工艺技术_喂线技术生产蠕墨铸铁的工艺研究论文

哈尔滨理工大学 硕士学位论文 喂线技术生产蠕墨铸铁的工艺研究 姓名：李柏 申请学位级别：硕士 专业：材料加工工程 指导教师：吴玉彬 20090301 哈尔滨理T 人学q - 学硕I j 学位论文 喂线技术生产蠕墨铸铁的工艺研究 摘要 本文通过对现有传统的蠕墨铸铁生产工艺的研究，发现现有的生产工艺 存在着蠕化元素残留范围窄，蠕化处理产生大量的烟雾严重影响生产环境等 方面的局限，使得传统方法很难稳定生产蠕墨铸铁。通过研究应用喂线技术 生产球墨铸铁对球化元素残留量的控制范围，使用喂线处理站消除球化处理 过程中产生的大量的烟雾与弧光的特点，得出喂线技术应用在蠕墨铸铁生产 中具有其他技术无法替代的优势。 本文在分析蠕虫状石墨生长机理的基础上，试验研究了通过炉内加入 C a C 2 预脱S ，出炉后加入纯M g 与稀土硅铁包芯线蠕化，同时加入7 5 S i F e 包芯线孕育，金相分析不同量的纯M g 包芯线与不同量的稀土硅铁包芯线对 铸铁石墨形态的影响，同时通过浇注梯形试样研究不同冷却速度对铸铁石墨 形态的影响。 在l O k g 铁水中，炉内加入1 4 0 9C a C 2 进行预脱S ，包内加入1 2 1 5 m m 纯 M g ，稀土硅铁包芯线蠕化处理，7 5 S i F e 包芯线孕育处理，浇注梯形试 样，对每次试验进行金相分析，研究结果表明： 1 加入1 2 j 5 m m 纯M g ，稀土硅铁包芯线蠕化处理，7 5 S i F e 包芯线孕育 处理l O k g 的铁水可以获得蠕墨铸铁； 2 加入D 5 m m 稀土硅铁包芯线7 5 m m 和7 5 S i F e 包芯线4 4 0 m m ( 粉料 加入比重0 0 2 7 3 和0 1 2 5 ) ，同时加入1 8 0 2 0 0 m m 纯M g 包芯线( 粉料 加入比重为0 0 2 2 5 0 0 2 5 ) 可以获得蠕化率在6 5 以上的蠕墨铸铁。低 于该范围蠕化率急剧下降，铸铁石墨形态为条片状石墨灰铸铁倾向严重，超 过该范围蠕化率急剧下降，铸铁石墨形态趋近于球状石墨，石墨球化倾向严 重； 3 加入0 5 m m 纯M g 包芯线2 0 0 m m 和7 5 F e S i 包芯线4 4 0 m m ( 粉料加 入比重0 0 2 5 和0 1 2 5 ) 同时加入0 5 0 m m 稀土硅铁包芯线( 粉料加入比 重为0 0 0 0 1 8 ) 对铸铁的石墨形态无影响； 4 梯形试验的直径由1 2 1 1 0 3 5 m m 之间不断变化，铸铁的蠕化率由 1 5 9 5 呈直线变化。石墨以球状石墨雏晶形式首先析出，由于蠕化元素 的分布不均匀，球状石墨生长发生畸变最终形成蠕虫状石墨。 哈尔滨理T 人学r 学硕I j 学位论丈 关键词蠕墨铸铁；喂线技术；0 5 m m 包芯线；冷却速度 I I 哈尔滨理T 人学T 学硕f j 学位论文 S t u d yo nP r o d u c t i o no fC o m p a c t e dG r a p h i t eI r o n w i t ht h eC o r e dW i r e A b s t r a c t T h i sp a p e rb r i n g sf o r w a r das t u d yt a s k ，w h i c ht r a d i t i o n a lp r o d u c t i o np r o c e s s o ft h ec o m p a c t e dg r a p h i t ei r o n ，f o u n di ti sd i f f i c u l tt op r o d u c es t a b l yi t ，b e c a u s e t h ev e r ys m a l lr e m e n a n t se x t e n t i o no fM ga n dR e ，s m o k ea n da r cl i g h t T h ec o r e d w i r et e c h n i q u ec a nc o n t r o lt h eM ga n dR ei nas m a l lr e m e n a n t se x t e n t i o na n dt h e c o r e dw i r es t a t i o nc a nc a n c e lt h es m o k ea n da r cl i g h ti np r o d u c et h en o d u l a rc a s t i r o n ，m a d ei ti St h eb e s tm e t h o dt op r o d u c ec o m p a c t e dg r a p h i t ei r o n T h i sp a p e rr e s e a r c ht h em e c h a n i c so ft h ec o m p a c t e dg r a p h i t ea n di n f l u e n c e o ft h eM gc o r e dw i r ea n dR ec