蠕墨铸铁的发展现状及未来展望

张敏之，许景峰，徐玉龙，马世旋，戚鹏超，杨淑欣

（潍柴重机股份有限公司，山东 潍坊 262208）

自20 世纪40 年代末蠕墨铸铁首次被发现以来，科研人员一直没有停歇对蠕墨铸铁研究的脚步[1]。尤其在近些年，随着重型柴油发动机功率的不断提高，国家排放标准的持续提升以及灰铸铁制动鼓、刹车盘等灰铸铁铸件，难以适应恶劣的工作条件，性能无法满足愈加苛刻的使用要求，这使得人们对高性能蠕墨铸铁的稳定生产和应用需求变得日趋强烈[2]。

所谓蠕墨铸铁，是指铁水经过蠕化和孕育处理后，碳在铁水凝固过程中主要以蠕虫状（二维）石墨形态析出的铸铁材料称为蠕墨铸铁[3]。蠕墨铸铁显微组织中石墨的组成主要为蠕虫状石墨（≥80%）和少量球状、团絮状石墨，其中蠕虫状石墨的三维形貌为珊瑚树状[3-5]。蠕墨铸铁的综合性能表现优异，不仅具有和灰铸铁相当的良好铸造性、抗震性和导热性，也有与球墨铸铁相近的高强度和高耐磨性，同时又有比灰铸铁、球墨铸铁优异的高温疲劳强度和耐热疲劳性[6]。因此，蠕墨铸铁在发动机的缸体、缸盖、排气管以及汽车制动毂、刹车盘等方面的应用越来越受青睐。鉴于此，本文在前人的研究基础上结合的生产经验，综述了稳定生产高质量蠕墨铸铁的方式方法，并详细阐述了各元素对蠕墨铸铁微观组织和力学性能的影响。

1 熔炼原材料的选择

由于生产蠕墨铸铁时的蠕化处理范围较窄，获得稳定蠕化率的蠕墨铸铁较难，所以在铁水原材料的选取上就相对比较严苛。对于回炉料应选用经过抛丸处理后的蠕墨铸铁回炉料，增碳剂应选用经过石墨化处理的低硫增碳剂，生铁应选用低硫、低碳、低钛的高品质生铁[7]，废钢应选用表面无锈蚀和油污的废钢。

2 各元素对蠕墨铸铁组织和性能的影响

2.1 C 元素

C 是铸铁中的石墨化形成元素，随着铸铁中C含量的增加，铁水的流动性增加，凝固析出石墨的数量也增多[8]。但铸铁中的C 含量也不宜过多，因为过多的C 含量不仅会导致基体中的铁素体量增多、珠光体量减少，而且还会导致石墨粗化、球化和石墨化漂浮，对铸铁的性能产生及其不利的影响[9-11]。所以在实际生产中C 质量分数一般控制在3.6%～3.8%[10，12]，且有研究表明[10，13]，像缸体、缸盖这样结构复杂，薄壁处较多的铸件以及铁素体型蠕墨铸铁一般选用C 含量范围的上限，而厚大件和珠光体型蠕墨铸铁则一般取C 含量的下限。另外，由于C在石墨化过程中会产生体积膨胀，所以会使铸铁在凝固过程中会自行补缩，减少缩松、缩孔等铸件缺陷，提升铸件的力学性能。

图1 蠕墨铸件的显微组织形貌

2.2 Si 元素

Si 是强烈的促进石墨化元素，其能增强C 原子的自扩散能力，促进部分C 原子成为共晶石墨晶核[10]，同时也能扩大稳定系和亚稳系的共晶温度间隔，促进C 原子以石墨形态析出，降低铁水的白口倾向，减少铸铁组织中碳化物的形成[14]。另外，适当增加Si 含量，还能提高铸件的高温力学性能和耐热疲劳性能[15]。但硅含量也不宜过高，因为过高的Si含量会使组织中铁素体的量增多，而且过量的Si 也会导致铸件的韧-脆转变温度升高、冲击硬度降低，这不利于铸件在低温条件下使用；而Si 含量过低，又会导致石墨化能力不足，使铸铁的白口化倾向严重，所以Si 质量分数一般控制在2.0%～2.4%[9，10，15].

