毕业设计（论文）-基于三样杯热分析的蠕墨铸铁孕育效果评价研究.doc

河北工业大学2014届本科毕业论文河 北 工 业 大 学毕 业 论 文作 者： 学 号： 101797 学 院：材料科学与工程学院 系(专业)：材料成型系（铸造） 题 目：基于三样杯的蠕墨铸铁热分析特征值及孕育 效果评价 指导者： 教授 评阅者： 2014 年 6月 8号毕业设计（论文）中文摘要基于三样杯的蠕墨铸铁热分析特征值及孕育效果评价摘要：本课题采用三样杯热分析技术来研究蠕墨铸铁孕育效果的影响因素，并在线预测蠕墨铸铁的孕育效果。实验中所用到的三样杯采用不同的样杯变质剂，利用三条曲线上的特征值点来共同反应蠕墨铸铁的孕育效果,并建立与特征值相关联的数学表达式来表征铸铁的孕育效果。经分析研究可知，所得热分析曲线上的特征值中，RTEU(蠕铁共晶最低温度)、HTEU（灰铁共晶最低温度）和BTEU（白铁共晶最低温度）均呈现有规律的变化，（RTEU-BTEU）/(HTEU-BTEU)可以很好的表示蠕墨铸铁的孕育指数，进而可以评价蠕墨铸铁的孕育效果。随着硅含量的提高，RTEU是增大的，HTEU是降低的，BTEU是降低的，其孕育指数则是呈升高的趋势的；随着孕育剂加入量的增多，RTEU是增大的，HTEU是增大的，BTEU是降低的，其孕育指数呈增大的趋势；随着衰退时间的延长，RTEU是降低的，HTEU是降低的，BTEU是降低的，其孕育指数减小。关键词：蠕墨铸铁 孕育效果 热分析 炉前检测 毕业设计（论文）外文摘要Title Evaluation of inoculation and research on characteristics of thermal analysis of Compacted Graphite Iron based on the three cups AbstractIn this paper, three cups of thermal analysis are used to evaluate the inoculation effect of the compacted graphite iron. Different modificators are put in the three cups ,and the eigenvalue points of the three curves will be applied to reflect the inoculation effects of the compacted graphite iron.According to the eigenvalue points, a mathematical expression will be established to show the inoculation effects of the compacted graphite iron.After the analytical investigation, these eigenvalue points on the thermal curve have a regular change,such as the RTEU、HTEU and BTEU.（RTEU-BTEU）/(HTEU-BTEU) can be used to reflect the inoculation index of the compacted graphite iron,and then it can be used to evaluate its inoculation effect.With the increase of the content of silicon,RTEU is increased, HTEU is depressed, BTEU is depressed,and the inoculation effect is increased; with the increase of the add of inoculators, RTEU is increased, HTEU is increased, BTEU is depressed,and the inoculation effect is increased; with the increase of the recession, RTEU is depressed, HTEU is depressed, BTEU is depressed, and the inoculation effect is also depressed.Keywords: compacted