o r e dw i r ea n dc o o l i n tr a t eo nt h eg r a p h i t ei nt h e c a s ti r o n ，b ya d d i n gC a C 2t od e s u l f e ri nt h ef u r n a c ea n da d d i n g7 5 S i F ec o r e d w i r et o i n n o c u l a n t ，a d d i n gd i f f e r e n c eM ga n dR ec o r e dw i r ea n dt r a p e z o i d m e t h o d I n1 0k gi r o nm e t a l ，a d d i n g1 4 0 9C a C 2i nt h ef u r n a c ea n d0 5 m m7 5 S i ，F e c o r e dw i r et oi n n o c u l a n t ，a d d i n gd i f f e r e n c eM ga n dR ec o r e dw i r ea n dt r a p e z o i d m e t h o d ，m a d et h em e t a l l o g r a p h i c a lp h a s e T h er e s u l ti s ： 1 T h i sm e t h o dc a np r o d u c et h ec o m p a c t e dg r a p h i t ei r o nb ya d d i n g0 5 m m 7 5 - S i - F ec o r e dw i r et oi n n o c u l a n t a d d i n gM ga n dR ec o r e dw i r e ； 2 A d d i n g0 5 r a m7 5 一S i F ec o r e dw i r ea n dR ec o r e dw i r ei nt h el a d a l ( W ti s 0 0 2 7 3 a n d0 1 2 5 ，t h el e n g t hi s7 5 m ma n d4 4 0 m m ) a n d a d d i n gd i f f e r e n tM g c o r e dw i r e ( w ti s0 0 2 2 5 0 0 2 5 ，t h el e n g t hi s1 8 0 2 0 0 m m1c a nm a k et h e V e r m i c u l a rG r a p h i t eP e r c e n t a g ea b o v e6 5 B e l e wt h i se x t e n t i o nt h e g r a p h i t e t e n dt of l a k eg r a p h i t e ，a b o v ee x t e n t i o nt h eg r a p h i t et e n dt os p h e r o i d a lg r a p h i t e ； 3 A d d i n g0 5 r a m7 5 一S i - F ec o r e dw i r ea n dM gc o r e dw i r ei nt h el a d a l ( W ti s 0 0 2 5 a n d0 1 2 5 ，t h el e n g t hi s2 0 0 m ma n d4 4 0 m m1a n da d d i n gd i f f e r e n tM g c o r e dw i r e ( W ti s0 0 - 0 0 1 8 ，t h el e n g t hi s0 5 0 m m ) i ti sn oi n f l u e n c eo nt h e g r a p h i t e 4 D i a m e t r a lo ft r a p e z o i di nt h e010 3 5 m ma n dt h eV e r m i c u l a rG r a p h i t e I I I 哈尔滨理T 人学T ! 颀 j 学化论文 P e r c e n t a g e i si nt h e1 5 - 9 5 l i n ec h a n g e T h e g r a p h i t e f i r s t s e p a r a t e i n s p h e r o i d a lg r a p h i t e ，g r a d u a l l yg r o u sc a m p a c t e dg r a p h i t eb e c a u s eo ft h e n o n u n i f o r mo ft h eM ga n dR e K e y w o r d sc o m p a c t e dg r a p h i t ei r o n ，i n j e c t i o n ，( ) 5 m mc o r e dw i r e ，c o o l i n gr a t e 