（材料加工工程专业论文）锰铁孕育对高碳当量灰铸铁组织与性能的影响.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 灰铸铁作为一种广泛应用的结构材料，历史悠久，具有好的减震性、耐磨性，以及 优良的切削加工性和铸造工艺性。同时，与其它合金相比具有熔点低、成本低廉、生产 设施和成型过程简单等优越性。所以，长期以来灰铸铁在铸铁件中所占的比重非常大。 我国机械、汽车和建筑作为支柱产业，为灰铸铁行业的发展提供了极好的机遇。由于灰 铸铁的力学性能相对较低，所以一段时间以来受到焊接件、冲压件、球( 蠕) 墨铸铁、有 色金属和塑料等材料的强有力竞争，需求量呈下降趋势。 但是，迄今为止，汽车上的某些工件( 如制动鼓、刹车盘) 的选材仍然非灰铸铁莫 属。所以，人们不得不再对灰铸铁进行研究，以求进一步提高它的强度。长期以来，国 内外汽车生产商一般采用低的碳当量( c e = 3 8 左右) 来得到较高强度的灰铸铁。而低 碳当量灰铸铁的白口倾向、热裂倾向以及收缩倾向都比较严重，铸造性能差。高碳当量 灰铸铁，是指碳当量在共晶点附近( c e ：3 9 4 2 ) 的灰铸铁。高的碳当量使这类灰铸 铁拥有更好的铸造工艺性能，但通常也降低了它的强度。因此，如何在采用高碳当量维 持铸铁铸造性能的同时，又设法提高高碳当量灰铸铁的强度成了当前灰铸铁研究及生产 领域一个较活跃的课题。 在诸多合金元素中，锰对改善铁碳合金性能具有良好的作用已经得到共识。但以往 人们对含锰铸铁的研究是在合金铸铁的基础上的研究，即锰含量比较大，而在高碳当量 灰铸铁中锰的含量比较低。在这种情况下，如何使高碳当量灰铸铁在保持良好铸造性能 的同时，力学性能有所提高，还没有人进行系统的研究。 本研究将锰铁以孕育的方式在炉前加入，在不增加锰元素含量的情况下，得到经过 不同量锰铁孕育的高碳当量灰铸铁。并采用光学显微镜、扫描电镜和x 射线等手段对高 碳当量灰铸铁的共晶团、石墨、珠光体和初生奥氏体进行研究，探讨了其力学性能提高 机理。 研究发现，随着锰铁炉前加入量的增大，提高了石墨晶核的数量，而共晶团的形成 及生长是以石墨晶核为核心向四周发展的，所以共晶团数量也随之增加，尺寸减小。经 过锰铁处理的高碳当量灰铸铁的初生奥氏体枝晶均为发达的等轴枝晶，数量明显增多。 枝晶由核心向外分枝生长，二次晶臂非常发达，且臂间距小，可形成等轴网络框架。初 生奥氏体枝晶二次臂间距的减小及数量的增多，致使分割程度的增大和共晶凝固空间的 山东建筑大学硕士学位论文 缩小，石墨的横向生长相应受到限制，细化和弯曲程度提高。另外，锰铁加入后，锰元 素的分布减小了铁素体片的厚度，加快了共析转变的速度，结果导致珠光体的片间距减 小。当锰铁加入量为0 5 时，高碳当量灰铸铁组织上的上述变化最大，此时抗拉强度达 到2 3 0 m p a ，硬度为h b 2 1 5 ，分别比不孕育时提高了3 9 m p a 和h b 3 2 。 研究结果表明，将锰铁以孕育的方式在炉前加入，不仅改善了高碳当量灰铸铁的力 学性能，而且没有使它良好的铸造性能受到损害。与用合金化的方法提高灰铸铁强度相 比，节省了金属资源，降低了投资成本，因此，具有可观的经济效益和社会效益。 关键词：锰，高碳当量灰铸铁，石墨，珠光体，力学性能 i i 山东建筑大学硕士学位论文 e f f e c to ff e r r o m a n g a n e s ei n o c u l a t i o no nm a t r i xs t r u c t u r ea n d p r o p e r t i e so fh i g hc a r b o ne q u i v a l e n tg r a yc a s ti r o n z h a n gd a w e i ( m a t e r i a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yc h uf u m i n a b s t r a c t t h eh i s t o r yo fg r a yc a s ti r o nw h i c hi sb e i n gw i d e l yu s e da ss t r u c t u r em a t e r i a li sv e r yl o n g t h eg r a yc a s ti r o nh a st h ep r o p e r t i e so fg o o ds h o c ka b s o r p t i o n , w e a rr e s i s t a n c e ，g o o d m a c h i n i n gq u a l i t ya n dc a s t a b i l i t y m e a n w h i l e ，i th a ss o m es u p e r i o r i t ys u c ha sl o wm e l t i n g t e m p e r a t u r e ，l o wp r o d u c t i o n - c o s t ，s i m p l ep r o d u c t i