铸件质量三指标解析,理清我国铸件与美日德的差异在哪

铸造生产的最终目的是获得合格优质铸件,铸件质量包括三个方面: 

    (1)铸件内在质量 

    包括化学成分、金相组织、力学性能、物理性能及内部缺陷等。 

    (2)铸件外在质量 

    包括尺寸公差、形位公差、表面粗糙度、重量公差等。 

    (3)铸件使用质量 

   即满足铸件在强力、高速、磨损、腐蚀、高温等不同条件下的使用性能。这部分质量与铸件内在质量关系密切,也可以统一的包括在内在质量内。 

   中国铸协在举行的铸造行业系列会议中之所以把提高灰铸铁的内在质量列入其中,不仅是因为灰铸铁件数量巨大,应用广泛。更重要的是在我国从铸造大国走向铸 造强国的过程中,提升难度最大的还是内在质量,尤其我国铸件在内在质量中存在的问题及较大的差距更应引起我们的重视。 

一.我国灰铸铁的概况 

    灰铸铁在我国铸件总量中占有很大的比例。2005年占50.4%,2006年占49.6%,近1400万吨,如表一所示:

表一 中国2005、2006、2007年铸件产量
  
铸件类别
灰铸铁
球墨铸铁
可锻铸铁
铸钢
铜合金
铝、镁合金
锌合金
总计
2005年产量(万吨)
1230.3
583.8
51.4
322.4
41.6
188.6
23.7
2442.1
所占比例
50.4%
23.9%
2.1%
13.2%
1.7%
7.7%
1.0%
100%
2006年产量(万吨)
1392.8
684.3
51.7
381.1
47.0
231.0
21.4
2809.4
所占比例
49.6%
24.3%
1.8%
13.5%
1.6%
8.2%
0.7%
100%
2007年产量(万吨)
1546.0
769.8
53.5
404.8
57.1
274.0
21.7
3127.0
所占比例  
49.4%
24.6%
1.7%
12.0%
1.8%
8.8%
0.7%
100.00%

   美国“现代铸造”杂志(Moden Casting)2007年12期发表的2006年世界铸铁总产量为9136.8万吨,其中灰铸铁件为4253.9万吨。我国灰铸铁件占世界灰铸铁件总量的32.7%,是美国、俄罗斯、日本、德国、英国的总和,如表二所示:

表二 2006年中国、美国、俄罗斯、日本、德国、英国灰铸件产量 
国别
中国
美国
俄罗斯
日本
德国
英国
灰铸铁产量(万吨)
1392.8
425.5
348.0
283.4
258.2
42.1
  
   然而同样是灰铸铁件,我国与国外的价格相差3倍到6倍,如表三所示: 

表三 中国2006年灰铸铁件进出口 
灰铸件类别
铸件出口
铸件进口
数量(万吨)
均价(USD/t)
数量(万吨)
均价(USD/t)
非工业用灰铸铁件制品
78.9
721.61
0.36
2280.7
工业用灰铸铁件制品
31.6
833.12
0.32
5173.8
     
   2006年我国向日本出口了71744吨工业用灰铸铁件制品,均价为892.4USD/t。同年由日本进口144.9吨工业用灰铸铁件制品, 均价为6691.0USD/t。同样,向德国出口了14816吨灰铸件,均价为694.9USD/t。同年从德国进口了317.6吨灰铸件,均价为 5522.6USD/t,皆高出我国铸件出口的7倍多,进口的工业用灰铸铁件中,高级轿车的汽缸体、汽缸盖居多。

   构成铸件价格的因素是多方面的。但是有一点是肯定的,就是铸件的质量,尤其是内在质量是优质优价的基础,认真分析我国灰铸铁件内在质量的问题所在,采取 一系列的措施提高其内在品质是目前铸造界的当务之急。因为它产量最大,涉及的铸件类型也最广泛,更重要的是不少铸造企业将灰铸铁件的内在质量仅限于抗拉强 度和硬度的达标,对涉及内在质量的概念、指标及差距还缺乏足够的认识,这正是我们需要研讨和重视的问题。