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文喂线技术生产蠕墨铸铁工艺的研 究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行研 究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表 或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：日期：2 0 0 9 年3 月1 2 同 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 喂线技术生产蠕墨铸铁工艺的研究系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士 学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工 大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔 滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交 论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密硇。 ( 请在以上相应方框内打v ) 作者签名： 刷醛各孙彬 日期：2 0 0 9 钌月7 ，R 日期2 0 0 9 年岬F 1 哈尔滨理丁人学T 学硕I j 学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 随着对汽车发动机性能和排放要求的不断提高，柴油发动机技术的迅速发 展。新型直喷式柴油机将在更高的汽缸压力下工作，最大爆发压力今年来逐渐 提高。最大爆发压力越高，燃烧小路越高，越有利于改善柴油机性能，越有利 于减少排放污染和降低噪声。但燃烧压力越高，作用在发动机曲轴轴承上的力 学载荷和热载荷越大，导致早期疲劳断裂的可能性就越大。面对燃烧压力不断 提高这一不可逆转的趋势，灰铸铁和铝合金的性能已不能满足柴油机技术发展 的要求。这就迫使柴油机设计师不得不寻求性能更好的材料来满足新型柴油机 对材料的要求。 蠕墨铸铁具有球墨铸铁的强度，和灰铸铁相比又有类似的防振、导热能力及 铸造性能，而又比灰铸铁有更好的塑性和耐疲劳性能。现代的铁液处理工艺已能 确保得到必须的蠕状石墨，因此在缸体上的应用已无技术障碍，而采用蠕墨铸铁 生产缸体可以使发动机单位功率所需的质量低于铝合金，这就促使了蠕墨铸铁的 应用与发展【。 1 2 蠕墨铸铁简要介绍 最早关于蠕墨铸铁的报道见于M o r r o g h l 9 8 4 年的著作中。他在研究铈处理 球铁的过程中发现了“厚片状石墨”。但是当时的研究均是如何获得球状石墨， 把这种“厚片状石墨”视为球化不良的产物而设法消除。到2 0 世纪6 0 年代中期人 们对它的研究才取得一定的突破：美国国际镍公司的R D S h e l l e n g 分别于1 9 6 6 年和1 9 6 9 年取得英国专利( 专利号1 0 6 9 0 5 8 ) 和美国专3 1 ( 专利号3 4 2 1 8 8 6 ) ，主要 的镁钛系合金制取蠕虫状石墨铸铁；随后，奥地利的W T h u r y 等人与于1 9 7 0 年 获得用混合稀土制取蠕虫状石墨铸铁的奥地利专3 1 ( 专利号2 9 0 5 9 2 ) 。1 9 7 6 年美 国国际镍公司根据英国铸造研究协会提供的配方，加以改进后，生产了“F o o t e ” 合金作为工业产品投放市场，以后蠕墨铸铁才迅速发展f 2 1 。 在1 9 7 7 年的第4 4 届国际铸造年会上J 下式成立了“蠕墨铸铁委员会”，规定 了蠕虫状石墨铸铁( V e r m i c u l a rG r a p h i t eC a s tI r o n ) 或致密状石墨铸铁( C o m a c t e d G r a p h i t eC a s tI r o n ) 的名称和标准。 哈尔演理T 人学T 学硕I j 学位论文 目自订国外生产中使用效果较好的蠕墨铸铁件有大马力柴油机缸盖、钢锭 模、排气管、液压件、壳体、刹车盘、飞轮、滑轮以及齿轮等。随着现代汽车 工业的发展，蠕墨铸铁的制造工艺及检验方法将越来越完善。目前较为先进的 生产工艺是瑞典S i n t e r c a s t 铸造公司研究成功的用于控制大量生产条件下蠕墨 铸铁生产的一套计算机控制的工艺系统( S y s t e m l 0 0 0 ) t 3 1 。 我国从1 9 6 5 年开始研究稀土高强度铸铁，第一阶段是代替废钢生产高强度 灰铸铁的阶段，经过反复实验，研究稀土在铸铁中的应用，得出不加废钢，用 稀土处理铁水生产高强度灰铸铁( 即蠕墨铸铁) 的生产工艺。但是由于生产的不 稳定性和技术的缺乏，各工厂又逐渐恢复生产高强度孕育铸铁，第二阶段是自 1 9 7 5 年开始至今，是蠕墨铸铁的研究及开发阶段。根据我国稀土资源丰富，国 内汽车工业的发展，以及国外蠕墨铸铁的发展推动下，科研单位、高校及工厂 纷纷展开了对蠕墨铸铁的实验研究和开发1 4 1 。 