提高灰铸铁抗拉强度的途径

1.4 提高灰铸铁抗拉强度的途径

提高灰铸铁的强度是拓展灰铸铁应用的前提，因此，提高灰铸铁的强度永远是国内外铸铁研究和生产者追求的主要目标。

要生产出满足罗茨风机用的合格叶轮铸件，必须通过合适的化学成分、高温优质的铁液、有效孕育处理的综合作用来完成。

对于如何提高灰铸铁强度，国内外灰铸铁研究者进行了大量的研究工作，归纳起来有如下几种途径：

1.4.1 优化灰铸铁成分与提高冶金质量 1.4.1.1 优化碳当量 CE 与 Si/C 比

由于石墨的强度和硬度极低，相对于铁来说可以视为零，加之片状石墨对基体的严重割裂作用，故灰铸铁中的碳含量越高，一般来说，其强度和硬度越低，即灰铸铁的抗拉强度随着碳当量的提高而降低[10，20，21]。

在高强度灰铸铁的发展历程中，用降低碳当量，提高锰含量，从而提高灰铸铁中珠光体的比例，提高灰铸铁抗拉强度的方法曾经是重要的措施。但是，以降低碳当量来提高灰铸铁抗拉强度的方法也带来了许多不利影响，如铸造工艺性能变差；白口倾向增大，难以加工；应力大，容易产生裂纹；铁液收缩大，易产生缩松，造成渗漏；铸件断面敏感性高，容易产生废品等，因此，未能被广泛应用[22，23]。

上世纪60年代初，WALTHER HILLER 等人提出了提高硅碳比可以显著提高灰铸铁抗拉强度的看法[24]。从 80 年代开始，国内也开始重视这方面的研究。长期以来，国内外的大量研究表明：在一定的 CE 范围内，提高 Si/C值是提高灰铸铁强度的有效手段，这已被大量的科学实验及广泛的生产实践所证实[25~28]。

一般认为，在相同碳当量条件下，Si/C 比提高，抗拉强度可提高30~60MPa[29]。这是因为，在相同碳当量的条件下，随着硅碳比的提高，灰铸铁的奥氏体枝晶数量增加。高硅使奥氏体枝晶在较高的温度即开始生成，且延长了生长时间，使初生奥氏体数量增加，奥氏体骨架得到强化，同时高硅使得共晶结晶时，石墨数量少，也较细小，石墨尖端较钝，石墨割裂基体的作用减弱，加之灰铸铁中更多的 Si 固溶于铁素体中使之强化，从而使灰铸铁的抗拉强度得到提高[30]。

但是，又有研究表明[31]，对于采用较高碳当量的铁液的缸体来说，并不是 Si/C 值越高，灰铸铁的强度越高。从图 1-2 可看出，在 Si/C 值提高到一定值后，强度开始下降。这是因为，Si 是一个促进石墨化元素，在铸铁中具有分解碳化铁的能力，使之形成游离碳。其石墨化作用所析出的游离石墨片破坏了灰铸

铁的连续性，严重损害了抗拉强度。另一方面，Si 又可以对灰铸铁基体组织中的铁素铁起到固溶强化作用，相应的提高铸铁的抗拉强度。这说明，Si 提高强度有一个临界值，在低于这个临界值时，会增加珠光体数量，进而提高铸铁强度。当 Si/C 值提高到一定程度，Si 含量增加到这个临界值以上时，由于高 Si/C 值和高 CE 的双重影响使石墨粗大和珠光体量下降，强度降低。Si/C 值不断提高，共析转变温度也在提高，使珠光体在较高温度下形成，片层间距增大；又因为高 Si 使 C 在奥氏体中的溶解度急剧下降，使奥氏体向铁素体的转变量增多。因此，Si/C 提高可以产生两种相反的影响。在高碳当量(3.9%~4.2%)下，Si/C 值应在 0.65～0.75 的范围时强度值较佳[31]。

1.4.1.2 优化锰、硫含量与 Mn/S 比 （1）锰对灰铸铁抗拉强度的影响

锰是扩大奥氏体区的元素，因此，提高铁水中的含锰量可有效地降低奥氏体共析转变温度，有利于形成珠光体和增加奥氏体枝晶的数量，并且奥氏体向珠光体的转变在较低温度下进行，因此，促使珠光体片细化，使珠光体片间距减小。锰是强碳化物形成和稳定碳化物元素，锰置换了 Fe3C 中的铁，形成（Fe， Mn）

3C

构成更强更硬的珠光体，促进珠光体的形成。锰能无限固溶于奥氏体，又可灰铸铁的力学性能主要取决于石墨形态、尺寸与数量。提高碳当量，灰铸铁

固溶于基体组织，强化基体，提高灰铸铁强度[10，33，34]。

的石墨片变粗、数量增加，力学性能下降。锰是灰铸铁中稳定渗碳体与促使珠光体化的元素，但它会与硫形成 MnS 而作为石墨非自发形核的核心，促使灰铸铁石墨化。低碳当量的灰铸铁，自身的石墨数少且细，所以σb高，但增加锰含量，MnS 增多，石墨数量增加且变粗。故σb下降。高碳当量的灰铸铁，自身的石墨数多且粗，珠光体数量少，增加锰含量，石墨形貌变化不大，此时，锰促使灰

