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哈尔滨理t 人学丁学硕i j 学位论文 蠕墨铸铁喂丝工艺研究 摘要 蠕墨铸铁是铸造性能接近于灰铸铁而力学性能接近于球墨铸铁的新型铸铁 材料，用蠕铁代替球铁或合金铸铁来生产柴油机气缸盖，可显著提高其使用性 能并降低成本。但与球铁相比，蠕铁的生产难度较大，用喂丝法生产蠕铁既可 避免蠕化剂的大量逸出和烧损、提高蠕化剂在铁液中的收得率、防止镁蒸气的 瞬间大量爆发、保证合金的安全加入，又可减少镁光、烟尘的污染，改善生产 环境，还可以精确的控制蠕化剂的加入量，减少温度损失，精确控制残余镁 量，稳定获得最佳的蠕化效果。 本文在分析学习国内外蠕墨铸铁生产实践的基础上，研究通过喂丝法生产 蠕墨铸铁不同蠕化处理工艺对铸件蠕化率的影响以及蠕化率对铸件力学性能的 影响。试验共采用两种蠕化处理芯线，一种为m g 含量为3 0 w t 的蠕化线，一 种是r e 含量为3 0 w t 的r e s i f e 孕育线，其芯线直径均为1 0 m m 。 从试验可以得出：当残余m g 的含量大于0 0 1 5 时，蠕化率急剧下降，石 墨形态为球状：当残余m g 含量小于0 0 0 5 时为片状石墨。喂丝法生产蠕铁应 注意喂丝速度、原铁水含硫量、喂丝蠕化处理温度等因素。喂丝速度决定蠕化 剂的收得率；原铁水的含硫量决定蠕化剂的加入量和蠕化成功率，含硫量过高 会使蠕化剂的加入量增加，增加生产成本，且不利于稳定生产蠕墨铸铁；保持 稳定的处理温度，对稳定蠕化剂收得率和提高铸件质量是非常重要的。 关键词蠕墨铸铁；喂丝法；蠕化率：残余m g 含量；包芯线 哈尔滨理下大学丁学硕卜学位论文 s t u d yo nf e e d i n gc o r e d - w i r et e c h n o l o g yo f c o m p a c t e dg r a p h i t ei r o np r o d u c t i o n a b s t r a c t c o m p a c t e dg r a p h i t ei r o ni sa m a t e r i a lw h i c hi sc l o s et od u c t i l ei r o ni nt h er e s p e c t o fm e c h a n i c a lp r o p e r t y , a n dc l o s et og r a yc a s ti r o ni nt h er e s p e c to fc a s t i n gp r o p e r t y s u b s t i t u t i n gc o m p a c t e dg r a p h i t ei r o nf o rd u c t i l eo ra l l o yc a s ti r o nt om a n u f a c t u r et h e c y l i n d e rc a po fd i e s e le n g i n ec a l li m p r o v et h es e r v i c ep e r f o r m a n c ea n dr e d u c e p r o d u c t i o nc o s tp r o m i n e n t l y c o m p a r e dw i t hd u c t i l ei r o n , m a n u f a c t u r i n gc o m p a c t e d 。g r a p h i t ei r o ni se x t r e m e l yd i f f i c u l t m a n u f a c t u r i n gc o m p a c t e dg r a p h i t ei r o nb y f e e d i n gc o r e d w i r ec a na v o i dm a s se s c a p i n ga n db u r n i n gl o s so fv e r m i c u l a ra g e n t ， i n c r e a s et h ea b s o r p t i v i t yo fv e r m i c u l a ra g e n ti nh o tm e t a l ，p r e v e n tm a s se r u p t i n g m o m e n t a r i l y o fm gs t e a m ，e n s u r ea d d i n gs a f e l yo fa l l o y , r e d u c et h ep o l l u t i o no fm g l i g h ta n ds o o tt oi m p r o v et h ep r o d u c t i o ne n v i r o n m e n t ，c o n t r o lt h ea d d i t i o na m o u n to f v e r m i c u l a ra g e n ta c c u r a t e l y , r e d u c et e m p e r a t u r el o s s ，c o n t r o lt h ea c c o u n to fr e m n a n t m ga c c u r a t e l ya n da c q u i r eo p t i m a lv e r m i c u l a re f f e c ts t e a d i l y i nt h i sp a p e r , w es t u d yt h er e l a t i o n sb e t w e e nt h ev e r m i c u l a rg r a p h i t er a t ea n dt h e a d d i t i o na m o u n to fc o r e d - w i r ew h e nw em a n u f a c t u r ec o m p a c t e dg r a p h i t ei r o nb y f e e d i n gc o r e d - w i r e ，b a s i n go nt h ea n a l y s i sa n ds t u d yo fc o m p a c t e dg r a p h i t ei r o n p r o d u c t i o np r a c t i c e w eu s et w ok i n d so fc o r e d w i r ei nt h et r e a t m e n tp r o c e s so f c o m p a c t e dg r a p h i t ee x p e r i m e n t ，o n eo fw h i c hi sv e r m i c u l a rg r a p h i t ec o r e d - w i r e c o n t a i n i n g3 0 o fm g ，a n dt h eo t h e ri sr e s i f ec o r e d w i r ec o n t a i n i n g3 0 o f r e b o t ho ft h e ma r eo ft h es a n l ec o r e d w i r ed i a m e t e rw h i c hi s10m i l l i m e t e r c o n c l u s i o n sd r a w nb ye x p e r i m e n t sa r et h a tt h ev e r m i c u l a rg r a p h i t er a t ed e c l i n e s s h a r p l y , t h eg r a p h i t em o r p h o l o g yi ss p h e r i c a lw h e nt h ea m o u n to fr e m n a n tm gi s m o r et h a n0 015 ，a n dt h eg r a p h i t em o r p h o l o g yi sf l a k yw h e nt h ea m o u n to f r e m n a n tm gi sl e s st h a n0 0 0 5 w es h o u l dp a ym o r ea t t e n t i o nt ot h ef a c t o r so ft h e w i r e f e e d i n gv e l o c i t y , s u l f u rc o n t e n to fo r i g i n a lh o tm e t a l ，a n dt h et r e a t m e n tp r o c e s s o fc o m p a c t e dg r a p h i t et e m p e r a t u r e t h ey i e l do fv e r m i c u l a ra g e n td e p e n d so nt h e w i r e - f e e d i n gv e l o c i t y t h ea d d i t i o na m o u n to fv e r m i c u l a ra g e n ta n dt h ev e r m i c u l a r i i f 哈尔滨理t 人学t 学硕 ：学位论文 g r a p h i t e s u c c e s sr a t ed e p e n do nt h e s u l f u rc o n t e n to fo r i g i n a lh o tm e t a l t h e - e x c e s s i v es u l f u rc o n t e n tw i l ll e a dt ot h ea d d i t i o na m o u n to fv e r m i c u l a ra g e n t i n c r e a s i n g ，i n c r e a s i n gt h ep r o d u c t i o