（材料加工工程专业论文）厚大断面耐低温铁素体球墨铸铁组织及性能的研究.pdf

| l i i i iii i ii i i ii i i ii iiil y 19 0 5 9 5 4 s t u d yo nm i c r o s t r u c t u r e sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fh e a v y s e c t i o n l o w - t e m p e r a t u r ef e r r i t en o d u l a rc a s ti r o n b y c a o j i a n b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g l n m a t e r i a l sp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h 0 0 1 o f h u n a n u n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rg a o 、e n l i m a y , 2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 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。 本人授权湖南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。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打“”) 日期：触f 年艿月孑，日 日期：删年6 月f 日 厚人断面耐低温铁素体球墨铸铁组织及性能的研究 摘要 厚大断面耐低温铁素体球墨铸铁是近些年来球墨铸铁业的新兴产品，与常 温铁素体球墨铸铁相比，低温铁素体球墨铸铁对成分控制，球化孕育工艺，组 织控制等方面要求更为严格。对于厚大断面铁素体球墨铸铁，为获得满足要求 的低温冲击性能及延伸率，必须保证铸件具有铁素体基体，且球化良好，不能 出现碎块状石墨等畸变石墨。虽然我国已在低温铁素体球墨铸铁的研制上取得 了一定成果，但大多数国内制造厂家仍未能掌握关键技术，生产的铸件吨位小、 壁厚薄、形状简单，不能满足日益发展的球铁市场需求。 本研究采用树脂砂铸造工艺制备厚大断面球墨铸铁试块，研究n i 、s i 、s b 及其他合金元素对厚大断面铁素体球墨铸铁组织及性能的影响；分析了浇注温 度、不同球化剂、不同孕育方法及壁厚效应等工艺因素对厚大断面铁素体球墨 铸铁组织及性能的影响：使用光学显微镜对球墨铸铁的石墨形态和基体组织进 行观察和分析；利用扫描电镜( s e m ) 和能谱仪( e d s ) 对球状石墨及碎块状石 墨周围的化学元素分布进行了分析。 本研究得到以下5 条结论：1 ，对于厚大断面铁素体球墨铸铁，提高浇注温 度及添加适当s b ，均可抑制碎块状石墨的产生，但后者效果更为明显，当s i 含量在1 8 2 o 和2 o 2 2 时，分别添加0 0 0 5 与0 0 0 8 s b ，可达到抑制 碎块状石墨产生的作用，保证厚大断面铁素体球墨铸铁的综合力学性能，且不 会促进大量珠光体的生成；2 ，碎块状石墨周围c 、s i 元素含量明显高于球状石 墨周围这两种元素，圆整石墨球周围l a 、c e 、s b 元素含量明显高于碎块状石 墨周围相应元素含量；3 ，提高s i 含量或添加o 6 n i ，试块抗拉强度、屈服强 度及硬度均得到提升，。4 0 低温冲击韧性呈下降趋势，但s i 含量提升至 2 o 2 2 或添加0 6 n i 时，仍可保证在试样4 0 低温冲击功个别值及平均值 均lo j ，符合国家相关标准；4 ，选用钇基重稀土球化剂和采用多次高效孕育 手段，可明显改善厚大断面球墨铸铁心部石墨形态，5 ，随着壁厚的增加，球墨 铸铁心部共晶凝固时间延长，石墨球直接增大，球化等级、综合力学性能均呈 下降趋势。 