o ne q u i p m e n ta n dm o l d i n gp r o c e s s s o ，t h e p r o p o r t i o no fg r a yc a s ti r o ni ni r o nc a s t i n g si sv e r yh u g e a st h ep i l l a ri n d u s t r i e s ，m a c h i n e r y , a u t o m o b i l ea n dc o n s t r u c t i o np r o v i d ee x t r e m e l yg o o do p p o r t u n i t yf o rg r a yc a s ti r o n b u tt h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f 伊a yc a s ti r o ni sc o m p a r a t i v e l yl o w , s oi ti sc o m p e t e dp o w e r f u l l yb y t h ew e l d m e n t ，t h es t a m p i n gp a r t s ，t h ed u c t i l ec a s ti r o n , t h ec o l o r e dm e t a la n dt h ep l a s t i ce t c ， a n dt h et r e n do fr e q u i r e m e n tq u a n t i t yi sd e c r e a s i n g u p t on o w , s o m ew o r k - p i e c e su s e do na u t o m o b i l es u c ha sb r a k ed r u n l s ，b r a k ed i s c sm u s t b em a d ei ng r a yc a s ti r o n t h e r e f o r e ，p e o p l eh a v et or e s e a r c ht h eg r a yc a s ti r o na g a i nw i t ht h e p u r p o s eo fe n h a n c i n gi t ss t r e n g t h f o ral o n gt i m e ，t h ed o m e s t i ca n df o r e i 印a u t o m o b i l e p r o d u c e r su s et h el o wc a r b o ne q u i v a l e n t ( a b o u tc e = 3 8 ) t oo b t a i nt h eh i g h e rs t r e n g t hg r a y c a s ti r o ng e n e r a l l y b u tt h el o wc a r b o ne q u i v a l e n tc a s ti r o n se a s t a b i l i t yi sb a d i t sc h i l l i n g t e n d e n c y t h e r m a lc r a c kt e n d e n c ya sw e l la sc o n t r a c t i o nt e n d e n c ya r eq u i t es e r i o u s t h eh i g h c a r b o n e q u i v a l e n tg r a y c a s ti r o nm e a n st h e g r a y c a s ti r o nw h o s ec a r b o n e q u i v a l e n t ( c e ：3 9 4 2 ) i sn e a rt h ee u t e c t i cp o i n t t h eh i g hc 凋f f b o ne q u i v a l e n tm a k e sg r a y c a s ti r o nh a v eb e t t e rc a s t a b i l i t y , b u to f t e nm a k ei th a v el o w e rt e n s i l es t r e n g t h , t o o t h e r e f o r e ， h o wt oe n h a n c et h es t r e n g t ho ft h eh i g hc a r b o ne q u i v a l e n tg r a yc a s ti r o nw h i l ea d o p t i n gt h e l l i g hc a r b o ne q u i v a l e n tt om a i n t a i nt h eg r a yc a s ti r o n sc a s t a b i l i t yb