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我国机械、汽车和建筑成为支柱产业，为灰铸铁行业的发展提供了极好的发展机遇，但是总体来说，我国灰铸铁铸造生产面临着经济效益差，铸件质量低，铸造生产工艺装备等基础条件差，能源、材料消耗高，劳动条件恶劣，环境污染等问题。例如，我国铸件的尺寸精度比国外发达国家普遍低l~3级；表面粗糙度比国外低1~2级；相同碳当量灰铸铁件牌号比国外普遍低1~2级［3］。因此必须加速开发高附加值、高技术含量的优质灰铸铁件的步伐。
而与上述钢铁金属铸造成鲜明对照的是铝合金铸造领域正不断繁荣。节约能耗的要求加速了汽车工业的轻量化步伐，同时使得铝合金铸件所占比例不断增加，因此，未来铸件市场竞争更加激烈。与铝合金铸件相比，低成本和良好的铸造性能是灰铸铁件的一个主要优势，因此灰铸铁广泛应用在汽车、市政建设、输油管、铸锭模、卫生器具和暖气片、阀门、内燃机、农机、泵和压缩机、冰箱及空调、家用器具等领域。目前，制约灰铸铁件增长和发展的主要因素之一是轻量化，铸铁轻量化必将为铸铁工业注入新的活力。因此，高强度薄壁灰铸铁件的生产技术开发成为问题的关键。
为了与铝合金行业竞争，钢铁行业正在开发超轻量化的轿车车体结构，使其成本低于轻合金制造的车体结构。灰铸铁生产领域也迫切需要进行类似的工作，美国铸造协会(AFS)已经成立了一个薄壁铸铁小组，其研究目标是开发和完善薄壁铸造技术，以低成本生产高强度轻量化铸件［4］。薄壁铸件生产技术涉及铸铁性能、充型过程、精密造型、机加工、模具、工艺设计和市场等方面。许多研究和实践表明，开发薄壁铸铁件的首要任务是开发高碳当量高强度灰铸铁及其强化工艺。
先进技术对传统产业的渗透与融合正逐渐对灰铸铁领域产生较大的影响。铸铁的压铸工业化研究表明，半固态压铸板状灰铸铁件在热处理后抗拉强度达到400MPa，伸长率达3％。灰铸铁表面激光处理使灰铸铁件能够满足在特殊场合对铸件表面和基体的不同要求。人工智能和神经网络技术在铸造领域的应用则能够大大改善铸造生产中的控制系统，预测以及建止质量保证体系，对于铸造行业改善操作条件，降低成本将起到重要的作用，［5—7］。1 高碳当量灰铸铁组织的强化
1.1 铸铁高强化＼薄壁化的基本问题
众所周知，灰铸铁的强度主要取决于石墨和基体组织。具有优良的铸造性能，是灰铸铁的重要特征，共晶度接近于1时铸造性能最佳，然而其强度却一般随碳当量的提高而降低。长期以来，对铸铁的凝固过程、孕育处理和合金元素对灰铸铁组织和性能的影响已进行了大量的、系统的研究［8～11］，然而研究所用成分的碳当量均在3.8％附近。对高碳当量条件下的研究还比较少［12］。如何使铸铁碳当量提高到3.9％~4.2％时，既能维持良好的铸造性能，又能满足HT300灰铸铁的性能要求，这是广大铸造工作者极为关注的问题。高碳当量灰铸铁组织的主要特点是：石墨粗大，奥氏体枝晶数量少，基体组织易出现铁素体。一般降低铸铁中C、Si含量，减少石墨数量可以提高强度。然而C、Si含量的减少会诱发D型石墨的析出，容易产生白口化倾向。同样铸件要薄壁化一方面要求材料自身进一步提高强度，又必须防止因冷却速度增大产生的组织白口化倾向。铸铁的组织参数与性能之间的关系是一种非确定的相关关系，要解决铸铁高强化、薄壁化的基本问题，首先要在高碳当量条件下，在相对重要的四个因素：增加枝晶数量、细化共晶团、细化石墨和强化基体中找出哪些因素更加重要，更有潜力可挖?进而在明确应主要强化的组织参数基础上研究其强化措施。
