灰鑄鐵是一種含有碳、硅、錳等多種元素的鐵合金。它的強(qiáng)度之所以較低，是因其中所含有的碳元素大多以片狀石墨的形態(tài)存在。這些片狀石墨對(duì)基體組織起嚴(yán)重的割裂作用。因此，傳統(tǒng)的灰鑄鐵熔煉工藝是以降低含碳量來(lái)保證灰鑄鐵具有所要求的強(qiáng)度。但是，含碳量降低會(huì)使灰鑄鐵的鑄造性能變差，容易出現(xiàn)縮孔、縮松、澆不足等鑄造缺陷。另外，在傳統(tǒng)工藝中，含錳量也控制得比較低，一般在0.5%-1.0%的范圍之內(nèi)。

近年來(lái)，隨著鑄鐵凝固理論的發(fā)展，人們對(duì)錳在灰鑄鐵中的作用有了更深入的了解。我們根據(jù)這些新認(rèn)識(shí)，特別是從“高碳當(dāng)量、高強(qiáng)度灰鑄鐵”的生產(chǎn)工藝中受到啟發(fā)，改變傳統(tǒng)工藝中“雙低一高”(即低碳、低錳、高硅)的作法，以“雙高一低氣高碳、高錳，低硅的配料原則來(lái)編制灰鑄鐵的熔煉工藝。這樣做，不但提高了灰鑄鐵的機(jī)械性能，而且改善了鑄件的壁厚敏感性，消除了縮松、熱裂等鑄造缺陷。

1.新工藝的理論依據(jù)

過(guò)去，由于檢測(cè)手段的限制，人們?cè)阼T鐵凝固研究中的重點(diǎn)是研究凝固后的組織?，F(xiàn)在，檢測(cè)手段發(fā)展了，人們進(jìn)而可以研究凝固過(guò)程中的組織。通過(guò)研究，發(fā)現(xiàn)鑄鐵凝固過(guò)程中的奧氏體枝晶骨架是影響鑄鐵性能的重要因素。形象地說(shuō)，灰鑄鐵可以看成是一種類(lèi)似鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)。奧氏體枝晶就是鋼筋，共晶組織就是混凝土.金相分析證明.奧氏體枝晶是灰鑄鐵中的獨(dú)立組成相，即使通過(guò)共析轉(zhuǎn)變和共晶奧氏體結(jié)合，也仍然保持著自身的骨架形態(tài)和作用。因此，奧氏體枝晶的數(shù)量多、晶粒細(xì)小，必然使鑄鐵的強(qiáng)度提高。并且.枝晶的顯微硬度越高，鑄鐵的強(qiáng)度越高。此外，奧氏體枝晶對(duì)鑄鐵的性能還有如下一些影響:

1.1奧氏體枝晶與鑄鐵的顯微縮松

鑄鐵的顯微縮松是由于枝晶間的凝固收縮得不到補(bǔ)償所致。根據(jù)鑄鐵凝固理論，在大多數(shù)情況下.灰鑄鐵的實(shí)際共晶轉(zhuǎn)變過(guò)程都是在已經(jīng)具有大量初生奧氏體骨架間的殘余鐵液中進(jìn)行的。通過(guò)電子金相技術(shù)觀察也發(fā)現(xiàn)，縮松處的奧氏體枝晶的空間形貌確實(shí)是框架結(jié)構(gòu)、因此，細(xì)化奧氏體枝晶，一方面可以提高鑄鐵的枝晶補(bǔ)縮(又稱(chēng)過(guò)濾補(bǔ)縮)能力，減輕晶間縮松的傾向。另一方面。奧氏體枝晶越多、越細(xì)，骨架間殘余鐵液的體積被分隔得越小，繼續(xù)凝固時(shí)，即使得不到足夠的補(bǔ)縮，形成的空洞的體積也就越小.只要這些空洞小得足以不影響鑄件的使用，就可以認(rèn)為所得的鑄件是合格的。總之，奧氏體枝晶越小，鑄鐵的縮松傾向越小，組織越致密。

1.2奧低體枝晶與熱裂

根據(jù)鑄件熱裂形成機(jī)理中的強(qiáng)度理論，熱裂的產(chǎn)生是在鑄鐵凝固過(guò)程中一定溫度時(shí)(一般認(rèn)為是共晶反應(yīng)結(jié)束前后)，鑄件收縮受阻產(chǎn)生的應(yīng)力，大于該溫度下鑄鐵的強(qiáng)度極限，這樣就會(huì)形成熱裂。因此，提高鑄鐵的高溫強(qiáng)度，即提高奧氏體枝晶的強(qiáng)度，減小共晶反應(yīng)區(qū)間，有助于防止熱裂產(chǎn)生。