2.3 Mn 元素

Mn 可促进组织中珠光体的形成，细化珠光体，提高铸铁的强度和硬度，同时又能促进生成和稳定碳化物，抑制FeS 的生成。另外，适量的Mn 会与S形成高熔点的MnS 化合物，作为异质形核点起到细化晶粒的作用，进而提高材料的强度和硬度。但Mn又是强烈的反石墨化元素，其含量过高会影响石墨的的结晶形核，减少共晶团的数量，使石墨粗大降低铸件的力学性能，同时它增加铸件凝固时的缩松倾向[9][11]，所以其质量分数一般小于0.4%.

2.4 S 元素

S 可促进珠光体的形成，稳定珠光体，在石墨的形核和生长过程中起到积极有益的作用，S 的加入也可以改善铸件的机加工性能。但S 与Mg 和RE等蠕化元素的亲和力较强，属于反石墨蠕化元素[7]，所以S 含量过高，会消耗大量的蠕化元素Mg 和RE，导致蠕化不良或蠕化衰退，严重影响蠕墨化效果，而且产生的S 化物会增加蠕墨铸铁的夹杂缺陷。相反，如果S 含量过低而Mn 含量又相对较高的话，则会增加铸件的铸造应力，使铸件裂纹出现的概率增加[9][11]，李明保[10]等人的研究也表明，S 含量过低，会导致组织中球状、团絮状石墨增多，蠕化率降低。所以S 的质量分数一般控制为0.01%～0.02%[12，16].

2.5 P 元素

P 在铸铁中是典型的有害元素，当P 含量超过其在铁水中溶解度后，在组织中会形成二元或三元低熔点的磷共晶，这些磷共晶会沿晶界分布，使晶间结合力降低，导致蠕铁的强度下降，塑性和韧性急剧降低，断后延伸率减小，冲击韧性降低、韧-脆性转变温度升高。另外，P 还会增加铸铁的缩松倾向，所以P 质量分数一般控制在0.07%以下[9-10].P 不影响蠕化处理效果[7]。

2.6 蠕化元素

Mg 是蠕化能力最强的蠕化元素，镁和稀土的含量决定了石墨的形状和各类形态石墨的数量。Mg和RE 的加入有三个重要的作用，一是可中和S 等反球化元素，消除反球化元素对蠕化率的影响，二是利用Mg 的沸腾效应（Mg 的沸点低于铁水的温度）对铁水有较好的除气、净化作用，三是使石墨蠕化[9]。Mg 含量应适中，因为当Mg 含量过高时，石墨形状接近于球状石墨，而Mg 质量分数较低时，石墨形状则更接近于片状石墨[17]，这都不利于的到蠕虫状石墨，所以，蠕墨铸铁中Mg 的质量分数应控制在0.01%～0.018%.

稀土元素（RE）的硫化物或氧化物可以作为石墨的形核基底，促进石墨的结晶长大[18]，鲁栋[19]等人的研究表明，RE 的抗蠕化衰退能力较强。但稀土的加入量过多会急剧增加组织的白口倾向，导致渗碳体的生成[20]。所以，RE 的质量分数应控制在0.04%～0.07%[21].

2.7 Cu 元素

Cu 不仅能促进珠光体形成[22]，缩小珠光体片层间距，使珠光体层片变得无取向性，阻碍裂纹的产生，而且还能阻碍奥氏体分解，增加组织中珠光体的含量和珠光体稳定性，延缓因循环热应力而导致的应力变形，从而，提高蠕墨铸铁的强度、硬度以及热疲劳性能。同时，Cu 还有微弱促进石墨化、细化石墨和共晶团的作用。另外，随着Cu 含量的增加，蠕墨铸铁的强度、硬度增加，塑性下降，但当Cu 的含量超过一定值时，蠕铁的强度反而会下降，所以Cu的质量分数一般控制在0.3%～1.1%[9，10，12，21，23].

