（材料加工工程专业论文）一种新型复合球墨铸铁孕育剂的研制.pdf

摘要 摘要 球墨铸铁是工业上应用最广泛的金属材料之一，球墨铸铁以其高强度、高 塑韧性、良好的抗疲劳能力和铸造性能以及较低的生产成本而应用越来越广 泛，并逐步替代铸钢件。孕育处理是球铁生产中不可缺少的一个环节，其目的 在于增加石墨球的数量、提高其圆整度、细化石墨球、防止球化衰退、降低白 口倾向、防止在共晶团间形成自由渗碳体等。 球墨铸铁在生产中普遍应用的孕育剂是7 5 硅铁，但其孕育效果较差，为 消除自由渗碳体，需要加入量较大，然而为了控制终硅量，则必须降低原铁水 的含硅量，这就给回炉料的利用带来了一定难度。而孕育效果非常强的孕育 剂，加入较少的量就能达到和普通孕育剂相同的孕育效果，而且增硅也少，这 样就可以适当地提高原铁水的含硅量，进而提高了对回炉料的利用率，从而降 低生产成本。 本论文通过反复试验研制出一种由f e 2 0 3 、f e s 、b i 2 0 3 、c a s i 四种物质组 成的新型复合高效孕育剂，为了确定孕育剂中各种物质的最佳成分配比，我们 通过向牌号为q t 5 0 0 7 的球铁铁水中加入此种孕育剂进行了三因素三水平的正 交试验。通过对正交试验结果进行极差分析确定出孕育剂中各成分的最佳配 比。然后继续探讨了这种新型孕育剂对球墨铸铁微观组织和力学性能的影响。 研究结果表明，新型复合孕育剂的主要成分组成为：b i 4 8 ，0 3 5 ， s 1 2 ，s i 4 0 5 0 ，余量为c a ，其加入量为铸件重量的0 1 w t ，在向牌号为 q t 4 5 0 1 0 的球铁铁水中加入此种新型孕育剂后球铁组织中的石墨球数明显增 多，由2 6 4 个m m 2 增加至3 2 5 个m m 2 ，石墨球数的增多有助于铁素体含量的 增加，另外球化级别也由添加前的4 级提高到3 级，从而使铸件达到较好的综 合力学性能，尤其是伸长率得到了很大的提高，从添加前的1 4 3 5 提高到现 在的1 8 1 5 ，提高了3 8 。 另外，随着新型孕育剂的加入，球墨铸铁梯形试块的厚度由5 0 m m 减少到 1 0 m m ，其硬度值从1 7 7 0 n m m 2 增加到2 3 2 7 n r a m 2 ，硬度值增加了 5 5 7 n m m 2 ，相对于添加前的从1 6 5 7 n m m 2 增加到2 3 6 3 n m m 2 ，增加了 7 0 6 n m m 2 ，增加的幅度较小，这说明由于厚度的变化引起的断面敏感性较 摘要 小，这就为生产厚大变截面球铁件提供了一种高效的复合新型孕育剂，使不同 厚度部位的力学性能都能达到要求。 扫描电镜和能谱分析的结果表明，在不同牌号的球铁铁水中添加这种新型 孕育剂后，从球墨铸铁中萃取出来的石墨球绝大多数呈现出近似圆球的形状， 而不添加新型孕育剂时石墨球有很多呈现出各种典型的不圆整状态，比如，蠕 虫状、椭球状、棒状等。由此可见，新型孕育剂的添加有利于石墨球圆整度的 提高。接着我们采用萃取球墨压扁法、层磨法、高温烧结后石墨球核心物质 的分析等各种途径对石墨球核心物质的分析可以得出，微量元素o 、s 、b i 等 在石墨球形核的过程中起着至关重要的作用，正是它们与铁水中的各种金属元 素发生反应生成各种氧化物、硫化物以及金属间化合物等，增加了石墨球形核 的核心，从而达到增加石墨球数量，提高其圆整度的作用。 透射电镜研究结果表明，石墨的核心物质可能是一个颗粒，也可能是两个 颗粒连在一起共同作为石墨核心，其尺寸大都为2 3 u m ，由选区电子衍射图谱 标定的结果可知，核心物质确实存在，- m n s 。综合x r d 、e d s 以及t e m 的测 试结果，我们推断石墨核心的发源地为m n 、c a 、m g 等的硫化物以及金属间 化合物c e b i ，外层为顽辉石m g o s i 0 2 及镁橄榄石2 m g o s i 0 2 ，通过孕育处理 引入c a 后，反应生成了六方硅酸盐c a o s i 0 2 、c a o a 1 2 0 3 2 s 1 0 2 ，它们与石墨 的晶格失配度较低，石墨可以在其表面上形核析出。 关键词：球墨铸铁；孕育剂；形核；微量元素； t - m n s a b s t r a c t a b s t r a c t d u c t i l ec a s ti r o ni st h em o s tw i d e l yu s e dm e t a lm a t e r i a l si nm o d e mi n d u s t r y i t i sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ew i d e s p r e a db e c a u s eo fi t sh i g ht e n s i l es t r e n g t h 、h i g h e l o n g a t i o n 、g o o d r e s i s t a n c et of a t i g u ea n dc a s t i n gp r o p e r t i e sa n dl o w e rc o s to f p r o d u c t i o n ，s o