有关蠕墨铸铁和碳含量对铸铁的影响

一、蠕墨铸铁的组织和性能[组织]：组织中具有蠕虫状石墨。铸铁液经蠕化处理后可得到具有蠕虫状石墨的蠕墨铸铁，方法为浇注前向铁液中加入蠕化剂，促使石墨呈蠕虫状。[性能]：蠕虫状石墨的形态介于片状与球状之间，所以蠕墨铸铁的力学性能介于灰铸铁和球墨铸铁之间，其铸造性能、减振性和导热性都优于球墨铸铁，与灰铸铁相近。蠕虫状石墨蠕墨铸铁的显微组织二、蠕墨铸铁的牌号及用途[牌号表示方法]：蠕墨铸铁的牌号是由“RuT”（“蠕铁”两字汉语拼音字首）后附最低抗拉强度值（MPa）表示。例如牌号RuT300表示最低抗拉强度为300MPa的蠕墨铸铁。[应用范围]：蠕墨铸铁主要用于承受热循环载荷、结构复杂、要求组织致密、强度高的铸件，如大马力柴油机的汽缸盖、汽缸套、进（排）气管、钢锭模、阀体等铸件。六米焦炉炉门焦炉保护板4.3米焦炉炉门化产设备蒸氨塔热风炉球形炉篦高炉热风炉篦子蠕墨铸铁的应用蠕墨铸铁的牌号、力学性能及用途（摘自JB4403－1987）牌号力学性能应用举例σb/MPaσr0.2/MPaδ/%HBS不大于RuT2602601953121～197增压器废气进气壳体，汽车底盘零件等RuT3003002401.5140～217排气管，变速箱体，汽缸盖，液压件，纺织机零件，钢锭模等RuT3403402701.0170～249重型机床件，大型齿轮箱体、盖、座，飞轮，起重机卷筒等RuT3803803000.75193～274活塞环，汽缸套，制动盘，钢珠研磨盘，吸淤泵体等RuT4204203350.75200～280近几年，蠕墨铸铁的应用，特别是在欧洲，得到了长足的进展。这是人们在发现蠕墨铸铁后，首次作为一种材质在国外发动机缸体等重要铸件上得到广泛使用。应用的同时又掀起了相应的进一步深入研究的高潮。欧盟也已制订出蠕墨铸铁标准草案，发给各企业，正在征求意见，并预定在一年内正式公布。美国在前年就把蠕墨铸铁的产量从球墨铸铁中分离出来统计，表明了他们对蠕墨铸铁的重视程度。今年6月的GIFA展览会上，许多铸造企业都把蠕墨铸铁作为供货范围，并举出了相应的生产实例。例如宝马汽车公司（BMW）V8柴油发动机缸体，戴姆勒－克莱斯勒汽车公司（Daimlerchrysler）12升排量的8缸发动机缸体，达夫公司（DAF）的12.6升排量、功率为390KW的六缸发动机缸体都用蠕墨铸铁铸造。年产35万吨发动机铸件的弗里茨－维特公司（FritzWinter），在研究开发的基础上，2003年安装了一条KW（KuengelWagner）静压多触头造型线，砂箱尺寸为1350×1100×400/400，用来每年生产3万吨发动机薄壁蠕墨铸铁缸体。年产400万个发动机缸体，200万个缸盖的爱森·布吕尔（EisenBruehl）公司在充分对比的基础上，已开始在轿车发动机缸体上使用蠕墨铸铁。德国阿乌哥斯特·坎泼公司（AugustKuepperGmbH），已成为一个蠕墨铸铁的专业生产厂，380个人，使用2条迪砂造型线，每年生产3万6千吨蠕墨铸铁件，主要供奥迪、奔驰、大众、宝马、司高达等汽车公司的排气管与增压器壳体。美国福特（Ford）公司与辛特（Sinter）合作，在1999年就在巴西已生产出10万个蠕墨铸铁V6缸体。瑞典达劳斯（Daros）活赛环厂开发了蠕墨铸铁活塞环。蠕墨铸铁得到广泛应用的背景蠕墨铸铁之所以能得到广泛应用，其原因还在于汽车工业对总成与零部件的要求。汽车发展方向上的永久课题是减少排放、降低油耗、提高功率和增加舒适性。在这四个主题下，汽车开发的二级目标是：◆减少摩擦，例如优化曲轴传动方案（滑动面、轴承）◆减轻重量（结构轻化、材料）◆提高发动机刚度（柴油机尖峰压力）◆减小发动机体积（构造型式、使用更好的材料）◆更有效的尾气处理系统◆改进燃烧方法（汽油直喷、柴油调匀，使用天然气）◆提高变更性（阀动装置、压缩比）◆减小尺寸，尤其是汽油发动机（使用更好的材料）从这些目标可以看出，在未来的8项发展中，有五项和材料及铸造有关。