关键词：低温铁素体球墨铸铁；厚大断面；合金元素；工艺因素；组织及性能 i i 硕上学位论文 a b s t r a c t l o w - t e m p e r a t u r ef e r r i t en o d u l a rc a s ti r o no fh e a v ys e c t i o ni st h ee m e r g i n g p r o d u c t si nn o d u l a rc a s ti r o ni n d u s t r yi nr e c e n ty e a r s c o m p a r e dw i t hn o r m a lf e r r i t e n o d u l a rc a s ti r o n ，t h el o w t e m p e r a t u r ef e r r i t en o d u l a rc a s ti r o no nt h ec o m p o s i t i o n c o n t r o l ， s p h e r o i d i z i n g i n o c u l a t i o n p r o c e s s a n dt h e o r g a n i z a t i o n c o n t r o l r e q u i r e m e n t sa r es t r i c t e r i no r d e rt oa c q u i r et h er e q u i r e m e n t so fl o w t e m p e r a t u r e i m p a c tp r o p e r t i e sa n de l o n g a t i o n ，t h ec a s t i n g so fh e a v ys e c t i o nf e r r i t en o d u l a rc a s t i r o np r e s e n tt h ef e r r i t i cm a t r i x ，c a n n o ta p p e a rc h u n k yg r a p h i t e i nr e c e n ty e a r s ， s o m ea c h i e v e m e n t sh a sb e e nm a d eo nt h el o w - t e m p e r a t u r ef e r r i t en o d u l a rc a s ti r o n i no u rc o u n t r y ，b u tm o s to ft h ed o m e s t i cm a n u f a c t u r e r ss t i l l f a i lt og r a s pk e y t e c h n o l o g y ，t h ep r o d u c t i o no fc a s t i n g sw h i c ht h e yp r o d u c e da r es m a l l ，t h i c k n e s s ， a n ds i m p l e ，t h eg r o w i n gm a r k e td e m a n do fd u c t i l ei r o nc a n n o tb es a t i s f i e d i nt h ep r e s e n tp a p e r ，t h eh e a v ys e c t i o nl o w - t e m p e r a t u r ef e r r i t e d u c t i l ec a s t i r o nw a sp r e p a r e db ys a n dm o u l dp r o c e s s w es t u d i e dt h ef u n c t i o n so fs i ，n i ，s b a n do t h e ra l l o ye l e m e n t sw h i c ha f f e c t e dq u a l i t yo f h e a v ys e c t i o nd u c t i l ei r o n ；t h e e f f e c t so ft e c h n o l o g yf a c t o r s ( 1 i k en o d u l a r i z e r ，i n o c u l a t i o n ，p o u r i n gt e m p e r a t u r e a n dw a l lt h i c k n e s s ) o nh e a v ys e c t i o nd u c t i l ei r o nb e a n a l y s e d ；o b s e r v e dt h e g r a p h i t ea n dm a t r i xo r g a n i z a t i o nb yo p t i c a lm i c r o s c o p ya n da n a l y s e dt h ee l e m e n t s w h i c ha r o u n dt h eg r a p h i t eb a l la n d c h