e c o m e sa na c t i v et o p i ci n t h ef i e l do fg r a yc a s ti r o n sr e s e a r c ha n dp r o d u c t i o n i n m a n ya l l o y i n ge l e m e n t s ，m a n g a n e s eh a v i n gg o o d f u n c t i o no fi m p r o v i n gt h e i r o n - c a r b o na l l o yp e r f o r m a n c eh a sb e e nr e c o g n i z e d b u tt h ep r e v i o u sr e s e a r c h e sa b o u tc a s t 1 1 1 山东建筑大学硕士学位论文 i r o nw i t hm a n g a n e s ep e o p l ed i da r eb a s e do na l l o yc a s ti r o n , n a m e l yw i t hl a r g ec o n t e n to f m a n g a n e s e ，w h i l et h ec o n t e n to fm a n g a n e s ei n t h eh i g l lc a r b o ne q u i v a l e n tg r a yc a s ti r o ni s l o w e r i nt h i ss i t u a t i o n , h o wt oe n h a n c et h es t r e n g t ho ft h eh i 曲c a r b o ne q u i v a l e n tg r a yc a s t i r o nw h i l em a i n t a i n i n gi t sg o o dc a s t a b i l i t yh a sn o tb e e ns t u d i e ds y s t e m i c a l l y t h r o u g ha d d i n gf e r r o m a n g a n e s ei nf r o n to ft h ef u n l a c ew h i l en o tr a i s i n gt h ec o n t e n to f m a n g a n e s e ，w eg a i n e dh i g l lc a r b o ne q u i v a l e n tg r a yc a s t i r o nw h i c hw a si n o c u l a t e dw i t h d i f f e r e n tf e r r o m a n g a n e s ea m o u n t s i n t h i sp a p e r , w ed i s c u s st h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e s e n h a n c i n gm e c h a n i s mo ft h eh i 曲c a r b o ne q u i v a l e n tg r a yc a s ti r o n , b yr e s e a r c h i n gi t se u t e c t i c c e l l ，g r a p h i t em o r p h o l o g y , p e a r l i t ea n dp r i m a r ya u s t e n i t ew i t ht h eh e l po fm e t a l l o g r a p h i c m i c r o s c o p e ，s e ma n dx r d t h er e s e a r c hs h o w st h a tw i t l lt h eq u a n t i t yo ff e r r o m a n g a n e s er a i s i n g ，t h eq u a n t i t yo f g r a p h i t en u c l e u si n c r e a s e d b e c a u s et h ef o r m a t i o na n dg r o w t ho fe u t e c t i cc e l li sf r o mg r a p h i t e t oa r o u n d ，t h ei n c r e a s eo fq u a n t i t yo fg r a p h i t en u c l e u sm u s tm a k et h eq u a n t i t yo fe u t e c t i cc e l l r a i s ea n da l s or e f i n e dt h ee u t e c t i cc e l l t h ep r i m a r ya u