氮化锰铁在灰铸铁缸体中的应用.pdf

圆园24/1现代铸铁收稿日期：2023-08-11修订日期：2024-01-15作者简介：何春华（1980），男，广西北海人，高级工程师，主要从事新材料开发、新技术应用、铸造工艺设计、3D 打印技术研究及工装设计等工作。通讯作者：张世伟（1971.9），男，河南平顶山人，工程师，主要从事铸造原材料研发、制造、技术咨询及服务等方面的研究工作。氮化锰铁在灰铸铁缸体中的应用何春华1，张世伟2（1.上柴动力海安有限公司，江苏南通226600；2.河南伟业铸造材料有限公司，河南平顶山467000）摘要：试验研究了氮化锰铁对灰铸铁铸件基体组织、力学性能的影响，试验结果表明：（1）在一定范围内增加铸铁中的氮含量，片状石墨端部变圆钝，石墨片变粗、变短、变弯曲，基体中珠光体体积分数增加，灰铸铁的抗拉强度和硬度得到提高，但过量的氮含量容易导致铸件产生氮气孔缺陷，恶化铸件性能；（2）加入一定量的氮化锰铁，是生产高牌号灰铸铁铸件有效的工艺措施；（3）生产普通灰铸铁时，通过添加适量氮化锰铁，可减少 Cu、Sn 等合金元素的添加量，降低铸件的生产成本。关键词：氮化锰铁；灰铸铁；石墨形态；力学性能中图分类号：TG251文献标志码：B文章编号：员园园猿原愿猿源缘（圆园24）园1原园园19原07Application of Ferromanganese Nitride in Gray Iron Cylinder BlockHE Chun-hua1，ZHA晕G Shi-wei2（1.Shanghai Diesel Haian Co.,Ltd.，Nantong226600，China；2.Henan Weiye New Materials Co.,Ltd.，Pingdingshan467000，China）Abstract：The effect of ferro manganese nitride on the matrix structure and mechanical properties of gray iron castings wasexperimentally studied.The test results showed that：（1）When the nitrogen content in cast iron was increased within a certainrange，the ends of the flake graphite became rounded and blunt.The graphite sheets became thicker，shorter，and curved.Thevolume fraction of pearlite in the matrix increased，and the tensile strength and hardness were improved.But excessivenitrogen content could easily cause nitrogen pore defects in castings and worsen the performance of castings.（2）Adding acertain amount of ferromanganese nitride was an effective process measure for producing high-grade gray iron castings.（3）When producing ordinary gray iron，adding an appropriate amount of ferromanganese nitride could reduce the amount of Cu，Sn and other alloying elements requirement，and reduced the production cost of castings.Key words：ferromanganese nitride；gray iron；graphite morphology；mechanical properties灰铸铁以其优越的铸造成形性、良好的耐磨性、传热性被广泛应用于柴油发动机缸体、缸盖等薄壁复杂机构件1。近年来，随着“双碳”目标的政策出台，普通灰铸铁的力学性能，已不能满足相关铸件的大功率、低排放和轻量化的迭代需求，市场对高性能灰铸铁的需求逐渐增加。为了提升灰铸铁的力学性能，传统的生产工艺是在铁液中添加大量合金元素（如钼、铜、镍、锡等）来提高材料的强度2-5。然而，多元高合金灰铸铁的铁液流动性较差，铸造性能和加工性能均较差。同时，由于全球铜、锡等合金金属价格上涨和优质矿石资源匮乏，严重限制了其推广和应用6。