graphite iron inoculation effects thermal analysis rapid test before the pouring 目 录1 引言1 1.1蠕墨铸铁简介1 1.2蠕墨铸铁的生产3 1.3热分析技术简介及其在铸造生产中的应用6 1.4课题主要研究的内容72 实验内容和实验方案82.1实验所用到的设备和材料82.2蠕墨铸铁的热分析曲线和特征值含义102.3实验方案123 实验结果与分析133.1硅含量对热分析曲线特征值的影响133.2硅含量对蠕墨铸铁孕育效果的影响163.3孕育剂对热分析曲线特征值的影响173.4孕育剂对蠕墨铸铁孕育效果的影响193.5衰退对热分析曲线特征值的影响203.6衰退对蠕墨铸铁孕育效果的影响233.7对三种铸铁热分析曲线特征值变化的讨论24 结论25 参考文献26 致谢281 引言铸铁主要指灰铸铁、球墨铸铁和蠕墨铸铁等金属材料，它在现代工业中的应用非常广泛。在汽车、坦克的发动机和液压件等铸件中，铸铁材料发挥着不可替代的作用。而在众多的铸铁当中，蠕墨铸铁作为一种新型的铸铁材料，正在受到越来越多重视和关注。蠕墨铸铁具有许多优良的性能，比如它具有较好的力学性能、良好的导热性、优异的耐压性和良好的减震性等，但是它的生产却不容易控制，因为蠕墨铸铁要想得到较高的蠕化率，蠕化剂的加入量必须控制住一个非常窄的范围内，同时蠕墨铸铁的孕育效果的好坏也对其性能有着很大的影响，而影响蠕墨铸铁孕育效果的因素有很多，并且不容易控制，因此它的实际应用受到了一定程度的限制。本文首先对蠕墨铸铁做了一个简单的介绍，并整体的讨论了一下其生产过程。为了使生产中得到的蠕墨铸铁有较好的孕育效果，本课题通过三样杯热分析技术着重研究了硅含量、孕育剂加入量和衰退对其孕育效果的影响。1.1 蠕墨铸铁简介蠕墨铸铁是上世纪发展起来的一种新型铸铁材料，虽然到现在它的发展只有几十年的时间，但是它却受到了人们的巨大重视，得到了迅速的发展。蠕墨铸铁显微组织中的石墨是一种特殊类型的石墨，它的形状既不是片状石墨那样的细长尖锐，也不是球状石墨那样的圆整，但是它有与灰铸铁一样的特点，即共晶团内部石墨互相连续，又有与球状石墨近似的地方，即石墨头部较圆，其位向特点和球状石墨的相似。在普通光学显微镜下看到的典型蠕虫状石墨形状特征如图1-1所示，其长度与厚度之比L/D一般为2-10，比片状石墨（L/D50）小得多，而比球状石墨（L/D1）大，它的石墨形态不如片状石墨那样细长，尖端部分比较厚钝。用扫描电子显微镜观察其立体形貌，如图1-2所示，可见蠕虫状石墨的端部具有明显的螺旋生长的特征，类似于球状石墨，但在石墨的枝干部分，则又有类似于片状石墨的层叠状结构。并且在图片中我们可以明显的观察到，蠕虫状石墨并不是与球状石墨一样孤立的，而是蠕虫状石墨之间是相互连接的，呈现出一种立体结构，这与片状石墨内部相连的特征是近似的，这也导致了蠕墨铸铁具有优于球墨铸铁的导热性。 图1-1蠕虫状石墨的显微组织 图1-2蠕虫状石墨（深腐蚀）的立体形貌影响蠕墨铸铁的物理性能的因素有很多，比如它的基体组织和蠕化率等，其中蠕化率是影响其性能的主要因素。蠕墨铸铁的蠕化率是评定它的组织中的石墨是否受到良好蠕化的指标，其定义为：蠕墨铸铁有代表性的显微组织视野中，蠕虫状石墨与组织中全部石墨数的百分比。但是，蠕墨铸铁的蠕化率本身并不能精确的反映出石墨的形状。因此，为了能准确的评定蠕虫状石墨的形状特征和它的蠕化程度，我们通常用圆形系数（K）1来表示，其定义为 K=4A/L2式中 A单个石墨的面积； L单个石墨的周长。 图1-3石墨的圆形系数值 图1-4石墨圆形系数的图解石墨的圆形系数较好的表示了石墨的形态，图1-3表示石墨的形状与圆形系数值的大致对比，这使得我们能够快速的识别出石墨的形状特点，图1-4是石墨圆形系数的图解分析图。由于蠕墨铸铁中蠕虫状石墨独特的组织特点，它的性能介于灰铸铁和球墨铸铁之间。相比于灰铸铁来说，蠕墨铸铁由于蠕虫状石墨的切割作用较弱而具有更好的力学性能；相比于球墨铸铁，蠕墨铸铁由于蠕虫状石墨内部相连而更好的导热性。而且，蠕墨铸铁还具有优良的减震性、耐压性以及耐疲劳性等性能特点。正是因为蠕墨铸铁具有如此多的优良性能，所以它受到了铸造工作者们的巨大重视，其实际应用也得到了长足的发展。目前，蠕墨铸铁主要应用于发动机及交通运输车辆铸件、冶金设备用件、液压类铸件以及机床类铸件等领域中，并获得了巨大的效益。