浅谈近年来铸铁件的发展万仁芳 现代铸铁.docx

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浅谈近年来铸铁件的发展万仁芳现代铸铁

浅谈近年来铸铁件的发展

万仁芳

（东风汽车公司商用车铸造一厂，湖北十堰442048）

摘要：

介绍了近年来我国铸铁件的产量和新制订、修订的铸铁件国标：

（1）灰铸铁的发展在产量增速上虽有所放缓，但质量上却有很大提高，体现在：

新国标中牌号的细化，掌握了HT300和HT350的生产技术，专用灰铸铁的开发。

（2）球墨铸铁不仅在产量上快速发展，而且更有质的飞跃，概括为：

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%；球铁应用领域不断扩大；开发出各种球化处理方法；系列化生产了球化剂和孕育剂。

重点介绍了Si固溶强化铁素体球铁、高强度高伸长率球铁、低温铁素体球铁、珠光体基体球铁、ADI、奥氏体球铁、高强韧TWIP铸铁，并指出了生产高端球铁件的关键点———优化石墨、净化晶界、强化基体。

（3）蠕铁的进步体现在：

新的国标替代了旧的部标，蠕铁缸体缸盖的生产渐入佳境，蠕铁制动盘的扩大应用正在稳妥推进。

关键词：

灰铸铁；球墨铸铁；蠕墨铸铁

中图分类号：

TG250

文献标识号：

A

文章编号：

1003－8345（2014）03－0015－10DOI：

10.3969/j.issn.1003-8345.2014.03.001

ABriefTalkontheDevelopmentofIronCastingsinRecentYears

WANRen-fang

（No.1Foundry，DongfengCommercialVehicleCo.,Ltd.，Shiyan442048，China）

Abstract：

Theproductionandnationalstandardofformulation，revisionofcastironwasintroduced.Thedevelopmentofgraycastironintheproductiongrowthisslowingdown，butthequalityisimprovedalot.Itisreflectedin：

（1）thedetailedandmasteredtheproductiontechnologyofHT300andHT350innewnationalstandardandthedevelopmentofspecialgraycastiron（.2）thedevelopmentofductileironintheproductiongrowthisrisingrapidlyandthequalityisalsoimprovedalot.Itcanbesummarizedasfollows：

thepaceofdevelopmentisamazing.Ductileironproductiontooklittletimefromscratchtoaproportionof49.5%oftheworld.Theapplicationfieldsofductileironcontinuetoexpand.Varietyofballhandlingmethodsweredevelopedandthenodulizerandinoculantwereserializedproduced.ThepresentationismainlyfocusedonSisolidsolutionstrengtheningferriticnodularcastiron，highstrengthandhighelongationductileiron，low-temperatureferriticductileiron，pearlitematrixductileiron，ADI，austeniticductileironandhightoughnessTWIPcastiron.Thekeypointofproducinghigh-endductileironareoptimizationofgraphite，purifiedgrainboundaries，strengtheningthematrix.（3）Theprogressofvermiculargraphiteironreflectedintheoldministrystandardwasreplacebynewnationalstandard，vermiculargraphiteironcylinderblockandheadproductiongettingbetter，vermiculargraphiteironbrakediscsapplicationpromotingsteadily.

Keywords：

graycastiron；ductileiron；vermiculargraphiteiron

上世纪90年代末，可持续发展已成为全球人们的共识。

在汽车业，“轻量化”更是被奉为发展的重中之重，密度较低的Al、Mg合金取代密度较大的钢铁材质似乎成为必然。

随着乘用车中Al、Mg铸件所占比例的不断上升，在西欧引起了一场“Fe、Al之争”[1]。

有人撰文称：

“铸铝件已攻入铸铁件的营盘，铸铁件只能在狭缝中求生存”。

也正是在这时，蠕墨铸铁在乘用车缸体上应用获得成功，蠕铁有比Al合金更高的比功率（即kW/kg之比），蠕铁缸体有比A（l或Mg）合金缸体更美好的应用前景，于是又有人撰文称：

