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摘要：灰铸铁以其优越的铸造成型性、良好的耐磨性、导热性等被广泛的应用于柴油发动机缸体缸盖等薄壁复杂结构件的铸造加工中。但是随着产品的不断发展，对灰铸铁材料性能也提出了新的要求，高强度灰铸铁的研发与制备成为迫切需求。针对高强度灰铸铁的研制，在研究中发现，在一定范围内，通过提高铁液中氮元素的含量可以替代合金元素的合金化作用以提高灰铸铁的力学性能。并通过拉伸试验、硬度试验和金相试验对高强度氮型灰铸铁HT300和合金灰铸铁材料特性进行对比分析研究。
关键词：氮型灰铸铁;材料性能;耐磨性;导热性;力学性能
0 引言
在我国的制造业中，汽车制造业是其中非常重要的组成部分，汽车制造业的发展水平在一定程度上也代表着我国制造业的发展水平，是我国国民经济的重要支柱[1]。而汽车发动机作为汽车的核心部件，其制造成本是汽车制造总成本的1/4[2]。因此发动机的研发与制造在汽车行业中的重要程度不言而喻。缸体缸盖作为发动机的基础组成部分，是发动机其余零部件的安装骨架。因此，提高发动机缸体缸盖的产品性能，是发动机生产制造的重中之重。灰铸铁具有良好的强度、硬度、耐磨性、减震性和导热性，其铸造成型性和加工性也较为优秀，是汽车发动机缸体缸盖制造生产的首选材料[3-4]。
但随着工业技术的不断革新，传统灰铸铁的材料性能已经不能满足机械的使用要求。因此，研究强度更高，性能更优良的灰铸铁就显得尤为重要。目前，国内外有学者提出非金属元素氮能替代合金元素的使用显著提高灰铸铁的强度[5-8]。国内关于氮对灰铸铁性能影响的研究起步则较晚。王谦谦[9]等人在研究氮元素对灰铸铁的影响时也印证了氮元素能使灰铸铁力学性能（抗拉强度和硬度）提高的结论。在1989年，李荣德[10]采用微分热分析法和差热分析法探讨了氮在灰铸铁共晶和共析凝固过程中的作用行为。
上述对灰铸铁铣削加工的研究，基本上是基于一些强度较低的传统灰铸铁或者是经过处理的高强度合金灰铸铁，而对于氮型灰铸铁的铣削加工则鲜见报道。因此有必要深入展开对高强度氮型灰铸铁材料特性进行深入的研究，为解决氮型高强度灰铸铁在规模化生产中遇到的一系列加工問题提供理论支持，并为完善高强度氮型灰铸铁加工工艺技术体系提供参考方向。
1 试验
1.1 试验材料与设备
本次试制灰铸铁HT300的实验方案为基于灰铸铁HT250基础配方，分别通过加入非金属氮元素和微量合金元素而炼制高强度的氮型灰铸铁和合金灰铸铁。试验用维氏硬度计（图1），金相试样镶嵌机（图2）、光学显微镜（图3）金相抛光仪（图4）、等设备如下图所示。
两种灰铸铁材料主要化学成分经高频红外碳硫分析仪、PDA-7000光电直读光谱仪及脉冲红外热导氧氮分析仪检测，结果如表1所示。拉伸试验的试样采用直径为30 mm，长度为180 mm的单铸试棒制成。
从试棒的材料成分可以看出，氮型灰铸铁和合金灰铸铁两种灰铸铁的常规五大元素C、S、Si、Mn、P的质量百分比含量基本相同，而主要差别在V、Sb、Mo、N元素的质量百分比含量上。其中，合金灰铸铁的V元素含量为氮型灰铸铁的11.5倍，Sb元素含量为氮型灰铸铁的10.3倍，Mo元素含量是氮型灰铸铁的205倍以上;而氮型灰铸铁中N元素含量为合金灰铸铁的2.5倍。合金灰铸铁通过添加微量合金元素V、Sb、Mo来提高材料性能，氮型灰铸铁则通过添加非金属元素氮来提高材料性能。
1.2 氮型灰铸铁HT300抗拉强度试验