为了更好的推广并规范蠕墨铸铁的应用，我国相关部门制定了蠕墨铸铁的牌号标准2，如表1-1所示：表1-1国家标准蠕墨铸铁单铸试样力学性能牌号抗拉强度（MPa）屈服强度（MPa）伸长率（%）硬度值（HBW）基体组织RT300dr3002103.0130-190铁素体RT3003002102.0140-210铁素体RT3503502451.5160-220铁素体+珠光体RT4004002801.0180-240铁素体+珠光体RT4504503151.0200-250珠光体RT5005003500.5220-260珠光体1.2 蠕墨铸铁的生产蠕墨铸铁的生产中主要包括配料、熔炼和处理阶段，其中蠕墨铸铁的处理阶段是其中最重要的部分。图1-5是蠕墨铸铁生产的详细流程图 3 。图1-5蠕墨铸铁的详细生产流程图蠕墨铸铁的实际生产中比较难以控制的环节是炉前处理工序。要想得到质量稳定的蠕墨铸铁，必须严格控制以下几个关键因素4：严格控制原铁液（蠕墨铸铁）中硫元素的含量；蠕化和孕育处理时选择合适的蠕化剂和孕育剂，其加入量要适当；严格控制蠕化处理（浇包内）的出铁量；严格控制铁液的温度。蠕墨铸铁化学成分的选择对其性能有着重要的影响，这些化学元素主要包括五大元素、蠕化元素和合金元素，应严格控制它们的含量5。 1.碳当量一般控制在4.3-4.6%范围内，它对蠕墨铸铁的力学性能影响不大；2.碳含量控制在3.4-3.8%范围内，它对蠕铁的性能和蠕化处理过程影响不大； 3.硅含量控制在2.0-3.2%之间，若硅元素含量太低，蠕墨铸铁就会有白口倾向，对于厚大件，硅含量应取下限，薄小件则取上限； 4.锰含量控制在0.1-1.2%之间，若果其含量过高，会使蠕铁中出现脆性相进而导致它的力学性能降低；5.硫含量应控制在0.03%以下，如果含量过高，会增大蠕铁的缩孔缩松倾向；6.磷含量应控制在0.06%以下，过高会使蠕铁中产生磷共晶，降低冲击韧性。 目前,实际生产所应用的蠕化元素包括镁、稀土和钙等三种，其中镁元素的蠕化效果最好，但是单独使用镁作为蠕化元素却十分困难，因为镁的蠕化范围很窄，其含量不容易控制，并且它在蠕化处理时不易抗干扰6。 蠕墨铸铁中所使用的合金元素有许多种，根据它们对共晶石墨化的影响，可以将它们分为两大类：促石墨化元素和反石墨化元素。不同的合金元素对蠕墨铸铁的影响也不同，而且多种合金元素共同起到的作用会比单个合金元素的使用效果更好。蠕墨铸铁的炉前处理是一个非常重要的生产环节，我们应该严格控制蠕化剂的加入量，蠕化剂加入量过高或过低都不会得到高的蠕化率7。随着在铁液中逐渐加入蠕化剂，铸件组织中的石墨会由片状朝着蠕虫状和球状变化。而要想得到蠕虫状石墨，蠕化剂的加入量必须控制在一个非常窄的范围内（不易控制）；铸铁的力学性能也会随着蠕化剂的加入而相应提高，当出现蠕虫状石墨时，其力学性能会发生突变，并得到较大的提升。其后，随着蠕虫状石墨的减少，铸铁性能向球铁发展。蠕化剂如果添加过多，球状石墨就会大量存在，甚至有碳化物析出，这样就会减弱蠕墨铸铁的性能，而如果蠕化剂添加过少，片状石墨就会大量存在。因此，为了获得合适蠕化率的蠕墨铸铁，应该严格控制蠕化剂的加入量8。蠕化处理铁液量也应该有精确的控制，如果处理不当，会导致蠕化元素残留量的波动，进而影响蠕墨铸铁的蠕化效果。蠕化处理温度也应该得到人们的重视，加入不同的蠕化剂，铁液的温度也应该控制在不同的区间。铁液的温度过高或过低，都会影响蠕墨铸铁的性能。蠕墨铸铁的蠕化处理方法有许多，实际生产上，应该根据具体的生产条件选择相应的蠕化处理方法。孕育处理对蠕墨铸铁的显微组织有着重要的影响。因此，良好的孕育处理对蠕墨铸铁的生产及性能有着非常重大的影响9。蠕铁中用到的孕育剂分为两类：稳定碳化物类型的孕育剂和石墨化类型的孕育剂。孕育处理的目的与作用是：消除或减少白口倾向，防止铸铁组织中出现莱氏体和自由渗碳体；调整珠光体和铁素体的比例；延缓蠕化衰退；增加非自发形核核心，细化共晶团并提高其力学性能。然而，生产中采用一般的固体孕育剂时，良好的孕育效果会促进石墨球的形成，使蠕化率降低，即“孕育促球”现象。蠕墨铸铁孕育时，应尽量做到迟后孕育，否则会有孕育衰退的现象。实际生产中，蠕铁孕育处理的方法有许多种，如：随流孕育、瞬时孕育和型内孕育等。因此，在生产蠕墨铸铁时，应该根据浇注现场选择合适的孕育处理方法，以达到理想的效果。以前，我国对蠕墨铸铁的蠕化率的要求不高，规定蠕化率在50%以上的铸铁都可以称为蠕墨铸铁，这也导致了我国蠕墨铸铁生产的不规范。如今，我国新的国家标准与世界标准接轨，规定了蠕化率在80%及其以上的铸铁才可以称之为蠕墨铸铁（不包括低蠕化率的蠕墨铸铁）。这不仅规范了我国蠕墨铸铁的生产，也使得蠕墨铸铁件的质量得到了巨大的提高。图1-6为部分蠕化率的分级图。 （1）蠕化率80% （2） 蠕化率85% （3）蠕化率90% （4）蠕化率95%图1-6部分蠕化率的图谱由图1-6可以看出，随着蠕铁蠕化率的提高，它的组织中球状石墨会越来越少，蠕虫状石墨则会越来越多。