“铁质材料会重新夺回其应用市场，而Al质材料只不过是一时时尚而已”。

这场“Fe、Mg之争”在中国波澜不惊，因为直到2001年，我国汽车总产量还只有233.4万辆，其中轿车产量不足1/3，桑塔纳、捷达、富康“三大品牌”轿车的缸体都是铸铁材质。

唯一受到影响的是高等院校和科研单位有关铸铁的课题已申请不到经费了，一些资深的研究铸铁的教授、专家转而去研究Al合金、Mg合金铸件。

十多年过去了，我国的汽车年产量已超过2000万辆（2013年生产了2211.7万辆），铸件产量也连续12年雄踞全球之首，而铸铁业发展得怎么样呢？

有赖于市场经济的推动，铸铁业不是“在狭缝中求生存”，反而是产量翻番，技术含量提高，铸铁件标准也全部刷新，甚至还有人欢呼“新的铁器时代已经来临”。

表1为2001~2011年我国铸铁件产量。

11年来铸件总产量增加了1.79倍，而铸铁件产量只增长了1.52倍，铸铁件占铸件总产量的比例下降了7.7%，说明有色铸件或铸钢件发展得更快；但从铸铁件结构上看，同期球铁件产量增长了2.85倍，高于铸件总产量的增长，占铸件总产量的比例也增长了7%，说明铸铁件中技术含量提高了。

表2为近5年来部分新制订或修订的铸铁件国家标准，所有标准均与国际标准（ISO）接轨，有些ISO标准中没有的，则也参照先进工业国家的相关标准制订，确保了国标的先进性。

这些标准，展示了铸铁件的发展和旺盛的生命力。

1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；更强调铸件本体而不仅仅是单铸试棒达到标准要求的力学性能。

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[3~4]，并已用于大量流水生产汽车缸体、缸盖，可在较高CE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、缸盖铸件生产已经国产化，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[5]，A型石墨长度1~3级[6]，允许有少量C型石墨，抗拉强度175~225MPa。

另外，Nb表12001~2011年我国铸铁件产量[2]铸铁也在一定范围内得到了应用。

2球铁的发展

球铁件不仅在产量上快速发展，而且更有质的飞跃，以至业界惊叹“球铁、ADI、蠕铁的发展与应用，带来了新的铁器时代”。

60年来球铁的进步，可概括为如下几点[2]：

（1）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%；

（2）球铁应用领域不断扩大，如汽车、内燃机、铸管、大型机床、风电、高铁等；

（3）开发出各种球化处理方法；

（4）系列化生产了球化剂和孕育剂。

2.1Si固溶强化铁素体球铁

众所周知，球铁的抗拉强度和伸长率是一对矛盾，在GB/T1348-2009中，球铁基体中珠光体体积分数越高，则抗拉强度越高，伸长率越低；反之，若铁素体体积分数越高，则伸长率越高，抗拉强度越低。

为了得到高珠光体体积分数，通常有2种方法：

（1）正火处理；

（2）加入一定量的Cu、Sn、Cr、Sb等合金元素。

为了得到高铁素体体积分数，通常也有2种方法：

（1）退火处理；

（2）尽可能降低Cu、Sn、Cr、Sb等元素含量，同时进行多次孕育。

多次孕育的结果就是提高铸件中w（Si终）量，因此一般来说，在相

同CE情况下，铁素体基体球铁的w（Si）量（2.2%~2.6%）要高于珠光体球铁的w（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元素。

其实这是一个误读。

研究表明[7]，在铁素体球铁中，w（Si）量的增加，会提高抗拉强度和屈服强度、降低伸长率。

图1~图4是德国铸造学会与奥地利铸造学会对Si固溶强化铁素体球铁进行深入研究后得出的结果（Y2，Y4均为单铸试块）[8]。

图5~图6是根据曾艺成教授提供的数据[9]而作成的曲线。

从图1~图3中可以看出，只有当w（Si）＞4.3%以后（对屈服强度是4.7%），抗拉强度和伸长率才出现急剧下降的拐点。

图5~图6说明对退火态铁素体球铁，同样是w（Si）量高，强度也高，只有在-150℃以下时有些异常，而伸长率随w（Si）量升高而下降，但温度影响更为显著。

图1w（Si）量对抗拉强度的影响

以上数据表明了Si对铁素体的固溶强化作用。

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，其性能见表3），推荐w（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3个牌号：