铸铁珠光体化的作用表现较强，故 σb有所提高[35]。不同碳当量下锰对灰铸铁抗拉强度的影响如图 1-3 所示。

（2）硫对灰铸铁抗拉强度的影响

在国内由于受到生产灰铸铁的传统习惯以及生产普通球墨铸铁时要求低硫铁液观点的影响，人们往往认为硫对灰铸铁来说是一个有害元素，因而在灰铸铁中要合理地选定硫含量的问题未能引起足够的注意。国外有研究认为，硫对灰铸铁的组织和性能有着重要的影响，尤其是采用电炉熔炼高强度孕育灰铸铁时，铸铁中应含有适量的硫[36，37]。

硫在灰铸铁中有着双重作用。一般认为硫在孕育铸铁中是强烈稳定渗碳体、阻碍石墨化的元素，但从热力学方面分析，硫能降低碳在铁液中的溶解度，增强碳的活度，与锰、稀土形成的 MnS 和 RES 会成为石墨非自发形核的核心，故又能促使石墨化，所以硫是促使孕育反应顺利进行不可或缺的元素。硫量偏低时，孕育作用得不到发挥，孕育效果不佳。硫量过高时，由于孕育元素与硫的原子比下降，将形成 Re2S3、Re3S4类型的硫化物，不能成为石墨形核的有效基底，导致孕育效果恶化[113]。另外，过高的硫量还会导致大量自由态硫的存在，它们富集在共晶团前沿，从而限制了共晶生长，引起铁水过冷，使铸铁力学性能下降[114]。

不同CE时，S对σb的影响如图1-4所示。由图可知，在不同CE的情况下，σb值均随S含量的增加而明显提高，但当含S量超过某一临界值时强度开始降低。资料[38]介绍，含硫量在0.05wt.%~0.12wt.%为宜。

由上可知，硫化锰在铸铁中起石墨形核的基底作用。故锰、硫在灰铸铁中存在相互制约的关系。Mn/S值与灰铸铁抗拉强度的关系如图 1-5 所示。所以，要想在高碳当量下生产出合格的高强度灰铸铁，锰量与硫量的选择应该综合考虑，尽量发挥锰和硫对灰铸铁强度有利的一面。一般认为，当 S≤0.2wt.%时，以Mn=1.7S+0.3(wt.%)来考虑锰含量[35]。 1.4.1.3 磷含量对灰铸铁力学性能的影响

磷对灰铸铁力学性能的影响体现在凝固过程中，初生奥氏体形成枝晶状组织后，由于偏析作用，高磷液相被挤到枝晶间。因而，其后结晶的硬而脆的磷共晶大多分布在奥氏体晶界处，并伴随有各种铸造缺陷，形成组织的薄弱环节。随着磷含量的增加，磷共晶在共晶团晶界的分布形式依次为孤立块状、均匀分布、断续网状，因此，对基体的割裂作用逐渐增大。故抗拉强度随磷含量的增加逐渐降低[40，42，43]。由于磷原子半径比铁和碳原子的半径大，故当灰铸铁的基体固溶很少量的磷时，就会引起晶格畸变，增强组织抵抗外力的能力，因此，组织的显微硬度提高，同时灰铸铁的宏观硬度也提高了，如图 1-6 所示。由图可知，灰铸铁的抗拉强度随磷含量的提高而降低，而硬度相应提高。灰铸铁中的磷含量一般在0.05wt.%~0.06wt.%之间为宜[1]。

1.4.2 废钢炉料对灰铸铁力学性能的影响

19 世纪苏联专家 д.к.契尔诺夫发现，铸锭和铸件的性能与一些遗传因素有密切关系，后来шуьновА.В.也证实了此观点[46，47]。新生铁（特别是高碳量新生铁）本身含有粗大的石墨片(如图 1-7 所示)，由于石墨的熔点在 2000℃以上，即使经过重熔石墨也不能完全熔化，在结晶过程中变成了石墨结晶核心，使石墨变得粗大[48]。因此，在一定的碳、硅含量下，粗大石墨片的存在使基体强度减弱。故随着铸造生铁加入量的增加，灰铸铁的抗拉强度显著下降。刘佑平等人的实验表明[47]，当生铁加入量≥30%时，抗拉强度值很低，如表 1-3 所示。

而采用合成铸铁的生产方式，即通过减少金属炉料中生铁的加入量，增大废钢与回炉料的加入量，并用增碳剂增碳，从而获得C、Si、Mn、S和P五大元素的合理配比，可避免上述问题，改善铁水的冶金特性，并能更好地发挥孕育处理的效果，提高灰铸铁的强度[49，50]。

