新型发动机缸体、缸盖对铸铁的力学性能、物理性能、使用性能和工艺性能要求更高。长期以来，国内外铸铁缸体、缸盖，几乎全部采用添加Cr、Mo、Cu、Sn、Ni等合金元素HT250低合金灰铸铁。铸铁的孕育则使用高效、抗衰退（长效）的复合孕育剂，以改善石墨形态，壁厚敏感性，消除薄壁部位白口，提高铸铁强度，改善切削加工性能。孕育方法采取自动造型线浇注机随流孕育，以及型内孕育，提高孕育效果。[1] 

上世纪60年代，我国开展蠕墨铸铁的研究工作，生产出性能超过HT300的稀土高强度铸铁，在排气管和柴油机缸盖方面得到广泛应用，但目前该项技术落后于工业发达国家。当前，蠕墨铸铁缸体、缸盖得到较大的发展。例如，宝马公司（BMW）V8柴油机缸体，克莱斯勒公司（Chrysler）排量12L的8缸发动机缸体，达夫公司（DAF）排量12.6L、功率390KW的6缸发动机缸体，弗里茨·维特公司（Fritz Winter）静压多触头造型线年产30万吨各种薄壁蠕墨铸铁缸体，爱森·布吕尔公司（Eisen Bruehl）年产发动机缸体400万个 ，缸盖200万个，福特公司（Ford）与辛特公司（Sinter）合作在巴西生产V6缸体等等。另外阿乌哥斯特·坎泼公司（August Kuepper GmbH）迪砂线生产排气管、增压器壳体供奥迪、奔驰、大众、宝马配套，瑞典达劳斯公司（Daros）生产蠕墨铸铁活塞环。[4]国内已有某柴油机厂引进SinterCast检测装置，试用喂线法生产欧Ⅴ排放标准蠕墨铸铁缸体、缸盖。 

近年来，工业发达国家研究和应用蠕墨铸铁的势头高涨，国产新型发动机铸铁缸体、缸盖走向国际市场，是铸造强国标志之一。以下仅就铸铁缸体、缸盖，应用低合金高强度灰铸铁和蠕墨铸铁，在熔炼与孕育方面展开探讨。

一、低合金高强度灰铸铁 

    低合金高强度灰铸铁的缸体、缸盖，切削加工后光洁度高，摩擦阻力小；耐磨性好磨损小；片状石墨均匀分布导热性好，抗热疲劳性能好；珠光体基体弹性模量高，吸振性好；较高的强度和硬度，机体刚性好；高温水汽、燃油酸性腐蚀恶劣工况，耐蚀性好；机器结构复杂，铸造成型性好；适应快速大批量机械化生产。 

铸铁的化学成分、炉料组成、熔炼过热、低合金化，高效孕育剂和孕育方法等，改善石墨形态和基体组织，提高合金灰铸铁的各种性能。 

1.化学成分 

    高强度合金灰铸铁是亚共晶成分，其碳当量低，故石墨数量少石墨细化、奥氏体枝晶多，提高力学性能。但液相线温度高，铁液流动性差，铸件硬度高，内应力大，薄壁部位易出现白口，切削性能差。加入合金元素后，为提高流动性减少碳化物，必须适当提高碳当量。既要保证铸件强度，又保持较高碳当量，这方面我国与工业发达国家差距较大。 

碳当量、缸体壁厚、珠光体量我国与工业发达国家差距表[8]       

 2. 金相组织 

①石墨的影响：石墨力学性能低，片状石墨及其尖端应力切割基体，其数量、大小、形状及分布直接影响力学性能。片状石墨粗大且数量多，降低抗拉强度、挠度、疲劳强度和E0值，降低灰铸铁的致密性，容易产生渗漏。灰铸铁抗渗透压力与石墨数量关系式如下： 

渗透压力 p = 103.6 ― 7.5×ω（ G ）% （105

Pa） 式中：         ω（G ）%— 石墨的质量分数百分数[1] 

片状石墨的优点是；增加铸件吸振能力，减少外来缺口敏感性，提高导热能力。为了达到抗拉强度要求，A型石墨数量≥90%，石墨长度应在4-6级。（石长≤30-35μm） 

②基体的影响：获得高强度灰铸铁，应力求100%细小珠光体基体。资料介绍；基体中30%的铁素体和100%的珠光体抗拉强度相差35M Pa，而粗细珠光体之间抗拉强度相差100M Pa。[1]生产中常用Cr+Mo+Cu、Cu+Mo+Ni、Cu+Mo、Cu+Cr、Cu+Sn、Cu+V等配合使用，以得到细小珠光体组织。低熔点金属Sn、Sb形成石墨/金属界面薄层，阻碍C向石墨扩散，阻止铁素体产生。灰铸铁中ω（Sn）= 0.03%-0.1%或ω（Sb）= 0.006%-0.01%，即可得到100%的珠光体。但Sb仅对增加硬度有作用。过量的Sn、Sb生成FeSn2、FeSb2凝聚在晶界，引起强度和韧性的降低，ω（Sn）= 0.02%-0.04%为好。 [1-3] 