i t g r a d u a l l yr e p l a c e s c a s ts t e e l i n o c u l a t i o nt r e a t m e n ti sa n i n d i s p e n s a b l el i n ki nt h ep r o d u c t i o no fd u c t i l ei r o n ，i ta i m st oi n c r e a s et h en u m b e r o f g r a p h i t en o d u l e ，i m p r o v et h eg r a p h i t en o d u l es h a p e ，f i n et h eg r a p h i t en o d u l e ，p r e v e n t d e c l i n eo fs p h e r o i d i z i n g ，d e c r e a s et e n d e n c yo fc h i l la n dp r e v e n tt h ef o r m a t i o no f f r e ec e m e n t i t eb e t w e e ne u t e c t i cb l o c k s t h ei n o c u l a n tw h i c hi sw i d e l yu s e di nt h ep r o d u c t i o no fd u c t i l ei r o ni s7 5s i f e ， b u tt h ei n o c u l a t i o ne f f e c ti sr e l a t i v e l yp o o r ，i no r d e rt or e m o v ef r e ec e m e n t i t ew e s h o u l di n c r e a s et h ei n o c u l a n ta m o u n t h o w e v e r ，t oe o n t r o lt h ef i n a lc o n t e n to fs i l i c o n , ： t h ec o n t e n to fs i l i c o ni nm o l t e ni r o nm u s tb el o w , s ot h eu t i l i z a t i o no fr e t u r n si s l i m i t e d b u tt h ee f f e c t i v ei n o c u l a n tc a nr e d u c et h ed o s a g eb e c a u s ei tc a nr e a c ht h e s a m ee f f e c ta sn o r m a li n o c u l a n t s ot h ec o n t e n to fs i l i c o ni nm o l t e ni r o nc a nb e i n c r e a s e d ，t h eu t i l i z a t i o nr a t eo fr e t u r n si sr a i s e dt o o ，舔ar e s u l t , i tr e d u c e st h ec o s t i nt h i ss t u d y ，w ed e v e l o pan e w t y p eo fe f f e c t i v ei n o c u l a n tw h i c hi sc o m p o s e d o f f e 2 0 3 ，f e s ，b i 2 0 3a n dc a s i ，t od e t e r m i n et h eo p t i m u mp r o p o r t i o n i n gr a t i o ，w e c o n d u c tao r t h o g o n a le x p e r i m e n tb ya d d i n gi n o c u l a n ti n t oq t 5 0 0 7m o l t e ni r o n b y r a n g ea n a l y s i st h eo p t i m u mr a t i oi sw o r k e do u t t h e n , w es t u d yt h ei n f l u e n c eo f i n o c u l a n tt ot h em i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fd u c t i l ei r o n 1 1 1 er e s u l t ss h o w e dt h a tt h em a i nc h e m i c a lc o m p o n e n to ft h en e wt y p eo f c o m p o u n di n o c u l a n ti sb i 4 - 8 ，0 3 - 5 ，s 1 - 2 ，s i 4 0 5 0 ，、 ，i n lt h eb