成分，石墨异质生核、结晶析出。

石墨析出后，液相中的碳当量降低到共晶成分附近，奥氏体以石墨为核心结晶析出，发生共晶转变。

在共晶转变的初期，仍然有初生奥氏体析出，有一段初生奥氏体析出和共晶转变重叠的过程。

（2）过共晶铸铁

碳当量为Fe过的过共晶铁液，冷却到CD线以下，开始析出初生石墨，未凝的液相中碳当量沿DC线逐渐降低。

冷却到温度T1时，由于已逐渐析出初生石墨，液相中的碳当量降低到C1＇，碳当量仍然略高于共晶成分C，不析出奥氏体。

冷却到共晶温度TEG，液相中的碳当量为共晶碳含量C，由于并非处于平衡状态，仍然不析出奥氏体，也不可能发生共晶转变。

冷却到共晶温度TEG以下某一温度T2时，液相中的碳含量已经沿DC的延长线降低到C2＇，为亚共晶成分，析出初生奥氏体枝晶。

由于初生奥氏体的析出，液相中的碳当量回归到共晶成分附近，奥氏体以石墨为核心结晶析出，发生共晶转变。

（3）共晶铸铁

在非平衡状态下，即使是碳当量为共晶成分的铁液，冷却到共晶温度TEG，也不可能立即发生共晶转变。

冷却到TEG温度以下，初生奥氏体枝晶生核、析出。

由于铁液中单向性生核，石墨不可能依托奥氏体析出。

液相中碳当量提高后，石墨借助于异质生核结晶析出，液相中的碳当量回归到共晶成分附近，奥氏体以石墨为核心结晶析出，发生共晶转变。

2、初生奥氏体枝晶的形态及其作用

奥氏体的晶格是面心正立方，直接自铁液中生核、成长时，只有按原子密排面（111）生长，表面能最小，形成八面体晶体，析出的奥氏体才稳定。

然后，因为晶体的棱角前沿铁液中溶质的浓度梯度大，易于扩散，棱角的成长速度比平面大，就形成了一次枝晶，又在此基础上长出二次枝晶，进而长出三次枝晶，因此，通常都称之为奥氏体枝晶。

实际生产中的铸铁，由于铁液中各部位温度的差异、成分的偏析以及热流的影响，初生奥氏体枝晶可以成长为柱状晶，也可以是等轴晶。

柱状晶在铸型壁上生核，向热流的反方向长大。

等轴晶在铁液中生核，向热流的方向长大。

铸铁中的奥氏体枝晶还具有不完整、不对称的特征，各个枝晶、一个枝的各部位，生长的状况都有差别。

此外，也有在热流作用下破损、缺失的部位。

灰铸铁中，石墨的形态是片状的，有切割金属基体的作用，因而，灰铸铁的抗拉强度比基体相同的球墨铸铁低得多。

但是，在灰铸铁中，初生奥氏体枝晶析出和长大的过程中，是不会被石墨切割的，所以，初生奥氏体枝晶的强度很好，其在灰铸铁中的作用好象混凝土中的钢筋，其增强灰铸铁的作用不亚于片状石墨的形态。

