锰硫合金对灰铁铸件性能的影响

白 飞，黄进达

（广西玉柴机器股份有限公司，广西玉林 537005）

灰铸铁材质具有非常优越的铸造性能和良好的综合性能，而且成本相对较低，所以在很多柴油机气缸体气缸盖铸造生产厂家依然把灰铁材质作为首选材质之一。本文就提高灰铸铁力学性能与降低材料成本方面进行了试验。

1 试验过程

1.1 试验设计

试验采用正交实验设计针对Mn、S两个因子在三个水平上对抗拉强度、硬度的影响。根据以往经验及降成本的需求，试验将锰合金质量分数水平分别选为0.3%、0.6%和0.9%；硫质量分数水平分别选为0.04%、0.06%和0.10%.具体见表1.

铁水熔炼时，要求成分公差小于主单位的0.5个单位。

1.2 试验实施

分别在1#、2#、3#工频炉熔化铁水，4#炉进行铁水调均匀使用。铁水熔化后检验成分，3台中频炉的成分要求按照正交试验要求进行控制。

表1 w（Mn）与 w（S）因子水平设定 （质量分数，%）

将1#炉内铁水倒出2包，分别从2、3#炉倒1包铁水到1#炉内。分别将2、3#炉内铁水倒出1包倒入另1台炉内，然后将1#炉内的2包铁水倒入2、3#炉内，成分调整均匀。

成分按要求调均匀后，分别根据实验要求调整锰硫合金，升温到1 510℃以上进行铁水精炼保温处理，出铁过程使用稀土钙钡孕育剂孕育，加入量0.35%.浇注温度控制1 400℃～1 420℃.试验结果如表2所示。

1.3 试验结果

根据以上编号分别统计和求其平均值得到抗拉强度响应表和趋势图以及硬度响应表和趋势图见表3和表4。

表2 硫锰正交试验结果

表3 试棒抗拉强度均值响应表 MPa

表4 试棒硬度均值响应表 HBW

根据表3所示的响应表绘制出试棒抗拉强度走势如图1.

图1 试棒强度走势图

在抗拉强度趋势图上我们发现，锰、硫越高抗拉强度却反而越小，抗拉强度是随着锰、硫增加而降低的，且锰对试棒抗拉强度的影响大于硫。

根据试棒硬度均值响应表绘制试棒硬度走势图如图2所示。

由图2正交试验我们可以看出，硬度与锰、硫的波动不大，整个波动范围都是在10 HB以内。在10 HB范围内硬度是在锰和硫处于两个极端时最高，锰、硫处于中间时硬度最低。

图2 试棒硬度走势图

2 生产试验跟踪

为了进一步验证试验结果，我们在工厂生产4110缸盖过程中进行铁水调整并小批量试验验证。使用冲天炉与工频炉双联熔炼，浇注包浇注，最后浇注30 mm试棒。

冲天炉内调整原铁水中锰的质量分数在0.4%～0.5%，硫控制在0.04%，然后原铁水在工频炉保温精炼，出铁后在出铁槽内加入质量分数为0.4%的稀土钙钡进行孕育处理。出铁后进行浇注试棒和铸件，同时工频炉内铁水进行增硫处理使原铁水中硫达到0.06%左右，然后继续保温精炼，出铁孕育。我们根据控制锰质量分数0.47%，分别对硫进行0.04%、0.06%和0.08%调整处理后总共浇注3包铁水，分别对试棒的抗拉强度和硬度进行检测，检测结果如表5所示。

表5 不同硫锰质量分数试验结果

试验数据基本上验证了正交试验的结果，当锰稳定控制在0.47%的时候，随着硫从0.04%增加到0.08%的过程中30 mm试棒检测强度在逐渐下将，而硬度有一定的提高。

3 试验结果分析

3.1 锰对铁水质量的影响

锰一直被作为合金化元素，在铸造生产过程中得到广泛的应用。但是，锰又是稳定碳化物，阻碍石墨化的元素[1]。通过试验发现，锰的质量分数从0.3%增加到0.9%过程中并没有增加灰铸铁材质的强度，反而是下降的。同时通过查阅资料发现，一汽铸造有限公司也曾经做过相关对比试验。随着锰的提高，材料强度反而降低[2]与我们所做的试验结果非常吻合。

所以，根据生产成本和力学性能结合铁水流动和致密性考虑，选择合适的锰含量非常重要，在汽车缸体缸盖生产过程中我们建议锰的质量分数控制在0.3%～0.5%.锰太低铸件流动性下降，铁水易氧化，而且随着对铸件的后续跟踪我们发现铸件的硬度也是有所下降的。锰含量太高不仅对铸件的性能没有提高反而浪费成本。

3.2 硫对铁水质量的影响

硫，是一种曾经在国内引起广泛争议的元素之一，过去常常被认为硫是有害元素，但是后来人们渐渐发现硫在灰铁材质中也是有一些积极作用的。

目前，国内外一些铸造专家认为高硫（0.08%～0.12%）可以促使灰铁材质中片状石墨钝化、弯曲，而且高硫有利于保证铁水的流动性和促进孕育效果。但是硫是仅次于氧元素的活泼的元素，较高的硫在铁水中无法稳定存在，硫会和其他金属元素相结合形成相对稳定的硫化物夹杂。

3.3 锰硫相互作用的影响

硫在灰铸铁中，往往是因为锰的存在所以才使硫的积极作用表现出来。硫在高温铁水中非常亲锰，两者反应形成固体MnS弥散分布在铁水中，随着铁水孕育、浇注进入铸型，这些弥散分布的固体MnS就可以成为非自发形核的核心，促使铁水快速非自发形核从而达到一定的提高铸铁强度的作用。

硫并不是在任何时候都是越高越好，相反在低锰的情况，高硫反而会使铸件的致密性下降。而且，太高的硫不利于成本的控制和获得稳定的铸件材质性能，但是硫太低铁水易发生氧化。试验证实，在低锰的情况下，硫含量在0.04%～0.07%范围，灰铁材质的性能比较稳定。

4 结论

1）试验证实，锰硫对强度影响相对较大，随着锰、硫质量分数的增加灰铁强度出现了较大幅度的下降，锰对灰铁强度的影响大于硫，但是对硬度影响较小。

2）在柴油机缸体缸盖生产过程中为了获得稳定高强度灰铁材质，建议锰的质量分数控制在0.3%～0.5%，硫的质量分数控制在0.04%～0.07%范围较为合适。

［1］中国工程机械工程学会铸造分会.铸造手册［M］.北京：机械工业出版社，2002.

［2］逄伟.HT300高强度缸体缸盖材料熔炼技术研究［J］.现代铸铁，2010（S1）：26-32.