（材料学专业论文）可锻铸铁快速退火工艺研究.pdf

摘要 摘要 可锻铸铁广泛用于汽车底盘零件、纺织器械以及输水输油管道接头的制造。与 其它铸铁相比，可锻铸铁具有较好的综合力学性能、良好的切海8 加工渡能及耐蚀性 能。但由予可锻铸铁生产过程中石墨化退火周期太长，能源消耗量大，对环境污染 严重，因而有必要研究可锻铸铁的快速退火工艺。 本文从调整铁水成分( 主要为碳、硅含量) ，配制新型复合孕育剂，优化石墨化 退火工艺等途径出发，探索能实现铁素体可锻铸铁快速退火的新工艺。试验设计了 主要化学威分范围麓c1 6 - 3 。0 ，s i1 3 - 2 7 的五种不同碳硅含量的铁水成分及分 别含有微量b i 、s b 、t e 元素的三种新型复合孕育剂。采用无芯中频感应电炉熔炼铁 水，经包内瞬时孕育后浇铸成型。试样在箱式电阻炉进行石墨化退火，其中第一阶 段退火温度为8 5 0 ，第二阶段退火温度为7 2 0 ，退火完成后随炉冷至6 0 0 出炉 空冷。使用光学显微镜、扫描电镜( s e m ) 及能谱分析仪对试样铸态及退火后的组织进 行观察和分析，研究了铁水化学成分和孕育剂种类对可锻铸铁组织及石墨化退火周 期的影响，并对其孕育机理进行了探讨。此外，通过拉伸及冲击试验，检测了试样 退火后的综合力学性能。 研究结果表明： 与传统可锻铸铁不同，本试验所铸试样的铸态组织中均存在不同形态的铸态石 墨，其中化学成分为c1 。6 2 。o 、s i2 2 - 2 。6 、m n0 。3 - - 0 8 、s o 1 、p 墨妇1 的铁水，经含b i 孕育剂孕育处理的试样铸态组织中石墨形态最佳，为均匀分布的细 小球状及点状石墨，基体组织显著缨化，渗碳体含量大幅减少；经1 5 h 石墨化退火 即可获得石墨形态优良的铁素体基可锻铸铁，比传统可锻铸铁石墨化退火周期缩短 5 0 6 0 ，且其综合力学性能凫好，优于k h t 3 5 1 0 牌号可锻铸铁。 孕育剂中s i 的加入加剧了铁液中s i 的浓度起伏，形成许多局部的高s i 及低s i 微区。在高s i 区，s i 削弱了铁原子与碳原予的结合力，提高了c 在铁水中的活度， 促进石墨的均质形核并长大，析出缨小的球状铸态石墨；丽在低s i 区，大量c 原子 优先以f e 3 c 的形式析出，少量c 原予以t i 或s i 的化合物为基质发生异质形核，析“ 出细小的点状铸态石墨。同时，孕育刹中徽量的b i 、勋元素为表面活性元素，易吸 附予石墨铁水界面，提高铸态石墨的形核率，阻止铸态石墨长大过程中的形态畸变。 关键词可锻铸铁；快速退火；孕育荆；孕育处理；石墨化：孕育机理 河北科技人学硕十学位论文 a b s t r a c t m a l l e a b l ec a s t i r o ni se x t e n s i v e l yu s e di nm a k i n gp a n so fm o t o r - v e h i c l ec h a s s i s ， t e x t i l ea p p a r a t u s ，o i lp i p ec o n n e c t i o na n dw a t e rp i p eh e a dd u et oi t sb e t t e rc o m b i n a t i o n m e c h a n i c a lp r o p e n y m a c h i n a b i l i t ya n dc o r r o s i o nr e s i s t i n gp r o p e r t y b e c a u s et h ep e r i o d i c t i m ef o ri t sg r a p h i t i z i n ga n n e a l i n gi st o ol o n g , a n dt h ep r o c e s so fg r a p h i t i z i n ga n n e a l i n gi s h i g he n e r g yc o n s u m p t i o na n dp o l l u t i n g ，s om a k i n gas t u d yo fq u i c ka n n e a l i n gt e c h n o l o g y o fm a l l e a b l ec a s t i r o ni se s s e n t i c a l i nt h i sp a p e r , w em a i n l ys t u d yt h er a p i da n n e a l i n gt e c h n o l o g yf o rf e r r i t em a l l e a b l e c a s t - i r o nb ya d j u s t i n gt h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o no fm o l t e ni r o n , f a b r i c a t i n gt h en e w c o m p o u n di n o c u l a n ta n do p t i m i z i n gt e c h n i c so fg r a p h i t i z i n ga n n e a l i n g i nt h i se x p e r i m e n t w ed e s i g n e df i v ed i f f e r e n tk i n d so fc h e m i c a lc o m p o s i t i o no fm o l t e ni r o no fw h i c ht h e c a r b o na n ds i l i c ac o n t e n tw a sw i t l l i nt h es c o p eo fc1 6 - - 。