   在去年的一次铸造行业的系列会议上,某铸造企业发表了一篇论文,引起了与会者强烈的兴趣,该论文不以抗拉强度和硬度满足灰铸铁材质要求为目标。而是以灰 铸铁材质的品质系数GZ稳定在1.2~1.4的范围表示其材质保持在较高的水平上,如图1所示,该企业出口国外的机床等铸件因内在质量优良而受到国外用户 的好评。

    
   目前,国内外高强度灰铸铁发展的趋势是:在获得高强度的同时,具有较好的铸造性能与加工性能,因此在要求抗拉强度、硬度达标的同时,还要求共晶度、成熟 度、硬化度(或相对强度、相对硬度)、品质系数等,即将强度、硬度、石墨化三者联系起来,达到力学性能、铸造性能、加工性能的统一。 

二.灰铸铁的内在质量

    1.灰铸铁的冶金质量——灰铸铁的内在质量之一 

   (1)共晶度Sc: 

   共晶度是铸铁含碳量与共晶点的实际含碳量之比,表示铸铁成分接近共晶点的程度。传统的高强度灰铸铁以降低共晶度达到强度指标。共晶度的降低,意味着碳当 量的降低,虽使抗拉强度提高却导致铁水流动性的降低,收缩与内应力的增大,硬度的增加等。近代先进的高强度灰铸铁采用熔炼高质量铁水和强化孕育手段在较高 的共晶度下提高铸铁强度及综合性能,在同一共晶度下对比强度高低或在同一强度下对比共晶度高低比其单一地考核强度与硬度指标更全面更有价值。

   共晶度Sc按下式计算: 

    共晶度Sc=C总/(4.3-(Si+P)/3 )

    对比我国与日本机床铸件在同强度下的共晶度,可明显看出我国机床铸件材质的差距,如表四所示: 

表四 同样强度下 中、日机床铸件共晶度对比 
铸铁抗拉
强度Mpa
国家 牌号
C(%)
Si(%)
碳当量CE=C+1/3Si
共晶度Sc
250
日本FC25
中国HT250
3.25~3.35
3.10~3.30
1.85~2.05
1.50~1.80
3.95(平均)
3.75(平均)
0.90(平均)
0.85(平均)
300
日本FC30
中国HT300
3.15~3.25
2.90~3.20
1.80~2.00
1.40~1.70
3.83(平均)
3.61(平均)
0.87(平均)
0.82(平均)
350
日本FC35
中国HT350
3.10~3.20
2.80~3.10
1.75~1.95
1.30~1.60
3.76(平均)
3.43(平均)
0.85(平均)
0.77(平均)

     从表四可以看出日本的FC35与中国的HT250共晶度、碳当量相当,而抗拉强度却与中国的HT350相当。从表三也可看出相同的牌号日本的共晶度 却比我国高出0.05~0.08,碳当量高出0.20~0.33%。正因如此,目前国外机床铸件比我国同类型铸件高一个牌号,正因为其强度高碳当量也较 高,国外机床不断地向轻量化方向发展,机床铸件主要壁厚从20~25mm减至14~20mm,比我国机床铸件薄5~15mm。再比较我国与德国生产同牌号 HT250的汽缸体、缸盖的碳当量与共晶度,反映了同样的差距,如表五所示:


表五 中国、德国汽缸体、缸盖、共晶度、碳当量之对比
国别
铸件
公司名
化学成分
力学性能
C
Si
碳当量CE
共晶度Sc
其他%
MPa
德国
单缸缸盖
双缸缸盖
6位缸体
柴油双缸缸盖
M.A.N
M.A.N
M.A.N
Motortex
3.4~3.5
3.5~3.55
3.4~3.5
3.4~3.45
1.9~2.0
1.7~1.8
1.7~1.8
1.8
4.10
4.10
4.03
4.02
0.94
0.94
0.93
0.92
Cr0.15Mo0.25
Cr0.3Ni0.75
Cr0.3Cu0.3
Cr0.3Ni1.1
≥250
≥250
≥250
≥250
中国
缸盖
EQ-140缸体
缸盖
195缸盖
第一汽车制造厂
第二汽车制造厂
红岩机器厂
常州柴油机厂
3.2~3.4
3.2~3.4
3.1~3.3
3.19
1.8~2.0
1.9~2.1
1.6~2.1
1.58
3.93
3.96
3.81
3.71
0.90
0.90
0.86
0.85
Cr0. 5Mo0. 5
Cr0.3
Cr0.3Cu0.4
Cr0.33Cu0.9
≥250
≥250
≥250
≥270