因此，如何制备贵重合金含量少且成生产成本较低的高性能灰铸铁已成为国内外铸造企业工作者研究的热点问题。有研究表明：添加适量的氮可以改变灰铸铁的微观组织形态，有效改善灰铸铁的力学性能7。W.Fredrik 等人使用含氮孕育剂制备了一种含氮灰铸铁，其抗拉强度和伸长率分别达到 393 MPa和 1.6%，性能增强效果显著8。王谦谦等人指出Gray Iron19现代铸铁 圆园24/1拉伸试验取样位置（a）拉伸试样取样金相、硬度试验取样位置（b）金相组织、硬度试样取样图 1力学性能取样位置Fig.1Mechanical property sampling locations表 2原生产工艺铸件的力学性能和珠光体体积分数Tab.2Mechanical properties and pearlite volume fractionof original production process castingswB/%wB/%铁液中氮含量为 0.012%时，灰铸铁抗拉强度可达到 395 MPa9。Alexis 等人研究了氮含量对灰铸铁强化时效的影响，结果表明控制铁液中氮含量是提高强化时效效果的有效途径10。靳存文等人认为氮需要在合适的范围内才能发挥其作用，氮含量过高会形成氮气孔缺陷，一般要求将氮含量控制在 50100 ppm11。笔者将在灰铸铁生产过程中加入一定量的氮化锰铁，验证氮含量对灰铸铁力学性能的影响，并在确保力学性能满足技术指标的条件下，通过加入一定量的氮化锰铁、降低 Cu 和 Sn 的加入量，达到降低生产成本的目的。1原生产工艺笔者公司生产的柴油机 4 缸缸体铸件的材料牌号为 HT250，铸件质量 112 kg，最大壁厚 35mm，最小壁厚 3.5 mm，平均壁厚 4.5 mm。采用湿型砂铸造，水平浇注，一型一件。采用中频感应电炉熔炼，炉料选用 50%灰铸铁回炉料+50%高锰废钢，出炉时加入 0.35%硅钡钙孕育剂，浇注时随流加入 0.1%硅铁孕育剂，浇注温度 1 4201 450益，浇注时间为 1516 s。1.1技术要求铸件本体的抗拉强度逸210 MPa，硬度180220 HBW，珠光体体积分数要求 90%以上，炉前和炉后的化学成分如表 1 所示。1.2力学性能表 2 为 2020 年 16 月份生产铸件的力学性能和珠光体体积分数统计表（每月平均值），取样部位如图 1 所示。由表 1 可见，为确保铸件的力学性能满足要求，加入了 Cu、Sn、Mn 及 Cr 4 种合金元素，浇注前铁液的氮含量低于 60 ppm。由表 2 可见，原工艺所生产的铸件抗拉强度平均值为 224 MPa，硬度平均值为 187.6 HBW，珠光体体积分数为95%，基体组织及力学性能满足要求。根据表 1 中 4 种合金的工艺要求，计算得出生产 1 t 铸件所消耗的合金总成本约 560 元，作为普通灰铸铁而言，存在较大的成本挖掘潜力。2氮化锰铁试验2.1氮化锰铁氮化锰铁是一种增氮材料，外观呈灰褐色鹅卵石状（如图 2 所示），一般分低氮型和高氮型两类，高氮型氮化锰铁主要技术指标如表 3 所示，元素炉前炉后C3.303.403.253.35Si1.751.852.002.10Mn0.750.90.750.9P臆0.03臆0.03S0.080.120.080.12Cu0.50.550.50.55Sn0.050.060.050.06Cr0.200.300.200.30N-约0.006表 1原生产工艺的主要化学成分Tab.1Main chemical components of the original production process月份/月123456抗拉强度/MPa226223228225220222硬度/HBW185195188188190183珠光体体积分数/%959595959595灰铸铁Gray Iron20圆园24/1现代铸铁图 2氮化锰铁外观Fig.2Appearance of ferromanganese nitride表 3氮化锰铁的主要技术指标Tab.3Main technical indicators of ferromanganese nitrideN-5N6.77.5Mn8085Fe余量3050粒度/mm规格化学成分 wB/%可在炉内加入或出铁液时随流加入铁液包中。本试验采用出铁时随流加入高氮型氮化锰铁，以提高试验（或生产过程）氮的收得率及氮含量的稳定性。2.2试验方案先将废钢、回炉料放入电炉中熔炼成铁液，加入增碳剂调整化学成分，随后升温至 1 510 益，待铁料完全熔化后，采用直读光谱仪和氮氧分析仪进行化学成分分析；出铁时在包底加入 0.35%硅钡钙孕育剂，随流加入不同比例的氮化锰铁，共 5 种方案，每种方案浇注一包铁液（5 箱），浇注时随流加入 0.1%的硅铁孕育剂，5 种方案的化学成分检测结果如表 4 所示。