1 2 1 蠕墨铸铁的化学成分、组织和性能特点 1 2 1 1 化学成分生产蠕墨铸铁一般采用的碳当量为4 3 4 7 ，其化学成分 为C = 3 6 - 3 8 ，S i = 2 0 - 3 0 ，P = O 0 5 加0 8 ，S 0 0 2 的残留量即可。这种工艺生产要求铁水的基本 成分与球铁相似，C 3 7 ，S i 3 0 。 1 4 2 2 稀土硅铁系蠕化剂稀土硅铁合金是原苏联和我国经常采用的蠕化 剂，这种合金通常含有稀土元素2 0 3 0 ，S i = 4 0 5 0 ，其余为F e 。我国是稀 土资源丰富的国度，从1 9 6 5 年起我国铸造研究人员就开始了稀土硅铁制取蠕铁 的工作。稀土加入铁水后，起脱S 、脱氧净化铁水作用，残余的稀土元素才起 蠕化作用。 1 4 2 3 稀土硅钙合金蠕化剂针对稀土硅铁合金蠕化处理不够稳定，加入量 哈尔滨理T 人学T 学硕l j 学位论文 范围较窄的问题，我国铸造工作者在稀土硅铁合金基础上开发了稀土硅钙合 金。合金成分为1 0 1 5 的稀土，1 5 2 0 C a ，5 0 S i ，其余为F e 。实验表明， 稀土和钙都有蠕化作用，由于钙的加入，放宽了合金的加入范围，白口倾向减 小。稀土硅钙与铁水相互作用后，会在其表面生成氧化膜和S 化物薄膜，阻碍 合金和铁水进一步反应。因此必须打破这层薄膜，通常采用助熔剂( 如萤石) 或 M g ，Z n ，A I 引爆。这种合金适合于低S 高温铁水，并适合于大量生产薄壁蠕铁 件。 1 4 2 4 稀土镁合金蠕化剂国外以M g 为主的蠕化剂稀土元素含量都比较少， 一般小于1 。我国开发生产球铁的稀土镁合会作为蠕化剂。如我国普遍使用 的6 撑合金：7 9 M g ，6 一8 R E ，3 5 4 0 S i 等。其中镁元素除了起蠕化作用 外，还可起引爆和搅拌作用。在稀土镁合金中加入一定量的元素Z n ( 熔点 4 1 9 ，沸点9 0 7 。C ) ，可协助镁起到引爆和搅拌作用。提高蠕化元素的吸收 率，此外，Z n 还可以提高蠕化剂的密度，从而提高合金的吸收率。 1 4 3 以钙为主的蠕化剂 根据有关文献介绍，日本研究人员在硅钙颗粒表面覆盖C a C l 2 ，稀土氯化 物、B i ( 氧化铍或氯化物) 和铝( A h 0 3 ，A I C l 3 ) 制成蠕化剂，稀土元素作为球化 剂，铍、铝作为反球化元素。 合金成分为：1 5 C a C l 2 ，球化剂和反球化剂总量小于2 5 ，其余为硅钙。 这种蠕化剂具有易熔于铁水、成分均匀能力强、渣量少等优点。另一种以钙为 主，加入少量M g 、C e 、B i 和加制成蠕化剂。 欧洲两家铸造厂在试用以钙为主的C a C e S i F e 合金，由于C e 和C a 同时加入 可减少C e 单独使用时的加入量。用来处理S = 0 0 1 5 的合金成分为3 5 C a 、 3 R E ，、5 0 S i ，其余为铁，当加入量大于1 4 时即可获得蠕墨铸铁 z s , z 6 1 。 1 4 4 现有生产工艺的局限性 以镁为基的蠕化剂的处理工艺局限： 1 用镁生产蠕墨铸铁是非常困难的，获得蠕虫状石墨的残留镁量范围仅有 0 0 0 5 ，M g 残- 0 0 1 5 0 0 2 0 ，要求这样精确的控制镁的含量，在大规模生产上是 很难做到的。采用钛或铝作反球化剂，残留镁的上量也仅为0 0 3 0 ，而且由 于钛的化合物的存在，机械加工变得困难，回炉料和废铸件中残存钛，也会引 起钛的积累和污染的问题。 哈尔演理T 人学T 学硕I j 学f 迂论文 2 镁的熔点为6 5 1 ，沸点为1 1 0 7 ，在铁水浇注时反应激烈，自行沸 腾，产生烟雾和刺眼的镁光，工作环境差。 3 镁的加入量是由处理的铁水的重量以及铁水的含S 量来决定的。铁水 的称量微量变化和含S 量的波动都会影响蠕化效果。一般铁水必须进行预处 理，使处理后的铁水含S 量S _ 专 j - _ 、 r 。1 衍。卜； 。j | 一斗一 一 I I f I I J 、lI 1 包芯线线圈2 包芯线3 导线架4 喂线机5 处理包挂钩 6 喂线导管7 处理站8 包盖9 处理包 图1 8 典型的立式喂线处理站 F i g 1 - 8C l a s s i c a lv e r t i c a lt r e a t m e n ts t a t i o no fw i r ei n j e c t i o np r o c e s s 图1 - 9 喂线自动控制系统 F i g 1 - 9C o r e dw i r ec o n t r o ls y s t e m 哈尔滨理- K 人学T 学硕f j 学位论文 到了实时的控制铁水的成分进而控制组织达到铸造生产的闭环控制。 通过以上的说明我们可以总结出喂线技术在蠕墨铸铁生产中的几点优势： 1 可以精确稳定的控制铁水蠕化元素的残留量。 2 又可减少镁光，烟尘的污染，改善生产环境。 3 提高铸造生产的自动化水平达到铸造生产的闭环控制【3 4 1 。 