蠕墨铸铁与传统材料灰铸铁

表2蠕墨铸铁与传统材料灰铸铁、铝合金的力学性能对比(20°C)性能单位GJV450GJL250GJV300A390.0抗拉强度MPa450250300275弹性模量GP长率%1-2001旋转弯曲疲劳(20C)MPa210110125100旋转弯曲疲劳(225C)MPa20510012035热导率W/m-K364639130热膨胀系数10-6K-112121218密度g/cc7.17.17.12.7硬度BHN10-3000215-255190-225215-255110-150四.蠕墨铸铁的标准对于蠕墨铸铁早在1984和1987年，我国就制订了蠕墨铸铁一金相与蠕墨铸铁件行业标准，并在1999年进行了修订，但至今还没有国家标准。尽管我国把蠕墨铸铁作为一种材料来进行研究和应用要早于国外(例如二汽的蠕墨铸铁排气管、无柴的蠕墨铸铁缸盖)，发表的论文也多达600多篇，这是件十分遗憾的事情。德国在2002年5月，由德国铸造协会制订了蠕墨铸铁的行业标准，编号为W50⑵。在此基础上现制订了国际蠕墨铸铁标准。在此标准中规定，石墨主要以蠕墨存在就算蠕墨铸铁，但规定在铸件的主要壁厚，蠕墨数量要大于80%。由于壁厚会影响到蠕墨数量，故进一步规定，在整个铸件上不允许出现片状石墨外，在铸件其它次要部位的蠕墨数量可以有变动，也即低于80%，但铸造企业认为蠕墨量也不应低于60%，也可和铸件使用方协商一致。为取得纯粹蠕墨铸铁的特殊性能，瑞典在活塞环上应用就要求蠕墨数量大于90%[7]。对于排气管，由于系统重量支撑和利用排气热量促进点火系统的要求，规定蠕化率50%以上就可，以便获得更高的强度。而对于缸体、缸盖铸件则要求80%以上的蠕化率，确保理想的铸造性能、切削性能与热传导的综合优良性能，同时又能确保不产生片状石墨而引起的软点。同时又要求90%的基体珠光体保证有足够的强度。在化学成分中又要求TK0.02%以防止碳化物的形成，有好的切削性能。

和我国一样，该标准根据单铸试样（加工过）的抗拉强度，对蠕墨铸铁进行分级。如表4所示共分五级，每级抗拉强度差50MPa，也即和灰铸铁、球墨铸铁的分级一样。和我国行业标准相比（见表5），我国也为五级，表4 ISO蠕墨铸铁的分级及力学性能牌号抗拉强度。bMPa屈服强度。02MPa断裂时的伸长率%硬度HBW30GJV—300300〜375220〜295N1.5140〜210GJV—350350〜425260〜335N1.5160〜220GJV—400400〜475300〜375N1.0180〜240GJV—450450〜525340〜415N1.0200〜250GJV—500500〜575380〜455N0.5220〜260但级差为40MPa，整个强度性能要比国外订低一级。同时还没有国外缸体所要求的450强度等级牌号。在硬度上，我国允许硬度范围大，且高值硬度也高。这表明，国外用蠕墨铸铁更注重它的强度性能，同时又要求它有较好的机械加工性能。表5 我国蠕墨铸铁的分级（JB/T4403—1999）牌号抗拉强度。MPa屈服强度。 MPa断裂时的伸长率%硬度值范围不小于Ru4204203350.75200〜280Ru3803803000.75193〜274Ru3403402701.0170〜249Ru3003002401.5140〜217Ru2602601953121〜197德国有一公司，它可生产合金蠕墨铸铁，表6是其企标规定的性能。这表面整个标准要求要比我国高，工厂所做工作更为细，要求更高（硬度值差仅HB20）。