灰鑄鐵在高碳當(dāng)量（4.10％CE以上）條件下，微量的鈦能夠提高鑄鐵件的力學(xué)性能并改善鑄件不同斷面的均勻性。本文研究了在中低碳當(dāng)量（3.65％～3.85％CE）條件下，不同鈦量對(duì)灰鑄鐵件組織、力學(xué)性能和致密性等質(zhì)量的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：鈦促進(jìn)了鑄鐵件D型石墨的形成；當(dāng)D型石墨達(dá)到一定比例時(shí)，尤其是Si/C較高的情況下，其力學(xué)性能增加明顯；隨著鈦、鋁量的增加，灰鑄鐵件的致密性下降，縮松概率增加。

　　在鑄鐵件的生產(chǎn)過(guò)程中，伴隨著生鐵和廢鋼等金屬爐料的大量使用，鈦或多或少進(jìn)入了鐵液之中。大量研究資料指出灰鑄鐵中加入鈦后，大部分鈦化合物存在于金屬基體中，但仍有一部分鈦的氮化物或碳氮化物存在于鐵素體與石墨界面層內(nèi)。硬度為3200 HV或更高的鈦化合物大大降低鑄鐵的切削加工性能。另外過(guò)高的鈦量（0.096％）在切削鑄件時(shí)產(chǎn)生熱裂紋。但是添加鈦的D型石墨鑄鐵件具有良好的抗氧化性、抗生長(zhǎng)和抗熱疲勞性能，在500～700 ℃工況下，與常用CrMoCu鑄鐵相比，使用壽命可提高3倍。在球墨鑄鐵中鈦?zhàn)鳛楦蓴_元素被嚴(yán)格禁止。但在部分蠕墨鑄鐵中，鈦?zhàn)鳛閿U(kuò)大蠕化處理范圍的有益元素添加到蠕化劑中。在高碳當(dāng)量條件下，微鈦合金化能夠提高灰鑄鐵件的強(qiáng)度與硬度，改善鑄件的斷面均勻性。微量的鈦還可中和鑄鐵中過(guò)多的氮?dú)猓脕?lái)減少裂隙狀氮?dú)饪椎陌l(fā)生頻率。鈦在鑄鐵中的作用有利有弊，本文中通過(guò)試驗(yàn)研究了不同造型條件下，鈦對(duì)中低碳當(dāng)量灰鑄鐵件石墨形態(tài)和力學(xué)性能的影響，并定量分析了不同鈦含量對(duì)灰鑄鐵件致密性的影響。

　　1、試驗(yàn)條件與方法

　　由于鈦可增加高碳當(dāng)量灰鑄鐵件的力學(xué)性能，本試驗(yàn)選擇中低碳當(dāng)量的灰鑄鐵件作為對(duì)象，研究不同砂型條件下鑄件組織的變化。試驗(yàn)采用250kg中頻感應(yīng)爐熔煉，爐料配比：Z14生鐵40％，回爐料30％，廢鋼30％，一部分增碳劑和鉻、銅合金。測(cè)溫采用浸入式熱電偶，出鐵溫度1500～1530 ℃，澆注溫度1360～1400 ℃，爐前采用0.5％加入量的75硅鐵孕育處理。

　　鑄件分別采用水玻璃砂和粘土煤粉砂造型，其粘土砂性能控制在：水分4.0％～5.0％，緊實(shí)率50％～70％，透氣性120～130，濕壓強(qiáng)度0.12～0.14 MPa。砂型硬度控制在65～85之間，平面硬度在中上限，立面硬度在中限左右。力學(xué)性能試樣使用水玻璃砂制作砂芯，直徑30 mm的內(nèi)腔使用醇基涂料。試驗(yàn)對(duì)象為26 kg多熱節(jié)鑄件，鑄件結(jié)構(gòu)與底注充型工藝如圖1所示。