3 o & s i1 3 - 2 7 ，a n dt h r e e d i f f e r e n tk i n d so fi n o c u l a n tw h i c hr e s p e c t i v e l yc o n t a i n e dt i t t l eb i ，s ba n dt e m o l t e ni r o n w a sm e l t e db yc o r e l e s si n d u c t i o nf u r n a c e ，a n dc a s ti n t or o u n ds a m p l e sa f t e rf a s t i n o c u l a t i o ni nt h eh o tm e t a ll a d l e t h eb o x - t y p er e s i s t a n c ef u r n a c ew a su s e df o r g r a p h i t i z i n ga n n e a l i n go fs a m p l e s ，o fw h i c h , t h ef i r s ts t a g et e m p e r a t u r ew a s8 5 0 ，a n dt h e s e c o n ds t a g et e m p e r a t u r ew a s7 2 0 a n dt h et e m p e r a t u r ew a sb r o u g h td o w nw i t ht h e f u r n a c et o6 0 0 。cw h e ng r a p h i t i z i n ga n n e a l i n gh a db e e nf i n i s h e d a n ds a m p l e sw e r e q u i c k l yt o k eo u tt oc o l dt or o o mt e m p e r a t u r ew h e nt e m p e r a t u r ew a s6 0 0 w eu s e d o p t i c a lm i c r o s c o p e ， s c a n n i n ge l e c t r o n i cm i c r o s c o p ea n de n e r g ys p e c t r u ma n a l y z e rt o o b s e r v ea n da n a l y z et h ec a s ta n da n n e a l e do r g a n i z a t i o n ，s t u d i e dt h ei n f l u e n c eo fc h e m i c a l c o m p o s i t i o no fm o l t e ni r o na n di n o c u l a n ti nt h es t r u c t u r ea n dg r a p h i t i z i n ga n n e a l i n gt i m e o ff e r r i t em a l l e a b l ec a s t i r o n ，r e s a e c h e di n o c u l a t i o nm e c h a n i s mo fi ta n dt e s t e dt h e m e c h a n i c a lp r o p e r t yo fs a m p l e sb yt e n s i o na n di m p a c t - t o u g h n e s st e s t i n g a n dt h er e s e a r c hr e s u l t sw e r e 嬲f o l l o w s t h ef i r s t ，u n l i k et h ec o m m e nm a l l e a b l ec a s t i r o n ，t h e r ew e r ea l ls o m ea s c a s tg r a p h i t e i nt h ea s - c a s ts t r u c t u r eo fs a m p l e s a n dt h ea s c a s tg r a p h i t eo ft h es a m p l e ，w h i c hw a s 。 