1.3 热分析技术的简介及其在铸造生产中的应用热分析技术是一种非常重要的分析方法。随着化学反应的进行和温度的变化，物质的物理、热力学性能也会随之改变，热分析方法就是通过测定这些性质的变化来确定物质结构变化的一种方法10。本课题所采用的三样杯热分析方法就是运用的上述原理。热分析技术已经在铸铁方面有了很长一段时间的研究与应用，它在蠕墨铸铁的实际生产中也取得了较大的发展。热分析技术相比于其他蠕墨铸铁的检测技术而言，其优点在于能够快速检测蠕墨铸铁的蠕化率和孕育效果11，进而能够通过检测结果来调整铁液的成分以及孕育剂和蠕化剂的加入量，从而达到蠕墨铸铁的生产要求。炉前在线检测对蠕墨铸铁的生产有着重要的作用，它能及时对铁液进行检测与评估，并对铁液进行再处理，使之符合生产优质蠕墨铸铁的要求。本实验采用三条热分析曲线的整体状态来共同反映蠕墨铸铁的铁液状态，具体操作是用取样勺从浇包内取出铁液并浇入三样杯中，用热分析仪记录铁液的热分析曲线，通过分析热分析曲线上的特征值点，来测定铁液的状态。生产上,影响蠕墨铸铁孕育效果的因素有很多，主要有碳、硅含量、蠕化剂与孕育剂的加入量等，这些因素均会影响蠕墨铸铁的热分析曲线。本实验主要研究硅含量、孕育剂加入量和衰退对蠕墨铸铁孕育效果的影响。1.4 课题主要研究的内容由于蠕化剂加入量的不易控制，蠕墨铸铁的生产受到了一定的限制。要得到优质的蠕墨铸铁，必须将蠕化率控制在80%以上。蠕墨铸铁孕育效果的好坏对蠕化率有着很大的影响12。本实验主要研究硅含量、孕育剂加入量以及衰退对蠕墨铸铁孕育效果的影响。我们通过三样杯热分析技术，对铁液进行在线炉前检测，通过分析得到的三条热分析曲线来评测铁液质量的好坏，并预测所得到的铸件孕育效果的好坏。在蠕墨铸铁的生产过程中，检验其孕育效果的方法主要有炉前工艺试块检验、金相及力学性能检验和炉前铁液成分的快速分析13。相比于前两种检验方法，用三样杯热分析技术来检验蠕墨铸铁的孕育效果，显得更快速和准确。通过三样杯热分析技术检测蠕墨铸铁的孕育效果，我们可以提前预知铸件的孕育好坏，根据在线检测到的数据来调整铁液的成分，这样就提高了原料的利用率，降低了废品率，得到优质的蠕墨铸铁。本课题主要的研究内容如下：1.探究硅含量对蠕墨铸铁的特征值和孕育指数的影响规律；2.探究孕育剂加入量对蠕墨铸铁的特征值和孕育指数的影响规律；3.探究衰退对蠕墨铸铁的特征值和孕育指数的影响规律。2 实验内容和实施方案2.1 实验所用到的设备和材料2.1.1 实验设备在本课题的实验过程中，我们主要用到熔炼设备（中频炉）和热分析数据采集设备（TSP-3610型）以及浇注设备（取样勺）和样杯。实验中所用到的熔炼设备是30Kg中频感应电炉，出炉温度控制在1500左右，用到的浇包为凹坑式50Kg球化包，浇注时需要预热以除去浇包内的水分；热分析数据采集设备使用TSP3610型数据采集仪，与三样杯配套使用，如图2-1所示。实验所用到的样杯均为圆形树脂砂样杯，中心安装有热电偶，壁厚5mm，其中的电偶丝均涂有涂料作为保护层。样杯样式分为两种：一种样杯是白口样杯，它是用来炉前检测铁液碳、硅含量的，其底部装有碲粒；另一种样杯是用来采集三条热分析曲线的，它用带孔隔层隔开。图2-2为实验所用到的两种样杯。此外，实验中还要用到样杯座、抛光机、线切割机、金相显微镜和砂纸等实验器材。图2-1热分析数据采集仪 2-2实验所用三样杯实验中所用到的样杯是不同的（一种用来测定铁液的碳硅含量，另一种用来测定热分析曲线），而测定热分析曲线的样杯中，它们的内部装有的变质剂是不同的，以得到三条不同的热分析曲线。不同的变质剂所起到的作用是不同的，所以样杯中虽然浇注同样的铁液，但是他们却得到三条热分析曲线。2.1.2 实验材料本实验中所用到的生产蠕墨铸铁试样的原料主要包括生铁、蠕化剂、孕育剂、增碳剂、废钢片和硅铁等。其中所用到的生铁中，碳含量应该高些，硫、磷元素的含量应低些。表2-1为实验中的原料成分表。表2-1实验原料成分表炉料C%Si%Mn%Re%Mg%Ba%P%S%生铁3.801.620.1-0.050.02锰铁6.200.8760.28-0.270.0064硅铁-72.96-0.040.02废钢0.0550.0230.21-0.0180.019蠕化剂-43.96-8.624.26-增碳剂95.00- 孕育剂1.0070-2.5- 注：“-”表示不计 2.2 蠕墨铸铁的热分析曲线和特征值含义本课题主要用三样杯热分析技术来研究蠕墨铸铁的孕育效果，所以实验中得到的热分析曲线尤为重要，而分析所得到的热分析曲线更是重中之重。