拉伸试验的材料为氮型灰铸铁HT300和合金灰铸铁HT300两种，每种材料分别浇筑4个单铸试棒（φ30 mm×180 mm），并参照GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》中的制样方案制成标准拉伸试样并编排试验号。通过使用材料性能试验机，对这两种灰铸铁进行拉伸试验，检测它们的抗拉强度。
1.3 氮型灰铸铁HT300硬度试验
本次氮型灰铸铁HT300的硬度实验是在维氏硬度计（如图4）上进行。试验分别对氮型灰铸铁和合金灰铸铁进行了硬度检测。测量时，随机在试样上选取不同的五个方位进行材料硬度检测。最后取平均值作为该种灰铸铁材料的硬度参考值。该硬度计的观察目镜具有倍数大和清晰度高的特点（目镜可放大10倍，分辨率为0.03 ?m）。
1.4氮型灰铸铁HT300金相实验
在单铸试棒的位置截取两种灰铸铁的金相试样，并对金相试样表面进行研磨、抛光和侵蚀，制成标准的金相试样。然后参照GB/T 7216—2009《灰铸铁金相检验》[12]对金相试样进行金相观测，检测试样的石墨形态，珠光体和铁素体含量及分布情况。如下为金相试验的简要步骤。
首先，将在单铸试棒上截取金相样本原材料并使用XQ-1金相试样镶嵌机（如图2所示）进行镶嵌。该款镶嵌机有自主设定加热温度和保温时间的功能。本次试验的镶嵌温度设定为140 ℃，保温时间为8-15 min。待试样镶嵌完成后，将金相试样放置在如图4所示的金相磨抛机上进行研磨抛光。
然后，将完成抛光的金相试样用Axio Scope.A1光学显微镜（如图3所示）进行石墨组织形态的检测。该显微镜是一款功能多样化、测量精细化的高性能设备，配备有6个不同放大倍数（50倍、100倍、200倍、500倍、1000倍）的镜头。
2 结果与讨论
2.1氮型灰铸铁HT300的抗拉强度和硬度
本次实验主要从灰铸铁的抗拉强度和硬度两个方面研究灰铸铁的力学性能。本次对灰铸铁HT300的抗拉强度性能检测结果如下。
试验结果表明，氮型灰铸铁和合金灰铸铁的各组试棒的抗拉强度均达到HT300的标准值。氮型灰铸铁的抗拉强度均值为313 MPa，而合金灰铸铁的抗拉强度均值为321 MPa。 此外，采用AVH-5L维氏显微硬度计对硬度试样进行检测。检测后将所得的维氏硬度值根据对照表转换布氏硬度值，表4为两种灰铸铁的硬度检测结果。
由表2可知，氮型灰铸铁和合金灰铸铁的5个硬度检测试样的硬度值波动范围均在200～275 HBW之间;而氮型灰铸铁的硬度值方差为1.4，合金灰铸铁的硬度值方差为8.4，氮型灰铸铁的组内硬度值波动较为平稳，其整体硬度一致性较强。而从两种灰铸铁抗拉强度和硬度的检测数值上看，氮型灰铸铁的检测数值相对稳定，方差较小，材料的质量更为均匀，材料的品质较高。
2.2氮型灰铸铁HT300的石墨形态
灰铸铁中的石墨是碳以游离态存在的一种形式，它软而脆，几乎没有强度，但石墨的形态和数量对灰铸铁的性能起到决定性的作用[13]。
对照国家标准GB/T7216-2009中的石墨等级图谱，并使用Axio Imaging金相分析系统分析两种灰铸铁的石墨长度等级。氮型灰铸铁的石墨长度均匀，4组实验试样的石墨长度等级均达到4级水平;在4组试样中，石墨均为无方向性、无规则性均匀分布的A型片状石墨。而如表3所示，合金灰铸铁的石墨长度相比于氮型灰铸铁则略微增大，石墨的宽度相比于氮型灰铸铁则略微减小，长度等级约为3-4级之间。合金灰铸铁的石墨形态除了在第1组试样中出现少量D型石墨外，亦基本为A型片状石墨。此外，观察4组试样的石墨组织可以发现，在观测视场中，氮型灰铸铁的总石墨数量多于合金灰铸铁的总石墨数量，氮型灰铸铁的石墨更为密集。
对两种灰铸铁的石墨形态进行高倍放大（如表4所示）。可以看出，氮型灰铸铁的石墨端部较为圆钝，合金灰铸铁的石墨端部则较为尖细;氮型灰铸铁的石墨宽度略大于合金灰铸铁。圆钝短小的石墨能有效减小石墨对基体组织的割裂作用，一定程度上增强了灰铸铁的材料强度[14]。