a l a n c eo f c a t h eo p t i m a ld o s a g eo fi n o c u l a n ti s0 1w t t h en u m b e ro fg r a q h i t en o d u l e s i n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l ya f t e ra d d i n gt h en e wi n o c u l a n ti n t oq t 4 5 0 - 10m o l t e ni r o n , f r o m2 6 4 个m m 2t o3 2 5 个m m 2 sc o n d u c e st ot h ei n c r e a s eo ff e r r i t ec o n t e n t , a n dt h eg r a p h i t en o d u l a r i z a t i o nd e g r e ei n c r e a s i n gu pt o3g r a d ef r o m4g r a d eb e f o r e t h u s ，t h ec a s t i n gc a nr e a c ht h eb e s tm e c h a n i c a lp r o p e r t y ，e s p e c i a l l yt h ee l o n g a t i o n ， i n c r e a s eb y3 8p e r c e n tf r o m1 4 3 5p e r c e n tt o1 8 1 5p e r c e n t ! 1 1 a b s t r a c t m o r e o v e r , 、历t 1 1t h ea d d i t i o no ft h en e wt y p eo fi n o c u l a n t , t h eb r i n e l lh a r d n e s s i n c r e a s e d b y5 5 7 n h 蚰2f r o m 17 7 n m m 2t o2 3 2 7 n m m 2w h e nt h et h i c k n e s s d e c r e a s e df r o m5 0 m mt o10 m m ，b u tt h eh a r d n e s si n c r e a s e db y7 0 6 n r a m 2f r o m 16 5 7 n r a m 2t o2 3 6 3 n m m 2b e f o r e w ec a ns e et h er a n g ei ss m a l lw h e nw ea d dt h e i n o c u l a n ti n t ot h em o l t e ni r o n i ts h o w e dt h es e c t i o n s e n s i t i v i t yo fd u c t i l ei r o ni s s m a l l e r , s oi ti sc o n d u c i v et ot h ep r o d u c t i o no ft h eh e a v yv a r i a b l ec r o s ss e c t i o n d u c t i l ei r o n , m a k i n gt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fd i f f e r e n tt h i c k n e s ss e c t i o n sa l l m e e tt h er e q u i r e m e n t s t h er e s u l t si n v e s t i g a t e db ys e ma n de d ss h o w e dt h a ta f t e ra d d i n gt h en e w t y p eo fi n o c u l a n t , t h eg r a q h i t en o d u l e sa p p e a r e dt ob er o u n dw h e ni ta s s u m e d i r r e g u l a rg r a q h i t e n o d u l e s b e f o r e ，s u c h a sv e r m i c u l a r g r a p h i t e ，e l l i p s o i d a l g r a p h i t e ，s t i c k - s h a p e dg r a p h i t ea n d s oo n t h u s ，i tc a nb es e e nt h a tt h ea d d i n go ft h e i n o c u l a n ti sb e n e f i c i a lt ot h ei n c r e a s eo ft h er o u n d n e s so fg r a p h i t en o d u l e s a c o