2.8 Sn 元素

Sn 可促进珠光体的形成，稳定、细化珠光体，能有效增加基体中珠光体的含量和珠光体团的数量[24]，而且在石墨长大的过程中，Sn 会优先富集在石墨的结晶前沿，阻碍石墨长大，细化石墨尺寸，进而提高蠕铁的屈服强度改善蠕铁的拉伸性能[24-26]，但Sn 含量过高，会增加珠光体片层间距，使石墨分支变多端部变尖，应力集中系数上升，使合金的抗拉强度和硬度下降[27]。Sn 对弹性模量、导热系数等影响较小，主要改变的是基体组织[27]。所以，其质量分数一般为0.01%～0.12%[10，12，21，28]。

2.9 Ti 元素

Ti 是反蠕化元素，适量Ti 的加入可扩大铁水中残余蠕化元素的含量范围，进而扩大蠕化处理范围，使得在实际生产过程中可更有效的控制铸铁的蠕化稳定性，增加蠕墨铸铁合格率，降低废品率。但过多的Ti 含量会降低铸件的机加工性能，所以Ti的质量分数一般控制在0.03%～0.06%[10].

3 铁水的蠕化和孕育处理

自蠕墨铸铁被发现以来，人们为稳定生产蠕墨铸铁，先后开发了冲入法[29]、盖包法[30]、GF 转包法、密封流槽法[31]、镁焦炭法、型内处理法以及喂线法[32]等多种蠕化、孕育处理方法。目前国内外应用最多的蠕化、孕育处理方法为喂线法。

3.1 喂线法

为保证蠕墨铸铁生产的一致性和稳定性，在总结冲入法、盖包法等方法缺点的基础上，人们开发了喂线蠕化法。喂线蠕化法可通过计算机，根据蠕化处理原铁水的量，通过软件快速测定的铁水中的实时硫含量，精确控制蠕化剂及孕育剂的加入量。所以生产蠕墨铸铁的成分一致性好、质量稳定性强；而且喂线机操作简单，人工使用少，蠕化和孕育处理后的铁水纯净、杂质少且渣铁易分离，进而可减少铸件夹杂缺陷；另外，喂线处理法产生的烟雾、粉尘相较于冲入法较少而且可集中排放，环保好，工人的工作环境好。喂线蠕化处理温度一般控制在1 460 ℃～1 520 ℃比较合适，但喂线法前期设备的投入成本较高且喂线设备占地面积较大[7，16，33]。

3.2 蠕化和孕育处理的目的

蠕化处理的目的是为了在铸铁组织中获得蠕虫状石墨，蠕化剂的加入一方面是与铁水中的杂质氧、硫等发生反应，起到脱氧除硫、净化熔体的作用；另一方面是在石墨长大的过程中，蠕化元素在石墨生长端富集，起到蠕化石墨的作用[34]。

孕育处理的目的是为了减少或消除蠕化元素（Mg、RE 等）引起的白口倾向，在消除碳化物的同时延缓蠕化衰退，另外还有细化组织，提高铸件力学性能的作用。但孕育剂的加入量不宜过大，因为孕育量过大会使晶核产生较多，进而导致过多球状石墨产生，这不利于获得蠕墨铸铁[7，9，34].

4 蠕化率

由于蠕墨铸铁的处理范围较窄、影响蠕化效果的因素较多，如原材料的选择、熔体成分的控制、浇注条件的控制等都会影响最终蠕化率，蠕化不足时会变为灰铸铁，蠕化过度时会变成球墨铸铁[35]，所以对蠕化处理后的铁水进行蠕化率检测就变得尤为重要。

4.1 蠕化率对铸件性能的影响

蠕墨铸铁的蠕化率对铸件的性能有重要的影响。研究表明[34]，随着蠕化率提高，石墨的析出形态发生转变，蠕化率越高组织中蠕虫状石墨越多，球状石墨越少。另外，随着蠕化率的提高，蠕墨铸铁抗拉强度、硬度、伸长率和耐磨性能都有所降低蠕化率对铸件导热系数影响较大，随着蠕化率的升高，其导热性能逐渐增大[36]，马志军[5]通过对蠕墨铸铁中的三维石墨形貌研究认为，蠕化率越高，石墨的网络化特征越明显，这种可能空间网络结构，有利于蠕铁导热性的发挥。蠕化率越高，组织分布越均匀[5]。万浩[34]等人的研究认为，随着蠕化率的提高，组织中蠕虫状石墨增加，球状、团絮状石墨减少，由于，蠕虫状石墨端部的曲率半径小于球状石墨的曲率半径，所以在受力时蠕虫状石墨又比球状和团絮状石墨易产生应力集中，所以易产生裂纹，进而降低合金的力学性能。