2.3氮化锰试验结果分析2.3.1力学性能检测方法参照 GB/T 228.12010 金属材料拉伸试验第 1 部分：室温试验方法 标准，在如图 1（a）所示的缸孔夹壁处切取拉伸试样，采用 WDW3100型微机控制电子万能试验机进行试样拉伸试验，结果取平均值。参照 GB/T 231.12009 金属材料 布氏硬度试验第 1 部分：试验方法 标准，在如图 1（b）所示的缸孔夹壁处截取硬度及金相试样，利用 HBS-3000 型数显布氏硬度计进行硬度试验。取试样的上、中、下、左、右 5 个位置作为硬度测试点，结果取平均值。2.3.2基体组织分析灰铸铁中的石墨呈薄片状，会对金属基体起到切割作用，其端部尖锐，在尖角处容易引起应力集中现象，导致端部应力远超过平均应力12。加入一定氮化锰铁后，组织中氮原子含量增多，在凝固转变过程中，铁液中的氮原子不断吸附在石墨长大前沿，石墨表面形成的氮原子层阻碍了金属液中碳原子向石墨中扩散，限制了片状石墨的增长，形成短小的石墨。同时，前沿存在的大量氮原子，增大了石墨端部向前生长的难度，部分固溶于石墨的氮原子，使石墨晶体点阵产生畸变，共同促进石墨的侧向生长，生成更多短粗弯曲且端部圆钝化的石墨相。采用卡尔蔡司 Axio Scope.A1 光学显微镜对试样石墨形态进行观察，并参照 GB/T 72162009灰铸铁金相检验 标准、金相图谱对石墨的类型以及长度进行划分评级。图 3 为不同氮化锰铁加入量的灰铸铁石墨形态，出铁时加入不同比例的氮化锰铁，试样中均为 A 型石墨，均匀分布在基体组织中。图 3（a）为未加氮化锰铁的试样，其石墨片平直，石墨长度为 4 级；图 3（b）图 3（e）分别为加入 0.10%0.25%氮化锰铁的试样，其片状石墨变短，弯曲程度稍有增加，石墨端部开始钝化，同时随着氮化锰铁加入量的增加，石墨长度逐渐从 4 级向 5 级转变；图 3（f）为加入 0.30%氮化锰铁的试样，组织中开始出现少量更短的 6 级石墨，石墨片宽度和弯曲程度进一步增加，石墨端部进一步钝化。表 45 种方案的化学成分检测结果Tab.4Chemical composition detection results of 5 solutionsGray Iron0.100.150.200.250.30C3.323.313.293.293.27Si2.052.062.042.062.05Mn0.770.810.850.880.95P0.020.020.020.020.02S0.090.090.090.090.09Cu0.500.520.510.510.52Sn0.0510.0500.0520.0520.050Cr0.230.240.230.250.22N0.006 60.008 30.009 80.011 20.012 5化学成分 wB/%氮化锰铁加入量/%21现代铸铁 圆园24/12.3.3力学性能分析对以上 5 个方案和原工艺方案生产的铸件试样进行力学性能分析，检测结果如表 5 所示。由表 5 可见，在主要化学成分不变的条件下，当氮化锰铁加入量为 0.10%时，灰铸铁的抗拉强度、硬度提升不明显；当氮化锰添加量为 0.15%时，灰铸铁的抗拉强度、硬度完全达到HT250 的要求；当氮化锰加入量提高到 0.20%时，灰铸铁的抗拉强度、硬度完全达到 HT300 的要求；当氮化锰加入量提高到 0.25%时，灰铸铁的抗拉强度、硬度基本达到 HT350 的要求；当氮化锰加入量为0.30%时，抗拉强度急剧下降，硬度也有所降低，试样表面及截面均检查出裂隙状的氮气孔，此时铁液中氮含量已经达到 125 ppm。2.3.4分析及验证由于片状石墨割裂了基体组织的连续性，且石墨相强度较低，因此石墨形态在很大程度上决定了灰铸铁的抗拉强度；经氮元素微合金化作用后，灰铸铁中的石墨变粗、变短、变弯曲、端部钝化，减小了石墨的切割作用，降低了石墨端部应力集中的影响；同时，氮元素具有提高珠光体体积分数并细化珠光体的作用，也进一步提升了材料的抗拉强度与硬度13-16。为防止铸件产生氮气孔，将氮化锰铁加入量的工艺目标值选定为 0.20%，再进行 4 次试验，进一步确认该加入量是否存在氮气孔的风险以及对力学性能稳定性的影响，图 4 为加入 0.20%氮（a）未加氮化锰铁（b）加入 0.10%氮化锰铁（c）加入 0.15%氮化锰铁（d）加入 0.20%氮化锰铁（e）加入 0.25%氮化锰铁（f）加入 0.30%氮化锰铁图 猿不同氮化锰铁加入量的灰铸铁石墨形态100伊Fig.