灰鑄鐵是一種含有碳、硅、錳等多種元素的鐵合金。它的強度之所以較低，是因其中所含有的碳元素大多以片狀石墨的形態存在。這些片狀石墨對基體組織起嚴重的割裂作用。因此，傳統的灰鑄鐵熔煉工藝是以降低含碳量來保證灰鑄鐵具有所要求的強度。但是，含碳量降低會使灰鑄鐵的鑄造性能變差，容易出現縮孔、縮松、澆不足等鑄造缺陷。另外，在傳統工藝中，含錳量也控制得比較低，一般在0.5%-1.0%的范圍之內。
近年來，隨著鑄鐵凝固理論的發展，人們對錳在灰鑄鐵中的作用有了更深入的了解。我們根據這些新認識，特別是從“高碳當量、高強度灰鑄鐵”的生產工藝中受到啟發，改變傳統工藝中“雙低一高”(即低碳、低錳、高硅)的作法，以“雙高一低氣高碳、高錳，低硅的配料原則來編制灰鑄鐵的熔煉工藝。這樣做，不但提高了灰鑄鐵的機械性能，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。
兩年多來，我們在生產中全面推廣了這種新工藝，使用不良生鐵生產出了水輪機、汽輪機、磚壓機、出口立鉆等重大產品的鑄件，并解決了生產中存在多年的難題.取得了較好的經濟效益。
新工藝的理論依據
過去，由于檢測手段的限制，人們在鑄鐵凝固研究中的重點是研究凝固后的組織?，F在，檢測手段發展了，人們進而可以研究凝固過程中的組織。通過研究，發現鑄鐵凝固過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，灰鑄鐵可以看成是一種類似鋼筋混凝土的結構。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立組成相，即使通過共析轉變和共晶奧氏體結合，也仍然保持著自身的骨架形態和作用。因此，奧氏體枝晶的數量多、晶粒細小，必然使鑄鐵的強度提高。并且.枝晶的顯微硬度越高，鑄鐵的強度越高。此外，奧氏體枝晶對鑄鐵的性能還有如下一些影響:
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償所致。根據鑄鐵凝固理論，在大多數情況下.灰鑄鐵的實際共晶轉變過程都是在已經具有大量初生奧氏體骨架間的殘余鐵液中進行的。通過電子金相技術觀察也發現，縮松處的奧氏體枝晶的空間形貌確實是框架結構、因此，細化奧氏體枝晶，一方面可以提高鑄鐵的枝晶補縮(又稱過濾補縮)能力，減輕晶間縮松的傾向。另一方面。奧氏體枝晶越多、越細，骨架間殘余鐵液的體積被分隔得越小，繼續凝固時，即使得不到足夠的補縮，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，就可以認為所得的鑄件是合格的?？傊?，奧氏體枝晶越小，鑄鐵的縮松傾向越小，組織越致密。
2. 奧低體枝晶與熱裂
根據鑄件熱裂形成機理中的強度理論，熱裂的產生是在鑄鐵凝固過程中一定溫度時(一般認為是共晶反應結束前后)，鑄件收縮受阻產生的應力，大于該溫度下鑄鐵的強度極限，這樣就會形成熱裂。因此，提高鑄鐵的高溫強度，即提高奧氏體枝晶的強度，減小共晶反應區間，有助于防止熱裂產生。
在研究灰鑄鐵斷裂中發現，奧氏體枝晶有阻礙裂紋擴展的作用。裂紋遇到枝晶大多改變方向，沿枝晶外緣繼續擴展。所以，細化奧氏體枝晶也有助于防止熱裂產生。
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，鑄鐵的枝晶補縮能力強也有助于防止熱裂產生。
3. 錳在灰鑄鐵中的作用
錳在灰鑄鐵中具有如下一些作用:
?、俅龠M奧氏體形成.細化奧氏體枝晶，并且固溶于其中，提高其顯微硬度。
?、谠黾庸簿F的數量.