m a d eb yt h en o 1ls c h e m e m a i n l yc o n t a i n e dc1 6 2 o ，s i2 2 - - 2 6 ，m n0 3 - - 0 8 ， s 卯1 ，p5 0 1 a n dh a sb e e ni n o c u l a n t e db yt h ei n o c u l a n tc o n t a i n i n gb i ，h a dt h eb e s t s h a p e a d d i t i o n a l l y ，i t s a s c a s ts t r u c t u r ew a so b v i o u s l y t h i n n i n ga n dt h ec o n t e n to f c e m e n t i t ew a so b v i o u s l yr e d u c e d t h i ss a m p l eo n l yn e e d e d15h o u r s ，w h i c hw a st h e s h o r t e s tt i m e ，t og r a p h i t i z i n ga n n e a lt of e r r i t em a l l e a b l ec a s t - i r o nw i t ht h eb e s ts h a p e a b s t r a c t 角昌：；鲁宣昌昌昌= ：= ：= = ：= ：；鲁盲= 皇= 宣= = = = = = ；= 宣= = ；毫掌皇昌昌宣= = = ；= = = = 辛昌昌= = ；昌= 穹= 昌昌穹；号喜 g r a p h i t e a n di th a dg o o dc o m p l e xm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，w h i c hw a sb e t t e rt h a n t h e c a s t i r o no fk h t 35 10 t h es e c o n d ，t h es ii ni n o c u l a n ti n t e n s i f i e dc o m p o s i t i o nf l u c t u a t i o n so fh o ti r o nt o f o r mm a n yl o c a lm i c r o d o m a i nw h i c hc o n t a i n e dh i g ho rl i g h tc o n c e n t r a t i o ns i i nt h e m i c r o d o m a i no fh i g hc o n c e n t r a t i o no fs i ，s iw e a k e n e dt h ee o m b i n a t i v ea b i l i t yo fi r o na n d c a r b o na t o m s ，i n c r e a s e dt h ec a r b o na c t i v i t yi nt h ei r o n ，a n dp r o m o t e dh o m o g e n e o u s n u c l e a t i o na n dg r o w i n go fg r a p h i t et os e p a r a t eo u tp e t t ya n ds p h e r o i d a la s c a s tg r a p h i t e i n t h em i c r o d o m a i no fl i g h tc o n c e n t r a t i o no fs i ，m o s to fc a r b o na t o m sr e c e i v e dp r i o r i t yi n s e p a r a t i n gf e 3 c ，a n df e wo n e sp r e c i p i t a t e dp e t t ya n dp o i n t i u i z ea s - c a s tg r a p h i t eb yt h e h e t e r o g e n e o u sn u c l e a t i o n ，o fw h i c h ，t h es t r o m aw a st h ec o m p o u n do f t io rs i a tt h es a m e t i m e t h eb i & r ew e r es u r f a c ea c t i v ed e m e n t s ，a n de a s yt oa d s o r bo ni n t e r f a c eo fg r a p h i t e a n dh o ti r o nt oi n c r e a s et h en u c l e a t i o nr a t eo fa s - c a s tg r a p h i t ea n dp r e v e n tt h e mf i o m s h a p ea b e r r a t i o n k e yw o r d s m a l l e a b l ec a s t - i r o n ；s h o r ta n n e a l i n g ；i n o c u l a n t ；i n o c u l a t i o n ；g r a p h i t i z a t i o n ； i n o c u l a t i o nm e c h a n i c s i 河北科技大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方 式标明。