万仁芳 浅谈近年来铸 铁件的发展 for 百铸网

0浅谈近年来铸铁件的发展东风汽车公司铸造一厂万仁芳百铸网年代末汽车“轻量化”给西欧铸造界带来的“铁铝之争”谈起1.2球铁、ADI、蠕铁的发展与应用，带来了“新的铁器时代”。①．产量和品种2011年与2001年相比，铸铁件产量增长了2.79倍，但铸铁件占铸件总产量的比例下降了7.7%，而同期球铁件产量增长了3.85倍，占铸件总产量的比例也上升了7%。新世纪以来，风电、高铁等高端铸铁件更是风生云起，令人瞩目。百铸网②．“软件”方面近年来有关铸铁件的国标修订和新制订，展示了铸铁件的发展和旺盛生命力。百铸网灰铸铁的发展。灰铸铁在产量增速上虽有所放缓，但质量上却有很大提高。体现在:①．新国标中牌号的细化。增加了HT225和HT275两个牌号，以适应汽车铸件的需要；更强调铸件本体要求达到的力学性能。新国标对C型石墨也作了更明确的定义，更正了以往常将亚共晶灰铸铁中因截面不同而出现的块状石墨误判为C型石墨的情况。②．掌握了HT300和HT350的生产技术。已用于大量流水生产汽车缸体、缸盖，可在较高碳当量情况下，不增加收缩倾向和白口倾向，获得高的力学性能和好的切削加工性能。汽车发动机的铸铁缸体、缸盖已经国产化，而且HT250、HT300仍是内燃机缸体、缸盖的主流材质。③．专用灰铸铁的开发。如轿车制动盘，为了有良好的导热性，要求采用CE为4.4~4.5%的过共晶铸铁，A型石墨长度1-3级，允许有少量C型石墨，抗拉强度Rm175~225MPa。另外，铌铸铁也在一定范围内得到了应用。百铸网球铁的发展。①．60年来球铁的进步。a).发展速度令人惊异，从无到有，从少量生产到占世界球铁产量的49.5%；b).球铁应用领域不断扩大，如汽车、内燃机、铸管、大型机床、风电、高铁……；工况则从-196℃到1000℃都使用球铁；c).开发出各种球化处理方法；d).系列化生产了球化剂和孕育剂。百铸网②．精彩纷呈的球铁家族。百铸网●铁素体球铁众所周知，球铁的Rm和A是一对矛盾，在GB/T1348-2009中，球铁基体中珠光体量越高，则Rm越高，A越低，反之，若铁素体量越高，则A越高，Rm越低。为了得到高珠光体量，通常有两种方法：a)、正火处理，b)、加入一定量的Cu、Sn、Cr、Sb等合金元素；为了得到高铁素体量，通常也有两种方法：a)、退火处理，b)、把Cu、Sn、Cr、Sb等元素量尽可能降低，同时进行多次孕育。多次孕育的结果就是使得铸件中终Si量增高了，因此一般来说，在相同碳当量情况下，铁素体基体球铁的含Si量（2.2~2.6%）要高于珠光体球铁的含Si量（1.8~2.2%）。这就使人会以为在球铁中，Si是一种提高伸长率而降低强度的一种元素。其实这是一种误读。研究表明，在铁素体球铁中，其实Si的增加会提高Rm和Rp0.2和而降低A！③．热点分析百铸网~图4是德国铸造学会与奥地利铸造学会联手，对硅固溶强化铁素体球铁进行了深入研究后得出的结果。百铸网~图6则是根据曾艺成教授提供的数据（据说是P.J.Richarde1972年测得的数据）而作成的曲线。百铸网●硅固溶强化铁素体球铁以上数据表明了Si对铁素体的固溶强化作用，推出了新的球铁牌号。2004年，ISO标准推出了一个新牌号QT500-10(2009年我国修订的GB/T1348也在规范性附录A中采用)，推荐Si量为3.7%；2012年3月，德国和欧盟标准DINEN1563在修订时又增加了三个牌号：EN-GIS450-18、EN-GIS500-14、EN-GIS600-10，推荐含Si量为4.3%。