      汽缸体在发动机工作时承受很复杂的负荷,要求铸铁有足够的强度和刚度,汽缸盖在工作中承受较大的热负荷,要求高强度及良好的热疲劳强度,两种铸件结构复 杂,壁厚又薄又不均匀(最薄为3.5~4mm)最近为使发动机轻量化,壁厚最薄处已达2.5~3.0mm。对这种大批量生产的壁厚复杂铸件,不仅要求良好 的力学性能,还要有良好的铸造性能与加工性能,对其产品要求马力大重量轻,图2为国外某厂柴油机单位动率重量逐步下降的情况,因此采用较高碳当量、高共晶 度高强度的铸铁是多么的重要。用保持强度下的共晶度高低来判断灰铸铁的内在质量具有重要的意义。

      (2)成熟度和硬化度 

      在上世纪50~60年代,铸造学者对灰铸铁的共晶度Sc,抗拉强度σb及硬度HB之间的关系做了大量的统计和计算,总结成下列计算公式: 

      σb =1000-800Sc (A)     HB=530-344Sc (B) 

      这两个计算公式表示了上世纪60年代前期的灰铸铁的水平,这种计算出的抗拉强度和硬度被称为正常强度和正常硬度。随着近几十年熔炼技术和孕育工艺的发 展,实际的强度远高于计算出的正常强度。因此,用实测的强度与正常强度的比值RG来表示实际的强度高出了多少,这个比值RG被称为成熟度,即:

       RG=实测的强度/正常强度=σb测/1000~800Sc 

       如RG>1,表示通过熔炼技术和孕育改进的铸铁在较高的共晶度下获得高强度。同样,技术的进步也使实际硬度低于计算硬度。用实际的硬度与正常硬度的比值HG来表示实际硬度比正常硬度低了多少,这个比值HG被称为硬化度,即 

        HG=实际硬度/正常硬度=HBS/530~344Sc 

        如HG<1,表示在保持强度下有较低的硬度。因此成熟度RG若>1,硬化度HG若<1,则它们的比值Qi=RG/HG必然>1。一般以Qi为 1.2~1.4最佳,这个Qi被称为品质系数。这个品质系数Qi>1,则表示灰铸铁在保持高强度的同时具有良好的铸造性能与加工性能。 

        也有用相对强度与相对硬度来表示的质量指标,相对强度RZ=实际强度/用实测硬度计算出的强度即为: 

          RZ=σb测/2.27HB测-227 

          RZ>1,表示强度高,硬度低,材质综合性能好。 

          相对硬度RH=实测硬度/实测强度计算出的硬度即为 

           RH=HB测/100+0.43σb测

           RH<1,表示强度高,硬度低,性能较好。 

       德国铸造工作者用成熟度RG,相对硬度RH、共晶团数及A型石墨含量来衡量孕育的效果,如表六所示:

表六 德国灰铸铁孕育与未孕育的RG与RH之比较 

铸铁牌号
成熟度RG
相对硬度RH
共晶团数(个/mm²)
A型石墨(%)
GG20未孕育
GG20孕育
1.06
1.22
1.02
0.94
200~400
350~500
35~55
75~85
GG25未孕育
GG25孕育
1.04
1.20
1.02
0.94
150~300
300~500
40~60
70~90

