一、对蠕墨铸铁的几点基本认识
 
　　铸铁中的蠕虫状石墨在20世纪四五十年代发现球墨铸铁时就已发现，但由于获得困难及对其性能认识不足，直到70年代蠕铁才开始应用于工业生产中，比球铁的应用晚了近30年。我国在七八十年代，研究和应用蠕铁曾风靡一时，后渐转入沉寂。直到21世纪初，随着蠕铁在汽车缸体、缸盖上的应用成功，研究与应用又渐多了起来，且与ADI、高韧性球铁并称“新铁器时代”的象征。
　　蠕铁问世40余年来，业界对蠕铁的一些基本认识并不完全一致，下面仅就笔者认识谈点看法。
 
　　1．球化率和蠕化率
　　GB/T 9441—2009对球化率的定义是：“在放大100倍的光学显微镜视场中球状石墨（Ⅵ型）和团状石墨（Ⅴ型）个数占石墨总个数的百分率”。
GB/T 26656—2011对蠕化率的定义是：“蠕虫状石墨（Ⅲ型）和部分团状（Ⅴ型）、团絮状（Ⅳ型）石墨占石墨总面积的百分比”。
　　ISO 945把铸铁中的石墨分为6种类型，即Ⅰ型-片状，Ⅱ型-蟹状，Ⅲ型-蠕虫状，Ⅳ型-（团）絮状，Ⅴ型-団状，Ⅵ型-球状（见图1），其中Ⅳ型团絮状石墨是退火态石墨，其他5种都是从铁液中析出。
　
　　球铁标准中没有把Ⅳ型石墨计入球化率，这是因为即使存在因碳化物高而退火的球铁，退火态石墨（团絮状石墨）也都数量较少且球径较小，而球径小于2mm(实际尺寸0.02mm)是不计数的，因此对判断球化率影响不大；但对蠕化率而言，对石墨的面积是有影响的（蠕化率无法用计数法测定），因此要把团絮状石墨面积也计算在内。
　　虽然球化率和蠕化率计算方法不一样，但其实质是一样的，即球化率+蠕化率=100%，球化率、蠕化率是互补的。此外，无论计算球化率还是计算蠕化率，都不应该出现片状石墨，若出现片状石墨，就是材质不合格，不存在球化率（或蠕化率）为多少的问题。
 
　　2．蠕墨铸铁和蠕墨铸铁铸件
　　GB/T 26656—2011对蠕墨铸铁的定义是“碳主要以蠕虫状石墨析出存在于金属基体之中的铸铁材料”，其具体技术要求中，对石墨形态的要求是：“蠕墨铸铁应在其二维抛光平面上观察到至少有80%的蠕虫状石墨，其余的20%应该是球状石墨、团状石墨，不允许出现片状石墨”。通常所说的蠕化率大于80%才称为“蠕墨铸铁”即由此而来。国标中的定义实际是直接采用ISO 16112:2006的定义，是不容修改的。实际上在GB/T 1348—2009中，对球墨铸铁的技术要求也有“石墨以球状为主，球化级别不低于GB/T 9441规定的球化级别4级”这样的词句，球化4级即球化率为70%，这句话说白了就是球化率低于70%不属于球墨铸铁。也就是说，球化率大于20%而小于70%的铸铁或者说蠕化率大于30%而小于80%是什么铸铁，并没有定义，但这并没有影响这类铸铁在实际上的使用。有部分人士认为，既然蠕化率+球化率=100%，那么除了球化率大于70%的部分划分球铁，剩余的都属蠕铁吧。这种观点没有得到主流界的认可，因为容易造成误解，认为蠕化率控制范围宽，怎么做总是蠕铁。
　　影响石墨形态的除了化学成分和工艺方法外，还有冷却速度，灰铸铁如此，球铁、蠕铁也如此。比如同一蠕铁缸体，其缸顶面、缸筒面蠕化率为80%以上，而曲轴箱面（壁厚3.5~5mm，非加工面）蠕化率就可以低于60%，但并不影响加工和使用。因此，在GB/T 26655—2011中技术要求，还有一句话是：“由于铸件的复杂性，蠕墨铸铁件应根据其工况、服役的条件，由供需双方商定蠕化率。”这也就是把蠕墨铸铁和蠕墨铸铁件分成两个既有联系又有所不同的概念。
　　ISO 16112:2006 为什么把蠕墨铸铁的界限确定在蠕化率≥80%？这是因为：
 
　　（1）蠕化率≥80%比较稳定，随球化剂含量（如Mg残%）变化影响较小（见图2），因而可以控制。若定为50%~70%，则Mg残的影响十分敏感，实际生产中很难控制。笔者公司曾做过用超声波测定蠕化率的试验，图3即为蠕化率与超声波关系显示。从图中可以看出，在蠕化率为76%以上，超声波变化不敏感，而蠕化率小于76%时，超声波对蠕化率的变化十分敏感。
 