圖1 鑄件結(jié)構(gòu)及工藝

　　2、試驗(yàn)內(nèi)容與結(jié)果分析

　　2.1　鈦對(duì)灰鑄鐵件組織和力學(xué)性能的影響

　　鈦可增加灰鑄鐵中奧氏體核心，細(xì)化初生奧氏體晶粒。美國(guó)鑄造工作者協(xié)會(huì)資料中指出：對(duì)于鑄鐵鈦可起石墨化劑和還原劑的作用，還可以細(xì)化晶粒，提高鑄鐵抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度。當(dāng)殘余鈦量為0.08％～0.25％，對(duì)碳當(dāng)量高的鑄鐵可提高抗拉強(qiáng)度，對(duì)碳當(dāng)量低的鑄鐵降低強(qiáng)度。但論述并沒(méi)有指出鈦對(duì)中間碳當(dāng)量灰鑄鐵件的影響，因此試驗(yàn)由中低碳當(dāng)量灰鑄鐵展開(kāi)。方案：每爐鐵液澆注3～4箱進(jìn)行對(duì)比，第1箱一般采用基本HT250鐵液成分，只加入孕育劑，不添加鈦合金，第2～4箱加入不同含量鈦合金，合金依次加入爐內(nèi)。每包澆注2～4個(gè)試棒，1箱鑄件。

　　前兩次鑄件采用水玻璃砂造型，后兩次改用粘土煤粉砂造型，鐵液成分如表1所示，力學(xué)性能和組織檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

表1　鐵液成分    wB/％

表2　力學(xué)性能和石墨形態(tài)

　　從4次試驗(yàn)平均力學(xué)性能對(duì)比看出，第一次、第二次試驗(yàn)平均強(qiáng)度隨著鈦量的增加而下降，第三次、第四次試驗(yàn)平均強(qiáng)度隨著鈦量的增加而提高。這是因?yàn)榧尤脞伜笤黾恿髓F液的過(guò)冷傾向，前兩次試驗(yàn)鈦含量相對(duì)較低，試棒組織中出現(xiàn)A型、D型石墨少、E型石墨多，造成強(qiáng)度下降。尤其是第一次試驗(yàn)碳當(dāng)量最低，強(qiáng)度下降幅度最大，達(dá)41 MPa。后兩次試驗(yàn)鈦含量相對(duì)較高，試棒組織中出現(xiàn)A型、D型石墨多、E型石墨少，造成強(qiáng)度增加。此外第三次試驗(yàn)的總體強(qiáng)度偏高是由于三個(gè)試樣的Si/C在0.72％～0.76％之間。資料指出含鈦鑄鐵≥0.64％的Si/C能顯著提高鑄件力學(xué)性能。

　　鈦含量提高進(jìn)一步促進(jìn)了A型石墨向D型石墨的轉(zhuǎn)變，D型石墨數(shù)量增多。后兩次鑄件采用粘土煤粉砂造型，鑄件中D型石墨明顯多于試棒，在厚大熱節(jié)部位也大量出現(xiàn)D型石墨，見(jiàn)圖2-圖4。

圖2　鈦0.076％鑄件圓熱節(jié)石墨形態(tài)

圖3　鈦0.11％鑄件方熱節(jié)石墨形態(tài)

圖4　鈦0.11％鑄件一般壁厚石墨形態(tài)

　　第四次試驗(yàn)鐵液中鈦含量為0.11％，試棒平均提高了17MPa，這是由于高鈦試棒組織中90％以上為D型石墨，因而力學(xué)性能增加，采用粘土濕型砂的鑄件由于冷卻快，在鑄件熱節(jié)部位產(chǎn)生大量D型石墨。由于有鉻、銅合金的作用，全D型鑄件厚大部位的基體中珠光體量也在90％以上，抵消了D型石墨對(duì)基體組組織的影響。

　　試驗(yàn)結(jié)果表明，在鈦含量較低的干型鑄造中，鐵液的過(guò)冷傾向較小，多產(chǎn)生A型、E型石墨，但隨著鈦含量增加，過(guò)冷傾向增大，促進(jìn)了D型石墨增多，當(dāng)D型石墨達(dá)90％以上，鑄件力學(xué)性能明顯提高。由于濕型砂過(guò)冷傾向大，以及鈦含量增加，鑄件的厚大熱節(jié)部位也出現(xiàn)大量的D型石墨。

　　鈦增加了灰鑄鐵鐵液的過(guò)冷傾向，使石墨大量分枝，眾多短小、彎曲的D型石墨縮短了碳的擴(kuò)散距離，使石墨附近的奧氏體在鑄件冷卻過(guò)程轉(zhuǎn)化成鐵素體，導(dǎo)致力學(xué)性能降低。但是由于奧氏體枝晶多，D型石墨短小，基體割裂作用小。此外，D型石墨共晶團(tuán)有良好的團(tuán)球狀外形等原因，與相同基體的鑄鐵相比，D型石墨鑄鐵具有較高的強(qiáng)度。