n c l u s i o nc a l lb e & a w e df r o mt h ea n a l y s i so fn u c l e u si ng r a p h i t en o d u l eb ym e a n s o fe x t r a c t i o n - p r e s sf l a t m e t h o d ，l a y e r - m i l l i n gm e t h o da n ds i n t e r e d a t h i g h t e m p e r t u r em e t h o dt h a tt r a c ee l e m e n t s0 ，sa n db ip l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nt h e n u c l e a t i o no fg r a p h i t en o d u l e b e c a u s et h en u c l e a rm a t t e ri n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l yb y a d d i n go ft h ei n o e u l a n ti n t ot h em o l t e ni r o na n dr e a c t i n g 、j ，i t l lt h em e t a le l e m e n t si n t h em o l t e ni r o n s ot h en u m b e ro ft h eg r a p h i t en o d u l e si n c r e a s e da n dt h eg r a q h i t e n o d u l e sa p p e a r e dt ob em o r er o u n d t h er e s u l t si n v e s t i g a t e db yt e ms h o w e dt h a tt h ec o r eo fg r a p h i t ec o u l db eo n e p a r t i c l eo rt w op a r t i c l e st o g e t h e rt h a ta r ea b o u t2 - 3 u mi ns i z e ，a n dt h ep a r t i c l e sa r e 丫 m n sb ya ne l e c t o r a ld i s t r i c te l e c t r o nd i f f r a c t i o na n a l y s i s t h er e s u l t si n v e s t i g a t e db y s e m ，e d sa n dt e ms h o w e dt h a tt h ec o r eo fg r a p h i t ew a sc o m p o s e do f m n s ，m g s ，c a sa n dc e b i ，t h ee x t e r n a ll a y e ro fw h i c hw a sm g o s i 0 2 ，2 m g o s i 0 2 a f t e ra d d i n gt h ei n o c u l a n tc o n t a i n i n gc ai n t ot h em o l t e ni r o n , h e x a g o n a ls i l i c a t e c a o 。s i 0 2a n dc a o a 1 2 0 3 2 s 1 0 2c a nb ed e r i v e d b e c a u s eo ft h el o wl a t t i c em i s m a t c h , t h eg r a p h i t ec a nn u c l e a t eo nt h es u r f a c eo fi t k e y w o r d s ：d u c t i l ei r o n ；i n o c u l a n t ；n u c l e a t i o n ；m i c r o e l e m e n t ；t m n s i v 山东大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 铸铁是工业上应用最广泛的金属材料之一，是机械制造工业的重要基础。 1 9 4 7 年，球墨铸铁的出现大幅度地提高了铸铁原有的强度、延展性和韧性， 使铸铁的综合力学性能发生了质的飞跃，已经迅速发展为仅次于灰铸铁的、应 用十分广泛的铸铁材料【l 】。另外，球墨铸铁以其高强度、塑韧性、良好的抗疲 劳能力、较好的铸造性能以及较低的生产成本而逐步替代铸钢件，从而使得球 墨铸铁有了更广阔的应用空间。但是，随着工业技术的发展，人们对球墨铸铁 力学性能的要求也越来越高，除了满足常温下工作环境对力学性能的要求外， 很多球铁件被用作低温环境下，比如近几年快速发展的风机铸件，不仅要有较 高的常温力学性能，而且要有良好的低温抗冲击性能，以避免在低温环境下运 行时发生脆性断裂。