?、奂毣M織。
?、茉黾?、細化和穩定珠光體組織，
?、菖c鑄鐵中的硫反應生成MnS，中和硫對鑄鐵的有害作用。
因此，適當增加灰鑄鐵中的錳含量，可以提高鑄鐵的強度，防止顯微絡松和熱裂等鑄造缺陷的產生.并且，由于錳穩定珠光體的作用，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。
工藝參數的確定
在傳統的灰鑄鐵熔煉工藝中，由于沒有充分認識到錳的作用，通常僅在0.5%--1. 0%的范圍內選擇錳含量。而新工藝將錳含量提高到i. o以上，以充分發揮錳的有益作用。下面，根據鑄鐵凝固理論的新觀點.討論灰鑄鐵的三種主要化學成分碳、硅、錳的控制范圍。東風電機廠生產的灰鑄鐵牌號一般是HT150--HT250.下面的討論也是針對這幾種牌號的灰鑄鐵而言。
1. 碳的控制范圍
碳在灰鑄鐵中的作用，可以說是“成也蕭何敗也蕭何”，灰鑄鐵所具有的長處和短處都歸因于其中的碳。一般說來，控制碳含量的原則是在保證灰鑄鐵具有足夠強度的前提下，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度提高，在同樣的強度要求下，碳含量可以選得比傳統工藝的高0.2%左右。實驗也證明，較高的碳含量還有利于錳增加和細化奧氏體枝晶的作用。
2.硅的控制范圍
硅在灰鑄鐵中主要起石墨化作用，同時還具有一定的固溶強化作用。硅含量在1. 0%一2. 0%時，石墨化作用最顯著。如果硅含量小于1.000*鑄鐵中會產生大量的游離碳化物。所以，硅含量的下限應大于1. 0.考慮到應留有一定的余量，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化作用。另外。硅是擴大共晶反應區間，提高共晶反應溫度的元素。因此，降低硅含量有助于防止熱裂產生，并且還可以減少硅鐵的加人量，降低生產成本。從這幾點考慮，硅含量的上限定為1. 7%一1. 8%，比傳統工藝的硅含量低0. 3%一0. 6 %
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。實驗證明，當錳硅差(鑄鐵中的錳含量與硅含量之差)大于零時，灰鑄鐵中可能出現游離碳化物，使機械性能降低。對灰鑄鐵而言，錳硅差宜為一0.3%一0.5%因此，錳含量應控制在1.1%-1.5%。
中頻爐熔煉灰鐵的質量、工藝解析
在現代鑄鐵生產中，沖天爐因環保問題正被逐步關停，大多數鑄造企業改用中頻爐熔煉鑄鐵。與沖天爐相比，中頻爐熔煉工藝相對簡單;鐵水的化學成分和溫度容易控制，不增碳不增硫有利于低硫鐵水的獲得;環境污染小，爐前冶煉的工作環境和勞動強度也大為改善;利用夜間電價低谷熔 煉，生產成本可大致與沖天爐相當;同樣化學成分的鐵水、同樣的鑄型澆注的鑄件，中頻爐比沖天爐熔煉的灰鐵強度和硬度高;中頻爐鐵水比沖天爐鐵水過熱溫度高、流動性差，并具有以下不良特 性：鐵水的晶核數量少，過冷度、白口和收縮傾向大，鑄件厚壁處易產生縮孔和縮松，薄壁處易產生白口和硬邊等鑄造缺陷。在亞共晶灰鑄鐵中,A 型石墨數量極易減少,D、E 型石墨及其伴生的鐵素 體數量增加,珠光體數量少。所有這些再加上日常生產中的一些不當因素，都在生產中表現為鑄件 質量的波動,影響了鑄鐵的正常生產。
針對中頻爐熔煉灰鐵出現的新問題,筆者克服了電爐熔煉工藝、技術資料少,實踐、探索難度大 等諸多困難，逐步摸索和總結積累了一些生產技術經驗和體會,期望能對正處于艱難經營和轉型升 級陣痛中的中小鑄造企業提供微薄幫助。
1.原材料的選用及爐料配比