通过对热分析曲线进行微分求导，可以得到多个特征值，这些特征值反映了铸件的冷却凝固过程14，对这些特征值进行分析，找到相关的数学表达式，就可以评价蠕墨铸铁的孕育效果。图2-3为铸铁的热分析曲线和微分曲线。图2-3铸铁的热分析曲线和微分曲线表2-2热分析曲线上的主要特征值及其含义特征值意义说明TAL初生奥氏体析出温度冷却曲线上的第一个拐点，一阶导数接近于零；TSEF共晶开始形核温度铸铁在TAL和TEU之间，一阶导数出现最小值；TEU共晶最低温度温度回升前最低点，一阶导数等于零；TEM共晶最大再辉温度TEU与TER之间一阶导数最大值，即再辉速度最大值点TER共晶最高温度温度回升后最高点，对应一阶导数等于零；TES共晶结束温度所有金属液全部凝固温度，一阶导数为极小值；Tr共晶再辉温度反映共晶第一阶段期间奥氏体和石墨的析出量。对热分析曲线上所得到的各个特征值进行统一命名，表2-2为各特征值的含义及其说明。本实验中采用热分析曲线上所得到的特征值来表示蠕墨铸铁的孕育指数。经研究分析，(RTEU-BTEU）/（HTEU-BTEU）的比值可以很好的表示蠕墨铸铁的孕育指数。图2-4为蠕墨铸铁孕育指数的图解。由图可知，HTEU-BTEU可以表征稳定系共晶反应所需要的驱动力，其值越大，驱动力越大，稳定系共晶反应不易进行，共晶团数减少，孕育效果减弱，所以该值与蠕铁的孕育呈负相关；当铁液中的碳、硅元素含量不变时，BTEU也是基本不变的，RTEU越小时，表明蠕铁中稳定系共晶反应不易进行，共晶团数减少，所以RTEU-BTEU的差值越大，蠕铁的孕育效果越好，该值与蠕铁的孕育呈正相关。所以为减少实验误差，本实验采用(RTEU-BTEU）/（HTEU-BTEU）的比值来表示蠕墨铸铁的孕育指数。图2-4孕育指数图解 图2-5三样杯热分析曲线图2-5表示蠕墨铸铁的三样杯热分析曲线图。三样杯热分析曲线包括灰口曲线、蠕铁曲线和白口曲线。对所得到的三条热分析曲线进行微分求导，可以得到一系列特征值，由上面的分析可知，通过分析这些特征值就可以求出蠕墨铸铁的孕育指数，进而可以表示蠕墨铸铁的孕育效果。2.3 实验方案2.3.1 实验步骤 根据铁液的目标成分设计配料单，完成配料并准确称量实验原料。蠕墨铸铁孕育效果的影响因素有很多，如碳硅含量、孕育剂与蠕化剂的加入量等，本实验通过改变铁液的硅含量和孕育剂加入量，制取多个试样，来分析不同的硅含量和孕育剂加入量对蠕墨铸铁孕育效果的影响，以达到实验目的。 用单次熔炼30Kg铁液的中频感应电炉进行熔炼，炉前在线检测碳、硅含量并作适当调整，将蠕化剂、孕育剂及覆盖剂依次放入50Kg凹坑式浇注包的包底，采用冲入法进行处理，出炉温度控制在1550，并用取样勺在球化包内取出铁液并浇注三样杯，待铁液冷却凝固后，将得到三种铸铁试样和三条曲线：灰铁曲线、蠕铁曲线和白口曲线。 用MATLAB软件对热分析曲线进行微分求导，得到三条曲线的特征值点，根据这些特征值点分析蠕墨铸铁的孕育效果，并找出这些特征值点与蠕墨铸铁孕育效果之间的相互关系。 制备金相试样，并照金相照片，用Nikon MA100型显微镜观察所得到的蠕墨铸铁试样的孕育效果，并用与之配套的图像分析软件计算孕育率。 将炉前热分析检测到的孕育率和金相组织测定的孕育率进行对比和分析，看它们是否相符合，找出其中的相互关系。2.3.2 化学成分确定本课题主要研究硅含量、孕育剂加入量和衰退对蠕墨铸铁孕育效果的影响。因为其影响因素有很多，所以在实验过程中要控制变量，保持其他影响因素不变，只改变硅含量与孕育剂加入量来进行对比。熔炼铁液时要严格管理炉料，蠕化剂与孕育剂不要混用，而且三种样杯的位置不能放错，否则会对实验结果产生错误的影响。配料时，碳硅含量应控制在合适的范围内，以保证铁液的流动性和充型能力，并且按碳、硅烧损率5%来完成配料。表2-3为实验方案设计表。表2-3实验方案设计表实验编号孕育剂加入量/%蠕化剂加入量/%C/%初硅/%终硅/%Si10.60.53.6351.621.96 Si20.60.53.531.732.12 Si30.60.53.5141.792.22 Si40.60.53.4531.932.33 Si50.60.53.3652.132.66 Si60.60.53.312.192.79 Y110.53.52.02 2.75 Y20.80.53.52.02 2.63 Y30.60.53.52.02 2.50 Y40.40.53.52.02 2.37 Y50.20.53.52.02 2.25 Y600.53.52.02 2.12 S10.50.53.6-2.6 “-”表示不计3 实验结果与分析本课题主要研究硅含量、孕育剂加入量和衰退对蠕墨铸铁孕育效果的影响。