1.2 强化高碳当量铸铁组织的途径
近年来，范志康［13］等人利用模糊回归方法分析确定了灰铸铁各组织因素对铸铁强度的贡献大小的重要程度。其研究结果表明，高碳当量条件下提高基体显微硬度对铸铁强度影响最大；其次是增加组织中奥氏体枝晶数量、细化石墨、细化共晶团。通过综合控制前三个因素，可在碳当量3.9％~4.2％范围内获得强度达到300MPa，总体铸造性能较传统HT300优良的灰铸铁。其主要强化措施是：(1)控制灰铸铁五大常规元素中的偏析元素Mn和反偏析元素Si［如w(Mn)+w(Si)在3.2％~4.2％，w(Mn)/w(Si)比在1.12~1.23之间]可使铸铁组织中的共晶团和枝晶内外显微硬度相对均匀，且基体的平均显微硬度较高，使铸铁获得相对高的强度；(2) 增加组织中奥氏体枝晶数可通过添加合金元素，如Ti、Cr、Mo和Mn等，这些元素在高碳当量时增加组织中枝晶数量的能力均比在低当量时强，以Ti尤为突出，其次是Cr。 Ti、Cr、Mo和Mn均是反偏析元素，也是石墨化元素，它们靠减少碳在铁液中的活度，限制石墨析出而增加组织中的枝晶数量，Ti还能住硫化锰表面形成钛化物，限制石墨析出，促进枝晶数量的增加；(3)高碳当量时，细化石墨可通过添加元素Ti、Cr等。Ti易促进D型石墨形成，用加Ti的方法生产D型石墨铸铁，进行孕育处理可使组织中共晶团细化，石墨的方向性分布得到改善，有利于铸铁强度的提高。
2 薄壁高强度灰铸铁件的生产技术
2.1 发动机缸体和缸盖
为了提高发动机单位重量的功率和降低油耗，提高材质性能减小铸件壁厚，减轻铸件乃至整机重量是缸体和缸盖铸造业的发展目标。
据统计，1995年世界上主要汽车公司(13个)的发动机铸铁件产量为459.9万t，其中缸体和缸盖重量为265.2万t，占发动机铸铁件重量的57.7％。汽车发动机缸盖采用铝合金的比率较高，占57.7％，铸铁占42.3％，而缸体采用铝合金材质的只占6.6％，铸铁件占93.4％。缸体缸盖两者合计，铸铁件占79.6％，铸铝件占20.4％。我国1995年缸体和缸盖铸件产量约为56.7万t，其材质几乎全部采用高强度灰铸铁，只有大马力的发动机缸盖个别采用了蠕墨铸铁，［14］。
缸体和缸盖的材质必须有较高的力学性能和热疲劳性能，要求铸件本体主要部位的珠光体含量90％以上，石墨形态应大部分呈A型，石墨最大长度应在250μm以下。
缸体和缸盖为大批量流水线生产，必须在工艺、装备、原辅材料和管理等方面采取综合措施，才能保证其质量。然而在上述诸方面，我国与工业发达国家差距很大。在发达国家，生产中对于高碳当量、低合金化、强化孕育等技术的应用已相当普及，而我国基本上从80年代初才开始这方面的研究和试制工作［15］。在相同碳当量条件下，国内所采用的牌
号普遍比国外低1~2级，国外工厂的一般碳当量为3.9％~4.1％；而国内许多厂家的一般碳当量控制在3.8％～4.0％；有些厂甚至将碳当量降低到3.7％［即w(C)3.1％~3.3％；w(Si)
1.7％~2.0％］。而当CE采用3.9％~4.1％时，只能达到HT200水平。另外，国内铸件本体质量与国外铸件差距较大，主要反映在：铸件断面均匀性差，部分工厂的缸盖铸件在薄壁处珠光体量只有50％~80％，并存在有较多量的D、E型石墨，硬度只达到130~151 HB，断面硬度差超过50 HB，本体强度在150MPa以下。国外缸体和缸盖的最小壁厚仅3.2±0.5
