铸铁件生产中值得关注的一项新工艺
来源：[中国铸造协会李传栻]
铸件凝固后的“控制冷却工艺”
◆ 中国铸造协会 李传栻
灰铸铁是历史悠久的铸造合金。人类掌握灰铸铁件的生产技术，就是文明发展过程中“铁器时代”的开始，迄今已将近三千年了。正是由于灰铸铁件生产技术的应用和发展，才出现了蒸汽机和多种产业机械，从而推动了产业革命。特别应该提到的是：世界上最早掌握铸铁技术的是我们中国人，西方进入铁器时代大约比我们晚两千年左右，是在元代进军欧洲时，由我国的随军工匠传授给他们的。
球墨铸铁于上世纪四十年代问世，由于其具有多种优良的性能，近几十年来生产技术和应用范围都发展很快。
上世纪五十年代后期，蠕墨铸铁问世，其性能介于灰铸铁和球墨铸铁之间，特别适用于一些经受热循环载荷的铸件，如内燃机排气管、柴油机缸体、缸盖、钢锭模和玻璃模具等。近年来，其应用日益受到广泛的关注。
当前，随着科学技术的迅猛发展，各种高性能的铸造合金不断开发和推广应用，尤其是各种轻合金铸件的应用发展很快，但是，由于组织中含石墨的铸铁具有多种优越的性能，在当前的技术条件下，仍然是用量最大、最重要的铸造合金。
就每年公布铸件产量的各国而言，每年世界铸件总产量中，灰铸铁件和球墨铸铁件的产量都占铸件总产量的70％以上。按2013年的统计，各主要工业国和铸件生产大国中，俄罗斯、德国、法国、印度、日本和中国，灰铸铁件和球墨铸铁件的产量都占铸件总产量的70％以上，只有美国（65.4％）和英国（64.1％）略低于70％。
这里所谈到的、与控制冷却工艺相关的，都是组织中含游离石墨的各种铸铁，包括灰铸铁、球墨铸铁和蠕墨铸铁，不涉及组织中不含游离石墨的其他多种铸铁。为方便起见，这里简称为“石墨铸铁”，其含义就是组织中含游离石墨的铸铁。
石墨铸铁的历史悠久、应用的范围宽广、用量又非常之大，这当然要归功于各国铸造业界长期以来持续不断地进行了大量研究工作，但是，尽管经历了近三千年的应用和发展，迄今为止，我们对它的认识仍然是非常浅薄的，其潜在的功能远没有充分发挥，研究、开发的空间仍然非常广阔。
石墨铸铁件凝固以后的冷却条件，对材质的性能和铸件的质量都有重要的影响，但是，在这方面，此前是很难控制的。
近年来，检测方法、模拟技术和监控手段等方面发展迅猛，其应用日益广泛，在此基础上，一些工业国家开始意识到，对于石墨铸铁，如果：先按按其成分和对材质要求绘出相应的冷却曲线，连续冷却变态曲线（CCT曲线）或等温变态曲线（TTT曲线）；再根据铸件凝固后的冷却条件，实际测定冷却过程中各部位温度的变化；然后，采用可控的冷却方式，使铸件各部位按设定的冷却速率冷却。处理得当，就可以得到以下一些令人瞩目的效果：
◇ 可以使铸件冷却过程中各部位的温差很小，这样，结构复杂、壁厚差别较大的铸件也不需要消除内应力的退火；
◇ 生产灰铸铁件，不必加入Cu、Sn之类的合金元素，即可使基体组织全部为珠光体，并提高其强度；
◇ 生产球墨铸铁件，无须采用后续热处理即可使其基体组织符合要求；
◇ 生产ADI铸件，不必进行等温淬火就可得到奥铁体（ausferrite）基体组织。
实施这项工艺，涉及的问题很多，过程也相当复杂，但却有节能、减排、省资源和提高工效等多方面的优点，因此，提出后不久就受到了广泛的关注，目前，我们暂称之为“控制冷却（engineered cooling）工艺”。
上世纪八十年代，美国Janowak, J. F. 和Gundlach, R. B. 就对ADI铸件的热处理进行了有创意的研究，探讨在铸造厂用控制冷却的方法替代等温淬火的可行性。当时还没有“engineered cooling”这一新词，他们用的是“Controlled Cooling”。
几年前，日本洋马铸造技术公司（ャンマ－キャステクノ株式会社）将这项工艺用于生产灰铸铁大型柴油机缸体铸件［1］，取得了缩短生产周期、提高材质强度和免除铸件消除内应力的退火等多方面的效益，获得了日本专利（专利号5416515）。