　　（2）大量试验表明，铁液变质成蠕铁后，较之灰铸铁除了强度有了突变，可提高75%~100%外，其他如铸造性能、收缩性能、机加工性能、导热性能都变化不大，生产中可以用原灰铸铁的工装（铸模）和工艺继续生产，不需要修改缩尺甚至浇冒系统。而若蠕化率低于80%，则收缩倾向明显增加，加工性能也变得更差，原工装或工艺就可能不适用了。
 
　　（3）允许同一铸件上不同部位存在不同的蠕化率。如内燃机的缸体、缸盖，只要保证主要工作面和加工面蠕化率不低于80%，对非加工面或壁薄处（如缸体的曲轴箱、缸盖的加强筋条）蠕化率可以低些，因此规定主要工作面蠕化率不低于80%，不会影响蠕铁件的推广应用。
 
　　把蠕墨铸铁和蠕墨铸铁件分成两个概念，有利于促进蠕铁的应用。如汽车排气管、涡轮增速器壳体等零件，都是薄壁件（主要壁厚大多为4~5mm），加工面也不是太多，蠕化率就可以定得低些（如管壁处蠕化率≥50%），有些件不加工，使用中又认为蠕化率低些更好铸件（如钢锭模），蠕化率也可以定为≥30%，当然，这都需要供需双方共同商定。
 
　　二、蠕墨铸铁的生产技术
 
　　按堤信久的划分，可把制取蠕铁的方法分为三类，即半球化法；干扰法；弱球化法。
 
　　1．半球化法
　　以球化剂作蠕化剂，加入不足量的球化剂，使其球化不良而成蠕铁。这种方法极难控制获得满意的蠕化率。20世纪70年代有工厂采用这方法生产蠕铁，使用冲天炉熔炼，事先测定铁液中的含S量，控制好铁液温度和出液量，根据镁和稀土的吸收率确定最终的蠕化剂加入量，可得到合格的蠕铁。
　　另一种方法是先把铁液处理成球铁，测定其Mg残和Re残，再兑入一定量的灰铁铁液，最终成为蠕铁。这种方法同样难以控制。
 
　　2.干扰法
　　配制一种蠕化剂，其成分包括球化元素Mg，球化干扰元素Ti，另外还配一定的Re和Ce，使其反应平稳。东风汽车公司铸造一厂20世纪80~90年代在造型自动线上大量流水生产蠕铁排气管即采用这类蠕化剂，其含Mg量为4.5%~5.5%(MgO＜1%)，Ti 3%~5%（利用生铁中含有的一部分Ti，原铁液含Ti 量为0.04%~0.07%），Re 1%~3%，Ca 2%~4%，Si 42%~46%，余为Fe。冲入法处理，加入量1.1%~1.3%，生产很稳定。这种蠕化剂比较适用于电炉铁液生产薄壁蠕铁件，反应平稳，渣量少。20世纪七八十年代，国外也大多采用干扰法生产蠕铁。
 
　　3.弱球化法
　　Ca、Re都有一定的球化能力，但球化能力都不如Mg，恰好可用蠕化剂。Ca与S、O的亲和力比Mg强，能够有效的脱S除氧，作球化剂用时可减少Mg的加入量，作蠕化剂用则延缓石墨由蠕虫状转变到球状的过程，放宽合金加入量的范围。但Ca造成渣量大，且易形成氧化壳，很少单独用Ca作蠕化剂。Re对石墨球化有明显作用，但石墨圆整度比Mg处理得要差，容易出现团状或蠕虫状（团片状）石墨。因此，稀土硅铁是很好的蠕化剂。为了解决自沸腾问题，一般加入3%~4%的Mg，同时还2%~4%的Ca以减少Re的白口倾向和加大合金加入量范围。稀土含量多选择8%~10%或13%~15%。轻稀土包含La、Ce等17种元素，其中Ce约占一半左右。有试验表明，如果适当调整La、Ce含量比例，使La量高于Ce，蠕化效果更好一些。蠕化剂加入量以确保蠕铁中Re残 0.035%~0.055%，Mg残 0.008%~0.015%为宜，但Ce和Mg的吸收率同铁液中的硫、氧和液温有关，计算时应注意。
　　
　　作为处理方法，大体可分为“一步法”和“两步法”两种。
　　冲入法是常用的”一步法”，其操作要点与球化处理相同，只是将球化剂换作蠕化剂。由于蠕化剂多以稀土为主，镁量较低，反应时很少沸腾和镁光，故不必采用盖包处理。喂丝法可为一步，也可为两步。可以将蠕化丝直接插入铁液中进行蠕化处理，即一步处理成蠕铁，而Sintercast法则是两步喂丝法：第一步，加入蠕（球）化剂，使铁液成为蠕化不足状态；第二步，根据取样分析结果用喂丝法补加Mg量使其成为理想的蠕铁。国内也有人第一步处理成球铁，第二步喂含S的丝使铁液成为合格的蠕铁。
选用哪种处理方法?应根据零件的产量和复杂程度、重要程度以及企业实力综合考虑。图4大致显示了两种蠕化方法的各自应用范围。年产量越高，铸件越重要、越复杂，则选择以Sintercast为代表的两步法较为有利。
 