u n k yg r a p h i t eb ys c a n n i n ge l e c t r o n m i c r o s c o p y ( s e m ) a n d ( e d s ) t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：1 ，f o rt h eh e a v ys e c t io n l o w t e m p e r a t u r ef e r r i t e d u c t i l ec a s ti r o n ，t h ec h u n k yg r a p h i t ec a nb er e s t r a i n e db yb o t hi n c r e a s i n gp o u r i n g t e m p e r a t u r ea n da d d i n gd e f i n e da m o u n ts b ，b u tt h el a t t e re f f e c tm o r ep o w e r f u l w h e ns ic o n t e n ti n1 8 一2 o a n d2 o 2 2 ，a d d o 0 0 5 a n do 0 0 8 s b r e s p e c t i v e l y ，c h u n k yg r a p h i t ec a nb ef u l l yr e s t r a i n e d ，a n dn op e a r l i t eb ep r o m o t e d ； 2 ，t h ec o n t e n to fc ，s ia r o u n dc h u n k yg r a p h i t ew a so b v i o u s l yh i g h e rt h a nw h i c h a r o u n dn o d u l eg r a p h i t e ，a n dt h ec o n t e n to f l a ，c e ，s ba r o u n dn o d u l eg r a p h i t ew a s h i g h e rt h a nw h i c ha r o u n dc h u n k yg r a p h i t e ；3 ，t h et e n s i l es t r e n g t h ，y i e l ds t r e n g t h a n dh a r d n e s sc o u l db ei m p r o v e da n d 一4 0 。c l o w t e m p e r a t u r ei m p a c tt o u g h n e s si s d e c l i n e db yi m p r o v e ds ic o n t e n to ra d d e do 6 n i ，w h e ns ic o n t e n ta t2 o 2 2 o ra d d i n g0 6 n i ，一4 0 c l o w t e m p e r a t u r ei m p a c te n e r g ys t i l lc a nb eg u a r a n t e e da t t h el e v e lo fi n d i v i d u a l v a l u e 1 0 j ，a v e r a g ev a l u e lo j ；4 ，t h eg r a p h i t e m o r p h o l o g yc o u l db ee v i d e n t l yi m p r o v e db yu s e dy t t r i u mb a s eh e a v yr a r e e a r t h i i i 厚大断面耐低温铁素体球墨铸铁组织及性能的研究 s p h e r o i d i z i n ga n dc h o o s e de f f i c i e n ti n o c u l a t i o nm e t h o d ；5 ，a st h et h i c k n e s s i n c r e a s e d ，t h ee u t e c t i cf r e e z i n gt i m ea n dd i a m e t e ro fn o d u l eg r a p h i t eb ei n c r e a s e d ， a n dt h es y n t h e s i sm e c h a n i c a lp r o p e r i s eb ed e c r e a s e d k