通过三样杯热分析技术可以得到三条热分析曲线，对所得到的三条热分析曲线进行微分求导，可以得到一系列特征值点，如TAL（奥氏体析出温度）、TEU（共晶最低温度）、TER（共晶最高温度）等，这些特征值就代表了蠕墨铸铁铁液的状态，再通过相应的数学表达式就可以预测蠕墨铸铁的孕育效果。3.1 硅含量对热分析曲线特征值的影响3.1.1 硅含量对灰铸铁热分析曲线特征值的影响图3-1表示随着硅含量的变化，灰铸铁热分析曲线上各个特征值的变化规律。由图可知，随着铁液中硅含量的升高，特征值TAL是逐渐降低的。硅元素与碳元素是影响铁液碳当量的主要因素，随着铁液中硅元素的增加，铁液的碳当量会增大，而且会越来越接近共晶成分，由Fe-C二元相图可知，铁液接近共晶成分时，初析奥氏体温度会降低，即TAL呈现降低的趋势。从图中还可以看出，随着铁液中硅含量的升高，特征值TEU是呈升高趋势的。铁液中硅元素是促石墨化元素，随着铁液中硅含量的增加，碳原子变得更容易扩散，使得稳定系共晶形核所需要的驱动力变小，而且硅元素能够增加铁液中稳定系共晶形核的核心，促进共晶反应。所以，综合上述两方面的原因可知，随着铁液中硅含量的增加，共晶最低温度TEU是呈上升趋势的。图3-1也表示出了随着硅含量的变化，灰铸铁热分析曲线上TER的变化规律。由图可知，虽着铁液中硅含量的升高，特征值TER是逐渐升高的。因为随着铁液中硅含量的增加，碳原子的扩散变得容易，稳定系共晶形核核心增多，稳定系共晶反应所需要的驱动力降低，进而稳定系共晶反应会得到促进，因此释放的结晶潜热也会增多，所以灰铸铁热分析曲线上TER会呈现逐渐升高的趋势。 图3-1硅含量对灰铁特征值的影响3.1.2 硅含量对蠕墨铸铁热分析曲线特征值的影响图3-2表示随着硅含量的变化，蠕墨铸铁热分析曲线上各个特征值的变化规律。由图可知，随着铁液中硅含量的升高，特征值TAL总体上是呈降低趋势的。碳和硅元素是影响铁液碳当量的主要元素，随着铁液中硅含量的增加，铁液的碳当量是随之增大的，由Fe-C二元相图可知，液相线BC是随着碳当量的增大而降低的，其温度呈下降趋势，所以随着铁液中碳当量的增大，初析奥氏体的温度是降低的。从图中还可以分别看出随着铁液中硅含量的变化，蠕墨铸铁热分析曲线上TEU和TER的变化规律。由图可知，TEU和TER随着硅含量的增大而总体上呈现不变的趋势。蠕墨铸铁的生产中，由于加入蠕化元素，而这些蠕化元素是会抑制稳定系共晶反应的，使之不容易进行，所以会使得TEU降低，TER减小；而蠕化剂中含有40%的硅元素，硅元素与蠕化元素所起到的作用正好相反。它会使TEU增多，TER也增大。铁液中由于这两方面因素的作用，所以蠕墨铸铁特征值中，TEU和TER是呈不变的趋势的。 图3-2硅含量对蠕铁特征值的影响3.1.3 硅含量对白口铸铁热分析曲线特征值的影响图3-3表示随着铁液中硅含量的变化，白口铸铁热分析曲线上各个特征值的变化规律。由图可知，TAL随着硅含量的增大而变化不大，TEU则是随着硅含量的增大而降低的。硅含量增大时，会使铁液中的碳当量增大，根据Fe-C相图可知，它会使奥氏体析出温度降低，即TAL减小；并且硅含量的增高也能够促进稳定系共晶形核核心的增多，降低稳定系共晶反应所需要的驱动力，促进稳定系共晶反应，使得稳定系共晶反应所放出的结晶潜热增多，从而使TEU升高。但是在白口铸铁的生产中，铁液是需要很大的过冷度的，以促进介稳定系共晶反应的进行，使得渗碳体得以析出。上述几方面的影响是相反的，综合这几方面的影响，会使得白口铸铁的热分析曲线上TAL的变化不大，而TEU会降低。 图3-3硅含量对白口特征值的影响 3.2 硅含量对蠕墨铸铁孕育指数的影响蠕墨铸铁的生产中，硅元素的含量应该控制在合适的范围内，若硅含量过低，则蠕墨铸铁会有白口倾向，影响其性能；若硅含量过高，则蠕墨铸铁中的球状石墨会增多，蠕化率降低。对于薄壁件，硅含量可适当提高，而对于厚壁件，铁液中的硅含量应该适当的低一些15。本实验通过研究硅含量对蠕墨铸铁孕育效果的影响，发现随着铁液中硅含量的增加，蠕墨铸铁的孕育指数呈升高的趋势。图3-4表示硅含量对蠕墨铸铁孕育指数的影响。这表明随着硅含量的提高，蠕墨铸铁的孕育效果变好。硅元素的含量在一定范围内能够促进稳定系共晶形核的生长，降低稳定系共晶反应所需要的驱动力，促进稳定系共晶反应的进行；而且随着硅含量的增加，稳定系共晶形核的核心也会增多，从而使得共晶团组织变得细小且数量增多，所以随着提高铁液中硅含量的增大，蠕墨铸铁的孕育效果会变好16。 图3-4硅含量对蠕墨铸铁孕育指数的影响3.3 孕育剂加入量对热分析曲线特征值的影响3.3.1 孕育剂加入量对灰口铸铁热分析曲线特征值的影响图3-5表示孕育剂加入量对灰口铸铁热分析曲线上特征值的影响规律，从图中可以看出，随着孕育剂加入量的增加，TAL呈下降趋势，TEU和TER呈上升趋势。