1、化學(xué)成分的選擇 根據(jù)鑄鐵牌號(hào)要求即機(jī)械性能的高低，應(yīng)使鑄件具有相應(yīng)的金相組織。金相組織取決于石墨的結(jié)晶過(guò)程，而共晶和共析轉(zhuǎn)變過(guò)程的石墨化又和鑄鐵的化學(xué)成分及冷卻速度等工藝因素有關(guān)。灰鑄鐵中除C，Si，Mn，S，P五種常規(guī)元素外，還有隨爐料或熔煉過(guò)程進(jìn)入的微量元素和其它夾雜，為了獲取“高強(qiáng)、薄壁"的鑄件，生產(chǎn)廠家加入了一些合金元素如Ni，Cr，Cu，Sn，VMo等。所有這些元素對(duì)鑄鐵的結(jié)晶、組織及性能都有一定的影響和作用。
(1)基本化學(xué)成分的選擇
①碳含量與CE的選擇： 采用高的碳當(dāng)量，可減小白口傾向及鑄件縮松、滲漏等缺陷，但同時(shí)會(huì)降低鑄件的力學(xué)性能。而對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)箱體這樣薄壁復(fù)雜的鑄件，從鑄造性能考慮，一般都選擇較高的碳當(dāng)量[13]。為使箱體具有良好的鑄造性能與力學(xué)性能，一般選擇C=3．15％～3．3％，CE=3．95％～4．05％。
②硅與Si／C值 國(guó)內(nèi)對(duì)箱體生產(chǎn)中Si／C的控制問(wèn)題爭(zhēng)論較大。陸文華[9]認(rèn)為在CE=4．O～4．2％，Si／C值由O．50增至O．90時(shí)，碳當(dāng)量對(duì)％值影響變化不大。劉佑平[14]認(rèn)為碳當(dāng)量對(duì)灰鑄鐵抗拉強(qiáng)度的影響比Si／C值大得多，試驗(yàn)證明隨著Si／C值由O．44增至0．79，在同一范圍的碳當(dāng)量下，06值變化不大。提高碳當(dāng)量，氣箱體的縮孔廢品會(huì)明顯減少；降低碳當(dāng)量，使用鑄造焦與增加廢鋼加入量，灰鐵的抗拉強(qiáng)度會(huì)明顯地提高。過(guò)高的Si／C比會(huì)導(dǎo)致石墨粗化，珠光體片間距增大，鐵素體含量也增加。當(dāng)Si／C>0．55，氣箱體縮孔廢品會(huì)增加，特別
在低碳當(dāng)量的情況下，縮孔廢品增加得更多。對(duì)于采用較高碳當(dāng)量鐵液的箱體鑄件，采用高Si／C并不能提高力學(xué)性能，而且還可能由于高CE和高的Si／C雙重影響而使石墨粗大和珠光體量下降，從而使抗拉強(qiáng)度下降，其SI／C應(yīng)以0．6"0．7較為合適[15]。
錳對(duì)灰鑄鐵抗拉強(qiáng)度的影響 錳是可以穩(wěn)定灰鑄鐵中滲碳體，促進(jìn)珠光體化的元素，但它會(huì)與硫形成MnS，促使鑄鐵石墨化。對(duì)于CE為3．95％"--4．15％的灰鑄鐵，其嘰值隨錳量的增加而有所提高，因?yàn)樘籍?dāng)量高，鑄鐵自身的石墨數(shù)多且粗，珠光體數(shù)量少，增加錳含量，石墨形貌變化不大，此時(shí)錳促使灰鑄鐵珠光體化的作用表現(xiàn)較強(qiáng)，故吼有所提高。所以，范曉明[l6]等認(rèn)為當(dāng)灰鑄鐵CE>3．95％時(shí)，Mn含量應(yīng)在0．6％--一0．8％為宜。
磷含量的選擇 灰鑄鐵件的含磷量一般小于O．20％。當(dāng)P≤0．20％，隨著磷含量的增加，在鑄鐵中可以與Fe形成心P，灰鑄鐵的抗拉強(qiáng)度變化不大，而硬度會(huì)明顯提高而韌性顯著降低。灰鑄鐵中磷含量過(guò)高，不僅鑄件切削加工困難，而且易產(chǎn)生縮松與開(kāi)裂缺陷[14]。
