1、化學成分的選擇 根據鑄鐵牌號要求即機械性能的高低，應使鑄件具有相應的金相組織。金相組織取決于石墨的結晶過程，而共晶和共析轉變過程的石墨化又和鑄鐵的化學成分及冷卻速度等工藝因素有關。灰鑄鐵中除C，Si，Mn，S，P五種常規元素外，還有隨爐料或熔煉過程進入的微量元素和其它夾雜，為了獲取“高強、薄壁"的鑄件，生產廠家加入了一些合金元素如Ni，Cr，Cu，Sn，VMo等。所有這些元素對鑄鐵的結晶、組織及性能都有一定的影響和作用。
(1)基本化學成分的選擇
①碳含量與CE的選擇： 采用高的碳當量，可減小白口傾向及鑄件縮松、滲漏等缺陷，但同時會降低鑄件的力學性能。而對于發動機箱體這樣薄壁復雜的鑄件，從鑄造性能考慮，一般都選擇較高的碳當量[13]。為使箱體具有良好的鑄造性能與力學性能，一般選擇C=3．15％～3．3％，CE=3．95％～4．05％。
②硅與Si／C值 國內對箱體生產中Si／C的控制問題爭論較大。陸文華[9]認為在CE=4．O～4．2％，Si／C值由O．50增至O．90時，碳當量對％值影響變化不大。劉佑平[14]認為碳當量對灰鑄鐵抗拉強度的影響比Si／C值大得多，試驗證明隨著Si／C值由O．44增至0．79，在同一范圍的碳當量下，06值變化不大。提高碳當量，氣箱體的縮孔廢品會明顯減少；降低碳當量，使用鑄造焦與增加廢鋼加入量，灰鐵的抗拉強度會明顯地提高。過高的Si／C比會導致石墨粗化，珠光體片間距增大，鐵素體含量也增加。當Si／C>0．55，氣箱體縮孔廢品會增加，特別
在低碳當量的情況下，縮孔廢品增加得更多。對于采用較高碳當量鐵液的箱體鑄件，采用高Si／C并不能提高力學性能，而且還可能由于高CE和高的Si／C雙重影響而使石墨粗大和珠光體量下降，從而使抗拉強度下降，其SI／C應以0．6"0．7較為合適[15]。
錳對灰鑄鐵抗拉強度的影響 錳是可以穩定灰鑄鐵中滲碳體，促進珠光體化的元素，但它會與硫形成MnS，促使鑄鐵石墨化。對于CE為3．95％"--4．15％的灰鑄鐵，其嘰值隨錳量的增加而有所提高，因為碳當量高，鑄鐵自身的石墨數多且粗，珠光體數量少，增加錳含量，石墨形貌變化不大，此時錳促使灰鑄鐵珠光體化的作用表現較強，故吼有所提高。所以，范曉明[l6]等認為當灰鑄鐵CE>3．95％時，Mn含量應在0．6％--一0．8％為宜。
磷含量的選擇 灰鑄鐵件的含磷量一般小于O．20％。當P≤0．20％，隨著磷含量的增加，在鑄鐵中可以與Fe形成心P，灰鑄鐵的抗拉強度變化不大，而硬度會明顯提高而韌性顯著降低。灰鑄鐵中磷含量過高，不僅鑄件切削加工困難，而且易產生縮松與開裂缺陷[14]。
含硫量及錳硫比對灰鑄鐵抗拉強度的影響 硫在鑄鐵中有雙重作用，一方面它是強烈穩定鑄鐵滲碳體元素，另一方面S與Mn形成MnS，會促使鑄鐵石墨化。在不同CE的情況下，以值均隨含硫量的增加而明顯提高，但當含硫量超過某一臨界值時強度開始降低。對于CE為3．95％的灰鑄鐵，其臨界硫含量為0．14％。如采用電爐熔煉時，鐵水中的含硫量一般較低，高溫使大量石墨結晶核心燒損[17]，為確保常用孕育劑的孕育效果，灰鑄鐵中含硫量一般為0．05％--一0．06％。根據上述情況，灰鑄鐵的硫含量可為0．06％'-'0．15％。由于錳與硫在鑄鐵中有相互制約的作用，所以在選擇錳含量與硫含量時必須考慮Mn／S值。生產實踐表明，當灰鑄鐵CE為3．96％,---,4．05％時，Mn／S=5～7，抗拉強度較佳。