随着孕育剂加入量的增大，铁液中的碳当量变化不大，根据FE-C相图可知，TAL是随着碳当量的增大而降低的（共晶成分以内），而当碳当量变化不大时，TAL也是变化不大的；铁液中稳定系共晶形核的核心会随着孕育剂的加入而增大的，孕育剂会降低稳定系共晶反应所需要的驱动力，促进稳定系共晶反应的进行，增大稳定系共晶反应所释放出的结晶潜热，所以会使得TEU和TER增加。 图3-5孕育剂加入量对灰铁特征值的影响3.3.2 孕育剂加入量对蠕墨铸铁热分析曲线特征值的影响图3-6是孕育剂加入量对蠕墨铸铁热分析曲线特征值的影响，从图中可以看出，随着孕育剂加入量的增加，TAL呈下降趋势，TEU和TER呈上升趋势。由于蠕化剂中含有40%的硅元素，硅元素的加入会使得铁液中碳当量变大，根据Fe-C相图可知，这会使得奥氏体初析温度TAL变低；而随着孕育剂的增加，铁液中稳定系共晶形核的核心是增多的，孕育剂会降低稳定系共晶反应所需要的驱动力，促进稳定系共晶反应的进行，增大稳定系共晶反应所释放出的结晶潜热，所以会使得TEU和TER增加。 图3-6孕育剂加入量对蠕铁特征值的影响3.3.3 孕育剂加入量对白口铸铁热分析曲线特征值的影响由图3-7可以看出，随着铁液中孕育剂加入量的增加，白口特征值TAL和TEU均呈现出下降的趋势。因为铁液中的碳当量会随着孕育剂的加入而增大，由Fe-C相图可知，碳当量增大时，奥氏体析出温度会降低，所以TAL降低；而且在白口铸铁的生产中，是需要很大的过冷度的，以保证并促进介稳定系共晶反应的进行，这会使TEU大大降低，虽然孕育剂的加入会增大TEU，但是其增大效果不如上面的降低效果，所以总体上，TEU是降低的。 图3-7孕育剂加入量对白口特征值的影响3.4 孕育剂加入量对蠕墨铸铁孕育指数的影响孕育剂加入量对蠕墨铸铁的孕育指数有很大的影响，在一定的范围内，随着孕育剂加入量的增加，蠕墨铸铁的孕育效果会显著提高。图3-8表示了孕育剂加入量对蠕墨铸铁孕育指数的影响规律。从图中可以看出，随着孕育剂加入量的增加，蠕墨铸铁的孕育指数显著增大，即蠕墨铸铁的孕育效果是随着孕育剂加入量的增加而提高的。这是因为在铁液中加入孕育剂时，稳定系共晶核心增多，进而促进稳定系共晶反应的进行，使得蠕墨铸铁基体中的共晶团数变多，从而提高它的孕育效果。 图3-8孕育剂加入量对蠕墨铸铁孕育指数的影响3.5 衰退对热分析曲线特征值的影响3.5.1 衰退对灰铸铁热分析曲线特征值的影响图3-9表示随着衰退时间的延长，灰铸铁热分析曲线上各个特征值的变化规律。由图可知，在衰退过程中，TAL随着衰退时间的延长是呈现上升的趋势的。这是因为初生奥氏体析出温度TAL与铁液的含氧量有关，随着铁液含氧量的升高，TAL呈上升趋势17。在铁液的保温阶段中，铁液与大气接触，氧气通过溶解而进入铁液，导致铁液的氧含量增加，从而促进奥氏体的形核生长，即TAL升高。从图中还可以分别看出随着衰退时间的延长，灰铸铁热分析曲线上TEU和TER的变化规律。由图3-9可知，随着衰退时间的延长，TEU是降低的。这是因为铁液中存在残留的RE和Mg元素，导致稳定系共晶生长困难，从而使得铁液的过冷度增大。而且随着衰退时间的延长，铁液孕育衰退的现象越发明显，共晶结晶核心大量减少18；随着衰退时间的延长，TER是呈降低的趋势的。这是因为铁液中存在的蠕化元素阻碍稳定系共晶反应的进行，导致稳定系结晶潜热减少，故TER降低。 图3-9衰退时间对灰铁特征值的影响3.5.2 衰退对蠕墨铸铁热分析曲线特征值的影响图3-10为衰退过程中，蠕墨铸铁热分析曲线上各个特征值的变化规律。由图可知，随着衰退时间的延长，TAL是呈上升趋势的。在铁液与氧气的接触过程中，氧气会通过溶解而进入铁液，与铁液中的元素生成氧化物，这些氧化物会形成奥氏体结晶的晶核，使得奥氏体更容易析出，从而使奥氏体析出温度增大。而且进入铁液中的氧气也会与碳、硅等元素起化学反应，从而造成这些元素的烧损。碳、硅等元素烧损后，会降低铁液中的碳当量，使得奥氏体析出温度增大。综合上述两方面因素的影响，可知TAL是增大的。 从图中还可以看出，在衰退过程中，蠕墨铸铁热分析曲线上TEU的变化规律。由图可知，随着衰退时间的延长，TEU是降低的。铁液中存在残留的蠕化元素，会导致稳定系共晶生长变得困难，而且随着衰退时间的延长，铁液孕育衰退的现象就会越来越明显，使得稳定系共晶结晶核心大量减少。图3-10还可以表示出在衰退过程中，蠕墨铸铁热分析曲线上TER的变化规律。由图可知，随着衰退时间的延长，TER是升高的。