文献[51]指出，在相同碳当量条件下，合成铸铁的抗拉强度比普通灰铸铁提高约30MPa。源于两方面原因：一方面配料中加入较多废钢，使铁液中存在大量低碳微区，此微区易首先形成初生奥氏体，使奥氏体易于形成与长大，进而使初生奥氏体所在共晶团边界的珠光体得到细化，从而提高抗拉强度[52]；另一方面，增加废钢含量可以增加铁液中氮的含量，如图 1-8 和1-9 所示。氮有利于改善灰铸铁的石墨形态并能稳定珠光体，从而提高灰铸铁的抗拉强度。

1.4.3 铁液温度对灰铸铁力学性能的影响

文献[57，58]指出，灰铸铁的抗拉强度随着铁液温度的提高而提高。随着温度的提高其抗拉强度的变化如图 1-10 所示。

铁液温度的提高，主要作用是改善铁液纯净度，改变液态结构，减少组织遗传性。铁液中的含氮量随着铁液温度的提高而上升，对铸铁的抗拉强度也有提高作用，如图 1-11 所示。

但并非温度越高越好，温度过高，容易形成 E 型石墨，所以铁液应保留部分过饱和的氧，有利于形成一些氧化物质点，从而加强孕育效果，获得更加细小的 A 型石墨。铁液的出炉温度一般控制在 1450~1500℃为宜[48]。 1.4.4 孕育对灰铸铁力学性能的影响

近年来，国内对高强度灰铸铁孕育剂选择和孕育工艺比较重视，合适的化学成分、高温优质的铁液须配以合适的孕育剂进行有效孕育处理才能获得高性能的灰铸铁。

1.4.4.1 孕育的作用

孕育处理是在浇注前或浇注过程中向金属液中加入少量的添加剂，以影响金属液结晶的生核过程，从而改变其凝固特性的处理工艺。

其目的主要有以下几点[59~67]：

（1）灰铸铁在凝固时，碳在铁液中已有的核心上进行结晶。在现实生产中，铸铁在凝固时往往自发形成的核心并不够，必须借助外来作用使其有足够的核心。铸铁孕育的作用之一就是通过向铁液中加入孕育剂来增加碳结晶的核心数目，以期达到足够的核心，得到细小、弥散分布的 A 型石墨。

（2）为了控制白口的大小。在共晶温度时，石墨结晶缓慢，产生相当大的过冷，于是碳和铁形成碳化铁，使铸铁产生极大的白口倾向。适当的孕育可以减少铸铁在凝固时的过冷倾向，以减小或消除白口。铸件白口的减少或消除不仅改善了铸件的力学性能和致密性，而且也改善了铸件的铸造性能和加工性能。

（3）控制铸铁的石墨生长。大多数灰铸铁铸件在使用中都要求 A 型石墨，并保证铸态有一定的珠光体基体。通过孕育处理铸件在凝固过程中能够产生足够的石墨核心，以保证产生细小的 A 型石墨。同时细化共晶团和基体组织、降低断面敏感性。 1.4.4.2 孕育剂的种类

孕育剂的选择应根据熔炼条件和铸件组织要求而定。国内外资料显示，现已公开发表的孕育剂超过两千种，但常用的仅数十种而已[68，69]。

国外非常重视对孕育剂和孕育方法的研究，孕育剂品种很多，对于不同的铸件和生产条件应选择不同的孕育剂。我国在生产高强度灰铸铁时普遍采用较低的碳当量，用强石墨化孕育剂进行处理，以消除白口。但无法解决铸造性能差的问题。我国长期以来对孕育效果形成了一种观点：碳当量越低，孕育效果越明显，强度有明显提高，反之则孕育效果越差[70]。其实不然，国外在生产高强度灰铸铁时，都选择高碳当量，但由于其熔炼技术先进，使用铸造焦碳，铁水熔炼温度高，配料时生铁加入量少，废钢加入量大，因此，炉料中粗大石墨剧减或消失，杂质元素含量也减少，能作为内在晶核的核心数量显著降低，在此情况下用强石墨化孕育剂进行孕育处理，就能有效发挥孕育作用。因此，孕育效果的好坏还是与铁水的熔炼质量有关[71，72]。

目前，孕育处理的应用已经相当普遍，就石墨铸铁而言，各国多以硅为基本孕育元素，硅系孕育剂包括普通硅系和特殊硅系两个分支。普通硅系以75Si-Fe为代表，含有一定量的铝和钙。特殊硅系是在硅之外，复合了一种或者数种其它元素，如：Ca、Ba、Sr、Ti、Zr 等，以达到强化孕育效果的目的。目前我国大量使用的孕育剂还是以75Si-Fe为主，对于其孕育机理，一般认为是由于孕育剂加入后的浓度起伏造成的微区富硅，使碳的活性增加而自发形核[73]。近几年来我国以 75Si-Fe 为基开发了多种孕育剂，如含钡孕育剂、含稀土孕育剂、含锶孕育剂、含锆孕育剂，都具有很强的抗衰退能力，分别得到了不同程度的应用。

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