Si固溶强化铁素体球铁除了具有高强度、高韧性外，还具有硬度差小的特点，因而加工性能优于混合基体球铁。百铸网球铁件的是南车集团戚墅堰机车车辆研究所的唐中权等，他们在2012年生产的高速列车用踏面清扫器本体铸件化学成分如表5所示，力学性能如表6所示，实际性能达到QT550-14的水平。百铸网另一类高强度高伸长率球铁近年来由于球化处理和孕育处理技术的提高，以及高纯铸造生铁的推出和感应电炉废钢增碳熔炼技术的掌握，许多企业已经能够生产高于国标牌号的球铁件，并称之为高强韧性球铁或高强度高伸长率球铁。讨论：比较了表7、表8的数据，似乎硅固溶强化铁素体球铁更适合作为汽车驱动桥壳体。目前不明确的是这三种牌号的室温和负温的冲击功是多少。Si量由2.5%左右提高到4.0%，冲击功肯定会降低，但珠光体量由≤5%提高到50%甚至到≥85%，冲击功也会急剧下降。汽车经常在高寒地区行驶，其负温冲击功还是应引起足够重视才行。百铸网●低温铁素体球铁低温铁素体球铁首先是为了满足风力发电机组铸件的需求而开发出来的，这类铸件采用了国标GB/T1348-2009中的QT350-22A(L)和QT400-18A(L)的材质，分别提出了-20℃、-40℃时的冲击性能要求。随着高铁的发展，由于工作条件更为恶劣，工件需在高寒地区承受振动载荷，因此进一步要求在-50℃、-60℃时也有足够高的冲击性能。按正在制订的《低温铁素体球墨铸铁件》标准，在力学性能达到400-18或350-22前提下，其-60℃时冲击功也要求达到12J以上，这一标准已远远高于GB/T1384要求了。表9是含Si量为1.5%、2.0%、2.5%的退火铁素体球铁在不同温度下的Rm,Rp0.2和A的值。百铸网可以看出，Si量对脆性-塑性转变温度有显著影响，而且无论何种Si量，其转变都有一个急剧下降的拐点，但即使Si量为2.5%，其拐点也出现在-70℃以下。只有冲击性能，对低温的变化才更为敏感，因此，对低温铁素体球铁，主要关注的是低温冲击性能，尤其是出现拐点的温度。百铸网量和低温变化更为敏感，因此，对低温铁素体球铁，更为关注的是低温冲击性能。关注点当然在于工厂里能稳定生产满足-60℃条件下冲击功大于12J的产品吗？冲击功下降的拐点在哪里？Si对低温冲击功有多大影响？下面列举两家企业生产高铁件的有关数据。百铸网以上两家企业的生产数据表明，目前我国完全可以稳定生产符合要求的即-60℃下Rm在350MPa以上而冲击功＞12J的低温铁素体球铁，但两家提供的数据都表明，-50℃以下，冲击功下降更为明显。莱州新忠耀公司提供的数据，这些数据是在为生产要求-60℃冲击功≥12J铸件时的一组检测数据，对这组数据进行统计分析，证明生产过程是稳定的。百铸网对低温冲击韧性的影响，南车集团戚墅堰机车车辆工艺研究所的喻光远等对Si与C对铸态无Ni低温球铁冲击韧性的影响进行了研究，得出结果如图10所示，试验所选成分范围则见表12。由图10可以看出，只有Si/C比在0.46-0.52时，才能得到最佳的冲击性能。可以推算出，当CE为4.35~4.55%时，得到最佳冲击性能的C量为3.7~3.95%，Si量为1.8~2.0%。百铸网●珠光体基体球铁不论哪个牌号，基本上都能在铸态下达到其力学性能。很多曲轴生产厂采用铁型覆砂工艺，通过良好的球化和孕育处理，在不加Cu的情况下，仅加0.02-0.03%的Sb，曲轴性能即可稳定达到QT900-4的水平。冷激球铁凸轮轴是近十年开发的一种新产品。内燃机中的凸轮轴目前有铸铁材质和钢质两类，铸铁类又有三种材质：冷激铸铁、可淬硬铸铁和氩弧重熔铸铁。钢质凸轮轴抗擦伤性能差，用量越来越少；而铸铁轴中冷激铸铁有最好的抗擦伤性能和最低的成本，故用量占总量的60%以上。