奥氏体枝晶是铸铁基体骨架，其数量、粗细影响铸铁力学性能。加入合金增加和细化奥氏体枝晶。亚共晶铸铁不加合金奥氏体枝晶方向性较强，二次枝晶不发达且间距较大。 

钒和钼增大共晶凝固过冷度，增大初生奥氏体生长区间，增加并细化奥氏体枝晶，但价格昂贵属不可再生资源。钼铁的开采寿命只有7年，应选择替代品。铁液硫量高，枝晶有粗化倾向。通常，为确保孕育效果灰铸铁应ω（S）≥0.06%，但也不应超过0.1%。 

③共晶团数：铸铁的共晶团数与抗拉强度没有相互增长关系，但共晶团数多，晶粒细化，同比情况抗拉强度高。除硅锶外的孕育剂都增加共晶团数，因此常用来衡量孕育效果。共晶团数增多，白口倾向减少，缩松倾向增大。共晶团数与缩松程度见下表：  

3. 金属炉料 

    炉料的冶金质量：新生铁最佳，废钢次之，回炉料较差。炉料使用部分白口铁，铸件就会白口。低硅生铁（如球生铁）熔化后碳化物原子集团近程序列及其伴生的白口、缩孔、缩松、裂纹等缺陷会遗传，所以灰铸铁炉料必须采用Z18以上牌号的铸造生铁。一汽资深高工辜祖勋说：某汽车厂用冲天炉-电炉双联熔化，用炼钢生铁替代缺货的铸造生铁，虽然铁液成分、熔化工艺、炉前处理不变，但缸体曲轴箱产生裂纹造成大量报废，恢复铸造生铁后，裂纹缺陷消失。原因是低硅的炼钢生铁断面有白口，遗传因素导致裂纹。因此，不论是冲天炉或电炉，都难以采用低牌号的生铁加硅铁、锰铁生产出优质铸件。[5-6] 

    生铁中气体、微量元素构成遗传性的载体。高炉低氮生铁产生粗大石墨，对凝固后的组织带来遗传性。电炉熔炼应注意使用的增碳剂含氮量ω（N2）≤110×10-4%，微量氮提高铸铁力学性能，过量会产生气孔和针孔等缺陷。 

废钢减低铁液含碳量，提高力学性能。只用废钢和回炉料，用增碳的方法调节碳量，称为合成铸铁。相同化学成分，合成铸铁力学性能更好。废钢成分很杂，合金钢含合金，易切削钢含铅，低碳镇静钢含铝，都会给铸件带来灾难性后果。 

4. 熔炼与过热

    铁液的纯净度、熔炼温度、化学成分是冶金质量的三项指标，与铁液熔炼关系重大。 ①高温铁液流动性好，利于气体和渣的上浮，石墨和基体组织细密，提高强度降低硬度。在铁液中发生：SiO2 + 2C = Si + 2CO↑时，氧以CO形式逸出，铁液开始沸腾，沸腾温度为TH≈1475℃，此时逸出气体使夹渣上浮、溶氧下降，提高纯净度，冶金质量高。 

辜祖勋介绍：德国某缸体铸造厂，20吨冲天炉与8吨中频炉双联，炉料为全部废钢加碳化硅，铸造焦固定碳≥90%，冲天炉出铁温度不低于1540℃，缸体浇注温度约1420℃，大大减少缸体最易出现的气孔，冷却速度减慢降低白口倾向，提高加工性能。无论冲天炉还是电炉熔炼，加入0.7%-1.0%的碳化硅都有助于提高铁液纯净度。中铸协顾问李传拭说：灰铸铁加入SiC预处理，可促进A型石墨形成，改善冶金质量。[11]熔炉对冶金质量的影响：冲天炉最优，感应电炉次之，电弧炉较差。 

    ②熔炼时铁液的化学成分稳定是保证铸件可复制性的重要方面。含碳量应控制在±0.05%，含硅量应控制在±0.1%，其它元素也应控制在理想值±10%以内。 

    ③化学成分相同，炉料与熔炼工艺不同，铸铁性能不尽相同。灰铸铁冶金质量指标有，成熟度：Φ30试棒的抗拉强度实测值与（1000-800SC）的比值。硬化度：Φ30试棒硬度实测值与（530-344SC）的比值。品质系数：成熟度与硬化度的比值。 