s t e n i t ed e n d r i t e so ft h eh i 曲c a r b o n e q u i v a l e n tg r a yc a s ti r o nw i t hf e r r o m a n g a n e s ei n o c u l a n t a l la r ed e v e l o p e de q u i a x i a ld e n d r i t e s a n dt h eq u a n t i t yo ft h e mi n c r e a s e do b v i o u s l y i t ss e c o n d a r yd e n d r i t ei sv e r yd e v e l o p e d ，a n dt h e s p a c e b e t w e e ns e c o n d a r yd e n d r i t ei sv e r ys m a l l t h e s es e c o n d a r yd e n d r i t e sc a nf o r me q u i a x i a l f r a m e w o r ki ns p a c e t h ed e c r e a s eo ft h es p a c eb e t w e e ns e c o n d a r yd e n d r i t ea n dt h er a i s i n go f t h eq u a n t i t yo fg r a p h i t el e a d e dt od e g r e eo fd i v i s i o na u g m e n ta n dt h es p a c eo fe u t e c t i c s o l i d i f i c a t i o nr e d u c e ，a n dt h eg r o w t ho fg r a p h i t ei nl a n d s c a p eo r i e n t a t i o ni sl i m i t e d t h e r e f o r e ， t h e g r a p h i t e b e c o m e st h i na n d c u r l y i na d d i t i o n ， m a n g a n e s e s d i s t r i b u t i o na f t e r f e r r o m a n g a n e s eb e i n ga d d e dm i n i s h e st h et h i c k n e s so ff e r r i t e l a m e l l aa n da c c e l e r a t e st h e s p e e do fe u t e c t o i dt r a n s f o r m a t i o n t h e s er e s u l t sl e a dt op e a r l i t el a m e l l a rd w i n d l e w h e nt h e f e r r o m a n g a n e s ec o n t e n t si s0 5 ，t h eb i g g e s tc h a n g eo nt h eh i g hc a r b o ne q u i v a l e n tg r a yc a s t i r o n sm i c r o s t r u c t u r et o o kp l a c e a tt h a tt i m e ，i t st e n s i l es t r e n g t hr e a c h e d2 3 0 m p a , a n di t s h a r d n e s si sh b 215 ，b e i n gi n c r e a s e db y3 9 m p aa n dh b 3 2r e s p e c t i v e l y t h er e s u l t si n d i c a t et h a ta d d i n gt h ef e r r o m a n g a n e s ei nf r o n to ft h ef u r n a c en o to n l y i m p r o v e dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h eh i g l lc a r b o ne q u i v a l e n tg r a yc a s ti r o nb u ta l s od i d n oh a r mt oi t sg o o dc a s t a b i l i t y c o m p a r i n gw i t ha l l o y i n gt oi m p r o v eg r a yc a s ti r o n ss t r e n g t h ， a d d i n gf e r r o m a n g a n e s es a v e