      从表五看出,该孕育铸铁RG=1.20~1.22,说明在同样的强度下有较高的共晶度,RH=0.94,说明在同样的强度下有较好的加工性能,同时也可 用共晶团数与A型石墨的数量表示出来。近年来,一些国家用更加直接的方式,即用抗拉强度和布氏硬度之比,m=σb/HBS,来表达灰铸铁的切削性能指标。m值大,则表明在强度高时,硬度低,切削性能好,一些国家用m值作为内控标准,根据不同的牌号铸铁将m控制在1.0~1.4范围内。目前国外通过大量数据计算已成功地用热分析仪和有关表格,在浇注前就已知道质量控制指标是否合格,步骤如下:1.通过热分析测出液相线温度Tl和凝固温度回升值△T(相对过冷度);2.通过图3,预测出Φ30试棒上的σb和HBS。 


        3. 通过图4得出相对硬度RH

 
      
 4.通过m=σb/HBS值在表七查出弹性模数和共晶团数。 

        表七 灰铸铁、σb/HBS、弹性模数、共晶团数三者 
m=σb/HBS
弹性模数E0(Gpa)
共晶团数(个/mm²)
1.0
1.1
1.2
1.3
1.1
1.5
1.6
122.5
127.5
133.0
138.2
143.7
148.7
154.0
45
75
130
210
360
600
1000
  
      例如热分析得出Tl=1210℃,△T=5℃,通过图3查出 σb=260Mpa,HBS=210,则m=260/210=1.24,通过表六查出弹性模数E0135Gpa,共晶团数160个/mm²,通过图4,得 出相对硬度RH=1。近代灰铸铁为什么除了强度以外,对硬度的要求越来越严格,这是因为随着加工机床的数控化、精密化、切削高速化、铸件硬度对机床的切削速度和刀具磨损影响变 得更加突显,如图5、图6所示:

                 


       因此,在灰铸铁的内在质量中,力学性能以抗拉强度σb为指标,铸造性能以共晶度Sc为指标,加工性能以HB为指标,这三者的关系用成熟度RG>1,硬化度<1,品质系数Qi>1来表示灰铸铁的内在质量的优良程度。不过,这还不是灰铸铁内在质量的全部, 

       灰铸铁的内在质量实际上由三部分组成 

       ① 化学成分、抗拉强度、硬度:这三者的关系由灰铸铁的冶金质量来表示。 

       ② 灰铸铁的金相组织:以金属基体、石墨、晶界共晶物来表示。 

       ③ 灰铸铁的使用性能与内部缺陷:以试验的性能指标和无损探伤的结果来表示。 

2.灰铸铁的金相组织——灰铸铁的内在质量之二 

     由于在灰铸铁的技术文件或订货合同中,金相组织不作为铸件是否合格的判断依据。使一些铸造企业忽视金相检验,即使检验也流于形式,甚至干脆不检查是常有的事,这是目前最应纠正的倾向。 

      在机床铸件中实际上对金相组织的要求是很严格的,尤其是导轨部分,要求石墨为无方向分布的A型石墨,其大小为4级至5级,基体应>95%珠光体,片间距 (500倍)皆在2mm以下。在实际生产中,当导轨硬度低时,金相组织中往往是石墨粗大,珠光体量低,片间距大,当导轨表面硬度差超过规定值时,往往发现 金相组织出现不同程度的过冷石墨。虽然A型与D型石墨皆为片状石墨,但因其石墨大小与分布不同。即使在碳当量相同下灰铸铁的硬度影响也不尽相同,对淬火后 的硬度也不同,如表八所示: 

表八 石墨类型和分布对灰铸铁硬度与淬火硬度的影响
石墨类别
碳当量%
铸铁硬度HRC
淬火后硬度HRC
A
3.53
43.1
61.0
D
3.60
48.7
60.5

     不少机床铸造厂发生的导轨硬度不均,硬度差超标或需要淬火的导轨在淬火后硬度不均或有小裂纹,实际皆与金相组织出现不同程度的过冷石墨有关。虽然随着机 床铸件强度的提高,碳当量的降低,出现过冷石墨的倾向增大,要完全不出现过冷石墨有一定难度,但对在HT250至HT350中的过冷石墨数量仍是有所限制 的,如表九所示: 