nc o s t k e e p i n gu n i f o r mp r o c e s s i n gt e m p e r a t u r e i sv e r yi m p o r t a n tf o rs t a b i l i z i n gt h ea b s o r p t i v i t yo fv e r m i c u l a ra g e n ta n df o rt h e c o r r e s p o n d i n gc a s t i n gq u a l i t y k e y w o r d sc o m p a c t e dg r a p h i t ei r o n ，f e e d i n gc o r e d - w i r e ，v e r m i c u l a rg r a p h i t er a t e ， r e m n a n tm g ，c o r e dw i r e i i i 哈尔滨理t 大学t 学硕十学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 蠕墨铸铁是2 0 世纪7 0 年代开始研究和应用的一种新型铸铁材料，与球铁 相比，最大的性能优势是具有良好的热疲劳性能，对于许多在过热条件下工作 的零部件，蠕墨铸铁可以显著提高其使用性能。蠕墨铸铁是铸造性能接近于灰 铸铁而力学性能接近于球墨铸铁的材料，用蠕墨铸铁代替球墨铸铁或合金铸铁 来生产柴油机气缸盖，可显著提高其使用性能降低成本。 1 2 蠕墨铸铁的研究现状及发展 1 2 1 蠕墨铸铁的国内发展 我国对蠕墨铸铁的研究工作已经进行了很多年。19 6 5 年，邱汉泉教授选择 用稀土作为蠕化剂，用冲入法处理铁液，进行了蠕墨铸铁的工业试生产。且于 1 9 6 6 年5 月发表了关于制取蠕墨铸铁的相关资料，资料指出石墨形态由片状变 为蠕虫状，蠕化元素的加入量有一个临界点，超过这个i l 缶界点，石墨形态将发 生“突变”0 , 2 1 。 通过大量的研究和应用，我国在用冲入法制取蠕墨铸铁方面积累了丰富的 经验，基本上摸清了蠕铁生产的基本规律【3 4 1 。许多内容已经纳入了大专院校的 教材，并在铸铁手册等一些冶金有关的手册中建立了一个新的篇章，用于 专门介绍蠕墨铸铁1 5 6 】。 近年来，随着科技的进步和经济的发展，特别是发动机性能要求逐渐提高 和冶金耗品的剧增，原有铸铁件的材质已难以满足人们的正常使用要求。这 时，蠕墨铸铁件就显示出了其优越性和较大的发展空间。尽管我国蠕墨铸铁的 产量已有很大的发展，但与国外相比，无论从生产工艺技术水平或蠕铁标准制 订上，都有很明显的差距，蠕墨铸铁生产厂家大多都停留在用冲入法处理铁液 的技术水平。这必须引起了我国蠕墨铸铁工作者的关注，我们有责任为“今后 我国的蠕墨铸铁应该怎样快速发展 出谋献策，促使我国掀起一个蠕墨铸铁研 究和应用的新高潮【7 】。 哈尔演理t 大学t 学硕 j 学位论文 1 2 2 蠕墨铸铁的国外发展 ， 1 9 4 8 年m o r r o g h 在研究用铈制取球墨铸铁时，发现在亚共晶的铁水里加入 适量铈以后可以获得蠕虫状石墨组织，并指出具有这种石墨形态的铸铁的机械 性能与球墨铸铁相似。当时他称这种为“伪片状 石墨( g u a s i f l a k e 、 g r a p h i t e ) t 引。此后不少人对这种石墨形态进行了研究，出现了名目繁多的名 称，如“紧密状石墨 ( c o m p a c t e d ) 、“蠕虫状石墨( v e r m i c u l a r ) 、“聚集片 状石墨”( a g g r e g a t ef l a k e ) 、“碎块状石墨 ( c h u n k y ) 、 “短棒状石 墨( s t u b b y ) 、“半球状石墨”( s e m i n o d u l a r ) 、“絮片状石墨 ( f l o c c u l a rf l a k e ) 等。1 9 5 5 年e s t e s 等人用喷射c a c 2 和m g o 的方法制取了蠕墨铸铁，当时他们称 其为新的高强度铸铁，并对其性能进行了系统的研究，认为这种铸铁是处在 “灰口铸铁和球墨铸铁中间的一种新型材料 ，是可以“稳定地有效地制取 的【们。随后世界各国也发表了不少有关蠕墨铸铁的研究成果。但是长期以来蠕 虫状石墨被认为是石墨球化不良或球化衰退的一种形式，而拒绝加以使用。因 此，蠕墨铸铁发展很缓慢，直到2 0 世纪6 0 年代中期才取得一定的成果。1 9 6 6 年，s c h e l l e n g 提出了用镁钛系合金制取蠕墨铸铁。1 9 6 8 年，奥地利的t 1 1 u r 娉 人提出了用混合稀土制取蠕墨铸铁。1 9 7 6 年，美国国际镍公司生产了 “f o o t e 合金，作为一种蠕化剂产品投放市场【l o 】。此后蠕墨铸铁才有了迅速的 发展。 近几年，在国外蠕墨铸铁的应用得到了快速的发展，特别是在发动机缸 体、缸盖等重要铸件上广泛使用。瑞典的s i n t c r c a s t 系统、德国o c c 公司的 p h a s el a b 热分析系统等可实现蠕墨铸铁的自动化生产。