高強度灰鑄鐵的生產(chǎn)工藝研究

劉繼波，房奪，楊淑欣，魯棟，許景峰（.濰柴重機股份有限公司，山東濰坊600；.濰柴動力股份有限公司，山東濰坊604）

·鑄造工藝·

高強度灰鑄鐵的生產(chǎn)工藝研究

劉繼波1，房奪2，楊淑欣1，魯棟1，許景峰1
（1.濰柴重機股份有限公司，山東濰坊261001；2.濰柴動力股份有限公司，山東濰坊261041）

隨著發(fā)動機行業(yè)對材質(zhì)性能要求的不斷提升，公司在新產(chǎn)品的開發(fā)過程中對牌號的要求也不斷提高，原有的HT300材質(zhì)已經(jīng)不能夠滿足當前的需求。因此開展了HT350工藝的開發(fā)及研究，在HT300生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上總結(jié)出了HT350牌號的生產(chǎn)工藝，具備了生產(chǎn)高強度灰鑄鐵的能力。

HT350；成分選擇；熔煉工藝

隨著發(fā)動機行業(yè)的不斷發(fā)展和國家排放標準的不斷升級，發(fā)動機的輕量化和大功率化已經(jīng)成為必然趨勢，這迫使發(fā)動機的材料向更高強度發(fā)展[1，2]。濰柴集團作為國內(nèi)發(fā)動機行業(yè)的領(lǐng)跑者，在新產(chǎn)品的開發(fā)過程中對材料的要求，也由傳統(tǒng)的HT200、HT250材質(zhì)逐漸向性能更高的材質(zhì)轉(zhuǎn)移。

濱海鑄造廠現(xiàn)已具備電爐熔煉生產(chǎn)HT300的生產(chǎn)能力，主要產(chǎn)品：200/250系列缸蓋、M A N系列機前后蓋等。在HT300材質(zhì)的基礎(chǔ)上，選取成熟產(chǎn)品中速機8170機體，通過試驗，調(diào)整碳當量及合金成分含量，成功生產(chǎn)出HT350材質(zhì)的合格鑄件，并對試驗過程進行了總結(jié)，形成HT350生產(chǎn)工藝。

1 化學成分選擇

1.1 C、Si及硅碳比

C、S i都是強烈的石墨化元素，在熔煉工藝研究中一般采用碳當量（C E）來說明其對灰鑄鐵力學性能的影響。

在高強度灰鑄鐵的發(fā)展歷程中，有一條研究方向是降低碳當量，提高錳的含量，從而提高灰鑄鐵中珠光體的比例，最終提高灰鑄鐵強度。這是因為碳當量越低，鐵液在共晶反應(yīng)前析出的初生奧氏體枝晶的量就越多，奧氏體骨架得到強化[3]。但是，灰鑄鐵之所以具有優(yōu)良鑄造性能、減震性能、減摩性能及切削加工性能，就是因為其具有較高的碳含量，碳含量的降低必然會導致上述性能不同程度的惡化。因此，高碳當量、低合金化才是高強度灰鑄鐵研究的正確方向。

在碳當量保持不變的基礎(chǔ)上，適當調(diào)整硅碳比，對灰鑄鐵的性能有顯著的影響。在不同碳當量條件下，w（S i）/w（C）變化對強度的影響是不一致的。當碳當量較高時，使用過高的硅碳比會導致鑄件片狀石墨尺寸增大和珠光體含量降低，因此，高碳當量的高牌號灰鑄鐵硅碳比不宜過高。

基于以上理論，結(jié)合我廠現(xiàn)有的HT300牌號熔煉工藝，將w（C）控制在3.0%～3.3%，w（C E）控制在3.8%～4.2%，w（S i）/w（C）控制在0.5左右。

1.2 錳、硫及錳硫比

在灰鑄鐵生產(chǎn)中，錳的質(zhì)量分數(shù)一般控制在0.5%～1.4%，主要有兩個作用：一是中和硫元素，生成M n S等化合物，這些化合物顆粒分布于機體中不僅無阻礙石墨化的作用，而且還可以作為異質(zhì)形核細化晶粒。二是鐵水中的M n能夠有效地降低共晶轉(zhuǎn)變溫度，增加初生奧氏體枝晶的數(shù)量，從而促進珠光體的形成。

