蠕墨鑄鐵的發(fā)展現(xiàn)狀及未來展望

張敏之，許景峰，徐玉龍，馬世旋，戚鵬超，楊淑欣

（濰柴重機(jī)股份有限公司，山東 濰坊 262208）

自20 世紀(jì)40 年代末蠕墨鑄鐵首次被發(fā)現(xiàn)以來，科研人員一直沒有停歇對蠕墨鑄鐵研究的腳步[1]。尤其在近些年，隨著重型柴油發(fā)動機(jī)功率的不斷提高，國家排放標(biāo)準(zhǔn)的持續(xù)提升以及灰鑄鐵制動鼓、剎車盤等灰鑄鐵鑄件，難以適應(yīng)惡劣的工作條件，性能無法滿足愈加苛刻的使用要求，這使得人們對高性能蠕墨鑄鐵的穩(wěn)定生產(chǎn)和應(yīng)用需求變得日趨強(qiáng)烈[2]。

所謂蠕墨鑄鐵，是指鐵水經(jīng)過蠕化和孕育處理后，碳在鐵水凝固過程中主要以蠕蟲狀（二維）石墨形態(tài)析出的鑄鐵材料稱為蠕墨鑄鐵[3]。蠕墨鑄鐵顯微組織中石墨的組成主要為蠕蟲狀石墨（≥80%）和少量球狀、團(tuán)絮狀石墨，其中蠕蟲狀石墨的三維形貌為珊瑚樹狀[3-5]。蠕墨鑄鐵的綜合性能表現(xiàn)優(yōu)異，不僅具有和灰鑄鐵相當(dāng)?shù)牧己描T造性、抗震性和導(dǎo)熱性，也有與球墨鑄鐵相近的高強(qiáng)度和高耐磨性，同時又有比灰鑄鐵、球墨鑄鐵優(yōu)異的高溫疲勞強(qiáng)度和耐熱疲勞性[6]。因此，蠕墨鑄鐵在發(fā)動機(jī)的缸體、缸蓋、排氣管以及汽車制動轂、剎車盤等方面的應(yīng)用越來越受青睞。鑒于此，本文在前人的研究基礎(chǔ)上結(jié)合的生產(chǎn)經(jīng)驗，綜述了穩(wěn)定生產(chǎn)高質(zhì)量蠕墨鑄鐵的方式方法，并詳細(xì)闡述了各元素對蠕墨鑄鐵微觀組織和力學(xué)性能的影響。

1 熔煉原材料的選擇

由于生產(chǎn)蠕墨鑄鐵時的蠕化處理范圍較窄，獲得穩(wěn)定蠕化率的蠕墨鑄鐵較難，所以在鐵水原材料的選取上就相對比較嚴(yán)苛。對于回爐料應(yīng)選用經(jīng)過拋丸處理后的蠕墨鑄鐵回爐料，增碳劑應(yīng)選用經(jīng)過石墨化處理的低硫增碳劑，生鐵應(yīng)選用低硫、低碳、低鈦的高品質(zhì)生鐵[7]，廢鋼應(yīng)選用表面無銹蝕和油污的廢鋼。

2 各元素對蠕墨鑄鐵組織和性能的影響

2.1 C 元素

C 是鑄鐵中的石墨化形成元素，隨著鑄鐵中C含量的增加，鐵水的流動性增加，凝固析出石墨的數(shù)量也增多[8]。但鑄鐵中的C 含量也不宜過多，因為過多的C 含量不僅會導(dǎo)致基體中的鐵素體量增多、珠光體量減少，而且還會導(dǎo)致石墨粗化、球化和石墨化漂浮，對鑄鐵的性能產(chǎn)生及其不利的影響[9-11]。所以在實際生產(chǎn)中C 質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般控制在3.6%～3.8%[10，12]，且有研究表明[10，13]，像缸體、缸蓋這樣結(jié)構(gòu)復(fù)雜，薄壁處較多的鑄件以及鐵素體型蠕墨鑄鐵一般選用C 含量范圍的上限，而厚大件和珠光體型蠕墨鑄鐵則一般取C 含量的下限。另外，由于C在石墨化過程中會產(chǎn)生體積膨脹，所以會使鑄鐵在凝固過程中會自行補(bǔ)縮，減少縮松、縮孔等鑄件缺陷，提升鑄件的力學(xué)性能。