    品质系数 = 成熟度/硬化度 = 实测抗拉强度×（1000-800SC）/ 实测硬度×（530-344SC） 对于铸件Sc是常数，（1000-800Sc）/（530-344Sc）也是常数，那么： 

  品质系数 = 成熟度/硬化度，说明实测抗拉强度高，实测硬度低，得到的品质系数好。 

   品质系数值一般在0.7-1.5之间，力求大于1.0。综合工艺控制好的灰铸铁，品质系数高，弹性模量E0值和共晶团数也高。抗拉强度高而硬度低的灰铸铁冶金质量好，切削性能好，加工成本低。良好的孕育能提高品质系数15%-20%。下表经大量实践数据处理制定。表中可以看出三者之间的关系。

. 铁液过虑与孕育合金 

①二次孕育和陶瓷过滤器有利于形成等轴晶：发动机缸体、缸盖结构复杂，壁厚差大，薄壁处3.2-4.5mm。高效孕育合金及二次孕育可以促进石墨化，获得A型石墨，消除白口， 

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改善壁厚敏感性；减少过冷石墨和共生铁素体。孕育处理可以促进形成等轴晶，浇注系统添加陶瓷过滤器，可以是铁液的紊流特性转变成平稳的层流，减少铁液的氧化和对型壁的冲蚀。过滤器去除铁液中非金属夹杂物，改进切削性能，延长刀具寿命；过滤防止夹渣缺陷，提高铸件表面质量，减小加工余量；具介绍：铁液过滤妨碍柱状晶生长，促进获得等轴晶，从而提高力学性能，特别是提高疲劳强度。过滤器厚度与效果关系很大。[6] 

②硅锶孕育剂：广泛应用于缸体、缸盖等复杂结构及薄壁铸件。“铸铁的共晶团数多，缩松倾向大；共晶团数少，白口倾向大。”硅锶孕育剂不增加共晶团数，消除白口能力却很强，线收缩敏感小，防止薄壁部位气孔、针孔、夹渣、缩松等缺陷，有效防止铸件的渗漏，孕育后铸件硬度降低，改善断面均匀性，提高切削加工性能。 

锶与钡同属硷土金属，有长效孕育作用。硅锶孕育剂在欧美、日本应用广泛； 该孕育剂ω（Ca）≤0.1% ，有利于减少锶的渣化。[2][5][6] 

③硅锆孕育剂：冲天炉—电炉双联熔炼宜采用硅锆孕育剂，ω（Zr）: 3%-6% 与氮反应生成氮化物，降低铁液中的溶解氮，减少废钢奥氏体氮多引起的氮气孔，并抑制孕育衰退。溶解氢增大铸铁过冷度增加白口倾向，降低强度和韧性，镁、锆、稀土降低铁液的含氢量。铁液中ZrC是石墨形核的基底，对析出和细化奥氏体枝晶有利，增加共晶团数，少量Zr溶于基体起到微合金化的作用。微量Zr是有效石墨化元素，有效消除白口倾向，改善石墨组织，获得均匀细小的A型石墨。锆、锶、钡的碳化物和氧化物，晶格常数与石墨接近，与氧的亲和力较弱，滞后发生氧化反应，因此抗衰退能力强。[2][3][4][6] 

含锆的孕育剂种类很多，有硅锆、硅锶锆、硅锆钡钙铝锰等，合金含量不同，构成不同牌号，供铸造车间根据铁液具体情况选用。 

④稀土孕育剂：对于高强度灰铸铁，一定量的稀土具有大量增加共晶团数，石墨化能力强，抗衰退性能好等优点。稀土与Pb、Ti、As、Te、Sn等元素生成金属间化合物，减少其对片状石墨形态的危害，增加石墨结晶晶核的基底。加稀土的铸铁，在放大３２万倍时，可看到微细片层状的类似珠光体组织，可产生“弥散强化”作用，改善力学性能与耐磨性。稀土孕育剂可以减少铬元素引起的过冷，对低硫的铁液有很好的孕育作用。[1] 

    从北京科技大学方克明教授的有关石墨图谱显示：加入适量稀土的灰铸铁，片状石墨尖端钝化，这是灰铸铁准蠕化的概念。稀土与硫、氧结合能力强，有效净化铁液。有研究表明：含稀土的孕育剂，降低铸铁的过冷度和白口倾向，降低硬度及形成气孔倾向，提高灰铸铁的抗拉强度。[8]一些铸铁清洁剂、变质剂绝大多数应含有稀土元素。相信，工厂通过铸铁中最佳稀土含量的确定，选用稀土孕育剂，可以减少甚至取消Cu、Cr、Mo、Sn的使用。[9] 

混合稀土硅铁孕育剂、铈硅铁孕育剂、镧硅铁孕育剂，不同含量构成不同牌号，可以根据铸造车间原材料情况选用。