e yw o r d s ：l o w t e m p e r a t u r ef e r r i t en o d u l a rc a s ti r o n ；h e a v ys e c t i o n ； a l l o ye l e m e n t s ；t e c h n o l o g yf a c t o r s ；o r g a n i z a t i o na n dp r o p e r t y i v 硕士学位论文 目录 学位论文原创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 目录v 第1 章绪论1 1 1 球墨铸铁简介1 1 2 球墨铸铁的诞生及其发展1 1 2 1 国外发展概况1 1 2 2 国内发展概况2 1 3 球墨铸铁的性能及应用2 1 3 1 球墨铸铁的性能2 1 3 2 球墨铸铁的应用4 1 4 厚大断面低温铁素体球墨铸铁4 1 4 1 厚大断面低温铁素体球墨铸铁简介4 1 4 2 厚大断面低温铁素体球墨铸铁球化理论及方法5 1 4 2 厚大断面低温铁素体球墨铸铁球化理论及方法8 1 4 2 厚大断面低温铁素体球墨铸铁生产中存在问题及解决措施9 1 4 2 厚大断面低温铁素体球墨铸铁中各元素及其影响1 1 1 5 本论文的研究目的和意义及主要研究内容1 3 第2 章实验方法1 6 2 1 实验材料1 6 2 2 实验方案1 6 2 2 1 化学成分的确定1 6 2 2 2 造型工艺的确定1 8 2 2 3 熔炼及球化孕育工艺的确定。1 8 2 2 4 具体实验方案2 0 2 3 试块解剖及样品制备方法一2 0 2 4 凝固曲线测量2 1 2 5 化学分析2 1 v 厚大断面耐低温铁素体球墨铸铁组织及性能的研究 2 5 1 碳，硫分析2 1 2 5 2 硅，锰，磷分析2 1 2 5 3 镍，锑分析2 1 2 6 微观组织分析2 1 2 6 1 金相分析2 1 2 6 2 s e m 分析2 1 2 7 性能测试方法2 2 2 7 1 抗拉强度测试方法2 2 2 7 2 低温冲击韧性测试方法2 2 2 7 3 硬度测试方法2 2 2 8 实验所需仪器2 3 第3 章合金元素对厚大断面低温铁素体球墨铸铁组织及性能的影响2 4 3 1 引言2 4 3 2s b 对厚大断面低温铁素体球墨铸铁的影响2 4 3 2 1s b 对石墨形态的影响2 4 3 2 2s b 对基体组织的影响2 9 3 2 3s b 对力学性能的影响3 0 3 2s i 对厚大断面低温铁素体球墨铸铁的影响3 4 3 2 1s i 对石墨形态的影响3 4 3 2 2s i 对力学性能的影响一3 5 3 3n i 对厚大断面低温铁素体球墨铸铁的影响3 6 3 3 1n i 对厚大断面低温铁素体球墨铸铁基体组织的影响一3 6 3 3 2n i 对厚大断面低温铁素体球墨铸铁力学性能的影响3 6 3 4 其他元素对厚大断面低温铁素体球墨铸铁的影响3 7 3 4 1 石墨球的异质核心3 7 3 4 2 微量元素对石墨形态的影响3 8 3 5 本章小结一4 0 第4 章工艺因素对厚大断面低温铁素体球墨铸铁组织及性能的影响4 2 4 1 引言4 2 4 1 球化剂类型对厚大断面低温铁素体球墨铸铁的影响4 2 4 1 1 球化剂类型对石墨形态及力学性能的影响4 2 4 1 2 重稀土球化剂的抗衰退机理4 4 4 2 孕育方式对厚大断面低温铁素体球墨铸铁的影响4 5 4 3 壁厚对厚大断面低温铁素体球墨铸铁的影响4 6 v i 硕士学位论文 4 4 本章小结5 0 第5 章结论及展望5 2 5 1 结论5 2 5 2 展望5 2 参考文献5 4 致 谢5 8 附录a 攻读硕士学位期间发表的论文5 9 v i i 硕+ 学位论文 1 1 球墨铸铁简介 第1 章绪论 球墨铸铁是指在铁水出铁过程中，加入一定量的球化及孕育剂，通过适当的 球化孕育处理技术，使碳以球状石墨的方式形核长大，并最终在凝固的铸件中得 到球状石墨的铸铁。与灰铸铁相比，球墨铸铁具有其无可比拟的延伸率及低温冲 击韧性；与钢相比，球墨铸铁不但在静载荷下的力学性能可与其媲美，更在耐磨 性和耐腐蚀性上优于碳钢及某些合金钢。由于球墨铸铁具有良好的综合力学性能 及低廉的生产成本，其问世后便得到了快速的发展与广泛的应用，进入了“以铁 代钢”的时代，广泛应用于矿山机械设备、冶金机械设备、管道输送工业、石油 化工、核工业、机械制造及风力发电等行业，是2 0 世纪材料科学的重大进展之一。 1 2 球墨铸铁的诞生及其发展 1 2 1 国外发展概况 现代球墨铸铁的生产主要是通过向铁水中加入球化剂和孕育剂，应用适当的 球化孕育处理技术，使碳以球状石墨的方式形核长大，并最终在凝固的铸件中得 到球状石墨的铸铁。