圖1 蠕墨鑄件的顯微組織形貌

2.2 Si 元素

Si 是強(qiáng)烈的促進(jìn)石墨化元素，其能增強(qiáng)C 原子的自擴(kuò)散能力，促進(jìn)部分C 原子成為共晶石墨晶核[10]，同時也能擴(kuò)大穩(wěn)定系和亞穩(wěn)系的共晶溫度間隔，促進(jìn)C 原子以石墨形態(tài)析出，降低鐵水的白口傾向，減少鑄鐵組織中碳化物的形成[14]。另外，適當(dāng)增加Si 含量，還能提高鑄件的高溫力學(xué)性能和耐熱疲勞性能[15]。但硅含量也不宜過高，因為過高的Si含量會使組織中鐵素體的量增多，而且過量的Si 也會導(dǎo)致鑄件的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度升高、沖擊硬度降低，這不利于鑄件在低溫條件下使用；而Si 含量過低，又會導(dǎo)致石墨化能力不足，使鑄鐵的白口化傾向嚴(yán)重，所以Si 質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般控制在2.0%～2.4%[9，10，15].

2.3 Mn 元素

Mn 可促進(jìn)組織中珠光體的形成，細(xì)化珠光體，提高鑄鐵的強(qiáng)度和硬度，同時又能促進(jìn)生成和穩(wěn)定碳化物，抑制FeS 的生成。另外，適量的Mn 會與S形成高熔點(diǎn)的MnS 化合物，作為異質(zhì)形核點(diǎn)起到細(xì)化晶粒的作用，進(jìn)而提高材料的強(qiáng)度和硬度。但Mn又是強(qiáng)烈的反石墨化元素，其含量過高會影響石墨的的結(jié)晶形核，減少共晶團(tuán)的數(shù)量，使石墨粗大降低鑄件的力學(xué)性能，同時它增加鑄件凝固時的縮松傾向[9][11]，所以其質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般小于0.4%.

2.4 S 元素

S 可促進(jìn)珠光體的形成，穩(wěn)定珠光體，在石墨的形核和生長過程中起到積極有益的作用，S 的加入也可以改善鑄件的機(jī)加工性能。但S 與Mg 和RE等蠕化元素的親和力較強(qiáng)，屬于反石墨蠕化元素[7]，所以S 含量過高，會消耗大量的蠕化元素Mg 和RE，導(dǎo)致蠕化不良或蠕化衰退，嚴(yán)重影響蠕墨化效果，而且產(chǎn)生的S 化物會增加蠕墨鑄鐵的夾雜缺陷。相反，如果S 含量過低而Mn 含量又相對較高的話，則會增加鑄件的鑄造應(yīng)力，使鑄件裂紋出現(xiàn)的概率增加[9][11]，李明保[10]等人的研究也表明，S 含量過低，會導(dǎo)致組織中球狀、團(tuán)絮狀石墨增多，蠕化率降低。所以S 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般控制為0.01%～0.02%[12，16].

2.5 P 元素

P 在鑄鐵中是典型的有害元素，當(dāng)P 含量超過其在鐵水中溶解度后，在組織中會形成二元或三元低熔點(diǎn)的磷共晶，這些磷共晶會沿晶界分布，使晶間結(jié)合力降低，導(dǎo)致蠕鐵的強(qiáng)度下降，塑性和韌性急劇降低，斷后延伸率減小，沖擊韌性降低、韌-脆性轉(zhuǎn)變溫度升高。另外，P 還會增加鑄鐵的縮松傾向，所以P 質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般控制在0.07%以下[9-10].P 不影響蠕化處理效果[7]。

2.6 蠕化元素

Mg 是蠕化能力最強(qiáng)的蠕化元素，鎂和稀土的含量決定了石墨的形狀和各類形態(tài)石墨的數(shù)量。Mg和RE 的加入有三個重要的作用，一是可中和S 等反球化元素，消除反球化元素對蠕化率的影響，二是利用Mg 的沸騰效應(yīng)（Mg 的沸點(diǎn)低于鐵水的溫度）對鐵水有較好的除氣、凈化作用，三是使石墨蠕化[9]。Mg 含量應(yīng)適中，因為當(dāng)Mg 含量過高時，石墨形狀接近于球狀石墨，而Mg 質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時，石墨形狀則更接近于片狀石墨[17]，這都不利于的到蠕蟲狀石墨，所以，蠕墨鑄鐵中Mg 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)控制在0.01%～0.018%.

