摘要：本文主要论述了合金元素硫、锰含量及其比例，微量元素钛和氮的控制，
以及孕育剂加入量等对灰铸铁组织和性能的影响。
关键词：灰铸铁；合金元素；微量元素；力学性能

         In-neglected Technological Problems in Production of
                     High Strength Gray Cast Iron
Abstract: The paper mainly discussed the infulence of content of Surlfur andMangnese, Mn/S ratio, trace element, such as Ti and N, and addition of inoculant on the micro-structure and mechanical properties of high strengh gray cast iron.

Key Words: Gray iron，Alloy element，Trace element，Mechanical properties

     据统计，2007 年我国铸件产量达到了 3000 万多吨，其中，灰铸铁占 60-70%。由于灰铸铁具有独特的性能特点，它在机械、机床、冶金、汽车等行业的应用中占有非常重要的位置。改革开放 30 年来，我国的灰铸铁生产技术水平获得了很大提高。但与国外先进国家相比，还存在着较大差距。在高强度灰铸铁生产过程中，我国大多数工厂比较注重五大元素、合金元素、熔炼温度、铸造工艺等因素的控制，这些因素的控制对提高灰铸铁的内在质量和外在质量是至关重要的。但是，还有一些其他因素没有引起人们足够的重视，这些同样对灰铸铁的质量有着重要影响，譬如，元素硫与锰的含量与比例，微量元素钛、氮的控制以及孕育剂加入量等细节的掌握。本文就这些因素对高强度灰铸铁组织和力学性能的影响进行讨论，抛砖引玉，以期引起人们的注意。

1 硫、锰的控制
  （1）硫
  过去，由于我国的灰铸铁和球墨铸铁大部分利用冲天炉熔炼，铁液的增硫比较严重，导致原铁液的含硫量较高，使得铸铁的铸造性能、力学性能降低，球化效果不好，所以，在人们的记忆中硫是一个有害元素。随着电炉熔炼工艺的发展，可以容易获得含硫量低的铁液，这对处理球墨铸铁非常有利。但是，有些工厂在灰铸铁生产中发现，电炉灰铸铁的材质性能还不如冲天炉好。因此，硫不能被简单的被认为是一个有害元素。
  在灰铸铁生产中发现，硫量控制在一定范围内，随着硫量的增加，片状石墨长度变短，石墨形态变得弯曲，而且石墨的头部变得钝化，并细化共晶团，提高强度。

  为什么硫在一定范围内，促进石墨化，改善石墨形态？硫在铁水中的溶解度很低，对 Fe—C 系平衡相图的影响不是很大。但硫降低碳在铁水中的溶解度，理应是一个促进石墨化的元素，实际上它对石墨化的影响比较复杂。硫对铸铁的凝固呈现双重作用[1]，一方面，硫与 Mn、Sr、Ba 等元素形成硫化物，为共晶石墨的成核提供基底,增加共晶团数量；另一方面，硫作为表面活性元素，富集在结晶前沿，会抑制共晶团的生长，增加结晶过冷度，白口倾向增大。硫可溶于液态铸铁中，但不溶于凝固的奥氏体和共晶团中，所以适当的硫（0.04－0.10％S）富集于共晶团的边界而干涉原子的扩散，从而限制共晶团的生长,使石墨分枝减少，导致生成厚而短的片状石墨。当硫含量较低（<0.03％）时,结晶前沿硫阻挡层的限制较弱，同时, 缺乏硫化物石墨晶核，降低孕育效果，则易于生成大个共晶团的 D 型石墨和菊花状石墨。当铁液中的含硫量增加到 0.04－0.10％时，铸铁的孕育效果增强，同时铁水的表面张力б降低，铁水与石墨的湿润角θ减小，使得更多的硫化物基底成为石墨核心，共晶团数增加，A型石墨取代了 D 型石墨。当铸铁的硫量超过 0.11%，石墨由片状又逐渐返回到丛状 D 型石墨[2]。这是由于当含硫量较高时，硫对铸铁结晶生长的抑制作用加强，使结晶的过冷度加大，造成有利于过冷石墨生长条件,甚至产生白口组织。

  经过大量生产和试验发现，将含硫量控制在 0.06-0.10%范围内，可以增强孕育效果，改善石墨形态，对提高灰铸铁强度是有利的，同时，又能改善铸铁的机加工性能[3]。对于电炉熔炼灰铸铁，经常遇到含硫量低的情况，必须采取增硫措施，才能获得优质灰铸铁件。