不久后，美国铸造协会（AFS）与Missouri科技大学合作开展了一项研究工作，课题是“采用控制冷却工艺生产高强度铸铁件（High Strength Cast Iron Castings Produced by Engineered Colling）”。这项研究工作由美国铸造协会、Missouri科技大学、Elkem公司、kohler公司、Dotson铸铁公司、Selee公司等单位提供资金支持。研究工作的第一阶段是用控制冷却工艺替代等温淬火，在铸态下制得基体组织为奥铁体（ausferrite）的球墨铸铁。目前，研究工作的第一阶段已经完成，虽然仍然存在一些问题，实际用于生产的工艺仍有待进一步完善，但已确认了这项工艺的可行性［2］，球墨铸铁铸态下的抗拉强度从原来的550～600MPa，提高到1,000～1,050MPa。
最近，在美国Ohio州立大学和Alabama大学任职的Stefanescu D. M.与西班牙铸造行业的几位同仁合作，也进行了有关铸态奥铁体球墨铸铁方面的研究工作［3］。为了更好地应对铸件壁厚对冷却条件的影响，提出了按铸件的模数调整落砂温度和等温保温温度的计算式。
一、铸铁组织的一些特点
铸铁是以铁碳合金为基础的多元合金。在考量铸铁件的组织时，为简便起见，通常都是参照铁-碳合金二元相图，必要时，再在此基础上考虑某些主要合金元素的影响。
铁-碳合金二元相图有二重性，即：包含有稳定系和亚稳定系两种。
如果按稳定系凝固、冷却，铸铁的组织中只含有石墨和铁素体；如果按亚稳定系凝固、冷却，则组织中只含有渗碳体（Fe3C）和铁素体，以及由渗碳体和铁素体构成的其他多种组织。
实际生产中，只有生产完全铁素体球墨铸铁件时，其凝固、冷却的全过程是按稳定系进行的。大多数石墨铸铁中，都是稳定系组织和亚稳定系组织共存的。
石墨铸铁铸态组织的形成可分为两个阶段：第一阶段，铸铁共晶转变前析出初生相，再加以共晶转变形成的相，构成铸铁的初始组织；第二阶段，铸铁凝固后冷却的过程中，共晶奥氏体中溶解的碳量随温度的下降而降低，脱溶的碳，向附近的石墨扩散，继之以随后的共析转变，形成最终组织。
1、初始组织
石墨铸铁凝固后形成的初始组织包括：石墨的形态、数量、尺寸和分布状况，初生奥氏体、共晶奥氏体的数量和形态，共晶团的数量，以及晶界处的最终凝固相。
石墨铸铁是历史悠久的铸造合金，长期以来，铸造行业的前辈们一直都非常关注其冶金技术的创新和发展，各工业国家在这方面探索、研究工作从来就没有间断过。正是因为如此，才使我们对石墨铸铁的认知能够不断深化；作为最重要的铸造合金，才能够与时俱进、历久弥新。目前，对于其初始组织，我们已经掌握很多有效的控制的工艺，主要如：
◇ 优化碳、硅含量和碳当量，控制初始组织中奥氏体和石墨的含量；
◇ 在研究高温过热和高温静置对石墨化影响的基础上，逐步实现对熔炼温度、静置时间和浇注温度的优化；
◇ 采用并逐步优化预处理、孕育处理、和控制硫/锰含量等工艺，促进石墨的生核；
◇ 开发了多种控制石墨形态的工艺技术，如球化工艺、蠕化工艺和形成珊瑚状石墨的技术；
◇ 近年来，注意到灰铸铁中奥氏体枝晶对铸铁性能的影响，研究了多种促进奥氏体生核的工艺，由增加奥氏体枝晶的含量提高灰铸铁的强度；
◇ 通过对最终凝固相的深入研究，进一步优化铸铁成分的控制；
◇ 采用过滤技术，提高铁液的清洁度；
◇ 优化浇注系统的设计，力求使铁液以平流的方式充型，避免因浇注过程中卷入折叠的氧化膜（bi-films）而造成各种铸造缺陷。
2、共晶转变后冷却过程中和共析转变形成的最终组织
石墨铸铁中碳、硅含量都相当高，而且工艺方面又采取了多种促进石墨化的措施，共晶转变都是按稳定系进行的，转变过程中不析出渗碳体。但是，在共晶转变以后的冷却过程和共析转变的过程中，组织变化的情况却是非常复杂的。
石墨铸铁中的碳含量很高，因而，共晶转变析出的奥氏体中碳含量很高，在此后的冷却过程中碳在奥氏体中的溶解度逐步降低。共析转变以前，铸铁的温度还比较高，原子的扩散比较方便，而且，脱溶的碳量也不多，在组织中只有石墨、没有渗碳体的条件下，脱溶的碳不可能重新形核、析出，只能向附近的石墨扩散。影响最终组织主要是共析转变。