此外，球墨铸铁的发展趋势之一便是向着厚大件发展，但 是由于球墨铸铁的凝固特点，大型复杂的结构件，尤其是壁厚差较大的变截面 球铁件，厚大部位的石墨组织容易变得粗大，甚至发生畸变，产生变态石墨从 而严重影响其力学性能，质量控制的难度还是很大。 研究表明，孕育处理、热处理、合金化等都可以提高球墨铸铁的综合力学 性能。其中的孕育处理是比较简便而又经济、行之有效的方法1 2 】。孕育处理是 球墨铸铁工业生产过程中的一个重要环节，它不仅促进石墨化，防止自由渗碳 体和白口出现，而且有助于球化，使石墨变得更细小，更圆整，分布更加均 匀，从而提高球铁件的综合力学性能。其作用就在于改变铸铁共晶结晶的凝固 条件，达到消除白口、促进石墨化、细化晶粒、提高组织均匀性，从而改善铸 铁的力学性能和加工性制3 1 。 球墨铸铁孕育处理过程中，铁水中能否有足够多的硫化物和氧化物作为石 墨结晶的核心，取决于原铁水的纯度、保温时间和冶金处理工艺等。传统的生 产中用的孕育剂是硅铁合金，它含有钙、钡、锶、锰等金属元素，加入上述元 素。主要目的是使其与铁水中的硫和氧结合，为石墨提供有效的非均质结晶核 心【4 】。但是，经过球化处理后，铁水中能起作用的硫和氧是相对贫缺的，孕育 剂中的添加元素的作用因而也会达到一个极限，孕育处理后可能形成的有效晶 山东大学硕士学位论文 核的数量将大大地制约孕育剂的效力。有文献f 5 】指出：含b i 孕育剂提高球铁 石墨球数的作用比任何其它孕育剂都显著，可以设想它将对改善球铁的组织和 提高力学性能起有益的作用。在孕育剂中加入一定的铋，可以十分强烈地增加 石墨球数，从而减少白口倾向，增加基体中铁素体的含量。为了增强孕育效 果，现研制一种含有钙、铋、硫、氧的新型复合孕育剂，使经此孕育剂孕育处 理后在铁液中形成了很多异质形核质点，有利于产生大量细小、圆整、均匀分 布的石墨，这对于生产具有更高抗冲击性能的铁素体球铁也是十分有利的。另 外新型孕育剂的使用会大大减少孕育剂的使用量，从而原铁液的含硅量可以适 当地提高，于是回炉料也得到了更大程度的利用，改变了回炉料积压的现状， 将会产生很高的经济和社会效益。 1 2 球墨铸铁的发展现状 1 2 1 球墨铸铁的国内外发展状况 研究发现，河南巩县西汉中、晚期的冶铁遗址中出土的铁镢，经过金相检 验，其石墨呈圆整的球状，偏光观察石墨断面有明显的辐射纹，这类石墨也具 有典型的球状石墨年轮组织，球化率相当于现代标准一级水平【6 7 】。我国球铁 的研究工作始于1 9 5 0 年，最先是由中国科学院上海冶金陶瓷所和清华大学王遵 明教授分别在上海、抚顺两地进行。由于我国缺镍，未采用美国国际镍公司所 用的镍镁球化剂，而是采用铜镁合金冲入法研制成功球铁。1 9 5 2 年，很多单位 开始研究用纯镁代替铜镁合金，采用钟罩压入法处理球铁。1 9 5 3 年我国又掌握 了补加铁水的方法，以弥补钟罩压入法铁水温降大的缺点。大部分工厂采用钟 罩压入法一直至1 1 9 5 7 年左右，这种方法耗镁量高，同时球化不够稳定，劳动条 件差。1 9 5 7 1 9 5 8 年间，许多单位先后试验成功压力加镁的方法，并在生产中 正式采用。至此，镁系球化剂及其处理工艺经过八年的不断研究和应用，基本 成熟和完善了。而以陈熙琛教授为代表的球墨铸铁学者在5 0 年代末就开展了当 时具有国际水平的研究工作【引。并于1 9 7 7 年提出了“稀土镁球墨铸铁基础理 论、基础技术研究计划 ，先后分别在球化理论、石墨形貌、球墨铸铁基体性 能等方面进行了深入的研究。进入8 0 年代以来，我国的球铁得到了突飞猛进的 2 山东大学硕士学位论文 发展，等温淬火球铁及多种特种球铁也先后问世，球铁的品种变得更加的丰富 多彩。球墨铸铁管以及汽车零部件等产品都得到了迅速的发展与应用。 而国外最早是在1 9 3 5 年间，德国阿汉铸造研究所就已经知道了在低碳高硅 的铸铁中，如何获得球状石墨的方法1 9 。1 9 3 7 年，由h a n e m a n n 编著的金相图谱 中首次展示了球状石墨的金像照片。c a d e y 认为：“获得高强度铸铁的方法特 点就是：不含有夹渣的共晶或者过共晶铸铁，硅的质量分数大于1 ，在快速 凝固的条件下，石墨呈全部或者部分球状析出 。随后，m o r r o g h j g l w i l l i a m s l l 0 1 研究了f e c c o 合金的石墨化过程，他们认为，其结晶过程和f e c s i 合金相 似，在提高冷却速度，特别是加入硅钙合金后，石墨成球状。现代球墨铸铁是 由美国国际镍公司青年科研人员麦里斯( k d m i l l i s ) 于1 9 4 3 年4 月1 2 日研制成 功的1 9 】。该公司于1 9 4 7 年3 月2 2 日率先在英国、1 9 4 7 年1 1 月2 1 日在美国申请了 加镁球铁专利。但是知道1 9 4 9 年1 月2 5 日英国铸铁研究所的莫勒在美国申请加 铈球墨铸铁专利后，美国专利局才对i n c o 公司的专利进行了实质性的审查， 并于1 9 4 9 年1 0 月2 5 日批准了加镁球铁专利权，接着于同年的1 1 月1 5 日批准授予 莫勒加铈球铁专利权。