mm，我国为(4.2~4.5)±0.8mm［13、14］。
因此，必须结合国情开发和采用先进的铸造工艺、技术，尽早改变我国在此方而的落后面貌。在技术方面，应采取的措施是：(1)获得高温优质铁液；(2)低合金化；(3)孕育处理等［13，14］。由于缸盖形状复杂，壁很薄，为保证其良好的铸造性能和切削性能，应尽量采用高的碳当量。对于HT250，碳当量应控制为3.9％~4.1％。同时，低合金化对缸体缸盖的有利作用日益受到人们的重视，国外该类铸件一般含有Cr、Cu、Mo、Ni等元素，合金元素的加入量受到是否增加渗漏、对机械加工性能和成本增加幅度等因素的影响和制约；国内对缸体和缸盖生产中的w(Si)/w(C)比值的控制问题争论较大。经研究表明，对于采用较高碳当量铁液的缸体和缸盖铸件来说，采用高w/(Si)和w/(C)比值并不能有效提高力学性能，而且可能由于高碳当量和高w/(Si)w/(C)比的双重影响使石墨粗大和珠光体量下降，从而使抗拉强度下降。因此，非合金灰铸铁不宜盲目提高w(Si)/w(C)比值，应以0.6~0.7较为合适［14］。孕育处理是提高缸体和缸盖铸件材质强度，特别是提高其硬度和组织均匀性的有效途径，生产中要选择合适的孕育剂和适用于大批量流水线生产的瞬时孕育处理方法。
2.2 薄壁高强度灰铸铁的孕育处理
对于缸体和缸盖类灰铸铁件，要求其具有较高的强度、致密性和均匀性，并且具有良好的铸造性能。因此，在高碳当量铁液条件下，有效控制铁液质量，进行孕育处理以达到性能要求，成为当前的主要发展方向之一。
在高碳当量条件下，尤其是生产薄壁高强灰铸铁件，使用复合型孕育剂是十分重要的［16］。这类复合孕育剂含有相应的石墨化元素如RE、A1、Ca、Ti等，以消除白口、改善石墨形态，增加并细化奥氏体枝晶。另外，复合孕育剂还要有稳定化孕育元素如Cu、Mo等，以促进形成与细化珠光体，同时对白口倾向影响甚微。实践证明，孕育处理辅以低合金化可以获得稳定的效果。
电机端盖薄壁灰铸铁件的铁液化学成分采取高碳当量，一般为4.3％左右［17］。在此条件下，仍会发生铸件硬度超标准和产生白口，使铸件产生大量报废。生产实践证明，采用RE和Ba的复合孕育剂能够较好满足上述要求。
利用添加稀士元素对减低灰铸铁白口化倾向有较强的作用。研究表明［18］，Ce对白口化倾向的影响与原铁液中S含量密切相关，原铁液w(S)量越增加，加入Ce减少白口深度的作用越大。图1、2表示加入Ce对HT250灰铸铁［w(C)3.3％、w(Si)1.8％、w(Mn)0.57％、w(P)0.08％，φ30mm试样]白口倾向和抗拉强度的影响。由图可见，对每一种w(S)量铁液，均存在其相应的最佳Ce添加量，此时可获得强度最高，白口最小的最适宜的石墨组织。低w(S)铁液加Ce改善白口倾向、石墨组织和力学性能的幅度小，且其最佳Ce加入量范围较窄；中w(S)和高w(S)的条件下，改善幅度很大，并且其最佳Ce加入量范围变宽。Ce的上述影响是由于铁液中加入Ce后形成的含有FeS、MnS和CaS的复合硫化物(Ce2S3)，在共晶凝固时起到石墨析出的衬底作用。