（2）锰
   在普通灰铸铁中，锰一直作为合金元素控制基体的珠光体含量，通常认为加锰可以提高灰铸铁的强度和硬度。实际上，锰对灰铸铁的强度性能的影响具有双重作用[4]：一方面，锰能促进珠光体的形成，细化珠光体，有助于提高强度；另一方面，含锰量太高，影响铁液结晶时的形核，使共晶团数量减少，石墨粗大，甚至可能出现过冷石墨，从而使铸铁的强度降低。近年来，通过生产实践证明，灰铸铁强度并不是随锰量提高而增加，如在汽缸盖生产中，锰量增加，灰铸铁抗拉强度降低，如表 1 所示[5]。
     在铁液中，锰与硫化合形成 MnS，随着锰量增加，与锰结合的硫量就大，使铁液中的自由硫含量降低，抑制了硫的有利作用，石墨长度增加，端部钝化效果变差，导致铸铁性能下降。另外，形成的大量 MnS 夹杂物，一部分形成石墨核心，另一部分则会发生聚集，形成局部密集的 MnS 排列，消弱了基体的强度。因此，含锰量增加，灰铸铁的强度降低。
  另外，有资料表明[6]，锰对灰铸铁强度的影响与碳当量有关。当碳当量为3.65-3.95%时，其抗拉强度随着锰量的增加显著降低。当碳当量为 3.96-4.15%时，其抗拉强度随着锰量的增加有所提高。

（3）Mn/S 比
  由于硫在灰铸铁中具有双重作用，同时，锰与硫化合形成的 MnS 又具有核心功能，但过多的 MnS 对灰铸铁的强度没有益处。所以，硫和锰的含量在铸铁中存在着相互制约的关系，即存在着一个合理的 Mn/S。通常认为，当S<0.2%时，以 Mn=1.7S+0.3 来考虑锰含量。
   生产实践证明[6]，Mn/S 对灰铸铁的性能有较大的影响。当CE 为 3.70%~3.85%时，σb 随 Mn/S 的增大而降低；当 CE 为 3.90%~4.05 时,σb 随 Mn/S 的增大先降低然后提高。当 CE 为 3.70%~3.95%时，Mn/S=3~5，抗拉强度较佳，取 Mn/S=4；当 S=0.07%~0.15%时，Mn 0.3%~0.6%。当 CE 为 3.96%~4.05%时，Mn/S=5~7，抗拉强度较佳，取 Mn/S=6，当 S=0.07%-0.15%时，Mn 0.4%~0.9%。

2 钛的控制
   钛是强烈形成碳化物，与碳、氮、氧具有很强的化学亲和力，形成 TiN、TiC、或 Ti（N C），其硬度极高(TiC 3200Hv，VC 2800Hv)，常以颗粒状存在于铸铁基体中。少量的Ｔｉ可以细化石墨，但随着钛含量的增加，Ｄ型石墨增多，并且，Ti 分布在Ｄ型石墨区域。当 Ti 含量超过 0.15％，Ｄ型石墨达到 95％。Ti 对灰铸铁抗拉强度有较大的影响[7]。当含 Ti 量在 0.13%以下时，灰铸铁的抗拉强度随含 Ti量的增加而下降，含 Ti 量为 0.13%时，出现了最低值 222.20MPa；当含 Ti量大于 0.13%时，其抗拉强度随含 Ti 量的增加而升高，当含 Ti 量增加到 0.36%时，抗拉强度升高到 271.79MPa。Ti 对灰铸铁硬度也有较大的影响。当含 Ti 量在0.04%以下时，随 Ti 量的增加硬度下降；当含 Ti 量大于 0.04%时，其硬度随含 Ti 量的增加而增加;当含 Ti 量为 0.36%时，硬度高达 226HB。
   Ti 含量小于 0.03%时，铁液的白口倾向减小，具有提高灰铸铁冶金质量指标的趋势。值得注意的是，含钛量的大小对灰铸铁的加工性能影响较大[8]。随着钛含量的增加，刀具磨损严重，同时，影响加工铸件的表面光洁度。

3 氮的控制
   一般情况下，氮在灰铸铁中含量较低，生产单位大都不具备化验氮的手段和仪器，所以，它对灰铸铁的作用没有引起人们的足够重视。研究表明[9]，氮对灰铸铁的组织有较大的影响，主要作用表现在两个方面：一是对基体组织的影响；二是对石墨形态的影响。
   氮降低灰铸铁的共析转变温度，并使得共析转变温度区间加大[10]。氮对灰铸铁基体的影响表现在三个方面：一是氮可以使初生奥氏体枝晶臂间距减小；二是氮作为碳化物稳定元素，促进铸态珠光体的含量增加和稳定性；三是有效地促进共晶形核，细化基体组织，增加珠光体和铁素体的显微硬度。氮对铸铁石墨的形态、数量、分布有很大影响。日本张博等人的研究表明，铸铁中吹入氮气，不加入任何球化元素，可以使石墨球化。对于普通灰铸铁，加入适量的氮可使得片状石墨长度缩短、弯曲程度增加、端部钝化、长宽比减小。因此，灰铸铁中含有一定的氮，可显著提高强度和硬度。
  生产实践证明，在相同化学成分条件下，冲天炉熔炼铁液浇注的铸件力学性能低于电炉熔炼。通常认为，其原因是冲天炉铁液温度低，存在着炉料遗传问题。实际上，这与铁液的含氮量有关。冲天炉熔炼时，由于使用生铁量较多，而高碳生铁的含氮量较低，一般冲天炉灰铸铁中的含氮量为 40-70ppm[11]。通常废钢的含氮量比铸造生铁高的多，用感应电炉熔炼铸铁时，炉料中所用生铁较少，废钢比例较大，另外，电炉熔炼多使用增碳剂，而大多数增碳剂中氮含量较高，所以，感应电炉熔制的灰铸铁含氮量比较高。一般，炉料中废钢比例越大，铸铁中含氮量越高，如表 2 所示[11]。
        