國內部分廠家箱體基本化學成分的選擇 胡家聰[15]推薦HT250氣箱體化學成分為(％)：C=3．15～3．35，Si=1．8～2．2，Mn=0．6"--0．8，P≤O．15，S=0．06％～0．15％與CE=3．95～4．05。北京吉普汽車有限公司[18]推薦選取C=3．15％～3．60％，Si=1．8％～2．4％，Mn=0．35～0．90％，S≤O．15％，P≤0．12％．。哈爾濱東安發動機制造公司[19]選擇成分：C=3．O～3．5％，Si=1．8～2．5％，Mn=0．6％～0．9％，S<0．15％，P<0．15％。
合金化元素 隨著汽油機向高轉速大功率方向發展，箱體的工作情況惡化，機械負荷加大，
因此采用低合金灰鑄鐵制造，以提高箱體鑄件的機械性能與熱疲勞性能。常用的合金元素為促進灰鑄鐵珠光體化元素，這些合金元素對灰鑄鐵石墨化能力、抗拉強度和硬度的影響見圖1．1，l一2所示。
圖1．1合金元素對灰鑄鐵石墨化的影響
圖1．2合金元素對灰鑄鐵硬度和％的影響 由圖1．2知，當合金元素加入量在1．0％以下時，提高灰鑄鐵抗拉強度的能力，由弱至強的順序排列：Ni，Cu，Cr,Mo，V。釩提高灰鑄鐵06的能力很大，但它能阻礙鑄鐵中C的石墨化，白口傾向很大，所以箱體用灰鑄鐵中一般不加入V。鉬與鎳的價格昂貴，考慮到成本，一般很少使用。一般用銅代替鎳，普遍加入鉻與銅生產灰鑄鐵箱體。錫、銅與鉻是強烈穩定珠光體的元素，但對細化珠光體的作用很小。只有當銅含量大于0．5％時灰鑄鐵的抗拉強度才有明顯的提高1141。加入0．2％"--0．3％鉻后，鑄鐵強度提高幅度較大，有利于增加珠光體量和改善石墨形態。當含鉻量大于0．35％時，會使鑄件滲漏傾向明顯增加；含鉻量大于0．5％時，鑄件中易出現初生碳化物，影響機加工性能，故加鉻量以不超過0．35％為宜。實踐表明，當鉻含量大于0．35％時，氣箱蓋螺孔搭子處會產生縮松，產生漏氣[l5]。兩種以上合金元素配合使用的效果要比用一種合金元素的效果好，如Cu能中和Cr、Mo的白口傾向。 灰鑄鐵中加入Cr,Cu與Mo等少量合金元素，鑄件的強度與熱疲勞性能有所提高，鑄件的壁厚敏感性有所減小，但鑄件的縮孔與縮松傾向增大，因此應適當提高碳含量與碳當量。國內發動機箱體用灰鑄鐵的化學成分實例見表1-4。 表1-4國內發動機箱體用灰鑄鐵[14][17][19]
(3)微量有害元素的控制 在熔煉時，回爐料和生鐵中的廢鋼有時會含有Pb，Ti等元素，這些元素的存在會使鑄件中石墨惡化及產生縮松滲漏缺陷。有資料稱[20]，含Pb量達0．0008％，即可造成縮松滲漏，須注意使用的爐料中是否鍍有Pb材料，有須先行除去鍍層。此外，少量的Pb可在灰鑄鐵中出現魏氏組織石墨，嚴重降低強度。潘亮星等[l8]在4100QB生產中發現微量元素WTi>0．0435時，出現縮松的箱蓋占生產縮松箱蓋總數的75％左右，由此判斷Ti對縮松有較為直接的影響，并推薦使用WTi<0．08％的生鐵。此外影響縮松滲漏的微量元素還有Al，v等，它們都會增加鐵液的收縮傾向，要嚴格控制。