石墨铸铁共析转变时的温度已相当低，原子的扩散缓慢，转变速度远低于共晶转变，转变时的过冷度很大。在这种条件下，脱溶碳的扩散受到制约，来不及转移到共晶转变析出的石墨上，就只能按亚稳定系转变、形成渗碳体了。因此，除完全铁素体组织的球墨铸铁外，各种石墨铸铁的最终组织中，实际上都是稳定系和亚稳定系并存的，既有石墨和铁素体，也有渗碳体。组织中铁素体、渗碳体的份量，以及二者混配的状态是决定铸铁力学性能的主要因素。此外，在特殊的冷却条件下，还可以形成奥铁体组织。
石墨铸铁最终组织中铁素体、渗碳体的份量，及其混配状态，取决于铸铁的化学成分和铸件各部位的实际冷却速率，因为这两项因素都对碳在奥氏体中的扩散速度有很大的影响。
此前，由于检测手段和控制技术方面的制约，我们既难以切实了解铸件冷却过程中各部位温度变化的情形和各部位的冷却速率，更没有办法控制铸件各部位的冷却速率、从而使铸件本体材质符合预期的要求。因此，关于铸件凝固后冷却条件对其性能的影响，我们实际上无能为力，只能听其自然。对铸铁最终组织的控制，只能借助于加入各种合金元素、控制其化学成分。
但是，只靠加入合金元素、调整成分控制铸铁的最终组织有一些重大的局限性，实属无奈之举。
首先是提高生产成本，耗用珍贵的资源；
其次是无助于消除铸件冷却过程中产生的内应力；
最重要的是，加入合金元素提高铸铁铸态下的强度是有限的，欲使其具有更高的强度，往往还需要增加后续的热处理工序，不仅耗能、费力，提高生产成本，而且延长生产周期。
“控制冷却”的概念，就是针对这种实际问题逐步推出的。
二、日本洋马公司的用例
日本洋马公司松江事業部的主要产品是大型柴油机的缸体、缸盖，包括铸造和机械加工全过程，铸件材质为灰铸铁，主要产品缸体的单件重3～8t不等。
按原来的生产工艺，从浇注后到脱箱（使砂型自砂箱中脱出），大约需要冷却40～85h。
由于装缸套部位与曲轴箱壳部位的壁厚差别较大，而且，薄壁的曲轴箱壳部位又接近于铸型的外表，冷却快，因此，冷却过程中，两部位之间的温度差大，落砂后的铸件中存在较大的内应力，必须进行消除内应力的退火处理。
完成这两项工序所需的时间，约占产品生产周期的40％。
生产周期长还导致在制品数量大、备用砂箱的数量多、占用的生产面积大等诸多问题。
为了缩短生产周期、减少在制品数量和降低生产成本，公司决定，以缩短自浇注到脱箱的时间、免去消除内应力的退火处理为目标，开展一项工艺试验研究工作。
1、工艺改进的方案
为了缩短自浇注到脱箱的时间，必须在铸件凝固后加强冷却，提高其总体冷却速率。
为了免去消除内应力的退火处理，必须在铸件凝固后冷却过程中保持各部位的温度均匀。
通常，铸件在铸型内冷却，都是由表及里的。铸型外表部位的温度低、铸型内部的温度高，这是大家所熟知的，但是，差别究竟有多大？由于影响的因素太多，就谁也说不准了。要对其有切实的了解，必须就目标铸件和实际工艺条件进行测定。
洋马公司就重7t的缸体所作的测定表明：浇注后60h，接近铸型外表的曲轴箱壳部位温度已降到70℃；处于铸型中部的、装缸套部位下端的厚壁部位，温度仍保持在440℃左右。其间的温差相当大。
很明显，自铸型的外表加强冷却是不可行的。首先，采用这种方式会导致铸件内、外部的温差增大，不但不能消除内应力，而且会使情况进一步恶化；再就是铸型外表的温度低，自外表加强冷却的效率很低。因此，加强冷却只能从内部着手。
在冷却介质的选择方面，也有一番考虑。往芯子内部吹冷空气，虽然很安全，但冷却效率低，需要吹入大量冷空气。
水的蒸发潜热很大，为2260 kJ/kg。利用水的蒸发降温，效果很好，往芯子内部注入少量的水，就可以吸收大量的热量，获得很好的降温效果。
基于上述考虑，确定了自芯子内部注水、加强冷却的方案。为了确保生产安全，必须在铸件完全凝固以后注水。
2、冷却方法
大型柴油机缸体的内腔，由多个芯子组合形成。每一缸筒部位都有一个装缸套部位与曲轴箱壳部位联成一体的芯子。每个芯子中都装有管壁钻有很多小孔的φ100钢管，联通到铸型的外面，兼有芯骨和排气通道的作用。
