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(tài)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(tǒng)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(xiàn)縮孔、縮松、澆不足等鑄造缺陷。另外，在傳統(tǒng)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(fā)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(jù)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(fā)，改變傳統(tǒng)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。

1.新工藝的理論依據(jù)

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。現(xiàn)在，檢測手段發(fā)展了，人們進而可以研究凝固過程中的組織。通過研究，發(fā)現(xiàn)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(tài)和作用。因此，奧氏體枝晶的數(shù)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:

1.1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(jù)鑄鐵凝固理論，在大多數(shù)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(fā)現(xiàn)，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(xù)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。總之，奧氏體枝晶越小，鑄鐵的縮松傾向越小，組織越致密。

1.2奧低體枝晶與熱裂

根據(jù)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(qū)間，有助于防止熱裂產生。

在研究灰鑄鐵斷裂中發(fā)現(xiàn)，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(xù)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。

1.3錳在灰鑄鐵中的作用

錳在灰鑄鐵中具有如下一些作用

①促進奧氏體形成.細化奧氏體枝晶，并且固溶于其中，提高其顯微硬度。

②增加共晶團的數(shù)量.

③細化石墨組織。

④增加、細化和穩(wěn)定珠光體組織，

⑤與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(wěn)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。

2.工藝參數(shù)的確定

在傳統(tǒng)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(fā)揮錳的有益作用。下面，根據(jù)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。

2.1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(tǒng)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。

2.2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(qū)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(tǒng)工藝的硅含量低0. 3%一0. 6 %

2.3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(xiàn)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%。