EN-GIS450-18、EN-GIS500-14、EN-GIS600-10，推荐w（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（见表3），因而加工性能优于混合基体球铁。

国内率先公开报导采用高Si固溶强化铁素体成功生产QT500-10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4所示，力学性能如表5所示，实际性能达到QT550-14的水平[10]。

2.2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对感应电炉废钢增C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，如一汽已开发出牌号为QT600-5的汽车后桥壳（长2218mm）[11]，东风汽车公司铸造二厂也开发出本体性能达到QT550-10的后桥壳（长1610mm，重150kg）和QT600-8的托臂梁支架（重60kg）等[12]

。

但生产这些“高强韧性”球铁件仍未突破低合金化和低Si的传统做法。

东风公司虽已意识到用固溶处理来提高铁素体的强度，但也只利用了Ni的固溶作用，w（Si终）量仍控制在2.2%~2.6%范围内。

表6、表7分别列出了一汽整体桥壳和东风小速比桥壳的化学成分和力学性能、金相组织的数值。

为了比较，把戚墅堰机车车辆研究所生产的清扫器本体的有关数值也一并列入。

比较了表6、表7的数据，似乎Si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3种牌号的室温和负温的冲击功是多少。

w（Si）量由2.5%左右提高到4.0%，冲击功肯定会降低，但珠光体体积分数由≤5%提高到50%甚至到≥85%，冲击功也会急剧下降，况且珠光体球铁的抗拉强度在负温下随着温度的降低而降低（这一点是与铁素体球铁不一样的）。

汽车经常在高寒地区行驶，其负温冲击功应该引起足够重视，对表6所列的3种球铁的负温性能有必要做进一步的试验。

2.3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。

国内几家生产高铁铸件的企业，已在执行力学性能达到400-18或350-22前提下，其-60℃时冲击功也要求达到12J以上的标准，这一标准已远远高于GB/T1384要求了。

表8是w（Si）量为1.5%、2.0%、2.5%的退火铁素体球铁在不同温度下的抗拉强度、屈服强度和伸长率的值[8]，图7和图8则是根据表8数据作出的相应的图。

由图8可以看出，w（Si）量对脆性-塑性转变温度有显著影响，而且无论何种w（Si）量，其转变都有一个急剧下降的拐点，但即使w（Si）量为2.5%，其拐点也出现在-70℃以下，而冲击性能对低温的变化更为敏感。

因此，对低温铁素体球铁，更为关注的是低温冲击性能，尤其是出现拐点的温度。

表9和图9是常州华德机械有限公司提供的数据，他们还绘出了低温冲击功-温度关系图[8]。

表10和图10则为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。

以上两家企业的生产数据表明，目前我国已经能够稳定生产符合要求（即-60℃下抗拉强度在350MPa以上而冲击功＞12J）的低温铁素体球铁，同时两家提供的数据都表明，-50℃以下，冲击功下降更为明显。

由于没有做更低温度下的冲击试验，还不能判断-50℃就是拐点。

除温度外，w（Si）量对冲击功影响也十分大。

至于Si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11所示，试验所选成分范围则图8w（Si）量和温度对伸长率的影响[w（P）量0.02%的退火球铁]

由图11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，在铸态下，当CE为4.35%~4.55%时，得到最佳冲击性能的w（C）量为3.7%~3.95%，w（Si）量为1.8%~2.0%。

2.4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。

玉柴机器配件制造公司采用铁型覆砂工艺生产牌号为QT800-6的YC6C曲轴，总长2200mm，重540kg。

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3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（功率220kW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45HRC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。

2.5ADI

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[14]。

国内一汽在上世纪90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上世纪90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[15]，后因价格问题和大量生产中的稳定性问题，ADI齿轮21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%[16]。

ADI在耐磨件上已得到广泛应用，尤其是CADI，年用量已有数万吨之多。

2.6奥氏体球铁

奥氏体铸铁是以Fe、C、Ni为主，添加Si、Mn、Cu和Cr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。

由于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，因此被广泛应用于汽车、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。