与此同时，1 9 4 8 年5 月7 日，g a n g n e b i n m l 等三人第一次 发表了在铁液中添加镁，随后用硅铁进行孕育处理，在残余镁的质量分数超过 0 0 4 可以得到球状石墨的论文。正是由于采用镁处理铁液的发展，从1 9 4 8 年 起，在全世界开始了球墨铸铁的工业生产。 。 球墨铸铁的发展速度是令人惊异的。1 9 4 9 年全世界的球墨铸铁产量是5 万 吨：1 9 6 0 年是5 3 5 万吨；1 9 7 0 年是5 0 0 万吨；1 9 8 0 年是7 6 0 万吨；1 9 9 0 年是9 1 5 万吨；1 9 9 5 年则是1 2 9 0 万吨，2 0 0 0 年，全世界球墨铸铁的产量已超过了1 5 0 0 万 吨，而2 0 0 5 年全世界的球墨铸铁产量更是突破了2 0 0 0 万吨。图1 1 是世界球墨 铸铁产量随年份的变化。 总之，由于出现了球墨铸铁，使机械零件的铸件本身的质量有了很大提 高，于是球墨铸铁的产量也就随着年份的推移迅速增加。可以这样说，球墨铸 铁占铸件年产量的比例，特别是它与灰铸铁的比例，从一个侧面，标志着一个 国家的工业发展水平【1 1 , 1 2 】。 山东大学硕士学位论文 j 潲踊畦 1 1 1 1 嘲i n t o口1 口挑i o 年赞 图1 1 全世界球墨铸铁产量的变化 f i g u r e1 1t h ev a r i e t yo fd u c t i l ei r o no u t p u ta r o u n dt h ew o r l d 1 2 2 球墨铸铁应用范围的扩大与展望 球墨铸铁管与机械制造业是球墨铸铁的两个最大的用户。球墨铸铁管主要 用于水利工程和城市供水、排水、供气等设施的建设，近几年我国城市化进程 加快，乡村供排水、供气系统扩建的大规模展开，加之随着人们对球墨铸铁管 认同度的提高，许多新建项目选用球墨铸铁管替代原有灰口铸铁管等其它管 材，国内球墨铸铁管的需求呈持续大幅增长态势。而在机械制造业中，珠光体 球墨铸铁常用于制造拖拉机或柴油机的曲轴、连杆、凸轮轴、各种齿轮、机床 的主轴、蜗杆、蜗轮、轧钢机的轧辊、大齿轮及大型水压机的工作缸、缸套、 活塞等；铁素体球墨铸铁常用于制造受压阀门、机器底座、汽车后轮壳等。球 墨铸铁的牌号、组织、力学性能及用途列于表1 1 。部分典型的球墨铸铁件见图 1 2 。值得指出的是奥贝球铁的发明又给球墨铸铁应用提供了更广阔的空间。在 北美，用在汽车工业中的奥贝球铁已占铸件总产量的二分之一，主要产品有轿 车上的控制臂、轻型卡车的牵引钩等；北美奥贝球铁的市场分布为轻型卡车 2 5 、重型卡车2 0 、铁路设备1 6 、通用制造业1 1 、建筑及矿山8 ；英国 奥贝球铁的应用分布为轻型卡车3 4 、农业2 8 、建筑及矿山2 6 、其它工业 1 2 1 3 1 ，新发展起来的奥贝球铁促使球墨铸铁的应用的又有了一个飞跃。笔者 认为，在未来的几年中球墨铸铁将继续以飞快的速度继续向前发展，其中铸态 球铁将仍然是很重要的发展方向，另外奥贝球铁等高性能球铁将不断发展，各 种球化、孕育处理新工艺比如喂丝球化、盖包球化、复合孕育等等也将更多的 应用于球铁生产当中，形成一整套完整的球铁生产模式。总之，球墨铸铁工业 4 狮 舯 懈 瑚 o - 反l i 雄t 山东大学硕十学何论文 化生产6 0 多年以来，已经成为国民经济各领域中必不可少的重要的工程材料。 其应用领域虽然受到镁合金及铝合金的挑战，但由于球铁牛产工艺简单，性能 稳定，价格便宜，因此在其它材料挑战面前，仍然发展迅速。 博 4 皇：叠簟 图1 2 部分典型的球墨铸铁件 f i g u r e l 2s o m et y p i c a lp a r t so f d u c t i l ei r o nc a s t i n g 表1 1 球墨铸铁的牌号、组织、力学性能及主要用途( 摘自g b l 3 4 8 1 9 8 8 ) t a b l e1 11 1 h eb r a n d , m i c r o s t r u c t u r e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n da p p l i c a t i o n s 气o m p 供考 鼻号 应用举饲 m p 量小僵 硬度髓 基体组织 q t 4 1 9 02 ，01 81 3 0 _ 1 8 0 铁素体汽车、拖拉机底盘零件 q t 4 - l 4 d 02 ，0i ，1 3 0 _ 1 8 0铁素体一门的一体和一t 尊 q t 4 5 0 1 0 4 5 03 l oi o1 6 0 2 1 0 铁素体 q t 5 0 0 7 如0款o71 7 0 以剪 铁素体+ 珠光体机油泵齿轮等 q t 6 m 3 o剪o 3 1 9 啦0 ，o 铁素体q k 光俺柴油机、汽油机的曲轴 置床，铣床车床的主轴 q t 7 0 0 2 7 0 02 02复知3 珠光体 空压机、冷冻机的缸体、缸 q t 8 2 8 0 08 02m 知3 黏 珠光体戏回火组织 套 q t 9 0 0 2 如oo2篮仉3 贝氏体硪固火马氏 汽车、拖拉机传动齿轮篝 体 1 3 孕育剂的研究现状 1 3 1 我国孕育剂的发展与现状 在我国的球墨铸铁生产中普遍采用的孕育剂是7 5 硅铁，这种硅铁中对孕育 起重要作用的c a 、a i 的含量没有限定具体的范围，从而使得其孕育效果很不稳 定，使生产的球墨铸铁件经常形成各种组织上的缺陷，比如缩孔、缩松等。