爐料優劣直接影響鐵水的質量,中頻爐熔煉灰鐵對于爐料的清潔程度和干燥要求較高,爐料不 干凈、含有有害元素或熔煉控制不好，會導致鐵水氧化和純凈度低,嚴重惡化鐵水的冶金質量,影響鑄鐵的基體組織和石墨形態,引起孕育不良、白口和縮松傾向大、氣孔多等問題。因此應強化對原輔材料的管理,嚴禁使用銹蝕嚴重、有油污的爐料。同時，為提高鐵水的純凈度和穩定鐵水的化學 成分,應選用碳素鋼廢鋼做爐料,并使其在爐料配比中占 50%以上;對于回爐料應選用同材質鑄件澆 冒口,并清理掉粘附的型砂和涂料后再使用,使用量以 40%左右為宜;廢鐵屑也應是同材質鑄件機加 工鐵屑;對于生鐵,因其中的雜質和微量元素以及組織缺陷都具有遺傳性,應選用來源穩定、干凈少 繡、有害元素低、最好是 Z18 以上牌號的鑄造生鐵，這樣的生鐵生產的鑄件內在質量好且穩定,不 要輕易變換生鐵的來源,否則對于使用存在不合格因素的爐料而可能引起的質量問題將防不勝防, 并且生鐵的加入應在熔煉初期加入為好,配比可占 15%，以利于改善鑄鐵的石墨形態;增碳劑應選用 商品石墨增碳劑或經高溫石墨化處理過的增碳劑,并在熔煉中盡量早加,使增碳劑與鐵水直接接觸, 且有充足的時間熔化吸收;鐵合金和孕育劑應化學成分合格、粒度適宜。配料時應預先根據爐料配 比及材料成分計算出 C、Si、Mn 等元素的含量,不足的部分用增碳劑和鐵合金調整。在熔煉后期成 分微調時，如果 C 含量偏低可加生鐵增碳;若 C 含量偏高可加入廢鋼降碳。
2.化學成分的影響
碳和硅是強烈促進石墨化元素，C、Si 偏高，會導致石墨粗化、鐵素體量增多、珠光體量減少， 鑄鐵的強度和硬度下降。鑄鐵基體的強度是隨珠光體量的增加而提高的,因此，在高強度灰鐵中，C、 Si 含量應在一定范圍內適當降低，在保證獲得灰口的同時，有利于細化石墨、促進形成珠光體、提 高力學性能。碳當量 CE 和 Si/C 比顯著地影響灰鐵的組織和性能，選定適當的 CE 和 Si/C 比，對 改善鑄鐵的組織、提高鑄鐵的性能是有利的。CE 是影響灰鐵鑄件內在質量的最主要的因素，CE 提 高可大大改善鑄鐵的鑄造性能，減少白口、縮孔、縮松和滲漏缺陷，降低廢品率，這一點對于薄壁 鑄鐵件尤為重要。但 CE 過高，石墨析出數量增加，鐵素體化傾向明顯，會降低鑄件的抗拉強度和 硬度，鑄件厚壁處因冷卻速度慢，易產生晶粒粗大、組織疏松缺陷;如果 CE 過低，鑄件薄壁處易 形成局部硬區，導致加工性能變差。因低 CE，灰鐵組織中易出現共晶萊氏體及 D、E 型過冷石墨， 致使鑄造性能降低、鑄件斷面敏感性增大和內應力增加、硬度上升。適當的提高 Si/C 比，可提高 鑄鐵的強度，改善鑄鐵的切削加工性能。在相同的條件下，不同的 Si/C 比能使鑄鐵的力學性能和 組織產生較大的差異。當 CE 一定時，Si/C 值從 0.6 提高到 0.8.灰鐵的強度和硬度出現峰值;當 Si/C 值一定時，灰鐵的強度和硬度隨 CE 的增大而降低。在生產現場嚴格控制 CE 的同時，應選擇 和控制適宜的 Si/C比。中頻爐熔煉灰鐵的 CE應高于沖天爐 0.3%左右， C含量應高于沖天爐約 0.1%， 并控制Si/C 比在 0.6~0.7 附近，使鑄鐵保持合適的硬度和較高的抗拉強度。
錳和硫是穩定珠光體、阻礙石墨化的元素，錳能促進和細化珠光體，錳量增加可提高鑄鐵的強度和硬度以及組織中的珠光體含量，錳能促進生成和穩定碳化物，并能抑制 FeS 的產生。錳還和硫 形成高熔點的化合物作為異質形核，細化晶粒，所以錳在高牌號灰鐵中使用量加大。但錳量過高， 又影響鐵水結晶時形核，減少共晶團數量，導致石墨粗大，并產生過冷石墨，又會降低鑄鐵的強度。硫在灰鐵中屬于限制元素，適量的硫在石墨的生核和成長中起積極而有益的作用，可以改善灰鐵的 孕育效果和機加工性能。中頻爐熔煉灰鐵，為了確保孕育效果，一般要求 w(S)≥0.06%，S 含量適 當提高，能改善石墨形態、細化共晶團，使片狀石墨長度變短、形狀變彎曲、端部變鈍，減弱石墨 對基體的割裂破壞作用，從而提高鑄鐵的性能。所以，硫在灰鐵中不是越低越好。而磷在灰鐵中一般是有害元素，易在晶界形成低熔點的磷共晶，造成鑄鐵冷裂。因此，在灰鐵中通常磷越低越好， 對于有致密性要求的鑄鐵件，磷量應低于 0.06%。
在實際生產中，應根據灰鐵鑄件的牌號、壁厚、結構復雜程度等因素優化化學成分設計，嚴格控制各元素的波動范圍，這對于保證灰鐵鑄件的質量和性能非常關鍵。