猿Graphite morphology of gray iron with different amounts of ferromanganese nitride added100伊氮化锰铁加入量/%00.100.150.200.250.30抗拉强度/MPa225232258276292242硬度/HBW188195198201205196表 5不同氮化锰铁加入量的铸件力学性能Tab.5Mechanical properties of castings with differentamounts of ferromanganese nitride added灰铸铁Gray Iron22圆园24/1现代铸铁表 7改进后的化学成分目标值Tab.7Improved chemical composition target value化锰铁后铸件的金相组织，表 6 为加入 0.20%氮化锰铁后铸件的力学性能。试验结果表明：在原工艺基础上，出铁时加入 0.20%的氮化锰铁后，铁液中氮含量在 90110ppm；基体组织中 A 型石墨为 5 级，片状石墨端部呈圆钝状，组织中珠光体体积分数约占 98%左右；铸件本体的抗拉强度为 274282 MPa，平均值为 278 MPa，硬度为 198204 HBW，平均值为201 HB，抗拉强度和硬度的散差较小，检查试样及试验件均未发现氮气孔缺陷。3生产工艺优化3.1化学成分设计根据以上试验结果，经评审分析，在原生产工艺基础上 w（Cu）量降低 0.20%，w（Sn）量降低0.02%，出铁时加入 0.20%的氮化锰铁，以验证铁液中氮的收得率和稳定性，以及力学性能的可靠性和稳定性，改进后的化学成分目标值如表 7 所示。3.2试验验证氮化锰的加入量为 0.20%，w（Cu）量控制为0.30%0.35%，w（Sn）量控制为 0.030%0.035%，进行 6 组试验，改进后铸件的化学成分和力学性能如表 8 所示。由表 8 可见，加入 0.20%氮化锰铁后，铁液的氮含量控制在 90110 ppm，基体组织中珠光体体积分数为 95%96%，铸件本体的抗拉强度平均值为 235 MPa，硬度平均值为 192 HBW，相比原生产工艺，抗拉强度提高了 4.5%，硬度提高了 2.3%，完全满足 HT250 的要求。改进方案经过后期多批次的放量试验后，铸件未出现氮气孔缺陷，力学性能的稳定性也得到了充分的证实，已作为正式工艺进行批量生产。4经济效益分析根据以上试验验证，生产 HT250 柴油机缸（a）石墨形态（b）基体组织图 源加入 0.20%氮化锰铁后铸件的金相组织100伊Fig.源The metallographic structure of the casting afteradding 0.20%ferromanganese nitride100伊元素含量C3.253.35Si2.052.15Mn0.750.9P臆0.03S0.080.12Cu0.300.35Sn0.0300.035Cr0.200.30N0.0090.011表 6加入 0.20%氮化锰铁后铸件的力学性能Tab.6Mechanical properties of castings after adding 0.20%ferromanganese nitridewB/%wB/%Gray Iron1234C3.323.323.313.29Si2.052.052.062.04Mn0.820.790.810.81P0.020.020.020.02S0.090.090.090.09Cu0.520.510.530.52Sn0.0530.0500.0510.052Cr0.220.230.250.26N0.009 80.010 50.010 80.009 9282279274277198200204202抗拉强度/MPa硬度/HBW试验编号化学成分 wB/%23现代铸铁 圆园24/1表 9原工艺和改进工艺的成本对比Tab.9Cost comparison between the original process and the improved process表 8改进后铸件的化学成分和力学性能Tab.8Chemical composition and mechanical properties of improved castings体时，通过加入 0.20%的氮化锰铁，w（Cu）量降低0.20%，w（Sn）量降低 0.02%，在其他化学成本不变的条件下，成本对比如表 9 所示。表 9 中累计成本为每吨铸件所消耗 Cu、Sn和氮化锰铁的成本总和，为简化计算，Cu 和 Sn的含量均按工艺上限，剔除其收得率的影响因素，并剔除因加入氮化锰铁后导致高碳锰铁加入量减少的影响因素，效益计算相对保守。可以看出，加入 0.20%的氮化锰铁后，每吨铸件降低生产成本 116 元，以年产量为 5 万 t 铸件进行计算，每年降低生产成本 580 万元，具有显著的经济效益。5结论（1）在生产灰铸铁缸体过程中，在铁液中加入一定量的氮化锰铁后，金相组织中的片状石墨变短、变弯曲、端部变圆钝，珠光体体积分数有所增加，灰铸铁的力学性能得到提高。（2）当铁液中氮含量超过 120 ppm 时，铸件容易产生氮气孔缺陷，推荐出铁时随流加入 0.20%左右的高氮型氮化锰铁，将铁液中氮含量控制在90110 ppm。