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品或成果。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：营投：刍 指导教师签名： 叩年，月万同 洳今年s 其次目 ；- - i ：l t ：科技大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权河北科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 口保密，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 面不保密。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：带反i 刍 洲r 叫下 指导教师签名：么乙石石 7 石 抛7 年f 月如同 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1可锻铸铁的性能特点及主要应用 可锻铸铁( 又称为玛钢或玛铁) 一般是由亚共晶白口铸铁经过高温石墨化退火 制成。退火过程中，白口铸坯中的渗碳体分解并产生团絮状石墨或碳被氧化而脱除， 其基体组织取决于热处理规范，按处理后基体组织的不同可分为铁素体可锻铸铁和 珠光体可锻铸铁。 可锻铸铁中石墨一般呈团絮状，含量较少，应力集中现象不太显著，对铸铁的 有效负荷面积减小不多，因此抗拉强度可达3 0 0 - - 一7 0 0 m p a ，延伸率可达2 1 2 ； 可锻铸铁与灰铸铁一样具有较高的含碳量，因而具有良好的铸造性能；通过热处理， 可以获得较高的塑性和韧性【i 】；此外，可锻铸铁还具有良好的切削加工性能、抗氧化 性能和耐蚀性能。 目前我国生产的可锻铸铁主要为铁素体可锻铸铁。铁素体可锻铸铁具有一定强 度，强度和塑性优于灰铸铁，低温抗冲击能力优于球墨铸铁，且耐磨性和减震性优 于普通碳素钢，所以可部分代替碳钢，合金钢和有色金属。在生产中铁素体可锻铸 铁常用来制造截面较薄而形状复杂、工作时受震动而对强度和塑性要求较高的零件。 例如：铁素体可锻铸铁广泛用于汽车、拖拉机的轮圈、差速器壳和底盘零件，机床 附件中的扳手，输电线路中的瓷瓶铁帽、线夹、弯头排板，纺织机械中的粗纺机和 印花机盘头以及水油管道中的弯头、三通、接头、中压阀门等零部件的制造。 珠光体可锻铸铁具有较高的强度、硬度和耐磨性，而塑性、韧性较差。因而珠 光体可锻铸铁可用于制造气阀摇杆、加煤机零件、高压接头阀体和汽车工业拨叉、 差动齿轮箱等。 ：o 1 2 可锻铸铁发展简史 我国是最早发明和生产可锻铸铁的国家。根据对出土文物的考证，我国可锻铸 铁的生产始于公元前四世纪战国时代。众多的战国出土铁器中有很多可锻铸铁件【2 】。 如1 9 5 7 年在湖南长沙出土的战国铁铲，1 9 7 4 年洛阳出土的铁镑，湖北大冶铜绿山古 矿遗址发现的战国时期的铁锄、铁斧、铁锤等矿业用具，辉县出土的战国中期的铁 带钩，易县燕下都出土的战国晚期的铁撅、锄等都是可锻铸铁件。 石墨化退火可锻铸铁按退火工艺的不同有“白心 和“黑心”之分。关于白心 铸铁可锻化热处理的最早创立者是法国物理学家r e a u m u r 。1 7 2 0 1 7 2 2 年，r e a u m u r 发明了称之为“欧洲法”的白心可锻铸铁生产方法，这种铸铁，基体组织表现为外 缘为铁素体，向内由于脱碳1 完全，珠光体量逐渐增加，并有少量的渗碳体，具有 河北科技火学硕+ 学何论文 可焊接性。1 8 2 0 年，美国人s e t hb o y d e n 偶然得到了铁素体基体的铁素体可锻铸铁， 并将其生产方法称之为“美国法 ，即黑心可锻铸铁。1 9 1 9 年，e n r i q u e t o u c e d a 首次 提出制造珠光体可锻铸铁的可能性。此后，l a u e n s t e i n 和h a y e s 等人进步加以发展， 以致使制造方法达到标准化 3 】。 自此，人们根据所需要的基体，采取不同的热处理工艺可获得以铁素体基体为 主的铁素体可锻铸铁，也可获得以珠光体基体为主的珠光体可锻铸铁。 1 3可锻铸铁快速退火技术国内外研究现状 长期以来铸造工作者一直在致力于缩短可锻铸铁石墨化退火时间【4 1 、降低退火温 度【5 ，6 1 、减少能耗的技术探索工作，并且已经取得一些阶段性的成果。