稀土元素（RE）的硫化物或氧化物可以作為石墨的形核基底，促進(jìn)石墨的結(jié)晶長大[18]，魯棟[19]等人的研究表明，RE 的抗蠕化衰退能力較強(qiáng)。但稀土的加入量過多會急劇增加組織的白口傾向，導(dǎo)致滲碳體的生成[20]。所以，RE 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)控制在0.04%～0.07%[21].

2.7 Cu 元素

Cu 不僅能促進(jìn)珠光體形成[22]，縮小珠光體片層間距，使珠光體層片變得無取向性，阻礙裂紋的產(chǎn)生，而且還能阻礙奧氏體分解，增加組織中珠光體的含量和珠光體穩(wěn)定性，延緩因循環(huán)熱應(yīng)力而導(dǎo)致的應(yīng)力變形，從而，提高蠕墨鑄鐵的強(qiáng)度、硬度以及熱疲勞性能。同時，Cu 還有微弱促進(jìn)石墨化、細(xì)化石墨和共晶團(tuán)的作用。另外，隨著Cu 含量的增加，蠕墨鑄鐵的強(qiáng)度、硬度增加，塑性下降，但當(dāng)Cu 的含量超過一定值時，蠕鐵的強(qiáng)度反而會下降，所以Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般控制在0.3%～1.1%[9，10，12，21，23].

2.8 Sn 元素

Sn 可促進(jìn)珠光體的形成，穩(wěn)定、細(xì)化珠光體，能有效增加基體中珠光體的含量和珠光體團(tuán)的數(shù)量[24]，而且在石墨長大的過程中，Sn 會優(yōu)先富集在石墨的結(jié)晶前沿，阻礙石墨長大，細(xì)化石墨尺寸，進(jìn)而提高蠕鐵的屈服強(qiáng)度改善蠕鐵的拉伸性能[24-26]，但Sn 含量過高，會增加珠光體片層間距，使石墨分支變多端部變尖，應(yīng)力集中系數(shù)上升，使合金的抗拉強(qiáng)度和硬度下降[27]。Sn 對彈性模量、導(dǎo)熱系數(shù)等影響較小，主要改變的是基體組織[27]。所以，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為0.01%～0.12%[10，12，21，28]。

2.9 Ti 元素

Ti 是反蠕化元素，適量Ti 的加入可擴(kuò)大鐵水中殘余蠕化元素的含量范圍，進(jìn)而擴(kuò)大蠕化處理范圍，使得在實際生產(chǎn)過程中可更有效的控制鑄鐵的蠕化穩(wěn)定性，增加蠕墨鑄鐵合格率，降低廢品率。但過多的Ti 含量會降低鑄件的機(jī)加工性能，所以Ti的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般控制在0.03%～0.06%[10].

3 鐵水的蠕化和孕育處理

自蠕墨鑄鐵被發(fā)現(xiàn)以來，人們?yōu)榉€(wěn)定生產(chǎn)蠕墨鑄鐵，先后開發(fā)了沖入法[29]、蓋包法[30]、GF 轉(zhuǎn)包法、密封流槽法[31]、鎂焦炭法、型內(nèi)處理法以及喂線法[32]等多種蠕化、孕育處理方法。目前國內(nèi)外應(yīng)用最多的蠕化、孕育處理方法為喂線法。