综合以上分析可得，氮型灰铸铁通过添加非金属氮元素使得石墨形态发生改变。石墨长度变短，石墨端部钝化，石墨宽度变大，且减小了D型石墨形成几率。这与前人的研究结论基本一致，氮元素的加入能使灰铸铁的石墨组织形态发生改变进而改变灰铸铁的力学性能。
3 结论
1.氮型灰铸铁的平均 抗拉强度为311 MPa，平均硬度为219 HBW;合金灰铸铁的平均抗拉强度为321 MPa，平均硬度为238 HBW。两种灰铸铁均符合国标对高强度灰铸铁HT300的性能要求。
2.氮型灰铸铁的石墨等级为4级A型片状石墨，合金灰铸铁的石墨等级为3-4级A型片状石墨。氮型灰铸铁的石墨端部圆钝，石墨短粗且部分石墨微弯;合金灰铸铁端部尖细，石墨细长。圆钝短粗且微弯的石墨形态能减小石墨对基体组织的割裂作用。
3.氮型灰铸铁的珠光体层间距略小于合金灰铸铁的珠光体层间距，且氮型灰铸铁的珠光体分布均匀，有方向性，一致性强;合金灰铸铁的珠光体大小不均且部分有微弯现象，分布错杂，无方向性，一致性较差。
4.氮型灰铸铁的共晶度（Sc）和成熟度（RG）相比于合金灰铸铁更接近于最佳范围值，品质系数（Qi）略高于合金灰铸铁。氮型灰铸铁的材质质量优于合金灰铸铁，更易获得良好的铸造性能和切削加工性能。
参考文献
[1]阮景奎. 汽车覆盖件模具高速切削加工过程的数值模拟与关键工艺技术研究[D]. 杭州： 浙江大学， 2007.
[2]马伟. 影响灰铸铁切削性能因素分析与刀具的合理选择[D]. 济南： 山东大学， 2011.
[3]王峰. 灰铸铁件的生产[J]. 现代铸铁， 2019， 39（01）：22-26.
[4]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， 2014，63（8）：856-860.
[5]Zhang J T， Ren F Z. Study on the Influences on Microstructure and Properties of High-Strength Grey Cast Iron in Addition to Alloying Elements Nb [J]. Advanced Materials Research， 2013， 800（10）：221-224..
[6]王嘉誠， 谭自盟， 何奥平， 等. 镍铬对灰铸铁显微组织及性能的影响[J]. 铸造技术， 2018，39（3）：526-529.
[7]刘振一. RECaBa孕育剂和Mo、Cu、Cr对高强度灰铸铁组织和性能的影响[J]. 现代铸铁， 2008（03）：19-23.
[8]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， 064（006）：512-516.
[9]赵鲁生， 赵新武. 氮对灰铸铁性能的影响[C]. 苏州： 2017中国铸造活动周. 2017.
[10]李荣德， 杨景祥， 于海朋. 氮在灰铸铁凝固过程中的作用[J]. 沈阳工业大学学报，1989，11（3）：155-162.
[11]翟启杰， 胡汉起. 氮在灰铸铁溶液中溶解度的热力学研究[J]. 金属学报， 1991，27（04）：146-148.
[12]GB/T 7216—2009 灰铸铁金相检验[S]. 北京： 中国标准出版社， 2009.
[13]周小平， 陈慧敏. 含氮灰铸铁的组织与性能[J]. 现代铸铁， 1997（03）：42，54.
[14]申晶洁. 氮、钛、铌对灰铸铁组织及性能的影响[D]. 郑州： 郑州大学， 2012.