 另外，需要指出，不同炼钢工艺获得的废钢的含氮量也是不同的，如表 3 所示。
              

  氮是廉价的资源，对改善灰铸铁的组织和力学性能具有积极的作用，在当今铁合金价格飞涨的形势下，有效利用氮对灰铸铁进行微合金化是值得重视的技术。但是，也应该充分注意过量的氮将造成气孔甚至微观裂纹缺陷。因此，在氮的应用中，应注重其科学性，充分合理地利用氮的积极作用，尽量避免其消极作用。

4 孕育剂加入量控制
     孕育处理是高强度灰铸铁生产中的重要技术环节。孕育的主要目的是：促进石墨化，减少白口倾向；改善断面均匀性；控制石墨形态，减少过冷石墨，获得细小的 A 型石墨；增加共晶团数量；改善力学性能和其他性能。
  由于孕育可显著提高共晶团数量，有些工厂为了提高灰铸铁的强度，认为孕育剂加入量越多越好，有的达到 0.8-1.0%。实际上这是一个错误的认识。孕育剂加入量是孕育工艺中必须考虑的一个重要因素。加入量太少，将导致孕育不足产生白口和硬度太高的现象，从而使力学性能和加工性能降低。但是，孕育剂加入量过多，并不能增加孕育效果，可能带来以下不利影响：过多的孕育剂加入量，使铁液降温增加，可能造成熔化不完全，增加夹渣的可能性；使铁液的收缩量加大而产生缩孔的可能性加大；由于共晶团数过多，导致粥状凝固，石墨化膨胀增加产生型壁位移，而易产生缩松，造成铸件的渗漏。
     生产实践发现[3]，有意识的降低原铁液的含硅量而加大孕育量，灰铸铁的力学性能并不比高硅原铁液通过适量孕育得到力学性能好。一般认为，对原铁液尽量控制较高的含硅量，将孕育量控制在 0.4%左右为宜。
     通常所讲的强化孕育处理，不是指加大孕育剂用量，而是指选择合适的优质孕育剂，改进孕育工艺方法，如长效孕育剂、随流孕育、型内孕育等。

5 结束语
     当前，随着原材料价格上升，市场竞争的更加剧烈，灰铸铁作为一种传统的金属结构材料，正面临着质量、性能和价格的严重挑战。铸造企业应顺应灰铸铁材质高强度化、高附加值化和工艺稳定化的趋势，提高铸件质量，加大技术开发力度，籍以全面提升产品和服务质量，增强市场竞争力，提高技术经济效益。
     在灰铸铁的生产过程中，以往人们只注重常规五大元素对铸铁材质的影响，而对其他一些微量元素的认识不足，仅仅有的也是一个定性认识。近年来，由于铸造技术的进步，熔炼设备也在不断的更新，当前焦炭价格节节攀升，冲天炉熔炼成本逐渐增加，很多企业正在考虑用电炉代替冲天炉熔化铁液。电炉熔炼固然有其冲天炉不可比拟的优点，但电炉熔炼也失去了冲天炉熔炼冶金反应好的一些优点。这样，某些微量元素对灰铸铁组织和性能的影响也就反映出来。因此，要想获得优质灰铸铁件，除了严格控制常规工艺外，对于其他容易被人们忽略的技术问题，如硫、锰、微量元素的控制，以及孕育剂加入量等应给予足够的重视。

参考文献

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2.    刘金海 李国禄 郝晓燕 刘根生，硫对 NI-1 型奥氏体灰铸铁组织和性能的影响，2003 中国铸造活动周论文集，江苏，南京 2003．10.
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5.     逄伟. 提高 HT300 缸体缸盖铸件材料性能的方法，铸铁缸体缸盖铸造生产技术研讨会论文集，杭州，2007 年 12
6.     刘佑平. 锰、硫对灰铸铁力学性能的影响. 热加工工艺，2001（2）：52-53
7.     林小瑛，卢月美，李树江，陈绍春．钛在灰铸铁中行为的研究．现代铸铁，2001（4）：14-16
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10.    翟启杰. 氮在铸铁中的作用及含氮高强度灰铸铁. 现代铸铁，2001（2）：27-34
11. 中国铸造协会. 用感应电炉熔炼灰铸铁时的一些冶金特点，李传栻文集，2007
     年7月