（3）在铁液中加入一定量的氮化锰铁是生产高牌号灰铸铁铸件有效的工艺措施。（4）生产普通牌号灰铸铁时，加入一定量的氮化锰铁，可在原生产工艺基础上降低 Cu、Sn 等贵重金属的加入量，具有显著的经济效益。参考文献1M.B.D.Silva，V.T G Naves，J.D.B.D.Melo，et al.Analysis of wear ofcemented carbide cutting tools during milling operation of grayiron and compacted graphite ironJ.Wear，2011（10）：2426-2432.2J.O.Agunsoye，S.A.Bello，S.B.Hassan，et al.The effect of copperaddition on the mechanical and wear properties of gray cast ironJ.Journal of Minerals and Materials Characterization and Engi-neering，2014（5）：470-483.3张凤丽，赵学清，吴大春，等.优化发动机缸体缸盖熔炼工艺措施J.铸造，2014（8）：856-860.4Shantanu Upadhyay，K.Kuldeep，Saxena.Effect of Cu and Mo add-ition on mechanical properties and microstructure of gray cast ironJ.MaterialsToday，2020（1）：1-9.5何春华.含 Ni 高强度灰铸铁的生产工艺J.现代铸铁，2018（3）：11-14.6王峰.灰铸铁件的生产J.现代铸铁，2019（1）：22-26.7周永寿.氮对提高灰铸铁性能的影响J.铸造，1997（11）：35-38.8W.Fredrik，L.S.Ingvar.The Effect of Nitrogen and Inoculation onthe Tensile Properties and Microstructure of Cast Iron with Lam-ellar GraphiteJ.Key Engineering Materials，2010（457）：114-119.9王谦谦，孙玉福，靳存文，等.氮对合成灰铸铁组织和性能的影响J.铸造，2015（6）：512-516.10A.Vaucheret，F.Rossi，J.Quesada，et al.Determination of GrayCast Iron Age Strengthening by Nondestructive Methods：Effectof Alloying Elements J.Journal of Materials Engineering andPerformance，2019（7）：4026-4033.11靳存文，邢贝贝，徐清军，等.铸铁中气体元素氧、氮、氢的再认识J.铸造，2021（12）：1412-1416.12R.M.D.LUIZ，E.D.ANSELMO.Effect of the gray castiron micro-structure on milling tool life and cutting forceJ.Journal of theBrazilianSociety of Mechanical Sciences and Engineering，2013（1）：17-29.原工艺改进工艺含量/%0.550.35成本/元346.5220.5含量/%0.0550.035成本/元11070加入量/%00.20成本/元050456.5340.5Cu累计成本/元项目Sn氮化锰铁灰铸铁Gray Iron123456C3.323.323.313.293.293.27Si2.052.052.062.042.062.05Mn0.820.790.810.810.780.82P0.020.020.020.020.020.02S0.090.090.090.090.090.09Cu0.320.310.330.320.330.31Sn0.0330.0310.0310.0330.0320.035Cr0.220.230.250.260.220.25N0.009 90.010 30.010 30.009 60.010 60.010 2235238234231241236189192195193191192化学成分 wB/%试验编号抗拉强度/MPa硬度/HBW24圆园24/1现代铸铁13张寅.ISO 185：2005 灰铸铁 国际标准解读J.铸造，2016（7）：683-686.14林勇传，王凯，何春华，等.