如：高温石墨 化阶段所用温度已经能够降低到8 5 0 c 左右用，退火周期已经缩减为3 0 4 0 h 等【8 】。总 体上看，目前可锻铸铁快速退火工艺的研究主要集中在铁水成分的设计，孕育剂及 孕育处理工艺改进和热处理工艺优化等三个方耐引。 1 3 1 铁水化学成分 传统意义的可锻铸铁为了保证在通常的冷却条件下获得理想的白口组织，并使随 后的石墨化退火顺利进行，其化学成分大致要求如表1 1 所示。 表1 - 1 传统可锻铸铁化学成分 t a b i it h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o no f c o m m e nm o l l e a l l ei r o n w t 元素名称cs ii d nsp 含量 2 2 2 8 1 2 1 80 4 o 6蜘1 0s 0 2 5 目前为适应在材质上对可锻铸铁强度要求的提高，以及缩短石墨化退火周期的 需要，国内外相关研科1 0 】表明：适当改变可锻铸铁成分( 主要为碳、硅、锰的含量) ， 可以在提高可锻铸铁强度的同时，缩短其退火处理的周期。 碳、硅均为促进石墨化元素。碳能在一定程度上增加退火的石墨化核心数，缩 短石墨化时间，特别是缩短第二阶段石墨化时间。而与碳相比，硅能强烈促进石墨 化，能促进渗碳体的分解，故在允许限度内提高铁液中的含硅量，能有力地缩短第 一、二阶段石墨化退火的时间。在提高硅含量方面，国内研究的较多，对于合适硅 含量的认识，国内经历了从0 8 、1 o 、1 2 逐渐提高到目前1 5 1 7 的过程【j 。 而对于含硅量能否进一步提高的问题，国内存在不同的声音：如，沈阳机电学院认 为含硅量不能超过1 8 ，否则会使石墨粗大，材料力学性能下降；而湖南机电局线 路器材厂的周亮山、振声钢铁厂的李善海等通过长期的生产实践及研究认为，只要 配以合适的孕育处理及浇冒口系统，提高硅含量能改善铁水的流动性，有助于促进 2 第1 章绪论 石墨化退火过程中碳的析出，显著缩短退火时问，同时还有助于避免缩松、热裂、 浇不足等铸造缺陷，而且力学性能良好。南京线路器材厂的舒伯翔系统地研究了硅 含量对石墨化、力学性能及脆性转变温度的影响i l _ 。结果表明，硅能显著缩短石墨 化退火周期的同时，还能抵消一些有害元素( 如：c r 、v 等) 的负作用；提高硅含 量能提高铸件的强度极限及延伸率，同时对铸件在4 0 时的韧性影响不大；脆性转 变温度虽随硅含量有所提高，但p 含量才是脆性转变温度的决定影响因素；因而认 为高硅是未来黑心可锻铸铁的主要发展方向。对于碳含量，国内外有不同的见解。 ( 苏) a a p n k n k o b 等和郑州工学院的代晓玲、李仲达等的研究均表明，通过对c2 8 3 2 ，s i1 5 2 o 的电炉熔炼原铁水，用含镁孕育剂孕育处理后，石墨化周期明显 缩短( 第一阶段8 5 0 保温约1 0 1 1 ，第二阶段7 2 0 保温约5 h ) ，得到含有类似圆球状 石墨的铁素体可锻铸铁，办称为球墨可锻铸铁。其性能指标可达可锻铸铁的牌号 k t 3 7 1 2 t b j 的要求。而亦有研究表明，含碳量为1 2 2 2 、含硅量为1 8 2 4 的 低碳铁水经适当孕育处理，能获得综合性能较好，类似于球墨铸铁的可锻铸铁。而 随着碳的增加，抗拉强度、硬度、冲击韧性均有逐渐下降趋势。总之，一般可锻铸 铁中的碳、硅总量常控制在3 6 4 2 之间【1 。 m n 是阻碍石墨化的元素，也是稳定珠光体的元素。锰和碳组成m n 3 c ，对渗碳 体的分解起着阻碍作用，因此阻碍了第一阶段和第二阶段石墨化，尤其对第二阶段 石墨化的阻碍作用更为明显。硫在铁水中形成f e s 或富硫共晶体，它会在莱氏体的 周围形成硫化铁薄膜，不仅引起铸件的热脆性，更强烈的阻碍了渗碳体的分解。锰 量不宜过高铁素体可锻铸铁锰含量一般可选为0 2 5 - - 0 3 5 锰和硫对可锻铸铁石 墨化过程的综合影响值得注意。p e h d d ”利用s 含量为0 2 0 5 的高硫白口铁与s 含 量为0 0 9 8 的低硫白口铁制取m n s 比不同的试样，对试样进行高温石墨化及低温石 墨化退火，研究m n s 比对充分石墨化所需时间的影响。其结果表明，硫应保持较低 含量，锰硫比为3 - - - 4 时最为有利。在生产中合肥工业大学研究了铁素体可锻铸铁的 锰硫量范围及其相互关系，通过试验和理论分析确定其锰硫量范围介于0 0 5 - - - 0 5 0 之间；最优自由锰量为0 2 7 ，并得出锰硫量的简单关系式m n = 1 7 2 s + 0 2 7 供参 考使用。 1 3 2 孕育剂及孕育处理 孕育处理是指浇注以前或浇注过程中，在一定的条件下向铁液中加入一定量的 物质以改变合金的凝固过程，改善结晶组织( 细化初生晶，增加石墨核心数量等) ，从 而达到提高性能目的的过程。 与灰铸铁、蠕墨铸铁、球墨铸铁不同，对于可锻铸铁孕育机理，国内外研究的 比较少，不仅没有形成比较完善的孕育理论，而目有些问题的认识也还不一致。然 而对基本理论还是认同的。研究表明【1 7 1 ，可锻铸铁孕育剂中一般既含有石墨化元素， 3 河北科技人学硕十学位论文 又含有反石墨化元素，其相互联系，又相互制约。在浇注阶段，反石墨化元素起主 要作用，在石墨化退火阶段，石墨化元素起主要作用。