孕育處理 在高碳當量鐵液條件下，為提高灰鑄鐵的性能，控制鐵液質量，進行合理的孕育處理是必要的措施之一。有資料表明[21]，在高碳當量條件下，尤其是生產薄壁高強灰鑄鐵件，使用復合型孕育劑是十分重要的。復合孕育劑含有相應的石墨化元素如Re，A1，Ca，Ti等，以改善石墨形態、消除白口，增加并細化奧氏體枝晶。經試驗表明，在復合添加Cr等合金元素的同時添加RE(稀土類元素)，既能獲得相當于蠕墨鑄鐵的抗拉強度，又能抑制激冷的發生，且也適合批量生產 [2] 。孕育也有副作用[23]。細化共晶團的結果常常導致縮松的增加，由于孕育劑中含有鋁，孕育量過高也會目鐵水中含鋁量增加而產生針孔缺陷。孕育提高鑄鐵的成核程度，增加共晶團的數目，導致凝固過程中作用在鑄型上的膨脹力增大，其結果可能使鑄件產生縮孔和縮松，因此在箱體生產中特別要注意控制孕育量。吳志忠等[24]試驗比較了75SiFe，SiCa和SiCaBa系孕育劑對灰鑄鐵顯微組織均勻性的影響。結果發現，改善斷面敏感性主要在于解決薄斷面(如壁厚5ram)的石墨化問題。含Ca，Ba的孕育劑有良好石墨化能力，可改善斷面敏感性和顯微組織的均勻性。范曉明等[25]試驗得經稀土復合孕育劑RCC處理的鐵液(CE=4．00"-'-4．20％，Si／C≈0．75，Cr=0．4％和Mo=O．4％)，可穩定獲得HT250以上牌號的灰鑄鐵，且斷面均勻性好，白口傾向低。姜金文[26]以60％75SiFe+40％ReCaBa復合孕育、低合金化、CE=3．9--．．4．1％的試驗鑄鐵，獲得了良好的顯微組織。萬仁芳認為對于CE=4．0～4．2％的高碳當量鐵水，Cr，Mo復合低合金化加入，用75FeSi孕育，可以獲得HT250鑄鐵，若用復合孕育劑孕育，可使鐵水穩定獲得HT250牌號，且斷面均勻性好，熱沖擊、熱疲勞性能相應提高；采用CE=4．1～4．2％的鐵水，以Mn代替部分Cr，Mo合金化，并用復合孕育劑孕育，同樣可以獲得HT250牌號鑄鐵。在實際應用中，北京農業工程大學和北京內燃機總廠采用Re．Ba．Ca孕育處理，第一汽車制造廠和沈陽鑄造所采用cr．Sr．Si．Fe復合孕育處理，均取得良好效果。
優質鐵液的獲得 保證高強度灰鑄鐵材質性能的前提條件是獲得高溫優質鐵液[27]。建議使用沖天爐和工頻電爐雙聯熔煉，以獲得理想的鐵液質量[28]。我國沖天爐很少有廠家采取高溫熱風、富氧送風等措施，對焦炭質量不夠重視，灰分大，強度低，很少使用鑄造焦炭，只注重節焦，忽略熔煉溫度，較好的沖天爐鐵水出爐溫度只有1450℃左右，鐵水成分波動范圍大。由于熔煉溫度低，很難消除生鐵中粗大石墨的遺傳性[29]。當熔煉溫度在1450"-"1500℃時，Si02+2C斗Si+2CO個反應才能進行。可促使鐵水中非金屬夾雜物排出，鐵水得到凈化，含氧量降低，使孕育劑中的活性元素鈣、鋁等充分發揮成核作用。同時高溫澆注雖然能夠延緩鑄件凝固，促進石墨化，并使型腔中的氣體和雜質在凝固前上浮，但高溫促使石墨長粗，粗大石墨加劇對基體切割作用而使性能降低。此外鐵水收縮增加，促使鑄件內部產生縮孔與縮松。因此出爐溫度應在1480℃以上。BCIRA[23J認為，對大多數箱體來說，最適宜的澆注溫度為1390"-"1420℃。 此外爐料配比對鐵水的冶金特性也具有一定的影響。對合成鑄鐵的研究表明，合成鑄鐵由于提高了廢鋼的加入量，鐵水的冶金特性改善，從而能更好地發揮孕育處理的效果[30]。但是，文獻[3l]則認為，提高爐料中生鐵的加入量，可以顯著地降低材料的硬度和收縮，從而避免縮孔等缺陷，改善切削加工性能。認為爐料配比沒影響的觀點也有。如有報導[32]認為，在電爐保溫條件下，廢鋼加入量
對抗拉強度的影響不明顯，抗拉強度僅取決于CE的變化，而且爐料配比對灰鑄鐵的組織也沒有什么影響。