dm e t a lr e s o u r c e s ，a n dr e d u c e dt h ec o s to fi n v e s t m e n t t h e r e f o r e ， 山东建筑大学硕士学位论文 t h e r ew i l lb ec o n s i d e r a b l ee c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t s k e yw o r d s ：m a n g a n e s e ，h i g hc a r b o ne q u i v a l e n tg r a yc a s ti r o n , g r a p h i t e ，p e a r l i t e ， v 原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，论文中不舍其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得山东建筑大学或其他教育机构的学位证书而 使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人承担本声明的法律责任。 学位论文作者批噼日期堆； 学位论文使用授权声明 本学位论文作者完全了解山东建筑大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：山东建筑大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权山东建筑大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它手段保存、 汇编学位论文。 保密论文在解密后遵守此声明。 学位论文作者签名：啦嘲幽拿己趾圭 导师签 名：叁查丕&日期翌仝至笪丑圣! 毋 山东建筑大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 选题意义 我国机械、汽车和建筑作为支柱产业，为灰铸铁行业的发展提供了极好的机遇。但 总体来说，我国灰铸铁生产与发达国家相比比较落后，主要表现在：铸件质量低；铸造生 产工艺技术装备等基础条件差，能源、材料消耗高，灰铸铁生产经济效益差。而西方发 达国家在应用先进的制造工艺和手段的基础上，主要生产高附加值、高技术含量的优质 灰铸铁件。因此，我国必须尽快提高灰铸铁的生产水平。 近年来，随着资源的短缺和人们对机电产品结构轻量化、小型化、薄壁化和艺术化 的需求不断提高，铸造产品正向轻量化、高强化、精密化、一致化和易加工的方向发展。 基于轻量化的考虑，使得一些轻合金铸件使用范围不断扩展，但是灰铸铁凭借良好的减 震性、耐磨性，以及优良的切削加工性和铸造工艺性，仍被大量地用于汽车、输油管、 内燃机等领域。例如，汽车上的某些工件( 如发动机缸体、制动鼓、刹车盘) 的选用材 料仍然非灰铸铁莫属。目前，制约灰铸铁发展的一个主要因素是它的强度不够高，因此 随着市场竞争的加剧，灰铸铁作为“量大面广 的传统金属结构材料，必将面临着材料 的质量、性能和价格的严峻挑战【1 卅。如何在保持灰铸铁优点的基础上，改进其抗拉强度 低的缺点，生产出高强度的灰铸铁铸件，扩大其应用范围，越来越引起广大科研工作者 及生产厂家的高度重视。 高碳当量灰铸铁，是指碳当量在共晶点附近( 3 9 - - - - 4 2 ) 的一类铸铁。高的碳当量 使这类灰铸铁有更好的铸造工艺性能，缩松、缩孔减少，铸造应力也减少，并且具有较 好的减磨性能，但抗拉强度较低( o b 9 0 。铁索体 1 7 5 m p a ；硬度： h b 2 2 0 2 5 。德国大众汽车公司以t l - v w 0 1 1 标准为依据，对1 9 9 6 年1 5 月大量数据 进行类比分析、正态分析和回归分析，寻技桑车后制动鼓的化学成份与机械性能、金相 组织之间的关系，并严格控制熔炼工艺，从而使其金相组织、抗拉强度、硬度均得到了 优化，将报废率从1 43 降低至l1 1 。研究结果表明：解决这个问题的关键是找出一 个更为精确而有效的化学成份范围，以作为炉| j i 控制的依据。为此攻关组进行了大量 的数理分析和实验研究的工作。为了初步确定和调整后制动鼓的化学成份范围，攻关组 选取了3 月至4 月份数百炉后制动鼓的生产数据分别对合格炉次和不合格炉次的化学 成份进行了类比分析。最终发现，当化学成份同时满足下列范围时可使后制动鼓获得较 好的组织和性能：( c ) ：30 0 32 5 ( 平均值为31 2 5 ) ：( s i ) ：平均值为21 ：碳当量 ( c e ) ：36 5 4o o ( 平均值为38 2 5 ) ；( c r ) ： o 1 6 嘲。 山东建筑大学硕士学位论文 在国内，高碳当量灰铸铁的研究也取得了一定的进展，尤其是现在我国汽车行业发 展迅速，作为在汽车上应用的刹车盘的出口市场已经形成一定规模，由于刹车盘出口主 要针对的是配件市场，客户订货虽然品种繁杂，批量不大，但对其质量及性能要求却日 益严格。