萬仁芳 淺談近年來鑄 鐵件的發(fā)展 for 百鑄網(wǎng)

1、0淺談近年來鑄鐵件的發(fā)展東風汽車公司鑄造一廠 萬仁芳百鑄網(wǎng)11 1 前言前言1.1 由由1990年代末汽車年代末汽車“輕量化輕量化”給西歐鑄造界帶來的給西歐鑄造界帶來的“鐵鋁之爭鐵鋁之爭”談起談起 1.2 球鐵、球鐵、ADI、蠕鐵的發(fā)展與應用，帶來了、蠕鐵的發(fā)展與應用，帶來了“新的鐵器時代新的鐵器時代”。產(chǎn)量和品種產(chǎn)量和品種 2011年與2001年相比，鑄鐵件產(chǎn)量增長了2.79倍，但鑄鐵件占鑄件總產(chǎn)量的比例下降了7.7%，而同期球鐵件產(chǎn)量增長了3.85倍，占鑄件總產(chǎn)量的比例也上升了7%。新世紀以來，風電、高鐵等高端鑄鐵件更是風生云起，令人矚目。百鑄網(wǎng)2“軟件軟件”方面方面近年來有關鑄鐵件的國標

2、修訂和新制訂，展示了鑄鐵件的發(fā)展和旺盛生命力。 百鑄網(wǎng)32 2 鑄鐵件材質的發(fā)展鑄鐵件材質的發(fā)展2.1 2.1 灰鑄鐵的發(fā)展?；诣T鐵的發(fā)展?；诣T鐵在產(chǎn)量增速上雖有所放緩，但質量上卻有很大提高。體現(xiàn)在: 新國標中牌號的細化。新國標中牌號的細化。增加了HT225和HT275兩個牌號，以適應汽車鑄件的需要；更強調鑄件本體要求達到的力學性能。新國標對C型石墨也作了更明確的定義，更正了以往常將亞共晶灰鑄鐵中因截面不同而出現(xiàn)的塊狀石墨誤判為C型石墨的情況。 掌握了掌握了HT300和和HT350的生產(chǎn)技術。的生產(chǎn)技術。已用于大量流水生產(chǎn)汽車缸體、缸蓋，可在較高碳當量情況下，不增加收縮傾向和白口傾向，獲得高的

3、力學性能和好的切削加工性能。汽車發(fā)動機的鑄鐵缸體、缸蓋已經(jīng)國產(chǎn)化，而且HT250、HT300仍是內燃機缸體、缸蓋的主流材質。 專用灰鑄鐵的開發(fā)。專用灰鑄鐵的開發(fā)。如轎車制動盤，為了有良好的導熱性，要求采用CE為4.44.5%的過共晶鑄鐵，A型石墨長度1-3級，允許有少量C型石墨，抗拉強度Rm 175225MPa。另外，鈮鑄鐵也在一定范圍內得到了應用。百鑄網(wǎng)42.2 2.2 球鐵的發(fā)展。球鐵的發(fā)展。 60年來球鐵的進步。年來球鐵的進步。 a).發(fā)展速度令人驚異，從無到有，從少量生產(chǎn)到占世界球鐵產(chǎn)量的49.5%； b).球鐵應用領域不斷擴大，如汽車、內燃機、鑄管、大型機床、風電、高鐵；工況則從-1

4、96到1000都使用球鐵； c).開發(fā)出各種球化處理方法； d).系列化生產(chǎn)了球化劑和孕育劑。百鑄網(wǎng)5精彩紛呈的球鐵家族。精彩紛呈的球鐵家族。百鑄網(wǎng)6 鐵素體球鐵鐵素體球鐵 眾所周知，球鐵的Rm和A是一對矛盾，在GB/T1348-2009中，球鐵基體中珠光體量越高，則Rm越高，A越低，反之，若鐵素體量越高，則A越高， Rm越低。 為了得到高珠光體量，通常有兩種方法： a)、正火處理， b)、加入一定量的Cu、Sn、Cr、Sb等合金元素； 為了得到高鐵素體量，通常也有兩種方法： a)、退火處理， b)、把Cu、Sn、Cr、Sb等元素量盡可能降低，同時進行多次孕育。 多次孕育的結果就是使得鑄件中終