关键词：氮型灰铸铁;材料性能;耐磨性;导热性;力学性能
0 引言
在我国的制造业中，汽车制造业是其中非常重要的组成部分，汽车制造业的发展水平在一定程度上也代表着我国制造业的发展水平，是我国国民经济的重要支柱[1]。而汽车发动机作为汽车的核心部件，其制造成本是汽车制造总成本的1/4[2]。因此发动机的研发与制造在汽车行业中的重要程度不言而喻。缸体缸盖作为发动机的基础组成部分，是发动机其余零部件的安装骨架。因此，提高发动机缸体缸盖的产品性能，是发动机生产制造的重中之重。灰铸铁具有良好的强度、硬度、耐磨性、减震性和导热性，其铸造成型性和加工性也较为优秀，是汽车发动机缸体缸盖制造生产的首选材料[3-4]。
但随着工业技术的不断革新，传统灰铸铁的材料性能已经不能满足机械的使用要求。因此，研究强度更高，性能更优良的灰铸铁就显得尤为重要。目前，国内外有学者提出非金属元素氮能替代合金元素的使用显著提高灰铸铁的强度[5-8]。国内关于氮对灰铸铁性能影响的研究起步则较晚。王谦谦[9]等人在研究氮元素对灰铸铁的影响时也印证了氮元素能使灰铸铁力学性能（抗拉强度和硬度）提高的结论。在1989年，李荣德[10]采用微分热分析法和差热分析法探讨了氮在灰铸铁共晶和共析凝固过程中的作用行为。
上述对灰铸铁铣削加工的研究，基本上是基于一些强度较低的传统灰铸铁或者是经过处理的高强度合金灰铸铁，而对于氮型灰铸铁的铣削加工则鲜见报道。因此有必要深入展开对高强度氮型灰铸铁材料特性进行深入的研究，为解决氮型高强度灰铸铁在规模化生产中遇到的一系列加工問题提供理论支持，并为完善高强度氮型灰铸铁加工工艺技术体系提供参考方向。
1 试验
1.1 试验材料与设备
本次试制灰铸铁HT300的实验方案为基于灰铸铁HT250基础配方，分别通过加入非金属氮元素和微量合金元素而炼制高强度的氮型灰铸铁和合金灰铸铁。试验用维氏硬度计（图1），金相试样镶嵌机（图2）、光学显微镜（图3）金相抛光仪（图4）、等设备如下图所示。
两种灰铸铁材料主要化学成分经高频红外碳硫分析仪、PDA-7000光电直读光谱仪及脉冲红外热导氧氮分析仪检测，结果如表1所示。拉伸试验的试样采用直径为30 mm，长度为180 mm的单铸试棒制成。
从试棒的材料成分可以看出，氮型灰铸铁和合金灰铸铁两种灰铸铁的常规五大元素C、S、Si、Mn、P的质量百分比含量基本相同，而主要差别在V、Sb、Mo、N元素的质量百分比含量上。其中，合金灰铸铁的V元素含量为氮型灰铸铁的11.5倍，Sb元素含量为氮型灰铸铁的10.3倍，Mo元素含量是氮型灰铸铁的205倍以上;而氮型灰铸铁中N元素含量为合金灰铸铁的2.5倍。合金灰铸铁通过添加微量合金元素V、Sb、Mo来提高材料性能，氮型灰铸铁则通过添加非金属元素氮来提高材料性能。
1.2 氮型灰铸铁HT300抗拉强度试验
拉伸试验的材料为氮型灰铸铁HT300和合金灰铸铁HT300两种，每种材料分别浇筑4个单铸试棒（φ30 mm×180 mm），并参照GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》中的制样方案制成标准拉伸试样并编排试验号。通过使用材料性能试验机，对这两种灰铸铁进行拉伸试验，检测它们的抗拉强度。
1.3 氮型灰铸铁HT300硬度试验
本次氮型灰铸铁HT300的硬度实验是在维氏硬度计（如图4）上进行。试验分别对氮型灰铸铁和合金灰铸铁进行了硬度检测。测量时，随机在试样上选取不同的五个方位进行材料硬度检测。最后取平均值作为该种灰铸铁材料的硬度参考值。该硬度计的观察目镜具有倍数大和清晰度高的特点（目镜可放大10倍，分辨率为0.03 ?m）。
1.4氮型灰铸铁HT300金相实验
在单铸试棒的位置截取两种灰铸铁的金相试样，并对金相试样表面进行研磨、抛光和侵蚀，制成标准的金相试样。然后参照GB/T 7216—2009《灰铸铁金相检验》[12]对金相试样进行金相观测，检测试样的石墨形态，珠光体和铁素体含量及分布情况。如下为金相试验的简要步骤。
首先，将在单铸试棒上截取金相样本原材料并使用XQ-1金相试样镶嵌机（如图2所示）进行镶嵌。该款镶嵌机有自主设定加热温度和保温时间的功能。本次试验的镶嵌温度设定为140 ℃，保温时间为8-15 min。待试样镶嵌完成后，将金相试样放置在如图4所示的金相磨抛机上进行研磨抛光。