美国a s h l a n d 公司的 s w a r t z l a n d e r 把球铁、等温淬火球铁( a d i ) 和蠕墨铸铁称之为形成了“新铸铁时 代”1 1 1 - 1 4 1 。 1 2 3 蠕墨铸铁得到广泛应用的背景 蠕墨铸铁能得到广泛应用的主要原因在于汽车工业对总成与零部件的要求 不断提高。铸铁件的防振能力远大于铝合金等铸造合金，也只有铸铁件的力学 性能与高温性能才能满足发动机的未来发展要求。蠕铁具有球铁的强度，与灰 铸铁相比又具有类似的防振、导热能力及铸造性能，且又比灰铸铁有更好的塑 性和耐疲劳性能。现代的铁液处理工艺已能确保稳定得到蠕虫状石墨，因此在 应用已无技术障碍，这就促使了蠕墨铸铁的应用与发展【l ”。 哈尔滨理t 大学丁学硕十学位论文 1 3 喂丝技术的应用与发展 1 3 1 喂丝技术的应用 喂丝技术分为包芯线技术和喂丝机技术。包芯线是p e m 公司于19 7 8 年取 得的一项重要发明。自此以后，包芯线技术( c w t ) 就成为优质钢生产的一个重 要组成部分。然而当时之所以没能将喂丝工艺立即应用于铸铁生产，其主要原 因是没有合适的喂丝机和包芯线，以及没有在铸造生产中应用的经验【1 6 1 。 用喂丝技术生产球铁的研究工作开始于上世纪8 0 年代的德国，当时除了 有进一步改进各种球铁生产工艺的需求之外，更重要的是迫于日益严格的环境 保护条令与法规。随着合金包芯线制造方法、铸造用喂丝机以及新型合金粉料 的研制成功，1 9 8 9 年末在德国就有一批铸造厂改用了喂丝法。2 0 0 1 年德国共 有铸造厂1 7 4 家，已有5 6 家( 占总数的3 2 4 ) 采用喂丝法1 1 7 】。 p e w 、s k w 、o d e r m a t h 、c e d i e 及r i o t i n t o 等公司曾分别对喂丝技术在 铸造生产中应用的优点进行总结，归纳起来共有如下1 2 条1 18 1 9 】： 1 可在进一步操作中完成对含硫量高达0 1 0 的铁液( 例如冲天炉铁液) 的 处理，而且无需预先脱硫； 2 可每次处理1 2 5 k g 到2 5 吨的铁液： 3 可在转移过程中取出铁液进行调整，并可根据铁液的重量，用正确数量 的包芯线对其进行处理； 4 自动化的m g 处理作业能保证合金的加入量是可控的和最佳的； 5 与传统的处理方法相比，由于合金的加入量少，因而使得处理产生的渣 少，温度损失小，对s i 的吸收少，铁液比较洁净； 6 能对铸件的最终含镁量进行精确的控制，重现性好； 7 可在铸造厂的任何地方进行m g 处理，并且可以让处理站尽可能的靠近 浇注线，从而缩短转运时间，减少铸铁的衰退； 8 可对处理站产生的烟气进行集中管理，有利于环境保护： 9 消除脱硫过程中的碳化钙渣； l o 不像传统方法那样需要进行不断的控制，全自动化的操作使得劳动力 成本大量降低； 1 1 便于对铸件的冶金质量的控制，并保证对整个处理过程的自动跟踪； 1 2 可在同一个铁水包中进行m g 处理和孕育处理。 哈尔滨理丁大学t 学硕 j 学位论文 s k wm e t a l l u r g i c a l ，i n c 等还特别指出了，下列铸造厂会因为采用喂丝技 术而获益： 1 试图改进铸铁生产工艺和使其铸铁生产实现自动化的先进铸造厂； 2 由于处理时间长而因此存在处理衰退和温降过大问题的铸造厂； 3 具有烟雾等环境问题的铸造厂； 4 用同一原铁水同时生产灰铁、球铁、蠕铁的铸造厂，或用高硫冲天炉铁 液生产灰铁、球铁、蠕铁，并希望一次完成脱硫及m g 处理的铸造厂； 5 试图从脱硫作业中消除碳化钙渣的铸造厂； 6 铸件终硅量高，且希望使用自己回炉料的铸造厂； 7 在一天的操作中以不同的处理量生产铸件的铸造厂； 8 想生产蠕墨铸铁的铸造厂； 9 有意对合金的加入量进行精确控制，并详细记录每天的作业，实现全自 动m g 处理的铸造厂。 o d e r m a t h 曾在法国l am u r e t a i n e 铸造厂将喂丝法和盖包法进行了对比试 验，得到了如下结论：喂丝法处理，终m g 含量变化小，提高了对过程的控 制；金属组织和性能得到了改善；减少了过处理；明显降低了生产成本；可在 浇注点附近加m g ，从而减少m g 衰退；消除了因重量不准确而产生的误差； 易操作，好控制【2 0 j 。 1 3 2 喂丝技术的发展 包芯线生产设备的自动化方面，国外已经有了较好的发展。英国已开发出 成型速度达1 5 0 米分的包芯线的成型机组。我国包芯线机无论是功能还是质 量，与世界先进水平还是有一定的差距，但可以取代对国外生产线的进口依 赖，并且拥有全套的自主知识产权，价格优势明显，且已经逐步得到世界的认 可，为包芯线技术在全世界的发展与推广做出了积极的贡献 2 t 2 2 】。 在喂丝设备发展方面，国内的喂丝设备基本停留在半自动化水平，即操作 人员凭借经验设定喂丝长度、喂丝速度，再通过单片机或p l c 自动控制设备的 运行，人为操作误差大【2 3 】。因此，喂线设备的自动化也将是我国喂线工作者今 后努力的一个方向，使喂丝系统能够根据来自有关方面的检测信号，自动确定 包芯线的应该喂入长度和喂丝速度，并自动完成整个喂线过程。 