表九 高牌号铸铁的金相组织
灰铸铁牌号
金相组织
石墨
基体
HT250
85~95%片状石墨 5~15%过冷石墨,其余A型石墨长度0.06~0.25mm,石墨含量3~6%
珠光体>9.8%
中细片状
二元磷共晶<2%
HT300
80~95%片状石墨
5~20%过冷石墨,其余A型石墨长度0.03~0.12mm,石墨含量3~6%
珠光体>9.8%
中细片状
二元磷共晶<2%
HT350
75~90%片状石墨
10~25%过冷石墨,其余A型石墨长度0.03~0.12mm,石墨含量2~4%
珠光体>9.8%
中细片状
二元磷共晶<1%

      但对于严格要求硬度均匀的机床导轨,其过冷石墨仍应以少最佳。为了提高导轨耐磨性,不少铸造企业采用高磷铸铁和钒钛铸铁,对其金相组织检查更为重要。前 者的磷共晶必须呈断续网状分布,否则连续网状分布的磷共晶极易脱落,形成磨粒,导致机床耐磨性失效。后者金相组织中细小的V、Ti、C-N高硬度化合物必 须是高度弥散分布,否则会造成整个导轨磨损的不均匀性。在调查中不少机床厂的协作厂机床铸件几乎不作金相检查,甚至连金相仪器都不具备,这是十分危险的。 

      对于钢锭模和汽车,拖拉机排气管等灰铁件,金相组织与其需要高的热疲劳强度有着很密切的关系。A型石墨优于D型石墨,其耐热疲劳强度高出1倍,如图7所示。石墨长度较长者优于石墨长度较短者,如图8所示: 

               

      石墨长度120um者比石墨长度50um者,耐热疲劳强度高出4倍。实践证明,对这类铸件金相检验是必不可少的。 

      我国的孕育铸铁在与美国的密烘铸铁的金相组织对比中,也有较大的差距。同样是A型石墨,美国的更细小,分布更均匀。同样的珠光体,美国的珠光体片间距更 小,珠光体更致密。而实践证明,石墨的大小,珠光体的粗细对灰铸铁的强度影响甚大,当金相中出现D、E型石墨的时候,或出现较大形状碳化物和磷共晶的时 候,或出现连续网状磷共晶或合金的硬质点分布不均匀的时候,即使是抗拉强度是合格的,其金相组织中出现的问题仍会对铸件的性能与加工性能带来不良的影响。金相组织不是要不要检验的问题,而是作为铸铁各种性能变化及加工中出现各类问题的分析依据,是控制铸件内在质量的重要指标。对其检验是必不可少的。 

 3.灰铸铁的使用性能与内部缺陷——灰铸铁内在质量指标之三 

      随着近代机械产品质量的提升对各类铸件的使用性能和内部缺陷提出了较高的要求:如高强度机床铸件要求有较高刚性,则对其弹性模数要进行测试,对精度及精度 稳定性有要求的机床对其铸件的内应力及精度稳定性要进行测试,对导轨耐磨性有要求的,又不采用镶钢或镶型导轨的机床铸件要进行耐磨性测试,对不同的耐压 件,根据不同要求,要分别进行液压、水压、气压试验,对耐热件进行热疲劳强度试验等。此外,如发动机的缸体、缸盖、减磨件的汽缸套,活塞环,内燃机的排气 歧管等皆有不同的使用性能,进行满足不同类型铸件使用性能的试验与测试是十分重要的。需要指出的是我国铸造企业中对铸件使用性能方面各类相应的测试亟待加 强。例如:弹性模数测试,耐磨性的测试,内应力的测试、铸件精度稳定性的测试、耐高温、耐热疲劳强度的测试,尤其是铸件的寿命测试等皆大幅度地减少了。虽 然,进行这类测试需要较大的物力、人力和时间,如机床导轨耐磨性研究前后10年,低应力铸铁耗时8年,铸件精度稳定性测定也达6年,孕育铸铁使用性能与工 艺研究连续十几年,要提高效率缩短时间进行试验是必要的。但要从铸造大国走向铸造强国却是必需的。 

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