S是嚴重阻礙石墨化的元素，S含量高時，鑄鐵具有較嚴重的白口傾向，并且容易與鐵和碳在晶界上形成低熔點共晶體，這些共晶體質(zhì)地軟而脆，增大鑄件的熱裂傾向。因此要嚴格控制高牌號灰鑄鐵的S含量。

在灰鐵鑄件中M n含量不是越高越好，應(yīng)考慮錳硫比，即w（M n）=1.71w（S）+（0.1～0.3）.

1.3 磷

磷在鑄鐵中主要以磷共晶的形式存在，磷共晶質(zhì)地硬而脆、主要分布在晶粒的邊界上，割裂了晶粒間的連續(xù)性，使鑄鐵的強度、塑性下降，硬度提高，使鑄件容易產(chǎn)生冷裂缺陷。我廠灰鑄鐵生產(chǎn)過程中磷的質(zhì)量分數(shù)控制在0.07%以下。

1.4 合金元素

1.4.1 銅

灰鑄鐵中加入適量的銅，可以抵消碳化物穩(wěn)定元素的負面作用，減輕鑄鐵的白口傾向。并且銅可使壁厚尺寸相差較大的鑄件在不同截面處的顯微組織比較一致，因而能夠改善鑄件的加工性能。將銅質(zhì)量分數(shù)控制在0.6%～1.0%較合適。

1.4.2 鉬

在灰鑄鐵中，鉬提高鑄鐵性能的機理是細化珠光體。鉬元素不能夠促進珠光體的形成，并且不能夠消除基體中的鐵素體，因此，鉬不會增加鑄鐵的白口傾向。鉬阻礙珠光體形成的作用要比阻礙鐵素體形成的作用更強，如果單獨用鉬元素對鑄鐵進行合金化，則鑄件尺寸較厚大處將會出現(xiàn)游離鐵素體，因此，鉬一般要與其他強烈穩(wěn)定珠光體的合金元素配合使用。

1.4.3 鉻

鉻在鑄鐵中使碳在奧氏體中的溶解度增加，是很強的珠光體穩(wěn)定元素。在鐵液凝固過程中，鉻阻礙C的析出，促進生成滲碳體，使鑄鐵的白口傾向增大?？梢栽阼T鐵中加入硅進行孕育處理，或者與其他能夠消除白口的合金元素共同使用，以抵消鉻造成的白口傾向。

由于C r的價格相對較低，并且強化灰鑄鐵的作用十分明顯，所以，C r成為灰鑄鐵生產(chǎn)中常用的合金元素。為了減小C r的不利影響，應(yīng)嚴格控制鐵液中C r的質(zhì)量分數(shù)，以0.2%～0.35%為宜。

1.4.4 錫

S n是強烈穩(wěn)定珠光體的元素，增加珠光體的作用很強。S n在鐵液凝固過程向液相偏析，最后富集在奧氏體中，共析時阻礙碳原子向片狀石墨擴散，從而增加珠光體的含量。但由于S n在金屬基體中的溶解度很有限，加入量過多，會在共晶團邊界處形成化合物，會使鑄鐵脆化，惡化力學性能。其質(zhì)量分數(shù)一般為0.04%～0.10%[6].

2 熔煉工藝

采用合成鑄鐵工藝，使用廢鋼（質(zhì)量分數(shù)60%）和回爐料（質(zhì)量分數(shù)40%）作為原材料，用增碳劑調(diào)節(jié)碳含量。

使用A BP公司6 100 k W中頻感應(yīng)電爐進行熔化，鐵液全部熔化后將溫度升至1 510℃～1 530℃進行鐵水過熱處理。

由于濱海鑄造廠產(chǎn)品系列較多，一爐鐵水同時生產(chǎn)不同牌號鑄件，因此，合金材料是在出鐵過程中加入。出鐵前，將塊狀電解銅直接扔進鐵水包內(nèi)，粉狀的鉻鐵、鉬鐵、錫粒及硅鋇孕育劑（加入質(zhì)量分數(shù)為0.2%～0.6%）加入到隨流孕育裝置內(nèi)，出鐵過程中隨流加入。出鐵后，扒渣、運至澆注位置。

澆注溫度為1 380℃～1 420℃，并在澆注過程中使用硅鋯孕育劑進行二次隨流孕育，孕育量為0.08%～0.14%.