国外先进的蠕墨铸铁生产都采用的是欠球化化处理工艺，其生产窗口非常 窄，球化剂和孕育剂都是以0 0 0 1 含量为调整单位，因此，无论是瑞典的 哈尔滨理t 大学t 学硕 ：学位论文 s i n t e r c a s t 2 0 0 0 系统，还德m o c c 公司的p h a s el a b 热分析系统，都需要用喂线 技术来精确控铝l j m g 、r e 的j j i , ；k 量 2 4 2 卯。 另一个被推荐的蠕铁生产方法是在m g 处理后再用s 使m g 衰退，尽管生产 窗口比较宽，但是同样离不开喂丝技术。 1 4 本论文的主要研究内容 1 4 1 选题意义 在我国蠕墨铸铁能实现大规模、稳定生产的铸造厂并不是很多，究其原 因，其中之一就是由于蠕铁的生产难度比较大。在现有生产工艺中，蠕墨铸铁 生产大多采取冲入法，生产稳定性非常差。所以，寻求一种更经济、更稳定的 替代工艺是推广应用蠕墨铸铁的重要课题。近年来，随着一种新技术一喂丝技 术在球铁生产上的成功应用，铸造工作者也开始尝试将喂丝技术应用到蠕墨铸 铁的生产中。喂丝技术生产蠕铁可避免蠕化剂的大量逸出和烧损，提高蠕化剂 收得率，防止镁蒸气的瞬间大量爆发，保证合金的安全加入，又可减少镁光、 烟尘的污染，改善生产环境，可以精确的控制蠕化剂的加入量，减少温度损 失，精确控制残余镁量，稳定获得最佳的蠕化效果。且通过以上的研究可以改变 以往由于蠕墨铸铁生产要求的w ( m g ( a ) ) 和w ( r e ( a ) ) 波动的范围较窄只有通过加 入合金蠕化剂生产蠕墨铸铁的方式。减少生产蠕化剂时的能源以及各种金属的 浪费，相应的降低蠕墨铸铁的生产成本1 2 研。 1 4 2 主要研究内容 本文在分析学习国内外蠕墨铸铁生产实践的基础上，研究通过喂丝法生产 蠕墨铸铁不同蠕化处理工艺对铸件蠕化率的影响以及蠕化率对铸件力学性能的 影响。 哈尔滨理t 人学丁学硕f j 学位论文 第2 章试验材料及研究方法 2 1 试验材料及试验设备 2 1 1 原铁水的化学成分要求 蠕墨铸铁的化学成分对它的金相组织、铸造性能和机械性能都有很大的 影响。因此，在生产时，应选择合适的化学成分。原铁水碳当量约为 4 5 q 6 w t 。原铁水中的硫含量对铸件蠕化率及蠕化剂的消耗有决定性的影 响，为此我们根据国内生产蠕铁的实际情况将蠕化处理前原铁水的硫含量稳定 控制在0 0 1 0 0 3 w t ，按照国外的资料生产蠕墨铸铁的最佳硫含量应为 0 0 0 7 , 4 ) 0 1 2 w t t 2 7 , 2 羽。原铁水主要化学成分如表2 1 所示。 表2 1 原铁水主要化学成分 t a b l e2 - 1t h em a i nc h e m i c a lc o m p o n e n t so fb a s ei r o n 元素 l c l s i l s 含量 i 3 5 - 3 8 w t i 1 5 - 1 9w t 1 0 0 1 0 0 3w t 2 1 2 蠕化剂选择 蠕墨铸铁的蠕化处理范围与球墨铸铁的球化处理范围相比较非常窄，必须 采用合适的蠕化剂。现在使用较广泛的蠕化剂有镁系、稀土系和钙系。镁系蠕 化剂主要由镁、稀土、钛等主要元素组成；镁在铁液中气化能够加快蠕化剂的 扩散、溶解，由于其自沸腾能力强，则无需搅拌，简化操作。但由于有钛等干 扰元素的加入，对炉料生产了污染，给回炉料的使用和管理造成很了大困难， 而且这些干扰元素容易与碳、氮等元素反应形成碳化物，严重影响了铸件的切 削加工性能。稀土系蠕化剂与铁液反应的热力学条件良好，但动力学条件不 足，且在铁液中溶解扩散慢，致使稀土的吸收率降低，蠕化处理后铁水成份不 均匀：稀土系蠕化剂随着蠕化剂中稀土含量的升高，必须相应地增加铸件的石 墨化措施，如进行后期的随流孕育。钙系蠕化剂蠕化处理范围宽，白口倾向 小，但由于其沸点很高，在铁液中不易沸腾，且溶解度很低，很容易形成加 渣、气孔等铸造缺陷 2 9 3 1 】。 哈尔滨理下人学t 学硕 j 学位论文 包芯线中所包合金粉料的成分选择原则为：充分发挥喂丝蠕化工艺的特 点，使蠕化线有较宽的加入量范围，较好的蠕化、脱硫效果，同时处理后产生 的渣量少，并尽可能降低成本【3 2 1 。 试验共采用两种蠕化处理芯线，一种为m g 含量为3 0 w t 的蠕化线，一种是 r e 含量为3 0 w t 的r e s i f e 孕育线，其芯线直径均为1 0 m m ，其包芯线所用钢 带厚度均为0 3 8 - - 4 ) 4 m m 。各种芯线的加入量可根据工艺要求任意调整，m g 作 为蠕化处理的主要元素其作用不仅是蠕化处理，由于本试验所用铁水熔炼设备 为冲天炉，这就使得原铁水中铁水的含硫量很高，蠕化处理时先加入铁水中的 m g 会与s 发生反应生产硫化物。 试验中随着两种包芯线的加入铁水中的含s i 量有所增加，但还无法达到试 验所要求的最终含s i 量，所以在处理完成后还应加入一定量的7 5 群硅铁。 2 1 3 试验设备 试验所用铁水用3 t h 的冲天炉熔炼，然后用3 t 中频感应电炉升温。处理 设备为2 t 铁水包，铁水包沿必须平整，以保证喂丝处理过程中包与包盖无缝 隙，防止铁液飞溅。铁水包的高度和直径的比率为l ：1 3 1 6 ，一般很多铸造 厂的处理包都达不到要求，在这种情况下，铁水的深度必须大于6 0 0 m m 。 