许多汽车制造公司通过在高碳当量灰铸铁中加入合金元素的方法来提高其性能， 如以相当于h t l 5 0 的成分生产出h b 在1 7 0 2 2 9 、o 它2 0 0 m p a 的刹车盘。国内不少高校 及科研院所在改善高碳当量灰铸铁性能的科研中也取得了定的成果，如合肥工业大学 通过分析汽车提速后制动鼓耐磨性下降的原因，选用合金材质制作汽车制动鼓以提高其 耐磨性，改进后的汽车制动鼓组织中珠光体量 9 5 ，硬度2 0 0 - - - , 2 2 0 h b ，耐磨性良好【6 】， 其化学成分如表1 1 。 表1 1 制动鼓的化学成分( ) t a b l e l 1c h e m i c a le o m p o f i f i o no f b r a k ed r u m s ( ) ! 曩 多年来，国内外生产高碳当量大马力柴油发动机缸体灰铸铁铸件时，为了使高碳当 量灰铸铁缸体铸件本体抗拉强度大于2 4 0 m p a ，必须加入一定量的钼等合金元素来生产。 但是，随着世界范围内钼铁合金价格的飙升，成本提高的压力成为摆在各个生产厂家面 前的一道不可逾越的鸿沟，制约了产品在市场中的竞争力。吉林大学配合一汽集团铸造 研究所以优化出的合金成分和熔炼工艺为基础，采用自主开发的j f 1 复合变质剂处理铁 液，成功地开发出一种无m o 新型高碳当量高强度灰铸铁。并通过研究j f 1 变质剂对灰 铸铁珠光体、初生奥氏体、石墨和共晶团的影响，探讨了其强化机理。用获得的新型高 碳当量高强度灰铸铁生产大马力发动机缸体铸件，并取得了生产性实验的成功。 1 3 提高灰铸铁力学性能的途径 1 3 1 合金化对灰铸铁力学性能的影响 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 铸铁的主要特征，共晶度接近于1 时铸造性能最佳，然而其强度却随碳当量的提高而降 低。特别是生产碳当量大于3 8 的铸件时，单纯靠孕育、变质手段来控制铸铁的基体组 织难以获得理想的珠光体组织，并且还会出现粗大石墨，很难保证稳定的强度。大量生 产实践证实，生产高强度灰铸铁必须合金化。 灰铸铁中加入合金元素来提高强度的主要机理表现在：细化石墨和共晶团；增 山东建筑大学硕士学位论文 加基体中珠光体的含量，并使珠光体的片间距细化；提高渗碳体的热稳定性，防止珠 光体在高温下发生分解，提高铸铁的耐热性；生成碳化物或含有合金元素的复合磷共 晶等硬化相【。7 1 。 合金化的主要作用是提高铸件材质的强度和硬度，但并不意味着合金元素的含量越 高，铸件的强度越高，每种合金元素都有其适当的加入范围。合金元素的加入一方面要 考虑对性能的影响，另一方面要考虑经济性，由于其它合金元素较昂贵，生产中一般加 入c r 、c u 等元素，加入量一般认为在0 1 1 为宜。图1 2 为常用几种合金元素加入 量与灰铸铁抗拉强度之间的关系。 ，、 盆_ 皇 、_ 一 6 d 元素加入量( ) 图1 2 合金元素含量与灰铸铁抗拉强度之间的关系8 l f i 9 1 2r e l a t i o n s h i pb e t w e e na l l o ye l e m e n tc o n t e i l t sa n dt e n s i l es t r e n g t ho fg r a yc a s ti r o n 国内外科技工作者多年来对铬、钼、钛等合金元素对灰铸铁性能的影响规律开展了 大量的研究工作，并取得了丰硕的成果，有些成果已成熟地应用于生产实践中。 1 3 1 1 铬对灰铸铁力学性能的影响 c r 和c 具有较强的亲和力，是一种强碳化物形成元素。共晶凝固时，c r 优先凝聚 于碳化物，从而使碳化物的硬度增高，间接影响到灰铸铁的硬度。其次，它起到增加组 织中奥氏体枝晶数量的作用。同时也是一种反偏析和反石墨化元素，靠减少碳在铁水中 的活度，限制石墨析出而增加组织中的枝晶数量【9 】。灰铸铁中c r 的n a , g , 然引起铁液白 口倾向的增加，而且当铁液中的c r 含量达到一定程度后( 大约超过0 8 时) ，组织中的 游离碳化物就会迅速增加，这会使灰铸铁的强度下降，造成加工困难。加c r 量提高至 2 0 - - 3 o 时，得白口组织，f e a c 变成( f e ，c 0 3 c ，m 3 c 。此外，c r 能够降低灰铸铁的共 晶凝固温度，使铁碳相图上的奥氏体区缩小，扩大铁液的凝固温度范围，从而加大了灰 铸铁中形成缩松、缩孔的倾向，降低了铸件的致密性，当铸铁含c r 2 0 时，奥氏体区消 失。 山东建筑大学硕士学位论文 至于c r 量的上限如何控制，不同的加c r 工艺，上限有所不同。如果c r 加入到原铁 液中，其上限不要超过0 3 5 ，否则较高的含c r 量会使铁液白口倾向和收缩倾向加大， 非常有害。另一种加c r 的工艺不是提高原铁液c r 量，而是将c r 加入到铁液包中，用冲 入法冲入，这种工艺会大大减少铁液的白口倾向和收缩倾向。同前一种工艺相比，同样 的c r 量，白口和收缩倾向会减少一半以上，这种加c r 方式，c r 的上限可以控制到0 4 5 。 为了避免其负面影响，铁液中较为合适的c r 含量为o 2 - - 0 3 5 。 