2 0 山东大学硕士学位论文 世纪9 0 年代以后，在引进国外技术的基础上，国内孕育剂的研究和应用有了长 足的发展，相继发展了含锶硅铁孕育剂、稀土孕育剂、硅钡孕育剂等，极大地 丰富了铸铁孕育剂的种类及其应用范围。实践表明，目前我国的孕育剂系列基 本可以满足铸铁件生产发展的需求。但硅铁孕育剂的用量还是占据了铸铁孕育 剂总量的8 0 以上，从而导致孕育效果很不稳定，经常出现报废的铸件。所以 孕育剂的发展对提高铸铁件的质量起着至关重要的作用，能否生产出合格的满 足要求的孕育剂产品已经成为制约铸铁行业发展至关重要的因素。 1 3 2 国内外孕育剂的差距 近年来，我国的科研工作者加快了对铸铁孕育剂研究的步伐，对其研究也 取得了较明显的效果。但在铸件质量上仍与国外铸件的质量存在着很大的差距 1 4 1 。总结一下，主要体现在以下三个方面： 首先，灰铸铁与国外的差距主要包括：铸铁的强度比国外低1 2 级；铸铁 的牌号比国外的低1 2 级；铸件的壁厚且重；铸件的残余应力大：耐磨性较 差，寿命较低。 其次，球墨铸铁与国外的差距包括：我国工艺稳定性差，韧性塑性低。有 时试样的力学性能达到了要求，但是铸件本体的力学性能却达不到要求，另 外，在相同牌号下伸长率也较国外的低。 再次，孕育剂与孕育处理工艺的差距包括：目前我国最常用的孕育剂仍是 7 5 硅铁，虽然硅铁的孕育作用比较强，基本能满足生产质量不高的铸件的要 求，但是孕育衰退比较快。因此近几年对高效、长效孕育剂开展了研究工作， 取得了成果，然而到目前为止孕育剂的品种仍未做系列化，品种依然比较单 一，规格不全：国外孕育剂的品种多，规格有粉、片、块、丝等。在孕育处理 工艺方面，近几年来我国也曾采用过很多新的方法，如浇口杯瞬时孕育、浮硅 孕育和型内孕育等，都取得了好的效果。应该讲，采用新的孕育处理工艺比研 究新孕育剂的效果快，但是，就目前国内生产上采用新的孕育处理工艺的范围 还不够广泛和定型，需要与之配合的孕育剂品种、规格以及设备都没有及时地 跟上。 6 山东大学硕十学何论文 1 3 3 孕育剂的分类 铸铁的孕育剂有碳基和硅基两类，碳基孕育剂具有石墨化能力强、衰退慢 等优点，但它的熔点高，要在1 4 5 0 以上处理，生产上使用有困难，因此主要 用硅铁作为基本的孕育剂。近二十年发展的各种孕育剂是在硅铁孕育剂中配入 微量钡、锰、锆、镁、锶或稀土等元素，以适应不同要求的高效孕育剂【1 钔矾。 1 普通硅铁：含硅约7 5 。纯硅或纯铁在铁水中的孕育作用很小，当其中 含有钙、铝等金属元素时才是有效的孕育剂。所以目前生产中使用的7 5 硅铁含 有1 2 2 0 a i 以及0 3 1 2 c a 。 2 含钡硅铁：此种孕育剂可以很大程度上防止球铁件的薄壁处出现白口组 织，能够有效地改善铸件的壁厚敏感性，细化共晶团，提高铸件强度及厚壁处 硬度，从而对生产合格的变截面球铁件具有明显的效果。 3 含锶硅铁：这种孕育剂是在7 5 硅铁的基础上加入0 6 1 o 的s r ，锶是主 要的成核元素。它可以应用于灰口铸铁和球墨铸铁，对减小铸铁出现白口的作 用很强，出现缩孔、缩松等铸造缺陷的倾向也得到了控制，与此同时还可以增 加石墨球数，起到延缓孕育衰退的作用。 4 含铈硅铁：这种孕育剂的溶解性比较好，加入铁液中后孕育的效果也较 为显著，能有效减小白口，具有较强的细化共晶团作用。如果应用于大断面铸 件可提高石墨球数，可有效地延缓球铁的孕育衰退。 1 3 4 孕育剂常用的合金元素及作用 为了强化孕育效果，生产中常在孕育剂中添加少量的合金元素，来增强孕 育剂的孕育效果，这样往往会产生意想不到的效果，有些合金元素还可以有效 地增强孕育剂的抗孕育衰退的特性，延长发生孕育衰退的时间，从而对工业生 产具有极其重要的意义。 通常，孕育剂中的合金元素可以分为四大类：强化孕育元素、抗孕育衰退 元素、稳定珠光体元素和脱硫脱氧除气元素。它们各自应用的场合不同，所起 到的作用也自然不同，下面就其作用的不同依次作以论述。 7 山东大学硕士学位论文 表1 2 孕育中常用的合金元素 t a b l e1 2 a l l o y i n ge l e m e n t sc o m m o n l yu s e di ni n o c u l a t i o n 强化孕育元素铝、钙、锶、钡、锆、稀土 抗孕育衰退元素钡、锶、铈、锆 稳定珠光体元素铬、锰、钼、锡、锑、铜、镍、钨、钒、铌 脱硫脱氧除气元素钙、铈、镁、铝、钡、锆、钛 1 强化孕育元素 在硅系孕育剂中配入一定量的铝、钙、锶、钡、锆、稀土等，可以强化孕 育效果【1 9 - 2 2 。控制钙含量对于降低白口和促进灰铸铁中a 型石墨的均匀分布十 分有利。钙明显地增加共晶团数。铝促进石墨化，大大减少白口倾向，但细化 共晶团的作用却很微弱。但是钙铝的含量也不能超过一定的限度，过量的铝、 钙将降低孕育效果，钙量过高将显著增加激冷倾向，过量的铝还会引起球铁中 部分石墨呈现粗短的片状。 稀土在一定条件下是有效的孕育元素，但是大量的事实表明，将稀土与硅 铁一起使用更好。