含硫量及錳硫比對(duì)灰鑄鐵抗拉強(qiáng)度的影響 硫在鑄鐵中有雙重作用，一方面它是強(qiáng)烈穩(wěn)定鑄鐵滲碳體元素，另一方面S與Mn形成MnS，會(huì)促使鑄鐵石墨化。在不同CE的情況下，以值均隨含硫量的增加而明顯提高，但當(dāng)含硫量超過(guò)某一臨界值時(shí)強(qiáng)度開(kāi)始降低。對(duì)于CE為3．95％的灰鑄鐵，其臨界硫含量為0．14％。如采用電爐熔煉時(shí)，鐵水中的含硫量一般較低，高溫使大量石墨結(jié)晶核心燒損[17]，為確保常用孕育劑的孕育效果，灰鑄鐵中含硫量一般為0．05％--一0．06％。根據(jù)上述情況，灰鑄鐵的硫含量可為0．06％'-'0．15％。由于錳與硫在鑄鐵中有相互制約的作用，所以在選擇錳含量與硫含量時(shí)必須考慮Mn／S值。生產(chǎn)實(shí)踐表明，當(dāng)灰鑄鐵CE為3．96％,---,4．05％時(shí)，Mn／S=5～7，抗拉強(qiáng)度較佳。
國(guó)內(nèi)部分廠家箱體基本化學(xué)成分的選擇 胡家聰[15]推薦HT250氣箱體化學(xué)成分為(％)：C=3．15～3．35，Si=1．8～2．2，Mn=0．6"--0．8，P≤O．15，S=0．06％～0．15％與CE=3．95～4．05。北京吉普汽車(chē)有限公司[18]推薦選取C=3．15％～3．60％，Si=1．8％～2．4％，Mn=0．35～0．90％，S≤O．15％，P≤0．12％．。哈爾濱東安發(fā)動(dòng)機(jī)制造公司[19]選擇成分：C=3．O～3．5％，Si=1．8～2．5％，Mn=0．6％～0．9％，S<0．15％，P<0．15％。
合金化元素 隨著汽油機(jī)向高轉(zhuǎn)速大功率方向發(fā)展，箱體的工作情況惡化，機(jī)械負(fù)荷加大，
因此采用低合金灰鑄鐵制造，以提高箱體鑄件的機(jī)械性能與熱疲勞性能。常用的合金元素為促進(jìn)灰鑄鐵珠光體化元素，這些合金元素對(duì)灰鑄鐵石墨化能力、抗拉強(qiáng)度和硬度的影響見(jiàn)圖1．1，l一2所示。
圖1．1合金元素對(duì)灰鑄鐵石墨化的影響
圖1．2合金元素對(duì)灰鑄鐵硬度和％的影響 由圖1．2知，當(dāng)合金元素加入量在1．0％以下時(shí)，提高灰鑄鐵抗拉強(qiáng)度的能力，由弱至強(qiáng)的順序排列：Ni，Cu，Cr,Mo，V。釩提高灰鑄鐵06的能力很大，但它能阻礙鑄鐵中C的石墨化，白口傾向很大，所以箱體用灰鑄鐵中一般不加入V。鉬與鎳的價(jià)格昂貴，考慮到成本，一般很少使用。一般用銅代替鎳，普遍加入鉻與銅生產(chǎn)灰鑄鐵箱體。錫、銅與鉻是強(qiáng)烈穩(wěn)定珠光體的元素，但對(duì)細(xì)化珠光體的作用很小。只有當(dāng)銅含量大于0．5％時(shí)灰鑄鐵的抗拉強(qiáng)度才有明顯的提高1141。加入0．2％"--0．3％鉻后，鑄鐵強(qiáng)度提高幅度較大，有利于增加珠光體量和改善石墨形態(tài)。當(dāng)含鉻量大于0．35％時(shí)，會(huì)使鑄件滲漏傾向明顯增加；含鉻量大于0．5％時(shí)，鑄件中易出現(xiàn)初生碳化物，影響機(jī)加工性能，故加鉻量以不超過(guò)0．35％為宜。實(shí)踐表明，當(dāng)鉻含量大于0．