1 3 1 2 钼对灰铸铁力学性能的影响 m o 的特性与铬非常相似，也是一种容易形成碳化物的元素，当m o 1 8 时，铸铁才能获得完全灰口组织；随着硅含量的增加，介稳定系共晶温度增长速 度由8k s i 变成3 6k s i 2 9 】。此次实验取s i 量为1 8 。 山东建筑丈学硕士学位论文 051 n t5 20253 0 3 j 4045 5o s m c n f * i 睦 j； 【。_】-&； 山东建筑大学硕士学位论文 数是反映和调控灰铸铁性质必须运用的重要手段之一，故磷含量也不能太低，本次实验 要求p 含量在0 0 5 0 2 。 3 1 4 硫 硫能降低碳在铁液中的溶解度，增强碳的活度，与锰、稀土形成的m n s 和r e s 会 成为石墨非自发形核的核心，促进石墨化，是孕育反应顺利进行不可缺少的部分。硫量 偏低时，孕育元素的作用得不到发挥，孕育效果不佳。硫量过高时，由于孕育元素与硫 的原子比下降，将形成r e 2 s 3 、r e 3 s 4 类型的硫化物，它们不能成为石墨形核的有效基 底，导致孕育效果恶化【3 5 1 。另外，过高的硫量还会导致大量自由态硫的存在，它们富集 在共晶团前沿，从而限制了共晶生长，引起铁水过冷，使铸铁力学性能下降【3 6 1 。所以锰、 硫在灰铸铁中存在相互制约的关系，即存在一个合理的m n s 值。因此，要想在高碳当 量下生产出合格的高强度灰铸铁，锰量与硫量的选择应该综合考虑，尽量发挥锰和硫对 灰铸铁强度有利的一面【3 7 1 。实验要求高碳当量灰铸铁中s 0 1 。 3 1 5 锰 在为改善铸铁的组织与性能而进行的合金化努力方面，锰因其价廉而有效常常成为 首选元素。锰首先是稳定珠光体和渗碳体的元素，在高强度灰铸铁中常用作合金元素被 加入，它提高灰铸铁强度的机理表现为：阻碍石墨化，增加凝固过程中奥氏体和珠光体 的枝晶含量，同时降低共晶转变温度，促使珠光体片细化，片间距减小；锰可与铁液中 的硫生成高熔点m i l s 3 8 】。 锰还是碳化物形成元素，可直接与碳化合成m n 3 c ，但进入碳化物中的锰置换f e 3 c 中的铁原子，形成( f e ，m n ) 3 c ，溶入锰的渗碳体原子间结合增强，结构更加稳定。锰 的存在抑制共晶转变，使稳定系共晶转变和介稳定系共晶转变温度同时降低。当铸铁的 碳当量较低，而且铁水过冷到两个共晶温度之间时，锰促进白口倾向更为明显【3 9 1 。 在高碳当量灰铸铁中，为了保证良好的铸造性能，碳、硅含量较高。从降低成本， 减少因为合金元素的加入而使铸造性能变差这一点出发，我们不加其它合金元素，而是 将因锰不足需补加的锰铁在炉前以孕育的方式加入。即本次实验是在维持总的含锰量为 o 8 不变的基础上，充分利用锰铁的炉前孕育作用来提高高碳当量灰铸铁的强度。 3 2 高碳当量灰铸铁炉料配比 配料是根据铸铁所要求的化学成分、炉料的种类和成分以及熔化过程中元素的变化 规律来进行的。正确的配料是保证铸件质量，保证完成铸铁熔化任务的重要措施之一。 铸铁配料计算方法很多，主要有试算法、表格法、图解法、电子计算机法等，本课 山东建筑大学硕士学位论文 题按照h t l 5 0 的成分范围采用试算法进行配料计算。具备的原始资料如下： ( 1 ) 高碳当量灰铸铁要求的化学成分( ) ： c3 6 5 、s i1 8 、m n0 8 、0 0 5 p 0 2 、s o 1 。 ( 2 ) 各种金属炉料的化学成分如表2 1 所示。 ( 3 ) 熔炼过程中各种元素的增减率见表3 1 加】。 表3 1 中频感应电炉的元素烧损率) t a b l e 3 1e l e m e n tb u r n i n gl o s sr a t ei ni n t e r m e d i a t ef i - e q u e n c yi n d u c t i o ne l e c t r i cf u r n a c e ( ) ( 4 ) 配料计算 第一步：计算炉料中应配入的元素质量分数( c 炉料，s i 炉料，m n 炉料，p 炉料，s 炉料) c 炉科= c 铸铁件( 1 + r l 。) = 3 6 5 ( 1 5 ) = 3 8 4 s i 炉料= s i 铸铁件( 1 + 1 1 岛) = 1 8 ( 1 + 2 ) = 1 7 6 m n 炉料= m n 铸铁件( 1 加m 。) = 0 8 ( 1 1 0 ) = 0 9 4 s 炉料 s 铸铁件( 1 + r ls ) = o 1 ( 1 + 0 ) = 0 1 p 炉料 p 铸铁件( 1 加p ) = o 2 吲( 1 + o ) = o 2 ； 第二步：由已知条件确定生铁加入质量分数a 和废钢加入质量分数b ( a + b = 1 ) 生铁配入的碳质量分数( c 炉料a ) 为：c 炉科a = c a a = 4 5 0 废钢配入的碳质量分数( c 炉料b ) 为：c 炉料b = c e b = 0 1 4 ( 1 0 0 一a ) 所以，整个炉料配入的碳质量分数( c 炉料) 为：c 炉料= c 炉料a + c 炉料b 即3 8 4 = 4 5 0 a + 0 1 4 ( 1 0 0 一a ) 解得a = 8 5 b = 1 5 第三步：核算硅、锰量以便确定铁合金加入质量分数( m 和n ) 乱核算硅量，确定硅铁加入质量分数( m ) 由生铁、废钢配入的硅质量分数( s i 炉料) ： n 一 山东建筑大学硕士学位论文 s i 。