因为蠕化剂中的蠕化元素会阻碍稳定系共晶反应的进行，这会使得稳定系共晶反应所释放的结晶潜热降低19，但是随着衰退时间的延长，蠕化剂中蠕化元素会大大降低，其所起到的作用会减弱，所以稳定系共晶反应会增多，使结晶潜热增多，即TER增大。 图3-10衰退时间对蠕铁特征值的影响3.5.3 衰退对白口铸铁热分析曲线特征值的影响图3-11表示衰退过程中，白口铸铁热分析曲线上各个特征值的变化规律。由图可知，随着衰退时间的延长，TAL是升高的，而TEU则变化不大。这与衰退时间对灰铸铁与蠕墨铸铁热分析曲线上相同特征值的影响规律是一致的。因为随着衰退时间的延长，由于孕育剂的衰退作用，铁液的碳当量会降低，根据Fe-C相图可知，随着碳当量的降低，奥氏体析出温度是增大的，即TAL升高；而白口铸铁的生产时是需要很大的过冷度的，这会促进介稳定系共晶反应的进行，从而使BTEU降低,但是，随着衰退时间的延长，氧气进入铁液使得稳定系共晶核心增多，促进稳定系共晶反应的进行，使得BTEU升高，综合上述两方面的原因，BTAL的变化不大。 图3-11衰退时间对白口特征值的影响3.6 衰退对蠕墨铸铁孕育指数的影响在蠕墨铸铁的生产中，铁液从孕育、蠕化处理到浇注完成时需要一定的时间，在这一段时间内，铁液性质会发生变化，即产生衰退现象。图3-12为衰退时间对孕育指数的影响。 图3-12衰退时间对蠕墨铸铁孕育指数的影响从图3-12中可以看出，随着衰退时间的延长，蠕墨铸铁的孕育指数呈现下降趋势，即其孕育效果减弱，而蠕化率则随着孕育指数的下降而升高。蠕化率呈上升趋势是因为残留Mg和RE元素的烧损以及形核核心的减少所致。在高温条件下，铁液中的活性Mg会挥发出去，从而脱离铁液，另外一部分的蠕化元素会与氧元素接触，生成稳定的氧化物，进而失去了蠕化作用20。蠕墨铸铁的孕育指数呈下降趋势是受到了孕育衰退的影响，随着铁液停留时间的延长，蠕墨铸铁孕育衰退的现象越明显，孕育效果就会降低，因此其孕育指数也呈现下降的趋势。3.7 对三种铸铁热分析曲线特征值变化的讨论由上述分析可知，硅含量、孕育剂加入量和衰退均对三种铸铁热分析曲线的特征值有一定的影响。热分析曲线特征值的变化反映了铁液性质的变化，即铁液凝固过程的变化。上述三种因素都会影响铁液的凝固过程，它们有的促进稳定系共晶反应，降低稳定系共晶反应的驱动力；有的则抑制稳定系共晶反应，增大稳定系共晶反应的驱动力。这些变化都会引起热分析曲线上特征值的变化。热分析曲线上特征值的变化主要反映了温度的变化，它表示了铁液凝固过程中结晶形核的难易程度。通过分析三种铸铁热分析曲线上特征值的变化，可以预测铁液的性质，进而可以生产出高质量的蠕墨铸铁。结 论本实验做了硅含量、孕育剂加入量和衰退对蠕墨铸铁特征值及孕育效果影响的研究。实验过程中采用控制变量法，依次对每一个影响因素单独做实验，然后对所得到的三条热分析曲线做微分求导，得到一系列特征值，通过对这些特征值做数学分析，来预测并评估蠕墨铸铁的孕育效果。通过对一系列的实验结果的分析，得出了以下一些结论：1. 随着铁液中硅含量的升高，灰铁特征值中，HTAL呈降低的趋势，HTEU呈升高的趋势，HTER呈升高的趋势；蠕铁特征值中，RTAL总体上是呈现降低趋势的，RTEU和RTER总体上变化不大；白口特征值中，BTAL变化不大，BTEU则呈降低的趋势。2. 随着铁液中硅含量的增加，蠕墨铸铁的孕育指数呈升高的趋势，这表明随着硅含量的提高，蠕墨铸铁的孕育效果变好。3. 随着孕育剂加入量的增加，灰铁特征值中，HTAL呈下降趋势，HTEU和HTER呈上升趋势；蠕铁特征值中，RTAL呈下降趋势，RTEU和RTER呈上升趋势；白口特征值中，BTAL和BTEU均呈现出下降的趋势。4. 随着孕育剂加入量的减少，蠕墨铸铁的孕育指数显著降低，这说明了蠕墨铸铁的孕育效果是随着孕育剂加入量的增加而提高的。5. 随着衰退时间的延长，灰铁特征值中，HTAL呈现上升的趋势，HTEU呈降低趋势，HTER呈降低的趋势；蠕铁特征值中，RTAL呈上升趋势，RTEU呈降低趋势，RTER呈上升趋势；白口特征值中，BTAL呈升高的趋势，而BTEU则变化不大。6. 随着衰退时间的延长，蠕墨铸铁的孕育指数呈现下降趋势，即其孕育效果减弱，而蠕化率则随着孕育指数的下降而升高。参 考 文 献1陆文华，黄良余李隆盛.铸造合金及其熔炼M.北京：机械工业出版社， 2002.8:74-82.2 张忠仇，吴现龙等.蠕墨铸铁新国家标准介绍J.现代铸铁.2012(1):15-18.3 邱汉泉.蠕墨铸铁及其生产技术.北京：化学工业出版社，2010.6.4 T.Schroeder，S.Dawson . Practical Applications for Compacted G