由于上述添加Ce大幅度抑制白口化的作用，为灰铸铁添加V、Cr和Cu等合金元素防止白口产生成为可能。研究表明，随V和Cr加入量增加，添加RE后白口深度增加很小。Cu添加1.2％，抗拉强度由未加RE前的268MPa提高到310MPa；Cr添加1.0％，抗拉强度提高到349MPa；V添加1.0％抗拉强度提高到405MPa。这些铸铁的组织均具有A型石墨形态和致密的珠光体基体组织。
综上所述，生产中应用高碳当量、低合金化、强化孕育等技术手段，有助于获得优质、高强度的薄壁灰铸铁件。
3 先进制造技术在灰铸铁生产中的应用
3.1 铸铁件表面层激光强化处理
传统的铸件整体强化导致零件整体铸造时工艺性能恶化、生产过程复杂、废品率增加和合金元素的浪费，并且成本增加，从而限制了铸铁材质优点的发挥。激光被誉为二十世纪最重大的科学发现之一，70年代至今，国内外对金属材料的激光处理进行了大量的研究，在当代，激光固态相变硬化技术已不仅应用于机床和汽车内燃机耐磨铸铁件，还成为世界著名船用发动机公司在远洋巨轮大型柴油机主机生产的激烈竞争中籍以战胜对手的技术优势[19~22]。近十多年来，利用高能密度激光束对于铸铁这种通常被认为是脆性材料的复杂铁碳合金材料表面层快速加热和急冷的非平衡冶金过程许多人已进行了大量的研究[23~26]。刘文今等人的研究结果表明，[25]，铸铁中石墨相的存在及其形态对激光强化效果有极其重要的影响，应当根据不同铸铁本身的组织特点来选择激光强化的最佳工艺：用石墨增碳剂辅以少量其它合金元素对铸铁表面进行激光合金化处理，可以有效地防止裂纹的产生，并获得性质优良的共晶或过共晶的含有多种介稳定相的表面合金强化层。
灰铸铁件激光表面强化技术已逐步用于生产，取得了明显的成效，例如：大型船用中速柴油机(MAN-B&W公司生产)合金铸铁气缸套激光淬火，与等离子喷涂活塞环配副，缸套寿命提高到80 000 h，环套磨损量大幅度降低，改善了摩擦和跑合条件，消除了显微擦伤，缸套磨损量仅为0.041 11 m／kh，头道活塞环磨损量仅为原镀Cr环的1/10[19]。美国通用汽车公司继1971~1976年建成可锻铸铁汽车转向器壳体激光淬火生产线(日产3万件)后，1978年又建成EMD柴油机灰铸铁气缸套激光热处理生产线，用4台5kWC02激光器在灰铸铁气缸套内壁处理出宽2.5 mm、深0.5mm的螺旋线硬化带、并规定缸套必须经激光处理方可出厂。
激光技术是物理冶金学和金属物理研究方法的有机结合，提供了实现铸件材质和性能优化组合的可能性，有利于铸铁材质潜力的发挥，丰富和发展了铸铁冶金学的理论与实践，对铸铁材质及其生产产生重大影响，甚至可能导致铸件结构和生产工艺的某些根本性变革。
3.2 人工智能技术在灰铸铁性能预测中的应用
根据工艺参数、化学成分等来预测灰铸铁的性能具有很大的实用价值。近年来，飞速发展的人工神经网络技术为预测灰铸铁性能提供了有效的手段。灰铸铁的生产过程是受多因素控制的复杂过程，灰铸铁的力学性能受化学成分、工艺参数、组织特征等诸多因素的影响，应用传统的统计方法只能对它们之间的关系作定性的或半定量的分析，而且总是建立在一定范围内的平均作用基础上的，在具体工艺条件下这些因素如何影响灰铸铁性能，通过实验确定是极其困难的。