5、Si量增高了，因此一般來說，在相同碳當量情況下，鐵素體基體球鐵的含Si量（2.22.6%）要高于珠光體球鐵的含Si量（1.82.2%）。 這就使人會以為在球鐵中，Si是一種提高伸長率而降低強度的一種元素。其實這是一種誤讀。 研究表明，在鐵素體球鐵中，其實Si的增加會提高Rm和Rp0.2和而降低A！熱點分析熱點分析百鑄網(wǎng)7 圖1圖4是德國鑄造學會與奧地利鑄造學會聯(lián)手，對硅固溶強化鐵素體球鐵進行了深入研究后得出的結果。 百鑄網(wǎng)8 圖5圖6則是根據(jù)曾藝成教授提供的數(shù)據(jù)（據(jù)說是P.J.Richarde 1972年測得的數(shù)據(jù)）而作成的曲線。 百鑄網(wǎng)9 硅固溶強化鐵素體球鐵硅固溶強化鐵素體球鐵 以上數(shù)據(jù)表

6、明了Si對鐵素體的固溶強化作用，推出了新的球鐵牌號。 2004年，ISO標準推出了一個新牌號QT500-10(2009年我國修訂的GB/T1348也在規(guī)范性附錄A中采用)，推薦Si量為3.7%； 2012年3月，德國和歐盟標準DINEN1563在修訂時又增加了三個牌號：EN-GIS450-18、EN-GIS500-14、EN-GIS600-10，推薦含Si量為4.3%。 Si固溶強化鐵素體球鐵除了具有高強度、高韌性外，還具有硬度差小的特點，因而加工性能優(yōu)于混合基體球鐵。 百鑄網(wǎng)10 國內率先公開報導采用高Si成功生產(chǎn)QT500-10球鐵件的是南車集團戚墅堰機車車輛研究所的唐中權等，他們在201

7、2年生產(chǎn)的高速列車用踏面清掃器本體鑄件化學成分如表5所示，力學性能如表6所示，實際性能達到QT550-14的水平。百鑄網(wǎng)11另一類高強度高伸長率球鐵另一類高強度高伸長率球鐵 近年來由于球化處理和孕育處理技術的提高，以及高純鑄造生鐵的推出和感應電爐廢鋼增碳熔煉技術的掌握，許多企業(yè)已經(jīng)能夠生產(chǎn)高于國標牌號的球鐵件，并稱之為高強韌性球鐵或高強度高伸長率球鐵。 討論：討論： 比較了表7、表8的數(shù)據(jù)，似乎硅固溶強化鐵素體球鐵更適合作為汽車驅動橋殼體。目前不明確的是這三種牌號的室溫和負溫的沖擊功是多少。Si量由2.5%左右提高到4.0%，沖擊功肯定會降低，但珠光體量由5%提高到50%甚至到85%，沖擊功也

8、會急劇下降。汽車經(jīng)常在高寒地區(qū)行駛，其負溫沖擊功還是應引起足夠重視才行。百鑄網(wǎng)12低溫鐵素體球鐵低溫鐵素體球鐵 低溫鐵素體球鐵首先是為了滿足風力發(fā)電機組鑄件的需求而開發(fā)出來的，這類鑄件采用了國標GB/T 1348-2009中的QT350-22A(L)和QT400-18A(L)的材質，分別提出了-20、-40時的沖擊性能要求。隨著高鐵的發(fā)展，由于工作條件更為惡劣，工件需在高寒地區(qū)承受振動載荷，因此進一步要求在-50、-60時也有足夠高的沖擊性能。按正在制訂的低溫鐵素體球墨鑄鐵件標準，在力學性能達到400-18或350-22前提下，其-60時沖擊功也要求達到12J以上，這一標準已遠遠高于GB/T1