35％時(shí)，氣箱蓋螺孔搭子處會(huì)產(chǎn)生縮松，產(chǎn)生漏氣[l5]。兩種以上合金元素配合使用的效果要比用一種合金元素的效果好，如Cu能中和Cr、Mo的白口傾向。 灰鑄鐵中加入Cr,Cu與Mo等少量合金元素，鑄件的強(qiáng)度與熱疲勞性能有所提高，鑄件的壁厚敏感性有所減小，但鑄件的縮孔與縮松傾向增大，因此應(yīng)適當(dāng)提高碳含量與碳當(dāng)量。國(guó)內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)箱體用灰鑄鐵的化學(xué)成分實(shí)例見(jiàn)表1-4。 表1-4國(guó)內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)箱體用灰鑄鐵[14][17][19]
(3)微量有害元素的控制 在熔煉時(shí)，回爐料和生鐵中的廢鋼有時(shí)會(huì)含有Pb，Ti等元素，這些元素的存在會(huì)使鑄件中石墨惡化及產(chǎn)生縮松滲漏缺陷。有資料稱(chēng)[20]，含Pb量達(dá)0．0008％，即可造成縮松滲漏，須注意使用的爐料中是否鍍有Pb材料，有須先行除去鍍層。此外，少量的Pb可在灰鑄鐵中出現(xiàn)魏氏組織石墨，嚴(yán)重降低強(qiáng)度。潘亮星等[l8]在4100QB生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)微量元素WTi>0．0435時(shí)，出現(xiàn)縮松的箱蓋占生產(chǎn)縮松箱蓋總數(shù)的75％左右，由此判斷Ti對(duì)縮松有較為直接的影響，并推薦使用WTi<0．08％的生鐵。此外影響縮松滲漏的微量元素還有Al，v等，它們都會(huì)增加鐵液的收縮傾向，要嚴(yán)格控制。
孕育處理 在高碳當(dāng)量鐵液條件下，為提高灰鑄鐵的性能，控制鐵液質(zhì)量，進(jìn)行合理的孕育處理是必要的措施之一。有資料表明[21]，在高碳當(dāng)量條件下，尤其是生產(chǎn)薄壁高強(qiáng)灰鑄鐵件，使用復(fù)合型孕育劑是十分重要的。復(fù)合孕育劑含有相應(yīng)的石墨化元素如Re，A1，Ca，Ti等，以改善石墨形態(tài)、消除白口，增加并細(xì)化奧氏體枝晶。經(jīng)試驗(yàn)表明，在復(fù)合添加Cr等合金元素的同時(shí)添加RE(稀土類(lèi)元素)，既能獲得相當(dāng)于蠕墨鑄鐵的抗拉強(qiáng)度，又能抑制激冷的發(fā)生，且也適合批量生產(chǎn) [2] 。孕育也有副作用[23]。細(xì)化共晶團(tuán)的結(jié)果常常導(dǎo)致縮松的增加，由于孕育劑中含有鋁，孕育量過(guò)高也會(huì)目鐵水中含鋁量增加而產(chǎn)生針孔缺陷。孕育提高鑄鐵的成核程度，增加共晶團(tuán)的數(shù)目，導(dǎo)致凝固過(guò)程中作用在鑄型上的膨脹力增大，其結(jié)果可能使鑄件產(chǎn)生縮孔和縮松，因此在箱體生產(chǎn)中特別要注意控制孕育量。吳志忠等[24]試驗(yàn)比較了75SiFe，SiCa和SiCaBa系孕育劑對(duì)灰鑄鐵顯微組織均勻性的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，改善斷面敏感性主要在于解決薄斷面(如壁厚5ram)的石墨化問(wèn)題。含Ca，Ba的孕育劑有良好石墨化能力，可改善斷面敏感性和顯微組織的均勻性。