氮的添加介质和工艺及添加量对灰铸铁力学性能的影响J.铸造，2019（1）：17-22.15翟启杰.氮在铸铁中的作用及含氮高强度灰铸铁J.现代铸铁，2001（2）：27-33.16孙冬，张凌峰，熊毅，等.钼铌微合金化灰铸铁材料的研制及其性能研究J.铸造，2020（6）：572-576.（编辑：吕姗姗，E-mail：xdzt_）收稿日期：2023-08-29修订日期：2024-01-30作者简介：陈鹏辉（1987.11），江西赣州人，毕业于九江职业技术学院模具设计与制造专业，主要从事铸铁熔炼技术及管理工作。钇基重稀土蠕化线在蠕墨铸铁制动鼓上的应用陈鹏辉1，杨清1，钟伟昌1，陈科2（1.龙南龙钇重稀土科技股份有限公司，江西赣州341001；2.四川赢信汇通实业有限公司，四川成都611332）摘要：介绍了蠕墨铸铁制动鼓的技术要求，详细阐述了制动鼓铸件喂丝相关参数的设定和铈基轻稀土蠕化线生产制动鼓铸件的过程控制以及产生的蠕化衰退问题。在其他化学成分基本不变的情况下，通过采用具有更强的蠕化效果和抗衰退能力的钇基重稀土替代铈基轻稀土蠕化线的措施，使铸件的金相组织符合要求，即：石墨以蠕虫状为主，蠕化率逸50%，没有片状石墨存在，基体以珠光体+铁素体为主，游离碳化物体积分数臆1%，游离碳化物+磷共晶的体积分数臆4%，且力学性能合格。关键词：蠕墨铸铁；制动鼓；蠕化衰退；钇基重稀土中图分类号：TG143.49文献标志码：B文章编号：员园园猿原愿猿源缘（圆园24）园1原园园25原06Application of Yttrium-based Heavy Rare Earth in Vermicular Graphite Iron Brake DrumCHEN Peng-hui1，YANG Qing1，ZHONG Wei-chang1，CHEN Ke2（1.Longnan Longyi Heavy Rare Earth Technology Co.,Ltd.，Ganzhou341001，China；2.Sichuan Yingxin Huitong IndustrialCo.,Ltd.，Chengdu611332，China）Abstract：An introduction was made on the technical requirements of vermicular graphite iron，detailed description was givento the wire injection-related parameters setting and process control of using cerium-based light rare earth wire to producebrake drum and problem of vermicularizing degeneration.Under the condition of other chemical compositions being basicallyunchanged，through using Y-based heavy RE having more strong vermicularizing effect and anti-degeneration capacity toreplace Ce-based light RE，made the metallurgical structure to meet requirements，graphite was mainly vermicular shape，vermicularizing rate逸50%，no flake graphite，matrix structure being mainly pearlite+ferrite，free carbide臆1%，free carbide+phosphide eutectic臆4%，and the mechanical properties being qualified.Key words：vermicular graphite iron；brake drum；vermicularizing degeneration；Y-based heavy RE传统的汽车制动鼓为灰铸铁材料，有较好的铸造性、减振性、耐磨性，但在高强度运行环境下，特别是在西部地区使用时，寿命较短，并且制动鼓开裂问题也没有得到很好地解决，而蠕墨铸铁材料的制动鼓则可以提高制动鼓的使用寿命，增加制动的平稳性、可靠性，减轻铸件的自重，实现铸件轻量化，提高引擎燃烧效率，降低汽油消耗率。1技术要求蠕墨铸铁制动鼓铸件材料牌号为 RuT350，抗拉强度逸350 MPa，屈服强度逸245 MPa，伸长率逸1.5%，硬度逸150200 HBW。金相组织要求：Vermicular Graphite Iron25