打箱后，使用天然氣時效爐進行時效處理，以消除鑄件的內(nèi)應(yīng)力。

3 試驗結(jié)果

3.1 鑄件化學成分

對最終的成分進行光譜試樣分析，其結(jié)果如表1，各元素含量均在設(shè)計范圍內(nèi)。

表1 最終化學成分光譜分析結(jié)果

3.2 試棒及本體力學性能

試棒力學性能來自φ30的單鑄試棒的拉伸試驗。本體力學性能選取試驗機體的第五、六瓦口加工成標準拉伸試樣進行拉伸試驗獲得。力學性能結(jié)果見表2，各項力學性能均滿足要求。

表2 試棒及本體力學性能

3.3 石墨形態(tài)及金相

對鑄件本體取樣進行金相組織觀察，金相組織如圖2所示。石墨以A型石墨為主，片長4級，腐蝕后觀察，珠光體含量在98%以上，金相組織滿足標準要求。

圖2 石墨形態(tài)及金相組織

4 結(jié)束語

灰鑄鐵具有良好的減震性和耐磨性，同時具有良好的鑄造性能和加工性能，在今后很長一段時間內(nèi)仍然是最適合發(fā)動機鑄件的材料。并且隨著發(fā)動機行業(yè)的發(fā)展，高強度灰鑄鐵所占比重將會越來越大。濱海鑄造廠通過嚴格的成分控制，合理制定生產(chǎn)工藝，最終成功開發(fā)出HT350牌號的生產(chǎn)工藝。不僅提升了鑄造廠的技術(shù)能力，更為企業(yè)新產(chǎn)品的開發(fā)提供了技術(shù)支持，增加了企業(yè)的技術(shù)儲備。

［1］趙樹峰，崔廣波，李清鎮(zhèn).硅碳比值對灰鑄鐵抗拉強度和硬度的影響［J］.防爆電機，2001（2）:45-46.

［2］鄧鋼.新型高碳當量高強度灰鑄鐵組織與性能的研究［D］.吉林:吉林大學，2006.

［3］劉明生，向大學.高強度灰鑄鐵生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)研究與展望［J］.煤礦機械，2012，33（2）:68-70.

［4］劉金海，趙雪勃，王磊，等.高強度灰鑄鐵生產(chǎn)中不可忽視的技術(shù)問題［J］.鑄造設(shè)備研究，2008（6）:12-14.

［5］劉佑平.柴油機灰鑄鐵件化學成分的選擇［J］.中國鑄造設(shè)備與技術(shù)，2002:（1）:16-20.

［6］沈永華，潘東杰，黃列群.高強度灰鑄鐵的研究進展［J］.材料科學與工程，2000，18（1）:136-140.

Study on Technology of High Strength Gray Cast Iron

LIU Ji-bo1，F(xiàn)ANG Duo2，YANG Shu-xin1，LU Dong1，XU Jing-feng1
（1.WeichaiHeavy Machinery CO.，LTD.，Weifang Shandong 261001，China；2.Weichai Power CO.，LTD.，Weifang Shandong 261041，China）

Binhai Foundry of Weichai Heavy Machinery CO.，LTD.,can realize the stable production of various castings of HT300.With the continuous improvement of thematerial performance requirements of the engine industry and the increasing grade requirement in the cast iron development，the HT300 can notmeet the current needs.Therefore，the technology research and developmentof HT350 have been carried out to realize the ability to produce high strength gray cast iron.

HT350，composition selection，melting

TG251.1+3

A

1674-6694（2017）03-0011-02

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2017.03.004

2016-02-10

劉繼波（1977－），男，碩士，工程師，主要從事鑄造工藝開發(fā)及質(zhì)量管理工作。