喂丝处理设备为喂丝蠕化处理站，其喂线机主要技术参数要求如下： 1 i 喂线机输线轮组的最大开口：2 0 r a m ： 2 可用包芯线的尺寸：中5 1 3 m m ； 3 喂线速度：4 - - - 8 0m m i n ，并无级可调； 4 喂线长度的最大计数误差：3 0m n l 。 2 2 试验设计方案 影响蠕化处理效果的参数主要有：蠕化剂的加入量、孕育剂的加入量、喂 丝速度、原铁水含硫量、蠕化处理温度、残余m g 含量、残余r e 含量。试验 方案如下： 1 蠕化剂的加入量对蠕化处理效果的影响。确保孕育剂的加入量、喂线速 度、原铁水含硫量、蠕化处理温度在很小范围内波动，蠕化剂的加入量从 1 4 , - , 2 5 m 逐步增加，观察铸件的蠕化率和残余m g 含量的变化。 2 喂线速度对蠕化处理效果的影响。确保蠕化剂的加入量、孕育剂的加入 量、原铁水含硫量、蠕化处理温度在很小范围内波动，喂线速度从 哈尔滨理t 大学t 学硕一 j 学位论文 2 0 - - - 3 0 m m i n 逐步增大，观察铸件的蠕化率、残余m g 含量的变化。 3 蠕化处理温度对蠕化处理效果的影响。确保蠕化剂的加入量、孕育剂的 加入量、原铁水含硫量、喂线速度在很小范围内波动，蠕化处理温度从 1 3 0 0 - 1 5 0 0 每隔3 0 。c 增加，观察铸件的蠕化率、残余m g 含量的变化。 4 原铁水含硫量对蠕化处理效果的影响。确保蠕化剂的加入量、喂线速 度、蠕化处理温度在很小范围内波动，根据原铁水含硫量的变化观察铸件的蠕 化率和残余m g 含量的变化。 但是由于是在实际生产过程中进行试验，为了不影响生产进度，有些试验 数据可能不是连续递减或递增，我们统计大约5 0 炉的数据进行分类分析。 2 3 铁水预处理 - 2 3 1 温度的控制 保持稳定的处理温度，对稳定蠕化剂收得率和提高铸件质量是非常重要 的。处理温度由以下因素决定： 4 1 铸件的浇注温度； 2 处理过程中铁水的温降。 一般来说对含m g 蠕化剂处理温度越低越好，处理温度过高则m g 的收得 率越低。另外，铁水必须有足够的温度以保证能够充满铸型。过高的温度和保 温时间都将影响石墨成型，促使蠕化衰退【3 3 l 。 2 3 2 硫的控制 在蠕化处理前，对铁水脱硫非常重要。高硫铁水会使蠕化剂的加入量增 加，既提高成本又使得铁水的温降加大。 一般认为铁水的含硫量越低越好，但也有通过过球化处理然后再往铁水 中加入s 来生产蠕墨铸铁。在铁水脱硫过程中必须注意以下因素 3 4 - 3 8 】： 1 脱硫剂与铁水必须充分接触； 2 脱硫剂与铁水有足够的作用时间； 3 脱硫后硫化物渣要易于清除； 4 铁水脱硫处理温度要高； 5 脱硫处理时烟气要少： 哈尔滨理t 人学t 学硕 - 4 位论文 6 脱硫装置维修时使用最少的耐火材料； 7 硫剂供应充足和脱硫处理工艺简单。 本次试验采用c a c 2 脱硫，c a c 2 的脱硫反应是一个由扩散速度和表面积控 制的固液反应，其反应表达式为【3 9 】： c a c 2 + s = c a s + 2 c 】 ( 2 一1 ) a g 。一3 5 90 0 0 + 10 9 4 t ( j t o o l 。1 ) 式中：a g o 为标准自由能；丁为铁水温度。 对于喷粉脱硫，其整个过程包括瞬时反应( 粉剂脱硫) 和永久接触反应( 顶渣 脱硫) ，脱硫速率应是二者之和，即： d 形。， 一匕岩= r p + ( 2 - 2 ) 辨f 。， 、 口 式中：为铁水体积；，和分别为铁水和渣中的硫含量；t 为时间； ，厂f 为瞬时反应和永久接触反应的脱硫速率。 ， 2 4 试样制备 2 4 1 材料成分检测 试验过程中需对原铁水成份和蠕化处理后铁水成份进行检测，在试验过程 中需浇注光谱试样，用光谱仪进行成份检测，检测多点取平均值。铁水的含 s 、c 量用c s 分析仪，以保证成份的可靠性。 2 4 2 炉前快速检测试样 炉前快速检测试样用三角试样，三角试样尺寸如图2 1 所示。这一方法是 沿用灰铸铁、球墨铸铁的炉前检测方法而来的。在目前其他方法还未完善之 前，用此方法虽不是很准确，但可以作为判断时的参考。灰铸铁的膨胀率 5 0 ，球状石墨l b 1 ，蠕虫状石墨l 佑为2 - - 1 0 。 蠕虫状石墨又可分为三种类型，表2 3 给出了蠕虫状石墨的类型特征。还 有用石墨的面积和其周长平方之比来表示石墨形态的，最合适的蠕虫状石墨其 比值为0 2 0 8 ，片状石墨为啦o 2 ，球状石墨为0 8 0 9 。 随着蠕墨铸铁生产的发展和大量应用，蠕墨铸铁标准的制定已迫在眉睫， 我过国新蠕墨铸铁国家标准已经上报国家技术监督局，将于2 0 1 1 年底出台实 施【5 6 1 。 哈尔滨理t 大学t 学硕i ? 