它既可避免因稀土过高而出现局部白口的危险，又可促进硅 的孕育作用。例如，国外一种著名的稀土硅铁孕育剂，含有1 1 一1 6 的稀土 ( 其中c e 为9 0 , - 1 1 ) ，用于灰铁防止白口十分有效，用于球铁可显著增加共晶 团数，提高石墨球的圆整度，中和铋、铝等微量元素的有害作用。 在球铁的生产中，在有稀土元素存在时，b i 的反球化作用被中和，在允许 的量的范围内可以防止石墨畸变，并使石墨球数增加，提高球铁的性能。含b i 的复合孕育剂能明显增加基体中铁素体的含量，主要是与石墨球数的增加有 关。本试验中，我们就采用了b i 的增加石墨球数非常有效地作用，向孕育剂中 适当的添加了b i 2 0 3 并取得了很好的孕育效果。 一定量的锆、钛亦可强化孕育。据称与其形成的z 疋、t i c 有关。但对球 铁，残余锆量超过0 0 1 将使石墨畸变为片状，引起球化不良。钛的干扰更 大，因而一般在球铁中不使用含钛的孕育剂。 2 抗孕育衰退元素 3 山东大学硕士学位论文 钡、锶、铈、锆是常用的抗衰退元素。我国含钡矿物储量丰富，钡容易由 热还原法制取，因而是一种前景良好的长效孕育元素。不仅对灰铁，而且对球 铁、蠕铁一样有效。沈阳铸造研究所进行的试验中肯定了钡的孕育长效性。他 们所研究的孕育剂成分是s i 6 0 6 5 ，b a 4 6 ，m n 8 1 0 ，a 1 1 5 6 ， c a 0 5 2 2 ，f e 余量，大致与国外的一种孕育剂相同。含锶硅铁有强烈的抗 衰退能力。它与低铝钙的硅铁、普通硅铁及硅钙相比，在孕育后的保持时间内 有较多的石墨球数和较低的硬度。并且含锶硅铁的孕育作用与增硅量成正比增 加，而普通硅铁当孕育增硅量超过0 6 后，孕育效果几乎不变【2 3 1 。最近的研 究表明，灰铁用含铈硅铁的抗衰退性优于含钡硅铁。其铈含量有的为2 3 ， 有的为1 0 ，有许多定量的工作需要继续进行研究。 3 稳定珠光体元素 铬：在薄壁高强度灰铁中，为了防止渗漏，铬应小于0 3 ，最好在0 1 5 o 2 5 。 锰：锰能有效地降低奥氏体共析转变温度，非常有利于获得细密珠光体。 锰形成合金渗碳体的能力低于铬，而且锰有脱硫作用，少量锰并无白口的危 险，反而有利于细化石墨。 钼：钼是温和的碳化物形成元素，又是很强的稳定化元素。钼强化固溶 体，有效地提高灰铁的抗弯强度、挠度，改善组织的均匀性。 锡：0 0 6 0 0 8 的锡可在不形成游离渗碳体的条件下，实现基体的全部珠 光体化，从而使灰铁的抗拉强度提高将近一级，并改善耐磨性。锡还增加珠光 体的热稳定性。锡对球铁有类似的影响，但高于0 1 时会干扰石墨球化，高于 0 1 2 时，脆性增加，这可能与共晶晶界存在的高锡浓度有关。 锑：锑稳定珠光体的作用两倍于锡。锑具有使片状石墨细化和变短的倾 向。灰铁中加入锑0 0 3 0 0 5 时即可提高强度和耐磨性，但也明显地脆化，挠 度下降，所以用量应严加控制。对于机床床身不得超过0 0 4 ，对于缸套不得 超过0 0 8 ，对形状复杂的壁薄的缸盖，一般不适宜用锑。 4 脱硫脱氧除气元素 9 山东大学硕士学位论文 在脱硫脱氧方面，镁、铈、钙最好，在除气方面，锆、钛领先。锆不但与 氮、氧结合成稳定化合物，而且还是一种“储氢剂 ，固定了氢，防止气孔的 产生。在树脂砂铸件生产中，钛是孕育剂中著名的氮气孔的有效防止元素。 1 3 5 孕育剂的孕育机理 球墨铸铁生产中，由于过冷倾向比较大，所以孕育是一道必不可少的工 序。运用孕育剂进行孕育处理的主要作用时增加球铁中石墨球的数量、提高其 圆整度、细化石墨球，防止球化衰退，降低白口倾向，以及防止在共晶团间形 成游离的渗碳体和产生偏析。其中最关键的就是通过添加孕育剂能够增加球铁 凝固过程中的石墨核心的数量，进而增加共晶团数来提高球铁的综合力学性 能。 孕育剂的孕育理论包括很多种，比如：核心理论、气体理论、脱氧理论、 表面张力理论、浓度不均理论、过冷理论等等。其中核心说又包括s i 0 2 f e o 核心说；s i 0 2 核心说；石墨核心说；硫化物核心说；硫化物氧化物核心说； 碳化物核心说等。 比如，起伏理论是指：铁液本身存在“结构起伏”，孕育剂的加入会引起 “温度起伏”，孕育剂的扩散造成“成分起伏”，在这些起伏的共同作用下将会产 生碳过饱和区一石墨在此析出。随着时间的延长，温度起伏、成分起伏减小， 析出石墨重溶，将会引起孕育衰退。 总之关于孕育机理可以说是众说纷纭，但是随着科学技术的发展以及人们 对球铁基础理论的深入研究，一些问题逐渐达成共识，如：球状石墨直接从液 相中析出；石墨球存在核心，核心是由氮、氧、硫化合物组成；石墨球的形状 主要受生长过程的影响等等。所以，核心理论还是被大多数人所接受的，下面 主要介绍一下石墨形核的核心理论。 s i 0 2 核心说指出：硅铁加入铁液形成s i 0 2 ，其表面晶格间距与石墨相似 从而成为石墨形核的核心，孕育衰退是由于s i 0 2 聚集上浮。可解释“对无氧 f e c 无孕育效果”现象；但不能解释“s i 0 2 无孕育效果 ；“纯硅对灰铁孕育 效果差，对球铁孕育效果好 及“含铝、钙硅铁孕育效果好 。再如硫化物核 心说：硫化物复合硫化物作为石墨的结晶核心。这能够解释“含硫量 对孕 育效果的影响，但忽略了硅的作用。 l o 山东大