在研究灰鑄鐵斷裂中發(fā)現(xiàn)，奧氏體枝晶有阻礙裂紋擴(kuò)展的作用。裂紋遇到枝晶大多改變方向，沿枝晶外緣繼續(xù)擴(kuò)展。所以，細(xì)化奧氏體枝晶也有助于防止熱裂產(chǎn)生。

另外，裂紋形成后，如果還有殘余的液相被輸送到裂紋處，可以使這些裂紋“愈合”。因此，鑄鐵的枝晶補(bǔ)縮能力強(qiáng)也有助于防止熱裂產(chǎn)生。

1.3錳在灰鑄鐵中的作用

錳在灰鑄鐵中具有如下一些作用

①促進(jìn)奧氏體形成.細(xì)化奧氏體枝晶，并且固溶于其中，提高其顯微硬度。

②增加共晶團(tuán)的數(shù)量.

③細(xì)化石墨組織。

④增加、細(xì)化和穩(wěn)定珠光體組織，

⑤與鑄鐵中的硫反應(yīng)生成MnS，中和硫?qū)﹁T鐵的有害作用。

因此，適當(dāng)增加灰鑄鐵中的錳含量，可以提高鑄鐵的強(qiáng)度，防止顯微絡(luò)松和熱裂等鑄造缺陷的產(chǎn)生.并且，由于錳穩(wěn)定珠光體的作用，也使鑄件的壁厚敏感性降低。顯然，這些都正是我們所要尋求的。

2.工藝參數(shù)的確定

在傳統(tǒng)的灰鑄鐵熔煉工藝中，由于沒(méi)有充分認(rèn)識(shí)到錳的作用，通常僅在0.5%--1. 0%的范圍內(nèi)選擇錳含量。而新工藝將錳含量提高到i. o以上，以充分發(fā)揮錳的有益作用。下面，根據(jù)鑄鐵凝固理論的新觀點(diǎn).討論灰鑄鐵的三種主要化學(xué)成分碳、硅、錳的控制范圍。東風(fēng)電機(jī)廠生產(chǎn)的灰鑄鐵牌號(hào)一般是HT150--HT250。下面的討論也是針對(duì)這幾種牌號(hào)的灰鑄鐵而言。

2.1碳的控制范圍

碳在灰鑄鐵中的作用，可以說(shuō)是“成也蕭何敗也蕭何”，灰鑄鐵所具有的長(zhǎng)處和短處都?xì)w因于其中的碳。一般說(shuō)來(lái)，控制碳含量的原則是在保證灰鑄鐵具有足夠強(qiáng)度的前提下，盡可能選擇較高的碳含量。在新工藝中。由于錳含量的增加使強(qiáng)度提高，在同樣的強(qiáng)度要求下，碳含量可以選得比傳統(tǒng)工藝的高0.2%左右。實(shí)驗(yàn)也證明，較高的碳含量還有利于錳增加和細(xì)化奧氏體枝晶的作用。

2.2硅的控制范圍

硅在灰鑄鐵中主要起石墨化作用，同時(shí)還具有一定的固溶強(qiáng)化作用。硅含量在1. 0%一2. 0%時(shí)，石墨化作用最顯著。如果硅含量小于1.000*鑄鐵中會(huì)產(chǎn)生大量的游離碳化物。所以，硅含量的下限應(yīng)大于1. 0?？紤]到應(yīng)留有一定的余量，其下限定為1.0%^'1.5%。上限又怎么定呢?由于碳的石墨化作用是硅的3倍，碳可以部分代替硅的石墨化作用。而錳又可以代替硅的固溶強(qiáng)化作用。另外。硅是擴(kuò)大共晶反應(yīng)區(qū)間，提高共晶反應(yīng)溫度的元素。因此，降低硅含量有助于防止熱裂產(chǎn)生，并且還可以減少硅鐵的加人量，降低生產(chǎn)成本。從這幾點(diǎn)考慮，硅含量的上限定為1. 7%一1. 8%，比傳統(tǒng)工藝的硅含量低0. 3%一0. 6 %

2.3錳的控制范圍

盡管錳在灰鑄鐵中有許多有益作用，但也不是越多越好。實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)錳硅差(鑄鐵中的錳含量與硅含量之差)大于零時(shí)，灰鑄鐵中可能出現(xiàn)游離碳化物，使機(jī)械性能降低。對(duì)灰鑄鐵而言，錳硅差宜為一0. 3%一0.5%因此，錳含量應(yīng)控制在1.1%-'1.5%。