但现代球墨铸铁到底是由谁首先研制的，一直众说纷纭。房 贵如等【l 】通过总结大量资料，指出：现代球铁是美国国际镍公司( i n c o ) 青年科研 人员麦里斯( k d m i l l i s ) 首先研究成功的。1 9 4 2 年三月，麦里斯等融化了几组 镍硬铸铁，并发现含镁的镍硬铸铁比含铬的镍硬铸铁韧性明显提高，含硫量下降。 第二年，麦里斯又进行了进一步的实验：在含c 3 6 ，s i 2 ，m n o 7 5 ，s o 0 6 ， n i 2 的铁液中分别添加o 0 5 ，0 3 ，0 4 ，0 5 的含2 0 m g 的镍镁合金，添加硅 铁孕育剂后浇注试样，通过金相分析和抗拉实验，发现此组铸铁析出了完整的球 状石墨，力学性能良好。此次试验，标志着球墨铸铁正式研制成功。i n c o 公司 进行了长达5 年的保密实验后，于1 9 4 7 年3 月和1 1 月，先后在英、美两国申请 了加镁球墨铸铁的专利。 1 9 4 7 年，英国铸铁研究所的莫勒( m o r r o g h ) 发现了铸态下存在球状石墨的铸 铁，第二年，通过在高碳、低硫、低磷的灰铸铁中加入c e ，并使其残留量保持在 0 0 2 以上，制得了球墨铸铁【2 】。1 9 4 9 年1 月，莫勒在美国申请了加c e 球墨铸铁 专利，美国当局于19 4 9 年10 月2 5 日正式批准了其专利。于此同时，美国的加格 奈宾( a p g a n g n e b i n ) 等人指出，在铸铁中添加镁，随后用硅铁进行孕育处理， 当残余镁含量大子o 0 4 w t 时，可得到球墨铸铁【3 】。从此之后，作为新型材料的 厚大断面耐低温铁素体球墨铸铁组织及性能的研究 球墨铸铁在世界范围内开始了大规模的生产。1 9 4 9 年，世界球墨铸铁总产值仅有 5 万吨，1 9 7 0 年5 0 0 万吨，19 9 0 年增长为9 15 万吨，2 0 0 0 年达到15 0 0 万吨，截 止2 0 0 8 年，世界球墨铸铁年产量增加至2 3 0 0 万吨。 1 2 2 国内发展概况 经考古发现，中国早在2 0 0 0 多年前，就制造出了含有球状石墨的铸铁。近 年来相继在中国河南巩县及渑池县出土的西汉( 公元前2 0 6 年到公元8 年) 铁锹 及汉魏时代( 公元2 2 0 至2 6 5 年) 的“陵右 i i 式斧铸件上发现了球状石墨，研 究发现上述铸件不含镁或稀土元素，是采用高纯木炭生铁熔炼，在金属型中浇注， 经热处理后而制成。但因为这种工艺很难大量生产，所以这项古代球铁的独特技 艺没能流传下来。 由于我国自清朝末年至解放初期，战乱不断，导致生产技术落后，科学发展 较为缓慢，现代球墨铸铁直至1 9 5 0 年才由中科院陶瓷研究所和清华大学王尊明教 授通过采用铜镁合金冲入法研制成功，并同时开展了镍镁、铝镁、锌镁和铅铜做 球化剂的试验工作【4 1 。该实验的成功，填补了我国现代球墨铸铁的空白，拉近了 我国与全世界各国球墨铸铁研制的距离。虽然我国球墨铸铁起步较晚，但发展极 其迅速，在1 9 5 0 后的几年内，我国分别自行研制出了钟罩压入法，压力加镁法和 灭容加镁等方法处理球铁，并将研制出的球墨铸铁成功的用于大型机械中的曲轴 生产，同时，我国根据自身国情，于1 9 5 6 年研制出稀土镁球墨铸铁。 由于球墨铸铁自身具有的高强度，高韧性，良好的耐磨、耐腐蚀性及低廉的 成本，很快便在汽车及机械制造行业得到广泛应用。1 9 6 9 年，我国机械科学研究 院郑州机械研究所开始研究等温淬火球墨铸铁( a d i ) ，并在1 9 7 2 年开始小批量 生产汽车用a d i 螺旋伞齿轮。从2 0 世纪9 0 年代至今，即从1 9 9 1 年第二届全国 奥一贝球铁学术会议召开后的2 0 余年中，我国的a d i 有了进一步的发展，从 2 0 0 2 年1 1 月在大连召开的第三届全国a d i 技术研讨会上看到，人们对a d i 的 重视程度和热情都很高。此次会议反映了2 0 世纪9 0 年代以来我国的a d i 已从研 究试验转向生产，并逐步走向工业化生产【5 j 。 我国目前球墨铸铁的年产值居世界第三位，随着球墨铸铁的应用领域不断拓 宽，产量增加，会促使科研工作者投入更多的时间与精力来做更深一步的研究， 相信在不久的将来，我国的球墨铸铁业将会处于世界领先水平。 1 3 球墨铸铁的性能及应用 1 3 1 球墨铸铁的性能 球墨铸铁与灰铸铁相比，由于其石墨是以球状析出的，石墨的强度可以认为 是零，其对基体的割裂作用最小，所以球墨铸铁的抗拉强度、屈服强度、疲劳弯 2 曲强度、弯越冲击值和延伸率等机械性能要远远高于灰口铸铁。此外球墨铸铁还 具有灰铸铁所无法比拟的优良物理性能，在耐热、耐腐蚀性能方面均有良好的表 现。