　　2.2　鈦、鋁對(duì)致密性的影響

　　熔煉中生鐵或廢鋼帶入的鈦不僅影響灰鑄鐵件的加工性能，產(chǎn)生的縮松缺陷，又對(duì)鑄件的致密性產(chǎn)生影響。試驗(yàn)采用低鈦鐵液，通過(guò)添加一定量的鈦鐵，研究不同鈦含量下灰鐵件縮松出現(xiàn)的概率。由于鈦合金中含有一定量的鋁，而一定量的鋁也可能對(duì)鑄件的縮松產(chǎn)生影響，因此在影響因素分析和化學(xué)檢測(cè)中考慮了鋁的因素。

　　熔煉采用的主要爐料配比：生鐵45％，回爐料20％，廢鋼35％以及部分高溫石墨化增碳劑。每爐鐵液同時(shí)澆注3～4箱鑄件，以便分析鑄件出現(xiàn)縮松概率。鐵液成分與缺陷概率統(tǒng)計(jì)如表3、表4所示。

表3　鐵液成分   wB/％

表4　鑄件縮松概率

圖5　鑄件一般壁厚上的縮松

圖6　鑄件熱節(jié)部位的縮松

　　不同鈦含量對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明：較低鈦含量的灰鑄鐵件并未出現(xiàn)內(nèi)部縮松，表面縮陷較輕，隨著鈦含量增加，鑄件內(nèi)部縮松出現(xiàn)的概率不斷增加。在0.056％Ti、0.016％Al出現(xiàn)縮松概率較低，僅為50％。當(dāng)灰鑄鐵件中鈦、鋁含量分別達(dá)到0.17％、0.023％時(shí)，鑄件出現(xiàn)內(nèi)部縮松概率為75％。此時(shí)不僅鑄件熱節(jié)部位出現(xiàn)縮松，非熱節(jié)和小熱節(jié)部位也出現(xiàn)縮松。鑄件不同部位出現(xiàn)的縮松特征如圖5、圖6所示。

　　關(guān)于鈦產(chǎn)生縮松的原因，目前尚沒(méi)有明確機(jī)理分析。對(duì)于鋁的影響，資料指出鐵液中鋁含量的增加，與孕育劑、濕型砂中水分子在熾熱鐵液作用下發(fā)生反應(yīng)，形成氫氣。金屬液含氫量較高，凝固過(guò)程中殘余液相中的溶解氫不斷地富集，使孤立的小熔池中液相的含氫量更高。小熔池由液相轉(zhuǎn)變成固相發(fā)生體積虧損的同時(shí)，溶解氫也會(huì)析出而占據(jù)小熔池的空間，成為析出氣孔。此時(shí)晶間縮松和氫析出氣孔兩種缺陷是共生的，難以區(qū)分。因此，要消除晶間縮松，還必須采取防止析出氣孔的對(duì)策，盡量減少金屬液含氫量。所以鈦和鋁的綜合作用下容易形成這種顯微縮松和顯微氣孔復(fù)合缺陷。

　　3、結(jié)論

　　試驗(yàn)結(jié)果表明，灰鑄鐵件在3.65％～3.85％CE條件下：

　　（1）一定量的鈦增加了鐵液的過(guò)冷傾向，促進(jìn)了灰鑄鐵件D型石墨的形成，濕型砂造型D型石墨明顯多于干型砂。

　　（2）隨著鐵液中鈦量的增加，灰鑄鐵件中D型石墨不斷增加。當(dāng)D型石墨達(dá)到較高比例時(shí)，鑄件中的厚大熱節(jié)也大量出現(xiàn)D型石墨，碳當(dāng)量和硅碳比較高的鑄件力學(xué)性能明顯增加；當(dāng)碳當(dāng)量降為3.66％，隨著鈦量增加，強(qiáng)度下降幅度大。

　　（3）隨著鈦量和鋁量的增加，灰鑄鐵件的致密性下降，縮松概率明顯增加。Ti 0.17％、Al 0.023％時(shí)，該灰鑄件縮松概率為70％。