1 6 课题的主要研究内容 I C a C 2 的加入量对铸铁中S 含量的影响； 2 纯M g 包芯线加入量对蠕墨铸铁石墨形态的影响趋势，获得蠕虫状石墨 的最佳纯M g 包芯线加入量； 3 稀土硅铁包芯线加入量对蠕墨铸铁石墨形态的影响趋势，获得蠕虫状石 墨的最佳稀土包芯线加入量； 4 铸件的冷却速度对铸铁石墨形态的影响。 2 1 试验材料 第2 章试验材料及研究方法 2 1 1 试验用包芯线 由于在喂线法生产蠕墨铸铁的试验过程中，只需要处理1 0 k g 的铁水。根 据以往的研究表明，整个包芯线喂入铁水包的处理过程中完全熔化，才能达到 最佳的处理效果，而蠕化处理对成分的要求极为严格，处理1 0 k g 的铁水通过 计算只需要加入及克至十几克的蠕化剂，所以我们选择0 5 m m 的包芯线。分 别生产蠕化处理用纯M g 包芯线，稀土包芯线和孕育处理用7 5 s j F c 包芯线( 以 下简称M g 线，稀土硅铁线和硅铁线1 。表2 - 1 为三种包芯线内粉料的成分。图 2 - 1 和图2 - 2 分别为生产0 5 r a m 的生产设备与生产出的0 5 m m 包芯线。 表2 - 1 三种包芯线内粉料的成分 T a b l e2 - 1 C o m p e n n e n t c o r e d w i r e 图2 - 1 它b 哪包芯线的生产设各图2 - 2 0 S m m 包芯线 F i g2 - 1P r o d u c t i o n f a c i l i t y o f t h e O S m m c o r e d w i r e F i g2 - 2 0 S m m c o r e d w i r e 1 9 取不同长度的M g 线，稀土硅铁线和硅铁线对长度和质量进行测量获得单 位长度的M g 线，稀土硅铁线和硅铁线所含有的粉料质量如表2 2 至表2 4 。 表2 - 2 单位长度M g 线纯M g 含量 T a b l e2 - 2 T h ew e i g t ho fM gP e ru n i tm i l i m e t t e rc o r e dw i r e 表2 3 单位长度稀士硅铁线稀士硅铁含量 T a b l e2 - 3 T h ew e i g t ho fR E - S i - F eP e ru n i tm i l i m e t t e rc o r e dw i r e 表2 4 单位长度硅铁线7 5 S i F e 含量 T a b l e2 - 4 T h ew e i g t ho f7 5 m - S i F eP e ru n i tm i l i m e t t e rc o r e dw i r e 经过对三种1 2 1 5 m m 包芯线测量，得出) S m m 包芯线外皮钢带长1 2 0 m m 质 量为6 3 9 ，单位长度钢带重0 0 5 2 5 9 m m 。 2 1 2 试验用炉料 试验用炉料成分与配料后计算的炉料成分，采用1 0 0 k w 中频感应电炉熔炼 铁水，每炉1 0 k g 。铁水出炉温度为1 4 2 0 1 4 6 0 。经过对炉料的成分进行计 算配比试验需要的原铁水成分，经过计算的原铁水成分如表2 5 所示。 哈尔滨理T 人学T 学硕| ，学化论文 表2 - 5 炉料配比 T a b l e2 - 5C h a r g em a t e r i a lm i x t u r er a t i o 2 1 3 试样的制备 通过喂线法法生产蠕墨铸铁，为获得合格蠕化率的蠕墨铸铁，需要根原铁 水的含S 量加入适量脱S 剂将铁水中S 的含量控制在O 0 1 0 0 1 5 范围内。出 炉后加入合适量的蠕化剂，使铸铁中的石墨蠕化。铸件的壁厚对蠕墨铸铁的蠕 化率产生影响。为获得加入脱S 剂的最佳加入量，蠕化剂的最佳加入量以及铸 件的壁厚对石墨形态的影响，本文设计了如下的试验方案。 1 根据生铁与废钢的成分计算配料确定原铁水中的含S 量范围，加入不同 量的脱S 剂，直读光谱分析脱S 前后的含S 量，根据脱S 效率选择合适的脱S 剂与 加入量将铁水的含S 量控制在0 0 1 - - 0 0 1 5 。 2 参考传统蠕墨铸铁工艺中M g 的加入量以及喂线技术在球墨铸铁生产中 应用的数据，计算加入铁水中的M g 量与稀土量根据计算出的M g 线加入量。熔 炼1 0 k g 铁水加入脱S 计，分别加入不同的M g 线进行处理同时加入固定量的稀土 线与0 1 2 5 7 5 S i F e ，获得形成蠕虫状石墨最优的M g 残留量的范围。 3 熔炼1 0 k g 铁水加入适量的脱S 剂，在蠕虫状石墨形成的最优的M g 的加入 量范围内加入M g 线同时加入不同的量的稀土线在加入0 1 2 5 7 5 F e S i ，取金相 片样，直读光谱样获得铸铁中稀土残留量对石墨形态的影响趋势获得形成蠕虫 状石墨最优的稀土残留量的范围 4 熔炼1 0 k g 铁水加入适量的脱s N ，在蠕虫状石墨形成的最优的M g 的加入 量范围内加入M g 线同时加入最佳量的稀土硅铁线，浇注梯形试样，获得不同 的凝固时间对铸铁石墨形态的影响趋势。 哈尔滨理T 人学下学硕l j 学位论文 2 2 分析方法 2 2 1 材料的成分分析 材料的成分分析采用哈尔滨东安发动机公司铸造3 车间的A R L 4 4 6 0 直读 光谱仪对试样的成分进行光谱分析。 