然后，将完成抛光的金相试样用Axio Scope.A1光学显微镜（如图3所示）进行石墨组织形态的检测。该显微镜是一款功能多样化、测量精细化的高性能设备，配备有6个不同放大倍数（50倍、100倍、200倍、500倍、1000倍）的镜头。
2 结果与讨论
2.1氮型灰铸铁HT300的抗拉强度和硬度
本次实验主要从灰铸铁的抗拉强度和硬度两个方面研究灰铸铁的力学性能。本次对灰铸铁HT300的抗拉强度性能检测结果如下。
试验结果表明，氮型灰铸铁和合金灰铸铁的各组试棒的抗拉强度均达到HT300的标准值。氮型灰铸铁的抗拉强度均值为313 MPa，而合金灰铸铁的抗拉强度均值为321 MPa。 此外，采用AVH-5L维氏显微硬度计对硬度试样进行检测。检测后将所得的维氏硬度值根据对照表转换布氏硬度值，表4为两种灰铸铁的硬度检测结果。
由表2可知，氮型灰铸铁和合金灰铸铁的5个硬度检测试样的硬度值波动范围均在200～275 HBW之间;而氮型灰铸铁的硬度值方差为1.4，合金灰铸铁的硬度值方差为8.4，氮型灰铸铁的组内硬度值波动较为平稳，其整体硬度一致性较强。而从两种灰铸铁抗拉强度和硬度的检测数值上看，氮型灰铸铁的检测数值相对稳定，方差较小，材料的质量更为均匀，材料的品质较高。
2.2氮型灰铸铁HT300的石墨形态
灰铸铁中的石墨是碳以游离态存在的一种形式，它软而脆，几乎没有强度，但石墨的形态和数量对灰铸铁的性能起到决定性的作用[13]。
对照国家标准GB/T7216-2009中的石墨等级图谱，并使用Axio Imaging金相分析系统分析两种灰铸铁的石墨长度等级。氮型灰铸铁的石墨长度均匀，4组实验试样的石墨长度等级均达到4级水平;在4组试样中，石墨均为无方向性、无规则性均匀分布的A型片状石墨。而如表3所示，合金灰铸铁的石墨长度相比于氮型灰铸铁则略微增大，石墨的宽度相比于氮型灰铸铁则略微减小，长度等级约为3-4级之间。合金灰铸铁的石墨形态除了在第1组试样中出现少量D型石墨外，亦基本为A型片状石墨。此外，观察4组试样的石墨组织可以发现，在观测视场中，氮型灰铸铁的总石墨数量多于合金灰铸铁的总石墨数量，氮型灰铸铁的石墨更为密集。
对两种灰铸铁的石墨形态进行高倍放大（如表4所示）。可以看出，氮型灰铸铁的石墨端部较为圆钝，合金灰铸铁的石墨端部则较为尖细;氮型灰铸铁的石墨宽度略大于合金灰铸铁。圆钝短小的石墨能有效减小石墨对基体组织的割裂作用，一定程度上增强了灰铸铁的材料强度[14]。
综合以上分析可得，氮型灰铸铁通过添加非金属氮元素使得石墨形态发生改变。石墨长度变短，石墨端部钝化，石墨宽度变大，且减小了D型石墨形成几率。这与前人的研究结论基本一致，氮元素的加入能使灰铸铁的石墨组织形态发生改变进而改变灰铸铁的力学性能。
3 结论
1.氮型灰铸铁的平均 抗拉强度为311 MPa，平均硬度为219 HBW;合金灰铸铁的平均抗拉强度为321 MPa，平均硬度为238 HBW。两种灰铸铁均符合国标对高强度灰铸铁HT300的性能要求。
2.氮型灰铸铁的石墨等级为4级A型片状石墨，合金灰铸铁的石墨等级为3-4级A型片状石墨。氮型灰铸铁的石墨端部圆钝，石墨短粗且部分石墨微弯;合金灰铸铁端部尖细，石墨细长。圆钝短粗且微弯的石墨形态能减小石墨对基体组织的割裂作用。
3.氮型灰铸铁的珠光体层间距略小于合金灰铸铁的珠光体层间距，且氮型灰铸铁的珠光体分布均匀，有方向性，一致性强;合金灰铸铁的珠光体大小不均且部分有微弯现象，分布错杂，无方向性，一致性较差。
4.氮型灰铸铁的共晶度（Sc）和成熟度（RG）相比于合金灰铸铁更接近于最佳范围值，品质系数（Qi）略高于合金灰铸铁。氮型灰铸铁的材质质量优于合金灰铸铁，更易获得良好的铸造性能和切削加工性能。
参考文献
[1]阮景奎. 汽车覆盖件模具高速切削加工过程的数值模拟与关键工艺技术研究[D]. 杭州： 浙江大学， 2007.
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[8]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， 064（006）：512-516.
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[11]翟启杰， 胡汉起. 氮在灰铸铁溶液中溶解度的热力学研究[J]. 金属学报， 1991，27（04）：146-148.
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