与锻钢相比较，球墨铸铁的价格低、生产周期短、设备投资小、生产工艺简 单。因此，在保证产品使用性能的前提下，“以铸代锻，以铁代钢”会使产品的 生产成本降低，获得较好的经济效益 6 】。 球墨铸铁具有优良的综合机械性能，其抗拉强度可达到1 6 0 0 m p a ，延伸率 1 - 2 0 ，冲击韧性( 无缺口试样) 可达到15 0 j 。表1 1 和1 2 【7 】分别列出了球墨铸铁 和其他钢铁材料的性能。 表1 1 各种钢铁材料的强度比值 注：o b 一抗拉强度；a o 2 一屈服强度；o d 一抗压强度；o 。一抗弯强度；一抗剪强度；o l 一疲劳强度；h b 一布氏硬度 表1 2 各种钢铁材料的机械性能 从表1 1 和1 2 中可以看出，球墨铸铁的综合机械性能明显高于普通铸铁， 3 和 于 i 体 铁 配 其 它部门应用占1 5 3 0 【引。 铁素体球铁最突出的特点是其延伸率高，韧性较好，且具有一定的强度，延 伸率可达1 0 2 5 ，被广泛应用于受压阀门、轿车后桥壳、农机零件、拖拉机配件、 大型泵体、大型机械和大型涡轮机叶片座体等。近些年来，由于风电事业的迅速 发展，装机容量及吨位不断增加，厚大断面低温铁素体球墨铸铁因其优良的韧性 及低温冲击性能而获得了广泛的用武之地。 珠光体球墨铸铁韧性稍差，但硬度高，强度大，抗拉强度6 0 9 0 k m m 2 ，屈 服强度4 0 6 5k m m 2 ，硬度达2 5 0 3 0 0 h b ，主要用于制造柴油机的曲轴、连杆、 齿轮；机床主轴、蜗轮、蜗杆；轧钢机的轧辊；水压机的工作缸、缸套、活塞等。 等温淬火奥贝球铁是一种综合力学性能优异的新型工程材料，它不仅具有高 的强度、硬度和耐磨性能，而且还有较好的塑性与低温韧性，同时与其它铸铁以 及经过热处理的铸钢和锻钢相比，奥贝球铁的弯曲疲劳强度也较高，其接触疲劳 强度比珠光体和铁素体铸铁高，实际上与经过气体氮化或渗碳的锻钢的特性相同， 所以它引起了世界范围内工程技术界的高度重视和关注【9 】。等温淬火球墨铸铁由 于其优良的综合性能，已经广泛应用于农业机械、建筑机械、工程机械、冶金机 械、汽车、铁路和军工等领域【l 。 1 4 厚大断面低温铁素体球墨铸铁 1 4 1 厚大断面低温铁素体球墨铸铁简介 在工业领域中，通常将壁厚大于1 0 0 m m 的球墨铸铁件称之为厚大断面球墨 铸铁件，厚大断面低温铁素体球墨铸铁则是指壁厚大于1 0 0 m m ，具有全铁素体基 体组织，且同时兼具较高的强度、延伸率及低温冲击韧性的球墨铸铁。 近些年来，随着全球石油化能源枯竭，越来越多的国家已经认识到可再生能 源的重要性。全球可再生能源的利用率在不断增长，特别是风力发电，一直是世 界上发展最快的【1 1 】。随着风电产品需求的不断增长，装机容量不断提高，势必需 4 硕士学位论文 要更大吨位的铸件满足其装机需求。由于风力发电机组多建在海边和沙漠等多风 源地带，其装机位置高、吨位大，工作环境恶劣，需长时间在低温下运转，且更 换维修困难，对机组设备主要构件的使用寿命、强度及低温冲击韧性有较高的要 求，所以需要与之配套的球墨铸铁件应具有全铁素体的基体组织，以保证铸件具 有较高的强度，良好的低温冲击性能。低温铁素体球墨铸铁是风力发电设备的主 要构件，包括装置叶片的轮毂、底座、齿轮箱、主框架等构件，1 - 2 m w 机组需1 5 2 0 吨铸件，4 5 m w 风力发电机组约需要3 5 4 5 吨铸件【12 1 。 对于高韧性低温铁素体球墨铸铁，其金相组织要求为： 球化等级达到4 级以上，共晶团应尽量细化，石墨球尺寸越小越好。 铁素体含量应超过9 0 ，珠光体含量应严格控制在1 0 以下，否则对其韧性 影响较大。 渗碳体数量不得超过3 。 磷共晶数量不得超过1 。 与常温铁素体球墨铸铁相比，低温铁素体球墨铸铁对成分控制、球化孕育工 艺、组织控制等方面要求更为严格，在生产上存在着更大的困难，尤其对于厚大 断面低温铁素体球墨铸铁，存在球化孕育衰退、碎块状石墨、缩孔疏松等众多缺 陷，严重影响其强度及低温冲击韧性。虽然厚大断面低温铁素体球墨铸铁在生产 中存在着诸多困难，但近些年来，我国已在该领域中取得了一些进展【1 3 。15 1 。相信 在科研人员的不懈努力之下，不久之后，我国将会在厚大断面低温铁素体球墨铸 铁领域中取得突出的成就。 1 4 2 厚大断面低温铁素体球墨铸铁球化理论及方法 ( 1 )球化理论 球化处理在球墨铸铁的生产中起决定性的作用，扮演着至关重要的角色。但 由于球化过程机理复杂，且无法直接看到其微观的反应过程，所以球化理论一直 众说纷纭，各有长短。