最终采用的冷却方法是：在每一芯子的排气钢管中装入软管。铸件凝固后，通过软管向芯子的各部位注水。蒸发的水蒸汽也由φ100钢管排出。
根据各部位的温度，实时调定每一软管注水的流量，以确保铸件各部位的温度均匀。每一软管管路中都装有流量计和控制阀，由可编程序控制器自动控制。
3、效果
洋马公司实施初步的控制冷却工艺后，取得了很好的效果，如：
◇ 铸件凝固后的平均冷却速率，从原来的5.7℃/h提高到16℃/h；
◇ 铸件冷却到500℃所需的时间，由原来的46h缩短到18h；
◇ 由于铸件冷却过程中各部位的温差小，铸件内的残留应力很小，可免去消除内应力的退火处理。采用控制冷却工艺后，铸态铸件各部位残留应力测定值的平均值，还略低于原来经消除内应力退火的铸件；
◇ 铸态铸件各部位的本体强度均高于原来经消除内应力退火的铸件，各部位抗拉强度的平均值大约提高15MPa；
◇ 在显微组织方面，石墨的形态、数量和尺寸都与原来经消除内应力退火的铸件相同，但基体组织中铁素体的含量更少，因而，强度和硬度都较高。
三、美国铸造协会（AFS）与Missouri科技大学合作进行的研究工作
关于这项研究课题的建立，前面已经作了简短的说明，这里，扼要介绍一下这项研究工作第一阶段的一些情况。
这项研究工作，是针对各种石墨铸铁而建立的，可是，其实施的顺序却不因袭先易后难、循序渐进的传统惯例，第一阶段工作的目标就是攻坚克难，针对等温淬火球墨铸铁（ADI），研究用‘控制冷却’替代‘等温淬火’的可行性。
大家都知道，等温淬火球墨铸铁具有多种优异的性能，而制约其广泛应用的主要因素就是‘等温淬火’的工艺过程复杂、热处理设备价格昂贵、能耗大。如果能免除‘等温淬火’，则其对铸造行业的影响将是不可忽视的。
顺便要说明的是：如果免除了‘等温淬火’，就不能再用“等温淬火球墨铸铁（ADI）”这一名词了，因此，在这里，都按其基体组织称之为“奥铁体球墨铸铁（ausferritic ductile iron）。”
1、用控制冷却的方式进行试验性的模拟
为了模拟各种控制冷却方式的作用，研制了一套热模拟装置。可以将试样加热到要求的温度，随之使其按要求的冷却速率冷却。然后，根据试样的显微组织，就可以求得该材质的连续冷却曲线（CCT曲线）和等温转变曲线（TTT曲线）。
加热设施用计算机控制的高功率直流电源加热，同时，用焊在热区的热电偶和高精度红外线光学高温计测定温度。
冷却设施用比例电磁阀控制、吹射压缩空气。
试样用化学成分与目标材质相近的、实际生产中的球墨铸铁(C 3.77%，Si 2.33％，Mn 0.47％，Cu 0.39％)制造，先铸造150×200×25㎜的板状铸件，再用以截取、加工成50×6.2×3.5㎜的试样。
由于试样的热惯性小，用上述加热、冷却设施，可以做到：以80 ℃/s以下的任何加热速率加热；以80 ℃/s以下的任何冷却速率冷却。
连续冷却的工艺是，将试样加热到920℃，再以不同的冷却速率冷却到室温，在此条件下：
冷却速率在2 ℃/s以下，提高冷却速率会导致珠光体的数量增多、硬度增高；
冷却速率在2～10 ℃/s之间，提高冷却速率，就会因形成马氏体而致硬度显著提高。试验的结果表明，太高的冷却速率会导致不希望其产生的马氏体转变。
等温处理工艺是，将试样加热到920℃，再以不同的冷却速率冷却到380℃，在此温度保温10～30min，然后快速冷却到室温。在380℃保温25min，形成奥铁体的过程就可以完成。自920℃冷却时的情况是：
只要冷却速率在2 ℃/s以上，就会在枝晶间形成部分奥铁体；冷却速率为5 ℃/s，形成奥铁体和细小珠光体的混合组织；
冷却速率为10 ℃/s，基体组织为奥铁体，但石墨球周围有局部珠光体小团。
还要指出的是，如果延长在920℃下保温的时间，会使奥氏体中的碳含量饱和，而且分布均匀，就有提高过冷奥氏体稳定性的作用，可以使铸铁组织中奥铁体的含量增多。
2、控制冷却方案的设定