9、384要求了。 表9是含Si量為1.5%、2.0%、2.5%的退火鐵素體球鐵在不同溫度下的Rm,Rp0.2和A的值。百鑄網(wǎng)13 由圖8可以看出，Si量對脆性-塑性轉變溫度有顯著影響，而且無論何種Si量，其轉變都有一個急劇下降的拐點，但即使Si量為2.5%，其拐點也出現(xiàn)在-70以下。只有沖擊性能，對低溫的變化才更為敏感，因此，對低溫鐵素體球鐵，主要關注的是低溫沖擊性能，尤其是出現(xiàn)拐點的溫度。 百鑄網(wǎng)14 沖擊性能對Si量和低溫變化更為敏感，因此，對低溫鐵素體球鐵，更為關注的是低溫沖擊性能。關注點當然在于工廠里能穩(wěn)定生產(chǎn)滿足-60條件下沖擊功大于12J的產(chǎn)品嗎？沖擊功下降的拐點在哪里？Si對低溫沖

10、擊功有多大影響？ 下面列舉兩家企業(yè)生產(chǎn)高鐵件的有關數(shù)據(jù)。 百鑄網(wǎng)15 以上兩家企業(yè)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)表明，目前我國完全可以穩(wěn)定生產(chǎn)符合要求的即-60下Rm在350MPa以上而沖擊功12J的低溫鐵素體球鐵，但兩家提供的數(shù)據(jù)都表明，-50以下，沖擊功下降更為明顯。 萊州新忠耀公司提供的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是在為生產(chǎn)要求-60沖擊功12J鑄件時的一組檢測數(shù)據(jù)，對這組數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，證明生產(chǎn)過程是穩(wěn)定的。 百鑄網(wǎng)16 至于Si對低溫沖擊韌性的影響，南車集團戚墅堰機車車輛工藝研究所的喻光遠等對Si與C對鑄態(tài)無Ni低溫球鐵沖擊韌性的影響進行了研究，得出結果如圖10所示，試驗所選成分范圍則見表12。 由圖10可以看出，

11、只有Si/C比在0.46-0.52時，才能得到最佳的沖擊性能。可以推算出，當CE為4.354.55%時，得到最佳沖擊性能的C量為3.73.95%，Si量為1.82.0%。百鑄網(wǎng)17 珠光體基體球鐵珠光體基體球鐵 不論哪個牌號，基本上都能在鑄態(tài)下達到其力學性能。很多曲軸生產(chǎn)廠采用鐵型覆砂工藝，通過良好的球化和孕育處理，在不加Cu的情況下，僅加0.02-0.03%的Sb，曲軸性能即可穩(wěn)定達到QT900-4的水平。 冷激球鐵凸輪軸是近十年開發(fā)的一種新產(chǎn)品。內燃機中的凸輪軸目前有鑄鐵材質和鋼質兩類，鑄鐵類又有三種材質：冷激鑄鐵、可淬硬鑄鐵和氬弧重熔鑄鐵。鋼質凸輪軸抗擦傷性能差，用量越來越少；而鑄鐵軸中

12、冷激鑄鐵有最好的抗擦傷性能和最低的成本，故用量占總量的60%以上。冷激灰鐵凸輪軸最大缺點是抗疲勞性能差。為了既保持有最好的抗擦傷性能，又提高抗疲勞性能，于是開發(fā)了冷激球鐵凸輪軸。東風汽車公司鑄造一廠于2001年立項，開發(fā)康明斯6CT柴油機（300馬力以上）冷激球鐵凸輪軸，2002年完成課題并大量生產(chǎn)。冷激球鐵凸輪軸生產(chǎn)難點在于既要冷激面游離石墨小于5%，不允許出現(xiàn)游離鐵素體，硬度達到HRC45以上，又要保證非冷激區(qū)碳化物15%，本體Rm550MPa。由于冷激球鐵在保證非冷激區(qū)碳化物15%的前提下，在冷激區(qū)很難獲得初生滲碳體，因此冷激區(qū)硬度往往低于灰鐵冷激區(qū)的硬度。百鑄網(wǎng)18ADI 我國是世界上