在过去人们选择铝合金来替代灰铸铁，使汽车、发动机的重量有所下降，这在过去的发动机技术下是可以的。如图1所示在未来几年中铝合金的气缸体在欧洲预计还会有所增加。但发动机的比功率（KW/排量·升）越来越大，导致发动机气缸体与气缸盖的工作温度越来越高（见图2和图3），两零件的很多部位，其温度已超过200℃，这时铝合金的强度迅速下降，已不足以承受所受机械负荷（见图4），而铸铁则毫无影响。此外，随着比功率的提高，常温下的铝合金也存在机械强度不够的问题。现在解决的办法是在缸体与缸盖、轴承盖与缸体的连接螺栓处镶铸螺纹件，甚至连接板（见图5）。这无疑又会增加重量，同时除成本提高外，增加了铸造的技术难度。因为热膨胀系数的差别，尤其是镶铸件有一些小缺陷时，就保证不了与铝合金本体连接的理想间隙（见图6），从而在使用中易引起松动和疲劳裂纹。实际上从矿石到成品，铝合金的耗能要高于铸铁件。众所周知，铸铁件的防振能力远大于铝合金。也只有铸铁件的力学性能与高温性能才能满足汽车，尤其是发动机的未来发展要求。因此，只要生产2～5mm薄壁铸铁件的技术提高，就完全有可能再次夺回铝合金占领的部份市场。蠕墨铸铁具有球墨铸铁的强度，和灰铸铁相比又有类似的防振、导热能力及铸造性能，而又比灰铸铁有更好的塑性和疲劳性能。现代的铁液处理工艺已能确保得到必须的蠕状石墨，因此在缸体上的应用已无技术障碍，而用蠕墨铸铁生产的缸体，其发动机单位重量所获得的功率可低于铝合金（见图7），这就促使了蠕墨铸铁的应用与发展。蠕墨铸铁的欧洲标准对于蠕墨铸铁早在1984和1987年，我国就制订了蠕墨铸铁－金相与蠕墨铸铁件行业标准，并在1999年进行了修订，但至今还没有国家标准，尽管我国应用历史要早于国外，例如蠕墨铸铁排气管（二汽）、蠕墨铸铁缸盖（无柴）。德国在2002年5月，由德国铸造协会制订了蠕墨铸铁的行业标准，编号为W50。现在正作为欧洲蠕墨铸铁标准草案在各铸造企业征求意见。在此标准中规定，石墨主要以蠕墨存在就算蠕墨铸铁，但规定在铸件的主要壁厚，蠕墨数量要大于80%。由于壁厚影响到蠕墨数量，故进一步规定，在整个铸件上不允许出现片状石墨外，在铸件其它次要部位的蠕墨数量可以有变动，也即低于80%，但铸造企业认为蠕墨量也不应低于60%，也可和铸件使用方协商一致。为取得纯粹蠕墨铸铁的特殊性能，瑞典在活塞环上应用就要求蠕墨数量大于90%。和此相比，我国标准中规定的大于50%就显得要求有所放低，要求较低的生产水平。和我国一样，该标准根据单铸试样（加工过）的抗拉强度，对蠕墨铸铁进行分级。如表1所示共分五级，每级抗拉强度差50Mpa，也即和灰铸铁、球墨铸铁的分级一样。和我国标准相比（见表2），我国也为五级。表1蠕墨铸铁的分级及力学性能牌号抗拉强度σbMPa屈服强度σ0.2MPa断裂时的伸长率%硬度HBW30GJV－300300～375220～295≥1.5140～210GJV－350350～425260～335≥1.5160～220GJV－400400～475300～375≥1.0180～240GJV－450450～525340～415≥1.0200～250GJV－500500～575380～455≥0.5220～260但级差为40MPa，整个强度性能要比国外订低一级。在硬度上，我国允许硬度范围大，且高值硬度也高。这表明，国外用蠕墨铸铁更注重它的强度性能，同时又要求它有较好的机械加工性能。表2我国蠕墨铸铁的分级（JB/T4403－1999）牌号抗拉强度σbMPa屈服强度σ0.2MPa断裂时的伸长率%硬度值范围不小于Ru4204203350.75200～280Ru3803803000.75193～274Ru3403402701.0170～249Ru3003002401.5140～217Ru2602601953121～197前面提到的坎泼公司，它可生产合金蠕墨铸铁，表3是其GJVSiMo4.5～0.6的性能。这表面整个标准要求要比我国高，工厂所做工作更为细，要求更高（硬度值差仅HB20）。