3.1 喂線法

為保證蠕墨鑄鐵生產(chǎn)的一致性和穩(wěn)定性，在總結(jié)沖入法、蓋包法等方法缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，人們開發(fā)了喂線蠕化法。喂線蠕化法可通過計算機(jī)，根據(jù)蠕化處理原鐵水的量，通過軟件快速測定的鐵水中的實時硫含量，精確控制蠕化劑及孕育劑的加入量。所以生產(chǎn)蠕墨鑄鐵的成分一致性好、質(zhì)量穩(wěn)定性強(qiáng)；而且喂線機(jī)操作簡單，人工使用少，蠕化和孕育處理后的鐵水純凈、雜質(zhì)少且渣鐵易分離，進(jìn)而可減少鑄件夾雜缺陷；另外，喂線處理法產(chǎn)生的煙霧、粉塵相較于沖入法較少而且可集中排放，環(huán)保好，工人的工作環(huán)境好。喂線蠕化處理溫度一般控制在1 460 ℃～1 520 ℃比較合適，但喂線法前期設(shè)備的投入成本較高且喂線設(shè)備占地面積較大[7，16，33]。

3.2 蠕化和孕育處理的目的

蠕化處理的目的是為了在鑄鐵組織中獲得蠕蟲狀石墨，蠕化劑的加入一方面是與鐵水中的雜質(zhì)氧、硫等發(fā)生反應(yīng)，起到脫氧除硫、凈化熔體的作用；另一方面是在石墨長大的過程中，蠕化元素在石墨生長端富集，起到蠕化石墨的作用[34]。

孕育處理的目的是為了減少或消除蠕化元素（Mg、RE 等）引起的白口傾向，在消除碳化物的同時延緩蠕化衰退，另外還有細(xì)化組織，提高鑄件力學(xué)性能的作用。但孕育劑的加入量不宜過大，因為孕育量過大會使晶核產(chǎn)生較多，進(jìn)而導(dǎo)致過多球狀石墨產(chǎn)生，這不利于獲得蠕墨鑄鐵[7，9，34].

4 蠕化率

由于蠕墨鑄鐵的處理范圍較窄、影響蠕化效果的因素較多，如原材料的選擇、熔體成分的控制、澆注條件的控制等都會影響最終蠕化率，蠕化不足時會變?yōu)榛诣T鐵，蠕化過度時會變成球墨鑄鐵[35]，所以對蠕化處理后的鐵水進(jìn)行蠕化率檢測就變得尤為重要。

4.1 蠕化率對鑄件性能的影響

蠕墨鑄鐵的蠕化率對鑄件的性能有重要的影響。研究表明[34]，隨著蠕化率提高，石墨的析出形態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變，蠕化率越高組織中蠕蟲狀石墨越多，球狀石墨越少。另外，隨著蠕化率的提高，蠕墨鑄鐵抗拉強(qiáng)度、硬度、伸長率和耐磨性能都有所降低蠕化率對鑄件導(dǎo)熱系數(shù)影響較大，隨著蠕化率的升高，其導(dǎo)熱性能逐漸增大[36]，馬志軍[5]通過對蠕墨鑄鐵中的三維石墨形貌研究認(rèn)為，蠕化率越高，石墨的網(wǎng)絡(luò)化特征越明顯，這種可能空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有利于蠕鐵導(dǎo)熱性的發(fā)揮。蠕化率越高，組織分布越均勻[5]。萬浩[34]等人的研究認(rèn)為，隨著蠕化率的提高，組織中蠕蟲狀石墨增加，球狀、團(tuán)絮狀石墨減少，由于，蠕蟲狀石墨端部的曲率半徑小于球狀石墨的曲率半徑，所以在受力時蠕蟲狀石墨又比球狀和團(tuán)絮狀石墨易產(chǎn)生應(yīng)力集中，所以易產(chǎn)生裂紋，進(jìn)而降低合金的力學(xué)性能。

4.2 蠕化率的檢測方法

1）金相法

利用金相對照法測定鑄件蠕化率時，為準(zhǔn)確測定不同部位、不同壁厚處的蠕化率，一般會選擇鑄件相對平整的面進(jìn)行加工打磨、再利用便攜式顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察。該方法的優(yōu)點(diǎn)是直觀性強(qiáng)，缺點(diǎn)是檢測耗時較多，效率低，而且準(zhǔn)確與否的主觀性較強(qiáng)，且對于大批鑄件挨個進(jìn)行檢查的可行性較差。亦或是通過同爐附鑄件的金相來作為鑄件的金相，但是由于蠕化率受澆注條件的影響較大，所以其準(zhǔn)確性較差[3，16]。