4.2 蠕化率的检测方法

1）金相法

利用金相对照法测定铸件蠕化率时，为准确测定不同部位、不同壁厚处的蠕化率，一般会选择铸件相对平整的面进行加工打磨、再利用便携式显微镜进行显微组织观察。该方法的优点是直观性强，缺点是检测耗时较多，效率低，而且准确与否的主观性较强，且对于大批铸件挨个进行检查的可行性较差。亦或是通过同炉附铸件的金相来作为铸件的金相，但是由于蠕化率受浇注条件的影响较大，所以其准确性较差[3，16]。

2）计算法国标规定蠕墨铸铁蠕化率按面积的计算公式为：

式中：A蠕虫状石墨为蠕虫状石墨颗粒的面积（圆形系数RSF 箓0.525）；A团、团絮状石墨为团状、团絮状石墨颗粒的面积（圆形系数RSF 为0.525～0.625）；A每个石墨为每个石墨颗粒（最大中心长度≥10 μm）的面积。

该方法可以避免因人为因素造成的目测误差，通过利用ImageJ 等图像处理软件进行定量计算法得到的蠕化率结果准确可靠，但是该方法比较繁琐复杂、工作量大且该方法依旧摆脱不了因附铸件的浇注条件不同造成的蠕化率差异[3，16]。

3）超声波法

鉴于以上两种方法的缺点，为了简化工作量、提升蠕化率的检测效率和准确性，减少检测时的主观性，人们开发了利用超声波法对铸件的蠕化率进行检测。其检测原理是，在灰铁、蠕铁和球铁三种材质中，不同的石墨形态，使得材料的弹性模量不同，导致超声纵波在三种材料的波速不同（灰铁4 400 m/s～4 800 m/s，蠕铁5 000 m/s～5 350 m/s，球铁5 500 m/s～5 750 m/s），且不同的蠕化程度，超声纵波的波速也有较大差异。许景峰[37]等人的研究表明，蠕化率为0%～50%时，超声波声速为5 700 m/s～5 600 m/s；蠕化率为50%～100%时，超声波声速为5 600 m/s～5000m/s；非蠕化区，超声波声速为5000m/s～4000m/s.因此，可通过超声纵波的波速，对铸件的蠕化率进行检测，该方法不仅检测效率高，而且检测结果准确。尤其对于同一铸件壁厚差异较大的情况，由于蠕墨铸铁铸件的壁厚敏感性较强，利用计算法和金相法难以测量其蠕化率，此时超声波法的独特优势得以充分提现[35]。

5 结论与展望

蠕墨铸铁在常温和高温力学性能方面表现优异，热疲劳强度高。在缸体、缸盖上的使用，有利于发动机尺寸的优化、减轻发动机的震动和重量，提高发动机的点火峰压Pmax，进而增加发动机的燃烧效率、减少油耗。另外，其良好的耐热疲劳性能在高温受力环境和冷-热交替周期性受力环境下也有广阔的应用前景。

但是目前国内外对蠕墨铸铁生产的经济性、稳定性还难以得到有效的保证，蠕墨铸铁铸件的生产仍然存在废品率高、经济性差的问题；另外，大吨位蠕墨铸铁的生产也是困扰国内外专家的技术难题，现阶段利用喂线法生产大吨位蠕墨铸铁时，在喂线处理后期存在Mg 吸收率低、喂线阻力大、表面浮渣多的问题，导致很难获得合格蠕化率的大吨位蠕墨铸铁铸件，而利用“二步法”生产蠕墨铸铁的成本又较高，这些因素都很大程度上限制了蠕墨铸铁广泛使用。因此，解决生产的蠕墨铸铁经济性、稳定性和制备大吨位蠕墨铸铁铸件的可能性，将是攻克蠕墨铸铁无法大规模推广使用问题的关键所在。