冷激灰铁凸轮轴最大缺点是抗疲劳性能差。为了既保持有最好的抗擦伤性能，又提高抗疲劳性能，于是开发了冷激球铁凸轮轴。东风汽车公司铸造一厂于2001年立项，开发康明斯6CT柴油机（300马力以上）冷激球铁凸轮轴，2002年完成课题并大量生产。冷激球铁凸轮轴生产难点在于既要冷激面游离石墨小于5%，不允许出现游离铁素体，硬度达到HRC45以上，又要保证非冷激区碳化物≤15%，本体Rm≥550MPa。由于冷激球铁在保证非冷激区碳化物≤15%的前提下，在冷激区很难获得初生渗碳体，因此冷激区硬度往往低于灰铁冷激区的硬度。百铸网●ADI我国是世界上最早研发ADI且取得成功的国家之一，但产量的增长不如预期，原因早期是因为国内没有现代化的热处理设备，现在主要是设计师们对此工程材料的性价比还缺乏足够的认识，以及大量流水生产过程中的稳定性尚存在一些问题。由于热处理工艺限制，ADI较适宜生产中小铸件，在汽车行业有很大的发展前景。在欧美等发达国家的ADI应用中，汽车零件占了ADI总量的50%以上，其中又以底盘零件（尤其是中、重型卡车底盘零件）应用最多。国内一汽在1990年代开发ADI，先后已有CA141后拖钩支承座、16t重卡后钢板弹簧支架、越野车前桥驱动转向节等零件采用ADI材质，东风汽车公司更是在某军用越野车上用ADI替代铸钢，用于前悬架上、下横梁臂、中后悬架上、下横梁臂、弹簧支架等十几种零件上，使这些零件的总重由630.6kg减少至380.7kg，减重率达39.6%。东风汽车公司还早在1990年代末期就完成了康明斯B系列柴油机ADI齿轮国产化工作，后因价格问题和大量生产中的稳定性问题，ADI齿轮未能坚持使用。东风公司商用车铸造二厂用ADI代替普通球铁生产某重型工程车的导向座，减重9.5%，使用寿命延长5-6倍，但生产成本增加65%。ADI在耐磨件上已得到广泛应用，尤其是CADI，年用量已数万吨之多。百铸网●奥氏体球铁奥氏体铸铁是以铁、碳、镍为主，添加硅、锰、铜和铬等元素经熔炼而成，室温下具有稳定性的以奥氏体基体为主的铸铁。在2011年我国制定的第一个《奥氏体铸铁》国标中，12个牌号有10个是球铁，只有2个是灰铁。奥氏体球铁件具有良好的耐热性、耐腐蚀性、无磁性、耐低温性等，又有较高的强度，被广泛应用于汽车、核电、海洋工程等领域，用于制造汽车排气歧管、涡轮增压器壳体、海水泵阀、涡轮发电机端盖、无磁性电工铸件及-196℃的制冷工程用铸件。据称，涡轮增压器能够减小发动机体积，提高20-40%的燃油效率，减小排放，以及加大功率和扭矩，提高驾驶性。不仅商用车普遍采用涡轮增压器，汽油乘用车发动机也将广泛采用涡轮增压器，以达到节能减排的目的。目前国内已有几家生产奥氏体球铁件的“小巨人”型企业。“高强韧TWIP铸铁”。(TWIP—TwinningInducedPlasticity)奥氏体球铁的抗拉强度一般都在450MPa以下，普通球铁珠光体型的可达700MPa以上，但伸长率只有2%左右。福州大学朱定一教授等人研制出一种高强韧性球铁，性能可达到QT700-20的水平。尽管这种材料还远未到工程应用阶段，但给我们提供了一个提高球铁强韧性的思路。百铸网(1).优化石墨。指石墨形状、大小、数量、分布均匀程度均符合要求，包括石墨球圆整，球化率高（≥85%，甚至≥90%），石墨球数≥100个/mm2,厚大断面石墨球分布宜均匀。(2).净化晶界。晶界上容易出现以下三类物质：a).共晶物。b).金属碳化物。c).非金属夹杂物。为净化晶界，应尽量采用高纯生铁，保持炉料洁净少渣，熔制高温且少氧化的铁液，必要