炉料2 s i 炉科a + s i 炉料b 2 1 7 5 a + 0 3 4 b = 1 5 4 所以尚缺硅量，可加入硅铁补充，即硅铁加入质量分数( m ) ： m = ( s i 炉料一s i 炉料) 7 5 = 0 2 9 b 核算锰量，确定锰铁加入质量分数( n ) 由生铁、废钢配入的锰质量分数( m n 炉料) ： m n 。炉科2 m n 炉科a + m n 炉料b - - 0 4 5 a + 1 4 2 b = 0 6 所以尚缺锰量，可加入锰铁补充，即锰铁加入质量分数( n ) ： n = ( m n 炉科一m n 炉料) 6 5 = 0 5 2 ； 第四步：核算磷、硫量是否在要求范围内 由生铁、废钢配入的磷质量分数( p 炉料) ： p 。炉料2p 炉料a + p 炉料b2 0 0 5 7 a + 0 0 3 b = 0 0 5 3 由生铁、废钢配入的硫质量分数( s 炉料) ： s 。炉辩2s 炉料a + s 炉料b 2 0 0 2 3 a + 0 0 2 b = 0 0 2 3 即炉料中配入的磷、硫量均在要求的范围内。 本实验每批炉料为3 0 k g ，利用上述计算得到的各炉料加入质量分数可分别得到各自 加入量，见表3 2 。 表3 2 各种炉料加入量k g t a b l e 3 2a d d i t i o no fv a r i o u sf u l t i a c ：ec h a r g e k g 为了尽量缩短从孕育到凝固的时间，从最大程度上防止孕育作用的衰退，亦即最大 程度地发挥孕育作用，锰铁采取炉前加入，也就是在铁液出炉的同时进行孕育，具体的 加入方法见表3 3 。 山东建筑大学硕士学位论文 表3 3 锰铁加入方法 t a b l e 3 3a d d i n gm e t h o d so ff e r r o m a n g a n e s e 3 3 高碳当量灰铸铁的铸造性能 灰铸铁的铸造性能是保证铸件质量的重要性能，它包括流动性、收缩性及收缩过程 中伴生的内应力、变形和裂纹倾向等。铸造性能的好坏是衡量铸造合金优劣的一个重要 方面。灰铸铁具有良好的铸造性能是它获得广泛应用的主要原因之一。 3 3 1 流动性检测 流动性是指液态金属本身的流动能力，是金属的铸造性能之一。金属的流动性对于 排出气体、杂质和补缩、防裂，获得优质铸件有影响。金属的流动性好，气体和杂质易 于上浮，使金属净化，有利于得到没有气孔和杂质的铸件。良好的流动性能使铸件在凝 固期间的缩孔得到金属的补缩，以及铸件在凝固末期受阻而出现的热裂得到液态金属的 弥合，因此，有利于这些缺陷的防止。流动性试验的结果见表3 4 。 表3 4 流动性试验结果 t a b l e 3 4t e s t e dr e s u l t so fl i q u i d i t y 流动性实验是采用单螺旋线式湿型试样，浇注温度在1 3 3 0 1 3 8 0 之间，从表3 4 中的实验数据看，用锰铁孕育后的流动性均大于1 1 0 0 m m ，流动性较好，且可以看出在 化学成分相同而炉前锰铁加入量不是很大的情况下，浇注温度越高的铁液流动性越好。 这一结果得从影响流动性的多种因素分析，但就铁水而言，影响流动性的主要因素是它 山东建筑大学硕士学位论文 的化学成分及浇注温度。 化学成分对灰铸铁流动性的影响，主要是通过对共晶度和对夹杂物的含量与存在形 式发生作用的。碳和硅主要影响共晶度，从而影响铁水凝固温度范围的大小以及初生奥 氏体枝晶的特性。本实验就是在亚共晶铸铁( s c 1 ) 基础上，增加碳、硅含量，与低碳 当量灰铸铁相比，碳、硅含量的增加提高了铸铁的共晶度，改变了合金在状态图上的位 置。对于高碳当量灰铸铁而言，因它偏离共晶成分不远，与一般灰铸铁相比，结晶温度 范围较小，初生奥氏体枝晶不太发达，凝固层的内表面具有比较平滑的特点，所以在正 常浇注温度条件下，在铁一碳合金中它的流动性更好。 锰和硫对共晶度影响不大，主要影响夹杂物的形式。一方面，锰铁采取炉前加入， 使铁液中的固态夹杂物数量增多，如锰和硫多以m n s 的形式悬浮在铁液中，使液体的粘 度增加，增加了铁液的内摩擦，降低流动性；另一方面，锰铁炉前加入量提高后降低了 铁液的表面张力，有利于铁水中杂质的排逸和平衡硫元素的有害作用，净化铁水，提高 了铁水的流动性。实验中由于锰铁的炉前加入量不高，且有利于流动性提高的因素( 如 高的浇注温度) 作用较大，因此形成的夹杂物对流动性的负面影响不太明显。 在相同条件下铁液温度对质量有很大的影响，铁液温度的提高，主要受益的是铁液 纯净度改变，同时也改变了组织结构。铁水在熔化过程中所进行的主要反应有： s i + 0 2 = s i 0 2 2 m n + 0 2 = 2 m n o 2 f e + 0 2 = 2 f e o 且s i 、m n 与0 2 亲合力大于f e ，因此还存在着： s i + 2 f e o = s i 0 2 + 2 f e m n + f e