目前被人们所接受的球化理论和模型主要有【i6 】：碳化铁快 速分解理论、过饱和奥氏体理论、气泡学理论和模型、硫化物等石墨球核心说理 论、过冷学理论、吸附理论、表面能理论、位错学理论和模型等石墨球长大理论 等。 碳化铁分解理论认为，在球化过程中，石墨首先以碳化铁的形式凝固，然后 再分解析出石墨。 过饱和奥氏体理论认为，石墨直接从铁液中析出后被奥氏体壳所包围，球状 石墨通过碳的扩散而长大。 气泡学模型主要认为，球化元素m g 首先在铁液中形成微小的镁蒸汽气泡， 球状核心通过碳原子向内扩散形核，并逐渐长大。 5 厚大断面耐低温铁素体球墨铸铁组织及性能的研究 核心说理论【1 7 1 9 1 的主要观点认为，硫化物，氧化物及m g s i 化合物形成球状 石墨的异质核心，从而长大成球状石墨。 过冷学理论认为，m g 元素的加入，减小了过冷石墨沿a 轴和c 轴方向长大 的速度差，从而形成了球状石墨而非片状石墨。 吸附理论【2 0 】主要认为，由于m g 元素的吸附作用，使得石墨表面张力提高， 从而得以生长成为球状。 表面能理论【2 1 】主要认为，m g 等球化元素与s 结合，促使石墨与铁液间的表 面能变大，界面面积缩小而成球状。 位错学理论和模型【2 2 】主要认为，球状石墨是沿着螺旋位错的方向生长成球状 的。 ( 2 ) 球化方法 近些年来，随着球墨铸铁的不断发展，国内外已经成功研制出多种球化方法， 并且根据自身的实际情况选择最为合适的方法进行生产活动。目前，主要用于厚 大断面球墨铸铁的球化方法有冲入法、盖包冲入法、型内球化处理法、转包法( g f 法) 等。其中，冲入法和盖包冲入法以其设备简单、操作方便的特点，得到 最为广泛的应用。下面，我们将对上述几种球化方法做简单的介绍。 冲入法。冲入法是目前国内外应用最为广泛的球化方法，主要分为平底式， 凹坑式和堤坝式。见图1 1 所示。 ( a ) 平底式( b ) 凹坑式( c ) 堤坝式 图1 1 冲入法球化的几种形式 冲入法球化首先将球化合金放入包底，上面覆盖硅铁合金及草木灰或苏打等 覆盖剂。处理时，将铁液冲入另一侧，一般先加入铁液总量的2 3 或3 4 ，等爆镁 反应基本结束后，再补加余量铁液，同时进行随流孕育，然后扒渣【23 1 。冲入法球 化优点是设备简单，成本较低，操作容易；其缺点为球化稳定性差，爆镁时易产 生大量烟尘，污染环境，镁的吸收率仅为2 5 3 0 。 盖包法。盖包法是针对冲入法的缺点而改进的一种球化处理方法，其原理 与冲入法基本相同，近年来在国外球铁生产中的应用日益增加，1 9 8 9 年的统计， 7 7 个铸造厂约有一半工厂使用盖包法【2 4 1 。盖包法与冲入法原理基本相同，只是用 6 硕十学位论文 耐火材料在冲入法的包顶设置一个浇口盆，来控制铁水冲入的流量。装置见图1 2 所示。盖包法球化优点是在短时间内增大了包内的气压，可有效减少镁的氧化、 烧损，且烟尘较少，改善工作条件，减少环境污染。盖包法球化，镁的吸收率一 般为6 0 6 5 。其缺点为盖包的搬运和装卸比较麻烦。 采用盖包法球化时，应注意以下两点： 保证铁水的有效高度，防止包盖与铁水包粘连。 包盖上浇口直径可按经验公式计算： d2 ：4 9 ( w t x h )( 1 1 ) 式中d 一浇口直径； w 一处理铁水重量( k g ) ； t 一铁水通过浇口的时间( s ) ； h 一一般取5 7 c m ； 型内球化法。型内球化法是上世纪6 0 年代兴起的一种球化方法，这种方法 是在浇注系统中设计一个反应室，将原铁水浇入铸型时，铁水在进入型腔前经反 应室连续进行球化的方法。其原理见图1 3 所示。 雠 图1 2 盖包处理法示意图 反应室 图1 3 型内球化法示意图 型内球化法的优缺点如下【2 5 1 ： 优点为：生产步骤少、资本投入低；温度损失少、镁吸收率高、球化剂加入 量少；无处理衰退、无需再孕育；随流处理避免了过冷和碳化物的形成；未经球 化的处理的铁水在保温浇注炉中产生的夹渣会大大减少；环境影响小，无处理废 渣排放。 缺点为：铸型能有形成夹渣的可能，降低了铸型出品率；对浇注速度的要求 较高；原铁水的含硫量要尽可能低，最大不超过o 0 1 5 ；铸件的不同部位含镁量 可能有差异；对铁水温度、晶粒度的要求更为严格。 转包法( g f 法) 。转包法是瑞士人士g e o r g ef i s c h e r 发明的，因此也车 也称g f 法【2 6 1 。此法爆镁反应并不十分剧烈，镁的吸收率可达6 0 8 0 ，能够 将硫化物、硅酸镁等杂质与铁液较好的分离，适用于含硫量较高的铁水。转包法 7 厚大断面耐低温铁素体球墨铸铁组织及性能的研究 处理铁液的过程见图1 4 所示。 球化处理前，先将包体横卧，将纯镁通过包体反应室小孔装入后锁紧装置， 再将熔炼好的铁水注入包内，此过程如图1 4 ( a ) 所示。