学位论文 表2 3 蠕虫状石墨的类型特征 t a b l e2 - 3t y p ec h a r a c t e r i s t i co fv e r m i c u l a rg r a p h i t e 石墨尺寸蠕墨铸铁的机械一_ 生能 石墨类型 最人长度最大厚度 1 d 抗拉强度延伸率 硬度h b ( “m )( 肛m )( n r a m 2 )( ) i2 01 02 43 0 0 - - 4 5 02 51 5 0 2 4 0 i i1 5 05 02 53 5 0 5 0 03 91 5 0 2 4 0 i i i1 5 02 03 1 03 0 0 - - - 4 5 0l 3 51 5 0 2 5 0 测量石墨形态的方法： 1 轴比法( r ) ：即石墨长轴( d 与短轴( 回之比。这事从蠕虫状石墨的形状 为长条形这一点考虑的。 月=万1(2-3)“ 当石墨为球状时，轴比r o = i ，一般蠕虫状石墨r 为2 1 5 ，而片状石墨则 更大。按照轴比法所求的石墨轴比率r ( ) 为 r ：鱼1 0 0 ：! 1 0 0 ( 2 4 ) 足r 2 c v 化率法通常蠕虫状石墨主铸铁总是混有一些球状石墨，c v 化率法 即表示在石墨总数中蠕虫状石墨占有多少比率的方法。在测量一定数量视场中 的蠕虫状石墨数( n e o 和球状石墨数( s g ) 后，c v 化率瞄即可按下式计算： v = l 1 0 0 ( 2 5 ) n c y + n s g 。 式中：n s a 为石墨面积大于或等于外接圆面积6 0 ( e 【is 6 0 ) 时的石墨数， 反之则计入n c v 内。 测量时放大1 0 0 倍，测定1 0 个视场的所有长度大于3 0t tm 的石墨后计算 的。从试验结果表明，蠕虫状石墨形状的变化，用形状系数k 比较容易对应。 2 5 2 蠕化率 蠕墨铸铁中石墨形状往往是蠕虫状石墨与球状石墨同时存在，其中蠕虫状 石墨所占比率( 蠕化率) 对蠕墨铸铁的性能有很大影响，因此评定蠕化率是生产 上所必须进行的工作。 经过试验研究表明，在圆形石墨周围，如果有较宽而洁净的奥氏体外壳， 则这个圆形石墨是球形石墨；如果在圆形石墨周围附近，有蠕虫状石墨存在， 哈尔滨理t 大学t 学硕l j 学位论文 那么这个圆形石墨就是蠕虫状石墨的一部分。根据这一区分原则，我们就可以 进行蠕化率的评定，用定量金相分析仪可以分别测出蠕虫状石墨的面积和球状 石墨的面积，经计算得到 c 蠕化率( c 矿) = 孚1 0 0 ( 2 - 6 ) o 式中：s c 矿为蠕虫状石墨面积；s 为石墨总面积。 但是在生产上不可能每次都用定量金相分析仪进行评定，为了方便评定， 可以与标准金相进行比较。蠕墨铸铁的蠕化率按照j b t3 8 2 9 1 9 9 9 标准进行评 定1 2 4 2 5 1 。 2 5 3 珠光体含量 金相试样经2 - 4 硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下可以观察珠光体组 织，用专业的金相处理软件可测量珠光体含量。珠光体含量的测定按照 j b t3 8 2 9 19 9 9 标准进行。 ” 2 5 4 抗拉强度 材料受拉断裂前的最大应力值称为强度极限或抗拉强度。室温拉伸试验在 i n s t r o n 3 3 4 2 电子万能材料实验机上进行。拉伸试验按g b t2 2 8 进行。 2 5 5 布氏硬度 试样的布氏硬度采用h b 3 0 0 0 型布氏硬度计进行测定，测试前对试样进行 磨制和抛光处理，测试条件：载荷为2 5 0 k g f , 载荷保持时间为3 0 s ，保持测试 点压痕中心距试样边缘距离不小于压痕平均直径的2 5 倍，两相邻压痕中心距 离不小于压痕平均直径的4 倍，对每个试样表面选取不同的3 个点测其数值， 取其平均值。根据压痕直径的长度，计算显微硬度。 2 6 试验流程 本试验试验流程为：将经升温、脱硫处理的铁水注入铁水处理包，将铁 水运至喂丝蠕化处理站进行喂丝蠕化处理，然后根据处理情况浇注铸件。在此 过程中需要测量铁水处理前、处理后温度和浇注温度，在浇注前取三角试样和 金相试样，浇注后取y 型试块。试验流程如图2 - 4 所示。 哈尔滨理t 大学下学硕 ：学位论文 2 7 本章小结 图2 4 试验流程图 f i g 2 _ 4t e s tf l o w c h a r t 本章主要介绍了试验所需的材料，熔炼、及处理工艺和设备，确定了试验 方案及试验流程，以及介绍了蠕墨铸铁组织观察及力学性能测试的实验方法。 哈尔滨理t 大学丁学顾i j 学位论文 第3 章喂丝技术生产蠕墨铸铁的理论基础 3 1 引言 本章主要介绍了蠕虫状石墨的形成过程、蠕化衰退机理及镁与铁液的作用 机理，同时从理论上分析了如何确定喂丝蠕化处理各工艺参数，为后来的试验 数据分析提供理论依据，并通过总结更好的指导实际生产。 3 2 蠕虫状石墨的形成过程 由于金属熔体的高温性、不透明性再加上现代测试技术的局限性，研究蠕 虫状石墨铸铁的凝固过程基本上都是采用液淬热分析法。蠕虫状石墨形成机 理，基本上倾向于“共晶生成理论 ，它是在球墨铸铁的球化机理之上建立 的，蠕虫状石墨也可被认为是石墨球化不良或球化衰退的一种形式。 许多研究表明：石墨是从液相中直接析出且以螺旋位错方式长大的，在液 态时就可能发生畸变，如图3 1 所示。氧、硫等表面活性原子堵塞螺旋位错台 阶从而阻碍了石墨的球状生长，导致石墨生长发生畸变。在铁水中加入镁、稀 土等蠕化元素的作用在于其脱氧、脱硫。铁液凝固过程中的石墨球化是晶粒界 面能的变化和螺旋错位生长的结果。