范曉明等[25]試驗(yàn)得經(jīng)稀土復(fù)合孕育劑RCC處理的鐵液(CE=4．00"-'-4．20％，Si／C≈0．75，Cr=0．4％和Mo=O．4％)，可穩(wěn)定獲得HT250以上牌號(hào)的灰鑄鐵，且斷面均勻性好，白口傾向低。姜金文[26]以60％75SiFe+40％ReCaBa復(fù)合孕育、低合金化、CE=3．9--．．4．1％的試驗(yàn)鑄鐵，獲得了良好的顯微組織。萬(wàn)仁芳認(rèn)為對(duì)于CE=4．0～4．2％的高碳當(dāng)量鐵水，Cr，Mo復(fù)合低合金化加入，用75FeSi孕育，可以獲得HT250鑄鐵，若用復(fù)合孕育劑孕育，可使鐵水穩(wěn)定獲得HT250牌號(hào)，且斷面均勻性好，熱沖擊、熱疲勞性能相應(yīng)提高；采用CE=4．1～4．2％的鐵水，以Mn代替部分Cr，Mo合金化，并用復(fù)合孕育劑孕育，同樣可以獲得HT250牌號(hào)鑄鐵。在實(shí)際應(yīng)用中，北京農(nóng)業(yè)工程大學(xué)和北京內(nèi)燃機(jī)總廠采用Re．Ba．Ca孕育處理，第一汽車(chē)制造廠和沈陽(yáng)鑄造所采用cr．Sr．Si．Fe復(fù)合孕育處理，均取得良好效果。
優(yōu)質(zhì)鐵液的獲得 保證高強(qiáng)度灰鑄鐵材質(zhì)性能的前提條件是獲得高溫優(yōu)質(zhì)鐵液[27]。建議使用沖天爐和工頻電爐雙聯(lián)熔煉，以獲得理想的鐵液質(zhì)量[28]。我國(guó)沖天爐很少有廠家采取高溫?zé)犸L(fēng)、富氧送風(fēng)等措施，對(duì)焦炭質(zhì)量不夠重視，灰分大，強(qiáng)度低，很少使用鑄造焦炭，只注重節(jié)焦，忽略熔煉溫度，較好的沖天爐鐵水出爐溫度只有1450℃左右，鐵水成分波動(dòng)范圍大。由于熔煉溫度低，很難消除生鐵中粗大石墨的遺傳性[29]。當(dāng)熔煉溫度在1450"-"1500℃時(shí)，Si02+2C斗Si+2CO個(gè)反應(yīng)才能進(jìn)行。可促使鐵水中非金屬夾雜物排出，鐵水得到凈化，含氧量降低，使孕育劑中的活性元素鈣、鋁等充分發(fā)揮成核作用。同時(shí)高溫澆注雖然能夠延緩鑄件凝固，促進(jìn)石墨化，并使型腔中的氣體和雜質(zhì)在凝固前上浮，但高溫促使石墨長(zhǎng)粗，粗大石墨加劇對(duì)基體切割作用而使性能降低。此外鐵水收縮增加，促使鑄件內(nèi)部產(chǎn)生縮孔與縮松。因此出爐溫度應(yīng)在1480℃以上。BCIRA[23J認(rèn)為，對(duì)大多數(shù)箱體來(lái)說(shuō)，最適宜的澆注溫度為1390"-"1420℃。 此外爐料配比對(duì)鐵水的冶金特性也具有一定的影響。對(duì)合成鑄鐵的研究表明，合成鑄鐵由于提高了廢鋼的加入量，鐵水的冶金特性改善，從而能更好地發(fā)揮孕育處理的效果[30]。但是，文獻(xiàn)[3l]則認(rèn)為，提高爐料中生鐵的加入量，可以顯著地降低材料的硬度和收縮，從而避免縮孔等缺陷，改善切削加工性能。認(rèn)為爐料配比沒(méi)影響的觀點(diǎn)也有。如有報(bào)導(dǎo)[32]認(rèn)為，在電爐保溫條件下，廢鋼加入量
對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響不明顯，抗拉強(qiáng)度僅取決于CE的變化，而且爐料配比對(duì)灰鑄鐵的組織也沒(méi)有什么影響。