2 2 2 石墨形态的观察 选取浇注好的试样，在砂轮上将其一面磨平到脚，用水砂纸初磨，在使用 0 1 0 5 金相砂纸依次磨光，没换一号砂纸时，应将试样清洗、擦干并在水平旋 转9 0 度后继续磨光，最后用C r 2 0 3 进行抛光。 采用O L Y M P U SG X 7 1 倒置式金相显微镜，最大放大倍数1 5 0 0 倍，最小分 辨率O 3 7 a m 对试样进行石墨形态的观察，分别选取1 0 0 倍和5 0 0 倍的放大倍数照 会相。 2 2 3 能谱分析 能谱分析采用F E IS i r i o n 型扫描电镜所配的能谱仪对试样所选的区域进行 能谱分析。能谱的最大分辨率1 2 9 e V 。 哈尔滨理T 人学T 学顾l j 学位论文 第3 章C a C 2 加入量对铁水中S 含量的影响 3 1 引言 根据蠕墨铸铁中蠕虫状石墨的形成机理，蠕化元素加入后先对铸铁进行脱 S 脱O 后残留在铸铁中的蠕化元素彳起到蠕化的做用。要获得蠕虫状石墨铸铁 中的蠕化元素残留量范围很窄，所以要严格控制蠕化元素的加入量。铸铁中的 S 对铸铁中的蠕化元素的残留量影响很大，所以试验中要对蠕化处理前的铁水 进行预脱S ，减小S 对蠕化元素的影响。 3 2C a C 2 脱S 的试验结果 根据所配的炉料成分计算所得原铁水含s ( o 4 1 7 加4 5 2 ) ，根据传统蠕墨 铸铁生产的要求，要求蠕化处理前原铁水的含s ( 0 O l 加0 2 ) 。所以要对蠕化 处理前的铁水进行脱S 预处理。本试验选择C a C 2 作为脱S 剂。 根据对5 炉1 0 k g 铁水C a C 2 加入前后的成分对比如表3 - 1 - 表3 - 1C a C 2 加入前后铁水成分对比 T a b l e3 - 6C o m p o n e to ft h ec a s ti r o ni n tt r e a t m e n to fC a C 2 根据对处理前后成分的对比以及要求蠕化处理钱原铁水的含S 量必须控制 在0 0 1 - 0 0 2 1 为的要求，可以观察到每1 0 k g 的原铁水中加入1 4 0 9 的f a G 2 ， 可以达到将铁水中的S 降低到0 0 1 0 7 可以达到要求。为了确定这试验的可重 复性，对3 炉l O k g 铁水C a C 2 加入前后的成分对比如表3 2 ： 表3 - 2C a C 2 加入前后铁水成分对比 T a b l e3 - 2C o m p o n e to ft h ec a s ti r o ni n tt r e a t m e n to fC a C 2 3 1 。 根据表3 1 和表3 2 本文绘制了C a C 2 的加入量与脱S 效率的关系曲线见图 C a C 2 力n A m - ( g ) 图3 1C a C 2 ；0 h A 量与脱S 效率的关系 F i g 3 - 1T h er e l a t i o n s h i po ft h et h ed e s u l p h u r i z a t i o ne f f i c i e n c ya n dt h eC a C 2a d d i t i n g 3 3 C a C 2 脱S 的机理分析 在整个的曲线上我们可以观察到，随着C a C 2 的加入量不断的增加C a C 2 的 脱S 效率有放缓的趋势。加入8 0 9 的C a C 2 理论上来说会脱掉4 0 9 的S ，但是 哈尔演理丁人学T 学顶 ：学位论文 试验结果显示并脱S ，根据C a C 2 的脱S 机理，铁水中C a C 2 的脱S 体系，脱S 产物为C a S 、C a O 。该体系中S = 8 、R = 3 、C = 5 、F = 5 、f = 2 。铁水会发生式( 3 - 1 ) 至式( 3 - 3 ) 等三个独立的平衡反应。 【C 】+ 【O 】= C O ( G ) A Go = 2 7 5 0 8 2 8 8 TJ m o l C a C 2 ( S ) + 【S 】- C a S ( S ) + 2 【C 】 A G o = 3 5 2 7 9 0 + 1 0 6 7 丁J m o l c a s ( s ) + 【O 】= C a O ( s ) + 2 【c 】 A G o - 4 6 2 7 5 0 + 1 3 7 7 4 7 丁J m o l ( 3 - 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) 在口c = 1 时，根据以上3 个平衡反应的A G o 可求出平衡时的以s 、a D 和P c o 值，即式3 4 至式3 - 6 l g a s = - 1 8 4 2 4 T + 5 5 7 l g a D = - 1 8 4 2 4 T + 5 5 7 l g p c D = - 2 4 3 1 1 T + 1 1 5 3 由此求得各温度下平衡时的口s 、a D 和p c 0 值( 见表3 3 ) 。 ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 - 6 ) 表3 - 3C a C 2 脱S 体系平衡时口5 、a D 和p c D 值 T a b l e3 - 3E q u i l i b i u mv a l u eo fa s 、ao a n dp c o i nd u s u l p h u r i z a t i o ns y s t e mo fC a C 2 由表3 - 3 可知，独加入C a C 2 进行铁水脱S 时，脱S 极限可达a s - - 1 0 6 ，脱氧 极限可达口D = 1 0 唱。使用C a C 2 之所以比使用C a O 脱S 效果好是因为后者 2 5 哈尔演理T 人学T 学硕l ：学位论文 p c o = l p 。时，相应的平衡a o 只能达到1 0 - 5 ；而前者在C a C 2 、C a S 、C a O 共存的 平衡体系中，由f t J 立( 3 6 ) 控制的a D 大约可达到1 0 8 ，平衡时的口D a s 值在 1 0 3 2 8 3 之间，所以a 。也能达到很低的水平。可见降低a D 是降低a ；的前提。虽 然C a C 2 脱S 体系具有很强的脱S 能力，但在实际生产中喷吹C a C 2 并不能达到 深脱S 的效果，这是因为采用C a C 2 脱S 属于固、液两相反应，反应速度较慢，在 实际生产条件下没有足够的时问使其达到所期望的深脱S 程度。 通过以上的分析就可以解释了，加入8 0 9 的C a C 2 没有脱S 效率的原因 为，加入的C a C 2 并没有和铁液中的S 充分的反应。 3 4 本章小结 在喂线技术生产蠕墨铸铁的炉前脱S 预处理的试验中本文选择了在1 0 k g 的铁水中加入1 4 0 9 C a C 2 的加入量，经过试验证明可以将原铁水中的S 控制在 O 0 1 0 0 1 5 之间。 哈尔滨理丁大学工学硕士学位论文 第4 章蠕化剂加入量与铸件冷却速度对石墨形态的 影响 4 1 引言 试样研磨、抛光后，光镜下观察石墨形态以及其分布，选择具有代表性的 试样进行拍照和腐蚀观察会相基体组织。参照的金相图来源于中华人民共和 国国家标准G B 7 2 1 6 8 7 ) 、中华人民共和国机械行业标准J B T3 8 2 9 - 1 9 9 9 和铸铁彩色金相学。本文研究的内容并未涉及到铸铁基体组织，所以未对 试验进行腐蚀，只观察石墨形态。 4 2 纯M g 线加入量对铸铁石墨形态的影响 4 2 1 试样金相观察结果 为确定M g 线加入量对石墨形态的影响趋势，通过试验确定M g 线的最佳 加入量，试验中加入一定量的稀土硅铁0 0 2 7 3 和7 5 一S i F e 0 1 2 5 ，改变加入 M g 的量，如图4 1 所示分别为加入M g 范围在0 0 1 2 5 , , , 0 0 2 2 5 喔，盒像照片。由 图中观察到随着M g 线加入量的增加，石墨形态的变化趋势为片状石墨+ c 型 石墨一片状石墨一数量更多的c 型块状石墨一蠕虫状石墨一球状石墨。最佳的 M g 加入量范围为0 0 2 2 5 - - 0 0 2 5 。 溺 篝0 蜜霪 溺酗黼 堕! ：堡兰三查兰三兰竺兰兰堡篁三： 、? 笤：鬻爨 、一，? 、i 茜篱霹 j ，。：o 鬻黎 ，。，j 专二i i 鬈 誊瀵；潮 飞i J - j 。? 蕊二囊溺 、，_ 。u j * 葶意；j 嚏蕊黧 ? 攀篝爱蓊 #- ，o 鬻 口 _ L J | s l 。0 I - I , 修盆i ； 麓，。l 。 。：誓：一囊 j t _ 。- 嚣纛 a ) 0 0 1 2 5 b ) 0 0 1 5 c ) 0 0 1 8 7 d ) 0 0 2 2 5 e ) 0 0 2 5 0 0 0 3 7 5 g 】0 0 5 图4 1 不同的M g 线加入量对石墨形态影响 F i g 4 1 M o r p h o l o g y o f d i f f e r e n t M g e f f e c t t h e g r a p h i t e 4 2 2 纯M g 线加入量对螭化率的影响 通过对纯M g 线加入量对铸铁石墨形态的影响的试验分析，本文得出如图 4 - 2 所示，同时加入稀土硅铁0 0 2 7 3 ，7 5 S i - F e0 1 2 5 1 i _ 寸“ ，纯M g 线加入量 灞黧镬， 溪。 哈尔滨理丁人学丁学硕I j 学位论文 、 专 镁 S 磐 纯M g 线加入量( ) 图4 - 2 纯M g 线加入铁水中钝化M g 的比重对铸件蠕化率影响 F i g 4 - 2E f f e c to ft h er a t i oo fc o m p a c t e dg r a p h i t ew i t ht h ep u r eM g 对铸件蠕化率影响。 如图中所示，随着纯M g 加入量不断的增加，在纯M g 加入量在 0 0 1 2 5 - - 0 0 1 8 7 范围内铸件的最终石墨形态为片状石墨。0 0 2 2 5 - 0 0 2 5 范 围内铸铁中出现蠕虫状石墨，蠕化率在7 5 8 5 范围内。当加入量超过 0 0 2 5 时铸铁的球状石墨的数量急剧的增加，蠕虫状石墨的数量急剧的降低。 需要得到蠕化率在7 5 以上的M g 的加入量范围只有0 0 0 2 5 范围窄较难控 制。 