在普通铁液中含s 量较高，由于石墨为单 晶体六方晶格，底层的原子排列较密集，结合力较大，碳原子在晶体底层 ( o 0 0 1 ) 面上结合，活性元素氧、硫吸附在棱柱面0 0 l o ) 上，所以石墨晶体在 【1 0 1 0 】晶向长大，最终形成片状石墨。加入m g 或稀土等蠕化元素后，这些元 素与硫、氧发生反应，使石墨沿( 1 0 1 0 ) 面 1 0 1 0 】向生长的速度减慢；同时球化 剂中的稀土、m g 等元素吸附在棱柱面( 1 0 1 0 ) 上，阻碍了碳原子在该晶面上的 扩散生长，结果碳原在 0 0 0 1 】晶向聚集，以螺旋方式不断长大；球化元素促使 石墨分支，以相同的速度生长，形成由很多辐射状分布的锥形螺旋晶体所组成 的多晶体石墨球。当向铁水中加入的球化剂量少于促使石墨球化的最低量时， 由于石墨生长前沿液相的硫、氧含量在镁或稀土元素的作用下，聚集在棱柱面 上的状态存在瞬时变化，使得石墨时而 1 0 1 0 】向生长，时而 o 0 0 1 向生长，以 厚片状分支长大；另外蠕化元素对奥氏体的生长产生干扰，易形成石墨生长前 哈尔滨理t 大学t 学硕 j 学位论文 端与液相相连接的微细通道，最终形成蠕虫状石墨 4 0 , 4 1 1 。 图3 - 1 石墨的螺旋生长示意图 f i g 3 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f s p i r a lg r o w t ho f g r a p h i t e 3 2 1 蠕化的作用 蠕化剂加入铁水中，蠕化元素能够快速提高碳原子的活性，降低碳原子在 铁水中的极限溶解度，使得铁水产生浓度起伏，促进碳原子的析出，增加石墨 核心数。蠕化元素能与碳、硫、氧形成硫化物、氧化物以及碳化物等各种稳定 的化合物，作为外来石墨核心。此外，蠕化元素还能增加铁水的过冷度，致使 晶核数量增加，并能使晶粒细化。蠕化元素主要影响石墨的生长，至于增加石 墨核心的数量，则主要取决于孕育处理的效果和铸件的冷却速度【4 2 1 。 当铁水中存在氧、硫、铋、锡等反球化元素时，由于这些元素易吸附在晶 体界面上，因此当石墨晶体生长出螺旋位错出口时，它们便会吸附上去，堵塞 该出口，从而抑制了石墨生长成球状。由于表面活性元素与球化元素有很高地 亲和力( 这与它们的电子结构有关) ，因此球化元素可清除这些反球化元素的干 扰，恢复螺位错出口的活性，并使得石墨按螺旋位错方式长大。 镁和稀土元素等球化剂加入高温铁水中，能够使石墨晶核上产生大量的螺 旋位错出口，使石墨垂直于基面( 0 0 0 1 ) 生长。同时，少量球化元素存在于两个 基面之间，造成晶格发生扭曲，从而引起更多地新的螺旋位错出口产生，促进 石墨晶格均匀地按球状生长。此外，球化元素能够吸附于锥状石墨晶体的旋转 界面上，从而降低了石墨晶体在基面方向的生长速度，增加了石墨沿柱面方向 的生长速度f 4 3 1 。 哈尔滨理t 人学t 学硕l j 学位论文 3 2 2 孕育的作用 孕育处理对于生产优质蠕铁是非常重要的，不能把其简单地看成是石墨化 处理。生产与实践证实，孕育处理能够有效地消除镁和稀土元素加入所引起的 白口等组织缺陷，使少量碳化物分离出碳原子，成为球状或蠕虫状石墨。另 外，孕育剂的加入，创造了较多的石墨核心，使共晶团数量有所增加，且能细 化晶粒，从而提高了铸件的机械性能。孕育对蠕化起保护作用，孕育衰退必然 会导致蠕化衰退。因此，孕育处理是蠕铁生产中一个非常重要的工艺过程m 】。 3 2 3 蠕化衰退机理 和球铁生产相同，蠕铁铁水在处理后随着停放时间的延长，也有衰退的问 题，石墨会由蠕虫状变成片状。 根据文献，蠕墨铸铁铁水处理后随着停放时间的延长，蠕虫状石墨的长度 逐渐增加，厚度逐渐减薄( 见图3 2 ) 。清华大学铸工实验室，专门做了蠕铁的抗 衰退试验，方法是把蠕化处理后的6 0 k g 铁水倒回到6 0 k g 工频感应炉中，用草 木灰覆盖铁水，使其温度始终保持在1 3 8 0 左右。每5 分钟浇注一个三角试 块，从三角试块的断口特征的变化来判断铁水的衰退情况，结果是在1 5 分钟 内其三角试块断口均为“麻脸状 ，为典型的蠕墨铸铁断口；1 5 分钟以后断口 则表现为灰铸铁的断口特征，随后对不同时间浇注的三角试样进行成份检测， 并取金相试样进行观察。结果与三角试块断口的判断一致，从5 分钟、1 0 分钟 取的金相试样上看到石墨均为蠕虫状石墨，从1 5 分钟浇注的三角试块上制取 的金相试样观察，石墨形态为片状，这时的m g 残含量为0 0 0 5 。在首钢铸造 厂钢锭模车间生产4 5 吨蠕墨铸铁钢锭模时，一次处理1 0 吨铁水，浇注两个钢 锭模，从处理完到浇注完两个钢锭模共需2 3 分钟，以浇注钢锭模前后的三角 试样断口观察其衰退情况，发现两个三角试样断口基本一样，均为典型的“麻 脸状蠕墨铸铁断口，表明在生产车间处理量大时，蠕墨铸铁的抗衰退性能要 比在实验室好。其主要原因是在实验室为了防止铁水温度降低过快，采用了在 中频炉内保温，有电磁搅拌的作用，促使了m g 的挥发和逸出，加速了衰退的 进程【4 5 删。 随着蠕化处理后停留时间的延长，在不同厚度的断面上石墨形态的衰退情 况也是不一样的，如图3 3 所示，从图