尤其是随着汽车发动机比功率要求的不断提高，涡轮增压技术越来越多被采用。

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[17]。

汽车做功后排出的废气温度往往高达1000℃以上，因此排气歧管和涡轮增压器壳须经受1000℃高温的冲击，一般的铁素体球铁、蠕铁和中Si-Mo球铁、蠕铁都经受不了如此高温，唯有高Ni奥氏体球铁可在此工况下使用。

因此，对奥氏体球铁件的需求量将会剧烈增加。

如同ADI一样，奥氏体球铁件生产也有一定技术难度，而且材料成本高，铸件收得率较低，因此适宜专业厂大批量生产。

目前国内已有几家生产奥氏体球铁件的“小巨人”型企业。

2.7高强韧TWIP铸铁[18~19]

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，见表12。

该球铁是将TWIP钢的技术引用到奥氏体球铁中来。

“TWIP”（TwinningInducedPlasticity）效应是“孪晶诱发塑性”效应，其做法是：

通过添加Ni、Mn、Cu等元素得到室温下具有稳定奥氏体基体的组织（铸态组织为球状石墨+奥氏体+碳化物），然后通过高温固溶处理，消除碳化物，使组织成为球状石墨+奥氏体+少量退火孪晶，这些孪晶在外力作用下（如轧制），产生“TWIP效应”，退火孪晶成为形变孪晶，使材料的强度和塑性得到大幅度提高。

高温固溶处理的工艺是：

加热到1000℃左右，保温一定时间然后水淬。

尽管这种材料还远未到工程应用阶段，但还是提供了一个提高球铁强韧性的思路。

2.8生产高端球铁件的关键点

近年来，随着球铁件应用范围的扩大和品种的不断增多，理论研究逐步深入，生产技术也得到很大提升。

生产高端球铁件的关键点可以概述为“优化石墨、净化晶界、强化基体”。

（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。

为此要求采用高纯生铁熔制低球化干扰元素且高温的铁液；采用良好的球化剂和良好的球化处理技术（喂丝法或盖包法），控制好合适的残留Mg量和残留RE量；采用良好的孕育剂和恰当的孕育技术；进行预处理等。

（2）净化晶界。

晶界上容易出现以下3类物质：

①共晶物，包括硫共晶和磷共晶。

现在由于脱S技术容易，铁液中w（S）量一般都在0.025%以下，球化处理后还多形成渣子被扒除，因此球铁件硫共晶很少见到。

但脱P困难，w（P）量很难控制在0.02%以下，因此时有磷共晶存在于晶界上，严重影响球铁的塑韧性。

②金属碳化物，包括金属间化合物，是C与铸铁中的一种或多种金属元素（如Mn、Cr、Ti、Mo等）形成的化合物，也包括一些金属间化合物（如Fe-Ti、Fe-Cr、Fex-B等），常常分布于晶界，影响强度和塑韧性。

③非金属夹杂物，是铸铁熔炼时冶金反应所形成的化合物，包括氧化物、硫化物、硅酸盐、氮化物及其组成的多元素复合化合物，多沿晶界分布，影响球铁强度和塑韧性以及铁液流动性。

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，必要时采用吹Ar或N净化技术。

高纯生铁的推出为优化石墨、净化晶界提供了良好的物质条件。

2013年5月审定通过的JB/T《铸造用高纯生铁》规定了两种牌号供选用，C1（纯1）w（Ti）≤0.01%、w（Mn）≤0.05%、w（P）≤0.02%、w（S）≤0.015%，C2（纯2）w（Ti）≤0.03%、w（Mn）≤0.15%、w（P）≤0.03%、w（S）≤0.02%。

而11种微量元素最大值为：

w（Cr）≤0.015%，w（V）≤0.015%，w（Mo）≤0.01%，w（Sn）≤0.003%，w（Sb）≤0.0008%，w（Pb）≤0.001%，w（Bi）≤0.001%，w（Te）≤0.003%，w（As）≤0.002%，w（B）≤0.001%，w（Al）≤0.01%。

高纯生铁获取方法有两种：

一是精料法，即精选原料，特别注意对P、Ti