通过试验，并采用流体动态模拟方法，设定铸件控制冷却的方案。
这一阶段的试验中，不用小型试样，而用接近实际铸件的150×200×25㎜的板状铸件。试验中要考虑3种变数：一是冷却速率；二是铸件壁中的温度梯度；三是表面温度。
根据前一阶段试验的结果，目标冷却速率定在2 ℃/s以上。
为了使铸件各部位的组织一致，且避免因温差而导致的热应力，应尽可能地使铸件中的温度梯度减至最小。
为避免产生马氏体组织，冷却过程中，铸件表面的温度应保持在马氏体开始转变温度（Ms）以上。
试验中，不同冷却方法对150×200×25㎜板状铸件各部位温度状况的影响，用流体动态模拟（FLUENT软件）进行预测。预测的部位包括：铸件的心部，铸件大表面的中部，以及板状铸件的边角部。
试验的结果表明：对25㎜厚的铸件而言，在空气中冷却、吹空气冷却，都不能达到使铸件具有奥铁体组织的冷却速率；大量喷水冷却可以有很高的冷却速率，但铸件内的温度梯度很大，而且铸件表面温度很快就降到Ms温度以下。
为了使冷却条件符合要求，设计了一种计算机辅助的控制冷却方法。采用既可以喷射空气、也可以喷水的广角喷雾器，其冷却强度是可控的。模拟中，由表面温度的反馈控制冷却。用这种模拟方法，可得到要求的冷却速率，铸件内的温度梯度很小，而且表面温度可以不低于要求的值。
3、控制冷却方案的确认
确认工作也是在试验室进行的。用感应电炉熔炼铸铁100磅，经球化和孕育处理后，主要成分是：C 3.65％，Si 2.36％，Mn 0.55％，Cu 0.55％。
试验所用的样件，仍然是150×200×25㎜板状铸件，立浇，上方置顶冒口。用自硬砂造型，每型1件，共浇注4件。浇注时，直接自顶冒口注入铁液。
其中2件，浇注后按常规作业方式冷却，供参照用。
另外2件，铸件凝固后及早落砂（按：落砂温度的上限是固相线以下50℃，下限是共析转变温度以上50℃），然后立即将其置冷却装置中按控制冷却工艺冷却。
按常规方式冷却的铸件，基体组织以层片状珠光体为主，有10%～15%的铁素体，抗拉强度550～600MPa，伸长率8％。
控制冷却的铸件，基体组织为奥铁体和细小的珠光体，抗拉强度1000～1050MPa，伸长率4％。
4、小结
这项研究课题第一阶段工作的目的，就是要确认控制冷却这一概念的可行性。从初步的试验结果看来，采用控制冷却工艺，可以制得铸态下基体组织为奥铁体的球墨铸铁件，虽然组织中仍存在少量珠光体，一些问题还有待进一步深入研究、探讨，但总体而言，这一工艺的效果是很好的。
研究工作的第二阶段，还将针对各种低合金石墨铸铁、不加合金的石墨铸铁，研究控制冷却工艺对不同壁厚铸件组织的影响。
当然，将这一工艺用于实际生产，还有很多难题有待解决，包括就每一特定的生产条件设计适用的的设备。如果我们通过实践逐步增强对这一工艺的认知，存在的问题逐一得到妥善的解决，工艺也就会随之不断优化，这样，当然会有助于铸造行业实现可持续发展。
参考文献：
1、荻野 知也，三村 保行，石川 知哉，南場 和也，梅林 昌平，上田 英明.“中子内水冷にょる大型シリンダ－ブロックの燒钝レス铸造技术の開發”，素形材 Vol.55（2014） No.12.
2、S. N. Lekakh， “High Strength Ductile Iron Produced by Engineered Cooling：Process Concept,”International Journal of Metallcasting, Vol. 9, Issue 2, 2015.
3、S. Méndez, U. de la Torre，P. Larrañaga，R.Suárez，D.M.Stefanescu， “Processing Thickness Window for As-Cast Ausferritic Castings,” AFS Trans.Vol.123pp 219～226(2015)
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