表3坎泼公司的合金蠕墨铸铁性能牌号金相组织硬度HB30室温性能σb,MPaσ0.2,MPaδ，%GJVSiMo4.5～6.0铁素体＋珠光体＋特殊碳化物205～225＞550＞470＞2780℃性能弹性模量MPa热导率，W/mKσb,MPaσ0.22,MPaδ，%＞70＞60＞35线胀系数，×10－620～200℃至800℃至815℃121313.520℃500℃600℃140000423432凝固收缩%Ac1,℃0.75855蠕墨铸铁的生产蠕墨铸铁的蠕化处理范围本身就很窄，国外又要求更高的蠕化率，所以必须要采用合适的生产技术与相应的蠕化剂。国外铸造厂广泛采用冲天炉、电炉或电炉双联工艺，处理前后又有热分析仪与真空直读光谱仪进行检测，加之炉料秤量准确，炉况稳定，工艺人员对每种铸件都有详细的工艺规定，所以很容易达到对每个铸件的特殊要求（例如，铁液的碳当量波动都能小于±0.05%），为获得高蠕化率的铸件打下了基础。原铁液中硫的含量对蠕化处理，即蠕化剂的消耗与最终蠕化率的大小有决定性的影响，为此几家工厂都采用炉外脱硫，使蠕化处理前铁液的含硫量稳定在0.01～0.03%之间，并认为最佳的原铁液残硫量应在0.01～0.02%。除了已熟悉的吹气、摇包脱硫外，有一工厂使用4个感应器产生磁场搅拌的装备，可使硫量脱至0.01～0.02%。它使用碳化钙和石灰脱硫，每次处理的量最大可至20t，处理时间为9～15min，修理间隔为3～4个月，已可靠地使用两年。铁液在蠕化处理后的镁稀土量决定了石墨的形状与各类石墨的数量。图8为一个研究所得结果，即凝固后铸件中石墨球比例与镁含量的关系。较为一致的看法是Mg≤0.01%为片状石墨，Mg在0.01～0.018%可获得蠕墨铸铁，Mg在0.025～0.04为球墨铸铁。故获得蠕墨铸铁的镁范围为±0.004%。实际生产中，因每五分钟又要损失镁0.001%，故增加了控制的难度。各研究结果基本趋于一致，为防止钛对炉料的污染，蠕化剂多为FeSiMgRe。其中Mg量为4～5%，Re主要是铈，量在0.5%到6.0%不同，但倾向于在1.0～1.5%。有的企业在蠕化剂中还使用钙。蠕化处理方法和球化处理方法相同，由于喂丝法有控制精确、改善劳动环境的优点，尤其可用计算机，根据快速测定的硫量可精确控制喂丝量，故国外喂丝得到了迅速的推广应用（表4），且此法更适合于生产蠕墨铸铁。表4德国使用铸造喂丝化处理的企业比例，%19891993199419951997112151830使用工艺不稳定的冲入法时，Mg的吸收率波动大，对蠕墨铸铁来说往往有处理过头的现象，故不少厂使用加硫（FeS）的方法，来消耗过量的镁，获得蠕墨。在残镁量为0.015～0.03%时，建议加硫0.002～0.04%。最后举一生产实例来总结本文。德国哈尔贝克（Halberg）铸造厂，从1991年开始为奥迪生产V8蠕墨铸铁气缸体。缸体主要壁厚为3.5mm，3升排量功率为150KW的缸体仅重74Kg。铁液在感应炉中熔炼，成分（质量分数）为：3.3～3.5%C，0.010～0.014%S，2.10～2.25%Si，≤0.06%Cr，0.25～0.30%Mn，＜0.03%P。使用FeSiMg（5%）蠕化剂，每次处理1200Kg。过去使用盖包法，现在使用喂丝法。铸件所有要求性能的壁厚处，其蠕墨含量大于90%。要求抗拉强度为400MPa，实际为450MPa，基体内珠光体含量大于95%。一．灰铸铁的组织和合金元素的影响灰铸铁的强度和综合质量，决定于其最终的显微组织，生产高牌号灰铸铁件，控制其显微组织的目标，大致有以下几方面：◆有较多的初生奥氏体枝状晶；◆无游离渗碳体和晶间渗碳体；◆石墨细小而且是A型；◆基体组织95%以上为珠光体，游离铁素体不多于5%；◆珠光体细小。要分析铸铁的凝固过程，不能不回顾一下铁-碳合金的相图。铁-碳合金的相图是双重的，有稳定的铁-石墨系和介稳定的铁-渗碳体系。制成高性能的灰铁件，当然不希望出现游离的渗碳体，所以要