球化处理时将铁水包直立， 铁水经过反应室的小孔进入，与镁发生球化反应而产生镁蒸汽，当气压大于铁水 压力时，铁水无法进入；随着镁的消耗，气压减小，铁液再次进入反应室，继续 球化，此过程见图1 4 ( b ) 。球化结束后，将铁水倒出，如图1 4 ( c ) 所示。 ( a ) 加入铁水( b ) 处理状态( c ) 处理完毕 图1 4 转包法示意图 1 4 2 厚大断面低温铁素体球墨铸铁球化理论及方法 ( 1 ) 孕育理论 孕育处理的本质是在铁液中创造有利于石墨形核析出的热力学，尤其是动力 学条件，因此孕育处理对铁液凝固过程的影响应该是多方面因素的综合作用。目 前的孕育理论及模型主要有：碳化物核心理论、氧化物核心理论、均质晶核理论、 起伏成核理论、硫化物理论、f e s i 结晶化孕育理论等。 碳化物核心理论主要认为，铁水中的碳与孕育剂中有效元素反应生成碳化物 作为石墨核心，这些碳化物主要有a 1 3 c 4 核心、c a c 2 核心、s i c 2 核心。 氧化物核心理论主要认为，孕育剂中的硅通过与铁水中的某些元素反应，生 成硅酸盐颗粒而形成石墨核心。 均质核心理论主要认为，孕育后的硅溶解扩散时，在碳的过饱和部位生成石 墨核心。 起伏成核理论是目前具有代表性的理论之一，该理论主要认为，孕育剂在铁 水中会形成大量微观的浓度起伏和温度起伏，从而形成许多石墨核心。 硫化物理论主要认为，在球墨铸铁中铈和镁的硫化物作为石墨核心，增加石 墨球数，促进石墨化。 f e s i 结晶化孕育理论是目前最新的孕育学说之一，其观点为，孕育剂中的 硅由于与高温铁水接触而氧化生成非晶态的s i 0 2 ，而孕育剂中的c a 元素作为触 媒剂使s i 0 2 结晶化，这种结晶化的s i 0 2 成为石墨核心。 ( 2 ) 孕育方法 硕士学位论文 对于厚大断面球墨铸铁，目前主要采取的孕育方法有浇包孕育、液体孕育、 型内孕育、瞬时包外孕育等方法【2 。 浇包孕育。浇包孕育是目前使用最为普遍的一种孕育方法，是在出铁时， 将适量的孕育剂均匀的撒入出铁槽中，使孕育剂与铁液充分混合，从而达到孕育 目的的一种方法。该法无需复杂设备，操作简单，孕育剂吸收效果好，但孕育剂 使用量大，且必须在孕育处理完成后1 5 - 2 0 m i n 内浇注完毕，否则会出现孕育衰退 的可能。 液体孕育。液体孕育是将2 0 一5 0 高碳硅灰铸铁铁液兑入白口铁液中，从 而起到孕育作用的方法。这种孕育方法主要适用于大型铸件，其缺点为必须同时 开两个熔炼炉，耗能较高。 型内孕育。型内孕育是把孕育剂放人浇注系统内进行孕育的方法。主要目 的是消除白口，减少过冷，改善石墨形态，降低断面敏感性，增加铁液共晶团数 【2 引。型内孕育工艺的最大优点就是孕育剂的加入是在铸型内进行，最大限度地利 用了孕育剂的作用，因此可减少孕育剂的加入量( 0 0 5 0 1 ) ，而孕育效果却 很好【29 1 。同样，型内孕育也存在着不少缺点，例如孕育剂粒度与铁液浇注温度及 浇注速度须配合得当，否则会出现孕育不均匀现象，铸件夹杂、夹砂的可能性增 大，孕育块需专门制备，且有时存在漏放可能，从而引起铸件报废。 瞬时包外孕育。包外孕育则是在浇注时，将一特制的漏斗安装在浇包茶壶 嘴上方，用一定量小铁勺将制型所需铁水重量的0 1 0 0 1 5 的孕育剂加入斗中， 孕育剂在自重作用下，均匀地随铁水进入型腔，从而达到孕育的目的【30 1 。，瞬时 孕育与传统的包内孕育相比有如下优点【3 l 】：石墨球圆整细小，分布均匀；消除了 过量的自由渗碳体；有效防止皮下气孔出现；改善了磷共晶分布状态；提高了力 学性能和疲劳强度。 除上述几种孕育方法外，还有浇口杯孕育、浮硅孕育、随流孕育、包内孕育 等等，各工厂应根据自己所掌握的技术和实际生产条件，选择最简便、最为有效 的孕育方式。 1 4 2 厚大断面低温铁素体球墨铸铁生产中存在问题及解决措施 由于冷却速度缓慢，共晶凝固时间延长，厚大断面低温铁素体球墨铸铁同样 会出现普通厚大断面球铁常有的球化不良、石墨畸变、元素偏析、夹渣、气孔、 碳化物及缩孔缩松等缺陷，尤其是碎块状石墨的出现，对其综合力学性能，尤其 是延伸率和低温冲击韧性破坏极大，从而致使铸件报废率增高【3 2 】。下面，本文将 分析厚大断面低温铁素体球墨铸铁在生产中存在的问题及其防止措施。 ( 1 ) 缩孔、缩松 影响因素：碳当量。适当提高碳当量，有利于石墨化过程；增加铁水流动 9 厚人断面耐低温铁素体球墨铸铁组织及性能的研究 ，有利于补缩，但碳含量过高会引起石墨漂浮，硅含量过高则会降低铸件低温 击韧性，根据经验公式，3 9 耋c + ( 1 3 ) s i 兰4 8 。磷含量。磷含量过 ，其凝固范围扩大，缩孔、缩松倾向增加。镁及稀土含量。残留镁及稀