4 3 稀土硅铁线加入量对铸铁石墨形态的影响 4 3 1 试样金相观察结果 以纯M g 线加入的最佳值为基础，在0 5 0 m m 的范围内改变稀土硅铁线的 加入量，得出如图4 3 所示不同的稀土硅铁加入量对石墨形态的影响。通过对 图4 3 对比可以发现，稀土硅铁加入量在O 0 0 0 2 7 3 的范围内，并未对铸铁 的石墨形态起到决定性的因素。为了证明这一试验结论我们对三次试验进行了 能谱分析。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 若鐾鬻辫攀黉琴巍。、键蛲7 鬟零j 誊黪溺i 鬻 。篱奄黢净_ ；_ _ 鬟i t ”，r 一 善 鍪鏊熬溪蓬鎏鬓黪誊一j i 懑誊囊蕊l 翁戳震鬟黼 a ) O D b n 0 0 7 c ) 0 0 1 8 图4 - 3 不同的h l g 线加入量对石墨形态影响 F i g A - 3 M o r p h o l o g yo f d i f f e r e n t M g e f f e c t t h e 舯p h i k 4 3 2 试样的能谱分析结果 图4 - 4 到图4 6 分别为R - 3 1 试验，R 3 2 试验和R - 3 3 试验的E D S 分析。图 4 7 到图铀分别为R - 3 1 试验，R - 3 2 试验和R - 3 3 试验的E D S 分析时所选区域 的扫描电镜照片。表4 1 为能谱分析的成分，通过对以上试验结果的对比得 出，随着稀土硅铁的加入，铁水中c e 的含量逐渐的增多，所选区域的能谱成 分已经证实了这儿点。 所选区域的金相图也证实了在金相观察中的试验结果，稀土硅铁加入量在 0 0 - 0 0 2 7 3 的范围内，并未对铸铁的石墨形态以及蠕化率起到决定性的因 素。试验中的c c 含量有不断的提高但是R - 3 1 试验中我们并未加入稀土硅铁， 所以得出能谱定量分析并不完全准确，但是我们可以对其三次试验进行对比分 析。 哈尔滨理T 人学T 学硕l j 学位论文 图4 4 试验的E D S 分析 F i g 4 - 4E D Sa n a l y s eo ft h ee x p e r i m e n t 图4 5 试验的E D S 分析 F i g 4 - 5E D Sa n a l y s eo ft h ee x p e r i m e n t 图4 - 6 试验的E D S 分析 F i g 4 - 6E D Sa n a l y s eo ft h ee x p e r i m e n t 3 1 坠堡篓塞三奎耋三茎堡圭：竺兰矗 臣圈 图4 _ 7 试验的E D S 分析所选区域 扫描电镜照片 图4 1 8 试验的E D S 分析所选区域 扫描电镜照片 4 - 7 E D Sa n a l y s eo f t h e a r e a ( S E M ) F i g 4 - 8 E D Sa n a l y s e o f t h ea r e a ( s E M ) 图4 9 试验的E D S 分析所选区域扫描电镜照片 F i g4 - 9 E D Sa n a l y s e o f t h ea r e a ( S E M ) 表“1 能谱分析的成分 T a b l e 4 - 1 C o m p e n n e to f E D S m a a l y s e 试验 化学成分( ) 编号 COM g S iS C aC e C r F e R 3 10 9 2 30 0 O O1 20 1 8 60 0 1 20 0 1 9 0 0 2 60 0 3 18 7 9 0 R - 3 21 08 5 0 0 0 00 0 1 00 1 6 10 0 1 00 0 1 30 0 6 0 0 0 4 4 8 6 1 7 R - 3 30 9 3 40 0 O O0 0 0 70 2 2 2 0 0 0 60 0 2 5O O 7 50 03 38 6 9 8 4 3 3 稀土硅铁线加入量对蠕化率的影响 如图4 - 1 0 所示加入M g0 0 2 5 ，7 5 - S i - F e0 1 2 5 同时分别加入不同量的稀 土硅铁对铸铁蠕化率的影响。 哈尔演删T 人学T 学硕f ：学化论文 稀土硅铁加入量( ) 图4 1 0 稀士硅铁加入比重对铸件蠕化率影响 F i g 4 1 0E f f e c to ft h er a t i oo fc o m p a c t e dg r a p h i t ew i t ht h ep u r eR E - S i - F e 加入一定量的纯M g 与稀土硅铁加入量在0 0 - 0 0 2 7 3 的范围内，我们可 以得出在该范围内，蠕墨铸铁的蠕化率主要受纯M g 线D i i , x , 量的影响，而与稀 土硅铁的加入量无关。稀土的加入量并未对铸铁的蠕化率造成影响，所以本文 得出文中起蠕化作用的元素主要的M g ，在加入稀土硅铁0 0 加0 2 7 3 的范围 内，由于稀土硅铁的加入量过少，并未起到蠕化的作用。 4 4 铸件的冷却速度对石墨形态的影响 4 4 1 试验的金相观察结果 在进行R 3 1 到R 3 3 试验的过程中浇注了梯形试样，观察铸件的冷却速度 对石墨形态的影响趋势，过程中只取到了R 3 1