 
 
图4 对过程控制的需求是随年产量、铸件复杂性和质量要求的提升而增加的
 
　　蠕铁的孕育，强化孕育会增加灰铸铁和球铁的石墨核心数，但在蠕铁中，强化孕育会使石墨球增多，蠕化率降低，因此在蠕铁生产中，不宜随意增大孕育量或增加孕育次数。
 
　　三、蠕铁在汽车零件上的应用
 
　　（1）缸盖、缸体
　　商用车发动机的缸盖、缸体采用蠕铁材质已基本得到认可，国内商用车内燃机主流生产厂家都已成功开发出了蠕铁缸盖、缸体铸件，产量也逐年有所增加，尤其是玉林柴油机集团铸造厂，其蠕铁缸盖产量已占缸盖总量的30%，产量、质量、综合废品率均为行业内领先。
　　由于商用车发动机功率越来越大，排放越来越严，对缸体、缸盖材质要求也越来越高。目前在材质的发展上有两条途径，一是在高碳当量前提下（CE≥3.8%~3.9%），利用低合金化，以强化孕育来强化二次枝晶，生产HT300甚至HT350，二是生产以珠光体基体为主的蠕铁，如RuT400、RuT450。笔者认为，蠕铁比高牌号灰铁有更高的强度、更好的铸造性能、耐热性能和更低的成本，应重点发展。
　　乘用车缸体是蠕铁发展的一个非常重要的领域。当前在汽车“轻量化”的口号之下，都把注意力放在铝、镁合金上，这是因为当前的汽车排放法规把评估只放在尾气排放上。美国金属材料协会（ASM）理事主席John指出：“只关注尾气排放可能会增加一辆汽车的生命周期温室气体排放，这是因为轻量化替代材料比钢铁在生产过程中产生的排放高5~20倍”。表1列出了生产铁和铝时能耗和排放物的比较，可以看出，熔炼1t原生铝要比铁的能耗多出9倍。
 
　　因此如果站在全球环境高度而不仅仅某个行业的角度看，这样的轻量化并不是十分妥当。
　　即使站在行业的角度看，蠕铁在轻量化方面也比铝合金有优势。20世纪90年代末，欧宝公司采用蠕铁生产了2.5L V6DTM赛车缸体，与标准灰铁缸体相比，功率提高了172%，功率比提高了70.2%（见表2）。在这基础上开发的2L系列4缸缸体，减重25.7%，功率比提高29.8%（见表3）。
 
　　不仅与灰铸铁缸体相比，蠕铁有优势，即使同铝缸体相比，蠕铁缸体优势同样明显。图5是奥迪蠕铁缸体和奔驰铝缸体的比较。同为3.0L V6发动机缸体，两者扭矩和功率相当，但奥迪发动机长度减短了125mm，重量减轻了15kg。尽管蠕铁缸体本身比铝合金缸体重，但蠕铁的性能允许奥迪工程师制造出更小的发动机，圆满地完成了开发任务。
 
　　（2）排气管
　　（3）制动鼓
 
　　四、结束语
 
　　（1）蠕墨铸铁自20世纪70年代用作工程材料以来，有过辉煌，有过沉寂。在称之为“新铁器时代”到来的今天，蠕墨铸铁应占有一席之地。
　　（2）真正意义上的“绿色环保”，要评估产品的“生命周期”能耗，即从大自然中开采到制成产品供人们使用所耗去的所有能量。从这个意义上来说，汽车界的“轻量化”不仅仅是使用密度低的铝镁合金，钢铁仍是大有作为的。
　　（3）可以把“蠕墨铸铁”和“蠕墨铸铁件”分别看待，根据实际情况确定蠕墨铸铁件上的蠕化率。
　　（4）蠕墨铸铁的生产方法有多种，共同点就是严格控制工序质量，减少过程中的各种变差，不断提高生产过程中的工程能力指数（Cpk值）。
　　（5）应大力推进蠕铁缸体缸盖在商用车发动机上的应用，积极开发乘用车蠕铁缸体的生产技术。