人工神经网络(Artificial Neural Network，ANN)是建立在现代神经科学的研究基础之上，为实现对人脑思维过程的生理模拟而建立起来的数学模型，是由大量处理单元(神经元)广泛互联形成的网络系统，其信息处理功能是由网络单元(神经元)的输入输出特性(激活特性)、网络的拓扑结构(神经元的连接方式)所决定的。通过利用一系列的输入例子和理想输出作为训练样本，根据一定的训练算法对网络进行足够的训练，使得神经网络能够学会包含在求解结果中(样本中的理想输出)的基本原理。当训练完成后，该解(由训练所确定的网络)可以用来求解相同的问题。目前已经在模式识别、信号处理、判别决策等领域得到广泛应用。
灰铸铁的性能预测实质上可转化为灰铸铁牌号即性能范围的判别，即模式识别问题。将灰铸铁熔炼温度、浇注温度、碳当量、化学成分等和预测目标(如拉伸强度)作为训练样本，运用一定的训练算法进行训练，就可以建止预测模型。运用自适神经元进行灰铸铁性能的预测结果表明，人工神经网络可较方便的建立预测灰铸铁性能的模型，在很大程度上简化了目前所作的性能检测工作；建立了灰铸铁化学成分、工艺参数与性能关系的前馈多层网络。
3.3 灰铸铁半固态压铸
半固态加工技术(Semisolid Metal Process)是美国麻省理工学院Flemings教授等于本世纪70年代初开发出的新一代金属加工技术。近几年中，半固态加工技术的工业应用已经取得很大进展，其中美国、日本、英国、法国、意大利和瑞士等国家的应用水平处于领先地位。我国在半固态成形的工业应用方面几乎还是空白。
目前，SSM成形分为两大类：流变成形(Rheoformning)和触变成形(Thfixoforming)。流变成形是将获得的SSM原料直接成形；触变成形是将SMM原料首先制成锭料，生产时，将定量切割的坯料重新加热至半固态，最后采用铸造或模锻设备成形。
概括起来说，半固态加工技术与传统热加工工艺相比具有以下特点：降低了能量消牦；高生产率，便于实现自动化；接近净形化(near net shape)成形；对模具的热冲击小；可以获得高致密度、高力学性能成形件；改善环境，生产更加趋于安全。
近年来，非铁金属半固态成形无论是流变成形还是触变成形工艺在国外已日趋完善。然而，由于存在种种难以克服的困难，使得半固态金属成形工艺在钢铁金属领域内的推广较为缓慢。主要难题是：解决高温耐火材料问题；高温下防止半固态金属浆料氧化和更有效地提高模具寿命。
目前，采用非搅拌工艺制备半固态金属锭料，有效克服了耐火材料问题和制备半固态金属锭料过程中浆料的氧化问题，无疑为黑色金属半固态成形技术从实验室走向生产实践找到了一条可行的途径。
对于铸铁的压铸，以往开发研究过。由于压型和压射寿命太短而限制了钢铁金属压铸工艺的发展。由于半固态金属已经放出显热和部分凝固潜热，充型时湍流较小，大大降低了对压型、压射室等组成部件的热冲击，从而延长了压型和压射室的寿命，使得铸铁压铸工业化成为可能。另外，也有可能制造出更薄的铸件。吉田千里［7］探讨了灰铸铁半固态压铸的外观、组织、力学性能以及铸型温度。在流变铸造试验中，用固相率为0.2的铸铁压铸，可以压铸出6mm厚的板状件，半固态压铸型的温度比液态铸型的要低70K，铸型热负荷小，宏观偏析也小。在触变压铸中，可压铸出3.mm厚的板状件。通过热处理使渗碳体分解成细小的块状石墨，热处理后压铸件的力学性能得到了提高，抗拉强度达400MPa，伸长率达3％。
灰铸铁的半固态压铸不仅有利于解决钢铁金属液态压型寿命短的问题，而且对于改善铸机压射系统的工作条件，减少压铸件的夹渣和气孔，都将发挥很大作用。总之，把半固态铸造工艺应用到灰铸铁压铸上，是一种具有突破性的研究，从而为钢铁金属压铸的发展开辟一条新途径。
4 结束语