2）計算法國標(biāo)規(guī)定蠕墨鑄鐵蠕化率按面積的計算公式為：

式中：A蠕蟲狀石墨為蠕蟲狀石墨顆粒的面積（圓形系數(shù)RSF 箓0.525）；A團(tuán)、團(tuán)絮狀石墨為團(tuán)狀、團(tuán)絮狀石墨顆粒的面積（圓形系數(shù)RSF 為0.525～0.625）；A每個石墨為每個石墨顆粒（最大中心長度≥10 μm）的面積。

該方法可以避免因人為因素造成的目測誤差，通過利用ImageJ 等圖像處理軟件進(jìn)行定量計算法得到的蠕化率結(jié)果準(zhǔn)確可靠，但是該方法比較繁瑣復(fù)雜、工作量大且該方法依舊擺脫不了因附鑄件的澆注條件不同造成的蠕化率差異[3，16]。

3）超聲波法

鑒于以上兩種方法的缺點(diǎn)，為了簡化工作量、提升蠕化率的檢測效率和準(zhǔn)確性，減少檢測時的主觀性，人們開發(fā)了利用超聲波法對鑄件的蠕化率進(jìn)行檢測。其檢測原理是，在灰鐵、蠕鐵和球鐵三種材質(zhì)中，不同的石墨形態(tài)，使得材料的彈性模量不同，導(dǎo)致超聲縱波在三種材料的波速不同（灰鐵4 400 m/s～4 800 m/s，蠕鐵5 000 m/s～5 350 m/s，球鐵5 500 m/s～5 750 m/s），且不同的蠕化程度，超聲縱波的波速也有較大差異。許景峰[37]等人的研究表明，蠕化率為0%～50%時，超聲波聲速為5 700 m/s～5 600 m/s；蠕化率為50%～100%時，超聲波聲速為5 600 m/s～5000m/s；非蠕化區(qū)，超聲波聲速為5000m/s～4000m/s.因此，可通過超聲縱波的波速，對鑄件的蠕化率進(jìn)行檢測，該方法不僅檢測效率高，而且檢測結(jié)果準(zhǔn)確。尤其對于同一鑄件壁厚差異較大的情況，由于蠕墨鑄鐵鑄件的壁厚敏感性較強(qiáng)，利用計算法和金相法難以測量其蠕化率，此時超聲波法的獨(dú)特優(yōu)勢得以充分提現(xiàn)[35]。

5 結(jié)論與展望

蠕墨鑄鐵在常溫和高溫力學(xué)性能方面表現(xiàn)優(yōu)異，熱疲勞強(qiáng)度高。在缸體、缸蓋上的使用，有利于發(fā)動機(jī)尺寸的優(yōu)化、減輕發(fā)動機(jī)的震動和重量，提高發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火峰壓Pmax，進(jìn)而增加發(fā)動機(jī)的燃燒效率、減少油耗。另外，其良好的耐熱疲勞性能在高溫受力環(huán)境和冷-熱交替周期性受力環(huán)境下也有廣闊的應(yīng)用前景。

但是目前國內(nèi)外對蠕墨鑄鐵生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性還難以得到有效的保證，蠕墨鑄鐵鑄件的生產(chǎn)仍然存在廢品率高、經(jīng)濟(jì)性差的問題；另外，大噸位蠕墨鑄鐵的生產(chǎn)也是困擾國內(nèi)外專家的技術(shù)難題，現(xiàn)階段利用喂線法生產(chǎn)大噸位蠕墨鑄鐵時，在喂線處理后期存在Mg 吸收率低、喂線阻力大、表面浮渣多的問題，導(dǎo)致很難獲得合格蠕化率的大噸位蠕墨鑄鐵鑄件，而利用“二步法”生產(chǎn)蠕墨鑄鐵的成本又較高，這些因素都很大程度上限制了蠕墨鑄鐵廣泛使用。因此，解決生產(chǎn)的蠕墨鑄鐵經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性和制備大噸位蠕墨鑄鐵鑄件的可能性，將是攻克蠕墨鑄鐵無法大規(guī)模推廣使用問題的關(guān)鍵所在。