13、最早研發(fā)ADI且取得成功的國家之一，但產(chǎn)量的增長不如預期，原因早期是因為國內沒有現(xiàn)代化的熱處理設備，現(xiàn)在主要是設計師們對此工程材料的性價比還缺乏足夠的認識，以及大量流水生產(chǎn)過程中的穩(wěn)定性尚存在一些問題。由于熱處理工藝限制，ADI較適宜生產(chǎn)中小鑄件，在汽車行業(yè)有很大的發(fā)展前景。在歐美等發(fā)達國家的ADI應用中，汽車零件占了ADI總量的50%以上，其中又以底盤零件（尤其是中、重型卡車底盤零件）應用最多。國內一汽在1990年代開發(fā)ADI，先后已有CA141后拖鉤支承座、16t重卡后鋼板彈簧支架、越野車前橋驅動轉向節(jié)等零件采用ADI材質，東風汽車公司更是在某軍用越野車上用ADI替代鑄鋼，用于前懸架上、下

14、橫梁臂、中后懸架上、下橫梁臂、彈簧支架等十幾種零件上，使這些零件的總重由630.6kg減少至380.7kg，減重率達39.6%。東風汽車公司還早在1990年代末期就完成了康明斯B系列柴油機ADI齒輪國產(chǎn)化工作，后因價格問題和大量生產(chǎn)中的穩(wěn)定性問題，ADI齒輪未能堅持使用。東風公司商用車鑄造二廠用ADI代替普通球鐵生產(chǎn)某重型工程車的導向座，減重9.5%，使用壽命延長5-6倍，但生產(chǎn)成本增加65%。ADI在耐磨件上已得到廣泛應用，尤其是CADI，年用量已數(shù)萬噸之多。 百鑄網(wǎng)19 奧氏體球鐵奧氏體球鐵 奧氏體鑄鐵是以鐵、碳、鎳為主，添加硅、錳、銅和鉻等元素經(jīng)熔煉而成，室溫下具有穩(wěn)定性的以奧氏體基體為

15、主的鑄鐵。在2011年我國制定的第一個奧氏體鑄鐵國標中，12個牌號有10個是球鐵，只有2個是灰鐵。 奧氏體球鐵件具有良好的耐熱性、耐腐蝕性、無磁性、耐低溫性等，又有較高的強度，被廣泛應用于汽車、核電、海洋工程等領域，用于制造汽車排氣歧管、渦輪增壓器殼體、海水泵閥、渦輪發(fā)電機端蓋、無磁性電工鑄件及-196的制冷工程用鑄件。據(jù)稱，渦輪增壓器能夠減小發(fā)動機體積，提高20-40%的燃油效率，減小排放，以及加大功率和扭矩，提高駕駛性。不僅商用車普遍采用渦輪增壓器，汽油乘用車發(fā)動機也將廣泛采用渦輪增壓器，以達到節(jié)能減排的目的。目前國內已有幾家生產(chǎn)奧氏體球鐵件的“小巨人”型企業(yè)。 “高強韌TWIP鑄鐵”。

16、(TWIPTwinning Induced Plasticity) 奧氏體球鐵的抗拉強度一般都在450MPa以下，普通球鐵珠光體型的可達700MPa以上，但伸長率只有2%左右。福州大學朱定一教授等人研制出一種高強韌性球鐵，性能可達到QT700-20的水平。 盡管這種材料還遠未到工程應用階段，但給我們提供了一個提高球鐵強韌性的思路。百鑄網(wǎng)20(1).(1).優(yōu)化石墨。優(yōu)化石墨。指石墨形狀、大小、數(shù)量、分布均勻程度均符合要求，包括石墨球圓整，球化率高（85%，甚至90%），石墨球數(shù)100個/mm2,厚大斷面石墨球分布宜均勻。(2).(2).凈化晶界。凈化晶界。晶界上容易出現(xiàn)以下三類物質： a).共

17、晶物。 b).金屬碳化物。 c).非金屬夾雜物。 為凈化晶界，應盡量采用高純生鐵，保持爐料潔凈少渣，熔制高溫且少氧化的鐵液，必要時采用吹Ar凈化技術。 高純生鐵的推出為優(yōu)化石墨、凈化晶界提供了良好的物質條件。今年5月審定通過的JB/T 鑄造用高純生鐵規(guī)定了兩種牌號供選用，C1（純1）Ti0.01%、Mn0.05%、P0.02%、S0.015%, C2（純2）Ti0.03%、Mn0.15%、P0.03%、S0.02%。而11種微量元素最大值為：Cr0.015%、V0.015%、Mo0.01%、Sn0.003%、Sb0.0008%、Pb0.001%、Bi0.001%、Te0.003%、As0.00