即，一方面，石墨化元素在 浇注时能形成一些化合物( 如s i 0 2 、c a o 、c a s 等) ，为退火时石墨析出提供形核核 心，同时阻断珠光体、渗碳体的连续生长，细化珠光体和渗碳体组织，增加渗碳体 与珠光体的界面积，从而缩短了石墨化退火时碳原子扩散的路程，促进了石墨化； 另一方面，反石墨化元素在浇注时又能有效抑制石墨的长大，从而避免片状石墨的 出现。 河北工学院的钱立把孕育剂常用元素分为以下几种【l8 】：基本孕育元素：碳、 硅和稀土：强化孕育元素：钙、铝、钡、锶、锆和钛：抗孕育衰退元素，即延 长孕育的有效时间，防止孕育衰退，其包括：钡、锶、铈和锆：稳定珠光体元素， 简称稳定化元素。使用它们的目的在于控制基体中珠光体数量，使珠光体片间距较 小。为了不损害铸铁的共晶石墨化能力，所选的元素应当在铸铁一次结晶时有温和 的石墨化能力，或者此时虽有反石墨化作用，而借助于其它石墨化因素的配合，使 之处于受控条件之下，这些元素包括：铬、锰、锡、锑、铜和镍等；脱硫脱氧除 气元素，铸铁中的氧、氮、氢、硫都是强烈阻碍石墨化的，当它们转化为相应的化 合物( 氢例外) 之后。某些氧化物、硫化物，氧硫化物和少数氮化物可成为石墨结晶的 核心。因此，几乎所有的脱硫脱氧除气元素都有孕育形核的作用，如，钙、铈、镁、 铝、钛、稀土元素等；防止石墨变态元素。片状石墨尖端的应力集中是降低强度 和弹性模量，引起铸件变形和裂纹的根本原因。控制石墨端部形状或使石墨趋于球 状，是生产高强度铸铁的重要途径。据报道，钡、氮、镁、铋、锑和碲有助于防止 石墨的变态i l 。 多年来，可锻铸铁生产中孕育剂的选择和孕育处理工艺，一直是国内外人们所 关注的问题，并进行过大量研究。目前，大约有孕育剂2 0 0 余种，常见的有3 0 余种。 我国在2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初孕育剂实现商品化。其分类方法有以下几种。按 照成分组成，孕育剂分为：硅系孕育剂、碳系孕育剂、稀土孕育剂等。按孕育剂功 能作用，孕育剂分为：石墨化孕育剂、稳定化孕育剂、复合孕育剂。按使用范围， 孕育剂分为：灰铸铁用孕育剂、球墨铸铁用孕育剂、蠕墨铸铁用孕育剂、可锻铸铁 用孕育剂等。我们常使用的分类方法是按孕育剂组成的成分分类，这样既可以看到组 元成分，而且可从主要组元中知道孕育剂的特点【2 0 1 。 1 ) 硅铁孕育剂：硅铁孕育剂分为4 5 f e s i 、7 5 f e s i 、8 5 f e s i 等3 种，4 5 f e s i 孕育 剂的处理效果较差，8 5 f e s i 成本较高，常用7 5 f e s i 。在7 5 f e s i 中的c a 、a l 对孕育 效果有很大影响，其中以c a 的影响最大，在大于0 5 时有较强的石墨化能力。一 般7 5 f e s i 选择以下化学成分范围为：f e7 4 7 8 ，c a o 5 1 0 ，砧o 8 1 5 。 2 ) 硅钡孕育剂：硅钡孕育剂主要用于灰铸铁和球墨铸铁生产。用于球墨铸铁可 4 第l 章绪论 显著增加石墨球数，用于灰口铸铁可以减少白口倾向，细化晶粒，改善石墨形态。这 类孕育剂除可使铸铁获得较高的力学性能外，本身还具有较强的抗衰退能力。一般 孕育剂中含b a 在2 - 3 之间。 3 ) s i c 孕育剂：这类孕育剂主要优点是用量少、墨化能力强，但较难溶解。例 如：s i c c a - a 1 类防止薄壁铸件白口效果好，而且适合于冲天炉铁水使用，s i c m 软化效果较好，用于改善切削性能。 4 ) 稀土孕育剂：稀土元素是铸铁高效长效孕育剂的重要组元，我国稀土资源丰 富，研究和应用该类孕育剂具有现实意义。一般地讲，这类孕育剂具有双重性，孕 育铸铁中稀土残留量的范围为r eo 0 6 o 3 。碳当量低时稀土加入量少，碳当量 高时稀土加入量稍多。另外，稀土元素还和m n 、c u 等合金元素复合，从而改善铸 铁组织，提高其力学强度。 5 ) 硅钙孕育剂：硅钙孕育剂是一种较早使用的石墨化孕育剂，现在常使用的是 低钙孕育剂。它比较适合低碳当量铸铁生产，可消除白口、提高其强度。 6 ) 稳定化孕育剂：稳定化孕育剂由石墨化元素与稳定化元素复合而成，它在有 效促进石墨化的同时抑制渗碳体分解，比较适合于较高碳当量铸铁的生产，常见的 有稀土稳定化孕育剂、氮稳定化孕育剂。 7 ) 复合孕育剂：复合孕育剂是由石墨化元素与阻碍共晶团生长元素相复合而成 的一类孕育剂，它从形核和生长两方面发挥孕育作用，所以在铸铁生产中越来越引 起人们的重视，常使用的有球铁用含b i 复合孕育剂，灰铸铁c m s b 复合孕育剂。 不同孕育剂在生产实践中各有侧重。b a 、c u 、r e 、a 1 孕育能力强，t i 次之， s r 具有一定的形核能力，防止自口倾向作用明显；s r 、c e 、b a 具有较强的抗衰退能 力，特别是b a 是较理想的组元，虽然其抗衰退能力不及s r 、y 但有很强的形核能力， 而且含b a 孕育剂溶点低，易被吸收，处理时浮渣少；m n 、c r 具有稳定化作用；r e 和c a 对铁液有较好的净化作用1 2 。 