表述奥氏体枝晶特点的主要参数是：

二次枝晶的间距，枝晶的平均长度，枝晶的数量和方向性。

亚共晶灰铸铁凝固过程中，最先析出的是奥氏体枝晶，其对铸铁中共晶团的生核、长大也都会有重要的影响，这方面还有待进一步的研究和认识。

3、检测有关初生奥氏体各种参数的方法

初生奥氏体含量对灰铸铁的强度有非常重要的影响，但是，长期以来，在实际生产中，我们未能有意识地控制初生奥氏体，其原因就在于：

用常规的显微观察，难以分辨初生奥氏体，因而，对它的作用不甚了解，当然也就忽略了到它的控制。

近几十年，随着对初生奥氏体作用的认识逐渐增多，这方面的研究工作不断加强。

测定组织中初生奥氏体含量的方法也日益受到关注，先后推出了多种测定方法，而且还在实践在不断优化。

以下对一些应用较多的方法作简要的介绍，供参考。

（1）分段液淬法（也有人称之为连续液淬法）

早期采用的是“分段液淬法”，即：

在铸铁凝固过程中，在不同温度下取样，以液态或半固态直接淬火。

经液淬后，初生奥氏体转变为马氏体，未凝的铁液转变为细小的莱氏体，易于区分。

这种方法好倒是很好，就是太麻烦，不可能在生产条件下应用。

（2）凝固后直接等温淬火法

方法的要点是：

铸造的试样凝固后及早使之与铸型分离，以保持试样的温度不低于900℃；

然后将试样置900℃炉中，保温30min，使之均匀化；

再将试样淬入360℃的盐液，保持90min，然后空冷。

这种方法能显示奥氏体晶粒的宏观组织，可看出试样外表层的初生奥氏体柱状晶，但不能区分心部的初生奥氏体等轴晶和共晶转变后的奥氏体晶粒，而且工艺过程也很繁琐。

（3）试样热处理法

上世纪70年代，美国Ohio州凯私西储大学的J.F.Wallace等，将试样热处理以显现组织中的初生奥氏体枝晶。

由于铸铁凝固过程中的偏析，初生奥氏体枝晶中稳定珠光体元素的含量较低，因而这类元素富集于枝晶间。

将试样加热到870℃左右、保温45min后，以56℃/h的速率冷却。

一般情况下，试样经抛光、再用3％的硝酸酒精浸蚀后，即可显示枝晶组织。

枝晶间是珠光体和片状石墨。

（4）彩色金相技术

上世纪80年代，德国、美国都致力于开发彩色金相技术（即热碱液蚀显法），其要点是：

将经抛光的试样置碱溶液中加热，使试样表面形成一层干扰膜，由于这种干扰膜的消光效应，可将不同的组织以不同的颜色显现出来。

所用的碱液，由NaOH、KOH、苦味酸和蒸馏水组成。

彩色金相技术不仅简便易行，而且，可以显现常规金相技术不能显现的结晶状况，对于研究凝固和固态相变的关系非常有益。

使对铸铁中初生奥氏体的研究工作不再局限于大专院校和研究单位，很多铸造企业也可以进行。

我国大连理工大学的周继扬在这方面作了大量的工作，他的著作《铸铁彩色金相学》，2002年由机械工业出版社印行。

如果要做这方面的研究工作，请仔细阅读。

（5）改进的微分热分析法

以热分析得到的数据为基础，采用牛顿热传导分析法，改进微分热分析技术，列式、用计算机计算，可以求得铸铁凝固过程中各阶段的冷却速率、计算各种相的析出量。

上世纪80年代初，为了有助于对铸铁凝固过程的进一步研究，美国铸造协会（AFS）资助Wisconsin大学对这一课题进行了研究［1］。

最近，西班牙铸造研究中心（Azterlan），与美国Ohio大学的D.M.Stefanescu合作，对灰铸铁中初生奥氏体进行了系统的研究，其中，铸铁组织中初生奥氏体所占份额就用改进的微分热分析法测定［2］，并用彩色金相法和分段液淬进行了验证。

在当前的条件下，用这种方法检测有关初生奥氏体的各种参数也是简便易行的。

4、使灰铸铁中初生奥氏体枝晶增多的方法

影响灰铸铁中初生奥氏体枝晶数量和形态的因素很多，如：

铁液的化学成分，温度，铁液在铸型中的冷却速度、过冷度，以及促进奥氏体生核、长大的孕育处理等。

因而，可以用多种方式使奥氏体枝晶的数量增多。

但是，在生产条件下，有一些参数决定于多种工艺要求和具体条件，由改变这些参数来控制初生奥氏体枝晶的自由度不大。

以下，简单说说目前常用的几种方法。

（1）降低铸铁的碳当量

铸铁的碳当量是影响初生奥氏体枝晶数量的重要因素。

降低碳当量，奥氏体枝晶数量增多，铸铁的强度也相应提高。

长期以来，降低碳当量是广泛采用的、提高灰铸铁强度的传统措施。

但是，只靠降低碳当量来提高铸铁的强度，有不少负面作用，如：

●铁液的流动性差；

●铸件的硬度提高，加工性能恶化；

●铸件产生收缩缺陷的倾向增强；

●铸铁的减震性能差；

●铸铁的热导率降低。

因而，以这种方式提高灰铸铁的强度，是受到很大制约的。

特别是汽车制动鼓、制动盘之类的铸件，材质的热导率和减震性能受到影响是绝对不能允许的。

近几十年来，大家关注的是：

在不降低碳当量的条件下增加初生奥氏体枝晶。

很多国家都在这方面进行了研究工作。

（2）往铁液中加入促进初生奥氏体生核的孕育剂

近十多年来，逐渐加强了对初生奥氏体枝晶的研究，孕育处理对初生奥氏体枝晶的影响也日益受到了关注，对多种可能成为初生奥氏体晶核的材料进行了研究。

1）石墨粉基于单向性生核的观点，过