18、2%、B0.001%、Al0.01%。 高純生鐵獲取方法有兩種，一是精料法，即精選原料，特別注意對P、Ti含量的控制，采用一定措施，既大幅度提高鐵精粉品位，又顯著降低鐵精粉中TiO2、P2O5等有害雜質元素的含量。采用精料法可生產(chǎn)出C2級高純生鐵。二是氧化法，一般是采用高爐外“三脫”工藝，將煉鋼生產(chǎn)中的一些工藝引用到生鐵冶煉中來。采用氧化法可生產(chǎn)出C1級高純生鐵。 生產(chǎn)高端球鐵件的關鍵點：生產(chǎn)高端球鐵件的關鍵點： 近年來隨著球鐵件應用范圍的擴大和品種的不斷增多，理論研究逐步深入，生產(chǎn)技術也得到很大提升。生產(chǎn)高端球鐵件的關鍵點可以概述為“優(yōu)化石墨、凈化晶界、強化基體。優(yōu)化石墨、凈化晶界、強化基體

19、。”百鑄網(wǎng)21（3 3）強化基體）強化基體 根據(jù)不同的要求強化不同的基體。通常采用合金化的方法或通過熱處理的方法來達到?！暗谝淮蜩F”中我們已經(jīng)通過添加Cu、Cr、Mo、Sn等方法提高或強化珠光體，或通過正火處理方法強化珠光體，提高球鐵件的強度和硬度，也采用退火的方法獲得全鐵素體以提高塑韌性，而現(xiàn)在，強化基體可獲得綜合性能更為優(yōu)良的球鐵件，如通過等溫淬火處理獲得奧氏體，使綜合性能達到QT800-10QT1400-1的水平；通過Si固溶強化鐵素體，得到QT450-18QT600-10且硬度均勻加工性能好的常用球鐵；通過高溫固溶處理加軋制、利用“TWIP”效應得到QT700-20的高強韌性球鐵等等

20、。 可以相信，通過“優(yōu)化石墨、凈化晶界、強化基體”等一系列措施，球鐵的應用范圍還將擴大，“新的鐵器時代來臨”并非虛言。 百鑄網(wǎng)22 新的國標終于替代了舊的部標新的國標終于替代了舊的部標 2011年，新的GB/T 26655蠕墨鑄鐵件終于替代了執(zhí)行了25年的JB/T4403-87。新的國標中，把蠕鐵分為RuT300、RuT350、RuT400、RuT450、RuT500五個牌號，并采用了ISO標準中對蠕墨鑄鐵的定義。鑒于冷卻速度對蠕化率的影響，允許蠕墨鑄鐵件上不同壁厚處有不同的蠕化率，使得新標準既先進又合理，這對推動蠕鐵的應用是有益的。 汽車業(yè)蠕鐵缸體、缸蓋的生產(chǎn)漸入佳境。汽車業(yè)蠕鐵缸體、缸蓋的

21、生產(chǎn)漸入佳境。 全國蠕鐵的年產(chǎn)量為多少，現(xiàn)在沒有一個準確的數(shù)據(jù)，能感覺到的是汽車鑄造廠蠕鐵缸蓋和缸體的生產(chǎn)多了起來。為了提高比功率，商用車內燃機的缸蓋、缸體采用蠕鐵材質（牌號為RuT400和RuT450）已基本形成共識?，F(xiàn)在一汽鑄造（含錫柴）、東風公司、玉柴、濰柴等先進鑄造廠隨著大馬力內燃機的推出，無一不在生產(chǎn)或試制蠕鐵缸蓋、缸體。阻礙擴大應用的原因仍是生產(chǎn)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟成本。如果在這兩點上有進一步的突破，不僅商用車缸體、缸蓋，就是乘用車缸體，也有可能采用蠕鐵材質。 軌道交通上，蠕鐵制動盤的擴大應用正在穩(wěn)妥推進。軌道交通上，蠕鐵制動盤的擴大應用正在穩(wěn)妥推進。 1993年，鐵道部批準實施了第一個蠕鐵件行業(yè)