表6坎泼公司的合金蠕墨铸铁性能牌号金相组织硬度HB30室温性能。朴°0.2,Mpa6，%GJVSiMo4.5〜6.0铁素体+珠光体+特殊碳化物205〜225>550>470>2780°C性能弹性模量MPa热导率，W/mK。『MPa°0.22,Mpa6，%20C500C600C>70>60>35140000423432线胀系数，X10-6凝固收缩%Ac「C20〜200C至800C至815C121313.50.75855五.蠕墨铸铁的生产要点蠕墨铸铁的蠕化处理范围本身就很窄，国外又要求更高的蠕化率，所以必须要采用合适的生产技术与相应的蠕化剂。国外铸造厂广泛采用冲天炉、电炉或电炉、电炉双联工艺，处理前后又有热分析仪与真空直读光谱仪进行检测，加之炉料秤量准确，炉况稳定，工艺人员对每种铸件都有详细的工艺规定，所以很容易达到对每个铸件的特殊要求（例如，铁液的碳当量波动都能小于土0.05%），为获得高蠕化率的铸件打下了基础。原铁液中硫的含量对蠕化处理，即蠕化剂的消耗与最终蠕化率的大小有决定性的影响，为此几家工厂都采用炉外脱硫，使蠕化处理前铁液的含硫量稳定在0.01〜0.03%之间，并认为最佳的原铁液残硫量应在0.01〜0.02%[3言4除了巳熟悉的吹气、摇包脱硫外，有一工厂使用4个感应器产生磁场搅拌的装备，可使硫量脱至0.01〜0.02%。它使用碳化钙和石灰脱硫，每次处理的量最大可至20t,处理时间为9〜15min，修理间隔为3〜4个月，巳可靠地使用两年4。铁液在蠕化处理后的镁稀土量决定了石墨的形状与各类石墨的数量。图8为一个研究所得结果，即凝固后铸件中石墨球比例与镁含量的关系⑹。较为一致的看法是MgW0.01%为片状石墨，Mg在0.01〜0.018%可获得蠕墨铸铁，Mg在0.025〜0.04%为球墨铸铁。故获得蠕墨铸铁的镁范围为±0.004%。实际生产中，而确保获得蠕墨的绝对含镁量又和原材料，熔炼条件，孕育处理方法有关。蠕化处理后每五分钟又要损失镁0.001%，故更增加了控制高蠕化率的难度。各研究结果基本趋于一致，为防止钛对炉料的污染和改善切削性能，现在蠕化剂多为FeSiMgRe。其中Mg量为4〜5%，Re主要是铈，量在0.5%到6.0%不同，但倾向于在1.0〜1.5%。有的企业在蠕化剂中还使用钙。蠕化处理方法和球化处理方法相同，由于喂丝法有控制精确，改善劳动环境的优点，尤其可用计算机，根据处理的铁液量和快速测定的原硫量可精确控制喂丝量，故国外喂丝得到了迅速的推广应用(表4)，现在普遍应为此法更适合于生产蠕墨铸铁。表4德国使用铸造喂丝化处理的企业比例，%19891993199419951997112151830使用工艺不稳定的冲入法时，Mg的吸收率波动大，对蠕墨铸铁来说往往有处理过头的现象，故不少厂使用加硫(FeS)的方法，来消耗过量的镁，获得蠕墨。在残镁量为0.015〜0.03%时，建议加硫0.002〜0.04%。应该肯定，英国Sinter-Cast公司在现场控制蠕化率的检测上做了大量工作。在蠕化处理后利用它类似于热分析的检测方法能立即确定蠕化状况，然后看生产铸件要求对处理后的铁液进行必要的镁量调整（喂丝法），从而能确保所浇铸件能获得所要求的蠕化率。最后举一生产实例来总结本文。德国哈尔贝克（Halberg）铸造厂，从1991年开始为奥地生产V8蠕墨铸铁气缸体。缸体主要壁厚为3.5mm，3升排量功率为150KW的缸体仅重74Kg。铁液在感应炉中熔炼，成分（质量分数）为：3.3〜3.5%C，0.010〜0