国内外孕育剂添加元素主要有r e 、m n 、c a 、t i 、b a 、a i 、b i 、m g 、c 、c u 、 z n 等，每个国家的生产特点不同，有自己的特色。据文献介绍【2 2 1 ，加有b i 、c e 的 孕育剂有显著的效果。近几年还开发了掺加氧、硫粉末的孕育剂，试验表明，孕育 效果良好口引。 孕育技术主要包括孕育剂和孕育方法两个方面【2 4 1 。孕育方法是指将孕育剂加入 铁液的方法，它对孕育的效果有很大的影响。随着铸铁孕育要求的提高，人们对于 孕育方法也越来越重视，已发展了多种孕育方法。 1 ) 包内孕育：包内孕育是将孕育剂放置在铁水包的底部，铁液流入包内时将孕育 剂冲熔、混合，以实现对铁水的孕育；或者将孕育剂加在铁水流上，随同铁液流入 包内，这操作可以是在出铁时进行，乜可以是在铁水从大包转入浇注包的过程中 5 河北科技人! 学硕十学位论文 进行。这种方法简便易行，在生产上广为应用。这种方法的缺点是孕育处理至铁水 凝固的时间长，孕育衰退经常发生。对于一次处理铁水量大，需要较长的时间浇注 的生产情况，由于孕育衰退会导致后浇注的铸件孕育不足。此外，这种方法的孕育 剂用量大。 2 ) 瞬时孕育：瞬时孕育也称之后孕育，它是指在金属液浇入铸型时或在浇注系统 内进行的孕育，这使孕育处理至铁水凝固的时间达到最短的程度，从而极大地减小 了孕育衰退的发生，并减少孕育剂的加入量。已发展的多种瞬时孕育方法有浇口杯 孕育、硅铁棒孕育、浮硅孕育、随流孕育、型内孕育和孕育丝孕育等。各种方法都 有其特点，适于流水生产线上应用的方法主要有随流孕育、型内孕育和孕育丝孕育 等三种方法，每一种方法还可细分。 随流孕育：随流孕育是在浇注过程中将粒状或粉状的孕育剂通过一定的装置加 到浇口杯上方的金属流中，孕育剂通过一个管子在干燥的压缩气流或重力作用下引 入到铁水流上，孕育装置上安装了一光电传感器，孕育剂的加入可自动控制。孕育 剂输送还可采用螺旋给料或振动给料的方式。随流孕育方法在生产上得到广泛的应 用，使用这种方法时，应保证所用的孕育剂粒度大小合适，一般为0 3 0 7 m m 另 外，孕育剂应有良好的熔解特性，以保证孕育剂在铁液中完全熔解，不至于有未完 全熔解的孕育剂在铸件中形成硬点【2 引。 丝孕育：丝孕育是用薄钢带将孕育剂包裹成一条具有任意长度的包芯丝，浇注 时借助一定的装置将其送至金属流中，随着包芯线包皮的不断熔化，孕育剂将徐徐 进入铁水，通过控制丝的进给速度控制孕育剂的加入量。丝孕育方法可以准确控制 孕育剂的加入速度，特别适用于全自动和半自动浇注系统。但这种方法也有缺点， 一是孕育成本较高；二是丝送入铁液的速度受到钢皮熔解速度的限制口引。 型内孕育：型内孕育是把孕育剂放置在浇注系统内，当铁液流经浇注系统时， 高温铁水与孕育剂接触，使孕育剂熔解而进入铁液，从而使铁液获得孕育。孕育剂 可以制成块或片放置在直浇道底部、过滤网之上或两片过滤网之间，也可以将颗粒 状孕育剂放置在反应室内，型内孕育具有孕育作用强、孕育剂用量少、孕育衰退能 减小到最小的程度等优点，因而受到铸造工作者的重视，在一些质量要求高的铸铁 件生产中得到应用【27 1 。型内孕育始于2 0 世纪6 0 年代，最初是将细小粒状的硅铁孕 育剂直接放在浇口杯、直浇道底下或横浇道内，以补偿一次孕育的衰退，但这种做 法易于把未熔的孕育剂冲入型内，引起夹杂或孕育不均匀，这些问题使得孕育块得 到发展。将孕育剂制成一定形状和质量的孕育块，将其插置在直浇口下或横浇道反 应室内【2 8 2 9 1 ，浇注时高温铁液流经孕育块使孕育块不断熔解进入铁液，使铁液得到 孕育。采用这种孕育方法使得铁水从孕育至凝固的时间最短，从而最大限度地减小 了孕育哀退，获得最佳的孕育效果，孕育剂用量亦小。孕育块的成型方法主要是铸 6 第1 章绪论 造成型、粘结剂粘结成型及最近发展的粉末冶金成型等。粘结成型是使用粘结剂，( 如 石蜡、水玻璃、硬脂酸、橡胶等【3 0 】) 将粒状孕育剂粘结起来，成为一定的形状。粘结 成型的孕育块依所使用的粘结剂不同有着不同的特点，用石蜡粘结的孕育块在铁水 中易于熔解，但其强度低，易于变形：用水玻璃粘结的孕育块强度高，便于搬运， 但在铁水中熔解慢。铸造成型的孕育块有一定的强度、搬运存放方便，但在铁水中 熔解较难。 用粘结剂粘结的孕育块或多或少都因粘结剂分解或残留而对铸件产生不利的影 响。最近发展的粉末冶金孕育块不使用粘结剂，孕育剂颗粒之间是冶金结合，具有 铸造成型的孕育块和粘结成型孕育块两者的优点【3 。将孕育块与过滤网组合成一体， 把孕育与过滤结合起来是型内孕育的最新发展。有两种做法，一是把孕育块插在一 个过滤网之中；另一种是把孕育片放在两块过滤网之间，据介绍这种方法使得孕育 更均匀，效果更好。 从2 0 世纪6 0 年代以来就有人开始进行可锻铸铁孕育处理、改变其退火工艺的 研究。巴黎制造技术中心采用提高硅含量，用a l 、b i 进行孕育，使退火周期缩短， 节能2 0 ；印度p l r o y 等人用n a c l 孕育，使退火温度降到7 0 0 c t 让1 ：苏联研制的 种含有s i f e2 0 - - 2 5 ，b i6 - - 8 的孕育剂，并采用型内孕育，结果使退火时间缩短 5 0 。国内采用复合孕育剂孕育处理工艺使退火温度降至8 0 0 c 左右或退火温度不 变，而退火时间缩短4 0 以上。国内的殷凤仕、周丽等人用成分为f e s b a 5 r e 3 ： 0 5 斛a c l ：0 1 专b i ：o 0 1 3 的孕育剂对成分为c ：2 3 - - 2 8 ：s i ：1 4 1 8 ；m n ：0 3 0 7 ；s 0 2 5 ；p 0 1 铁水进行孕育处理后，经8 0 0 x 2 0 h + 7 2 0 x 5 h 处理，就 得到完全石墨化的力学性能较好的铁素体可锻铸铁1 3 3 1 。沈阳航空工业学院的赵玉华j 黄震威t 3 4 1 等选择定的铁液成分，用b i 、s b 孕育及s b b r e 混合孕育处理后得到铸 态组织为麻口的铸件，经7 4 0 c 保温1 0 小时以内就可得到铁素体基可锻铸铁。 1 3 3 石墨化退火 1 3 3 1固态石墨化机理 固态石墨化的过程，实际就是白口铸铁组织中渗碳体的分解过程，尽管对固态 石墨化机理的看法不尽一致，但是大多数学者认为，石墨化过程是渗碳体逐步溶解 于奥氏体中，再通过在奥氏体相界面上析出石墨核心并逐步张大成为团絮状石墨的 过程【3 5 】。 利用高温金相显微镜直接观察白口铸铁试样在高温下的石墨化转变过程，可以 看到试样在真空中加热到高温( 9 5 0 左右) 经过一段时间的保温和孕育期以后，在奥 氏体和共晶渗碳体相界面上首先出现一些石墨点，随着保温时间的增长，共晶渗碳 体尺寸逐渐变小，数量逐渐变少，直到全部溶入奥氏体，而石墨点则逐渐长大为团 絮状石墨。 河北科技人学硕+ 学位论文 可锻铸铁的固态石墨化能否进行，取决于渗碳体的分解及石墨形核、成长的热 力学和动力学条件。根据实际系统中渗碳体自由能变化的计算，渗碳体从室温到高 温都是不稳定的，它是一种介稳定组织，有向稳定组织转变的趋势。从热力学观点 看，渗碳体从室温到高温的很大范围内都能够分解，但渗碳体的分解能否不断进行 以及石墨化过程能否最终完成，则在很大程度上取决于渗碳体分解后碳原子的扩散 能力，旧相消失、新相形成的各种阻力因素等动力学条件。从形核动力学角度看， 为避免石墨形核时所需的较大的势垒，希望借助于一些现存的“基底 ，如各种固有 的硫化物、氧化物等夹杂物微粒，包括一些未熔石墨微粒。此外，在渗碳体与周围 基体组织的相界上，由于原子排列散乱而存在较多的空位等晶体缺陷，这些场所将 为石墨的形核提供良好的条件。因此，通常石墨晶核易于在缺陷处或者相界面和晶 界面形成。一旦在奥氏体和渗碳体的界面上形成石墨就发生的碳的浓度差异，奥氏 体和渗碳体的相界面附近的碳浓度高，奥氏体和石墨的相界面附近的碳浓度低，因 此，在奥氏体中就要发生碳原子的扩散，奥氏体中的碳从奥氏体渗碳体界面附近扩 散到奥氏体石墨界面附近。这样碳的平衡就被破坏，在奥氏体渗碳体界面附近，由 于贫碳，使渗碳体向奥氏体中溶解，而在奥氏体石墨界面附近，由于奥氏体中碳浓 度的过饱和。结果碳在石墨核心上进行沉积结晶，使团絮状石墨不断长大。 1 3 3 2 改进热处理工艺 ( 1 ) 增加低温预处理、高温预处理及预淬处理工序部分科技工作者在不改变 原铁水化学成分的基础上，改变热处理工艺，缩短石墨化退火周期方面进行了一些 研究【3 6 j ：即在石墨化退火前先进行低温预处理( 3 0 0 5 0 0 ，保温4 - - - - 5 h ) ，或高温预 处理( 7 5 0 c ，保温1 2 h ) ，或者把铸件加热到奥氏体状态并予以淬火，以增加石墨 核心，加速石墨化。虽然目前已有一些工厂将低温预处理纳入正常生产的工艺规范， 但其节能效果并不明显。 ( 2 ) 循环热处理为寻求缩短可锻铸铁石墨化退火周期的可能性，陕西工学院 的杨仁山口利用循环热处理的特点，设法通过快速循环石墨化退火新工艺来缩短石 墨化退火周期，同时亦改善可锻铸铁的性能。其具体工艺为：上限温度t 上= 8 8 0 , - , 9 0 0 、t 下= 6 0 0 , - - - , 6 5 0 ，加热保温5 1 0 分钟，一般循环6 - - - , 7 次。试验表明可节 能约4 0 - 6 0 。但是此种工艺操作繁琐，不利于在现实大规模生产中推广。 ( 3 ) 提高高温石墨化退火温度为了缩短退火周期，有人曾尝试适当提高退火 温度( 9 4 0 - - 9 8 0 c ) ，降低原子扩散激活能，以缩短石墨化退火周期。此种方法虽然能 缩短退火周期，但就其消耗的总能量来说是基本没有节省。而且，提高温度易使退 火过程中铸件产生过烧，氧化，变形等质量问题，不易于质量控制。同时，也对退 火设备的使用寿命有不良影响。 ( 4 ) 改进退火炉国内丌封缝纫机总厂的李玉田【3 州根掘该厂的经验认为：可断 8 第1 章绪论 铸铁第一阶段石墨化退火，并非“需要一定的时间”，而是“需要一定的能量”；传 统的装箱密封退火，防碍热能的传递，是造成可锻铸铁件生产周期长，能耗大的一 个主要原因。而该厂生产中取消了可锻铸铁第一阶段石墨化退火中的密封箱，结果 缩短了退火时间，降低了能耗。即由t ( 退火时间) = q ( 一定能量) ( 输送能量速 度) 可知，q 一定时，欲降低t ，唯有增大，而经验表明，感应炉屹较大，故该 厂使用感应炉退火，有一定效果。 综上所述，现阶段对于可锻铸铁快速退火的研究主要集中在调整原铁水化学成 分、改进孕育剂及孕育处