（材料加工工程专业论文）铸态珠光体球铁锡、锑及稀土复合处理作用的试验研究.pdf

言芸 溺拶普翥筠珥兰 日期：沙1 1 年易目锣i 目日期之引z 今纱尉纱趴 篙文嚣糍猩訾誓暑一 日期：沙j ) 孑( 7 目易目日期沙形印旷纤加列 西华大学硕士学位论文 摘要 铸态珠光体球铁具有高强度、高硬度、高耐磨性以及较低的生产成本和较长的使 用寿命等优点，近年来被广泛用来取代钼铬合金铸铁和铸钢件等材质生产汽车覆盖件 模具毛坯。但是在汽车覆盖件这种厚大断面球墨铸铁中，由于铁液凝固速度较慢，在 最后凝固中心部位极易出现球化衰退和孕育衰退，使有效的石墨结晶核心数量迅速减 少，从而导致石墨球数量减少、球径增大，出现碎块状或开花状石墨等石墨畸变，恶 化了球铁的机械性能，制约了厚大断面球铁的广泛应用。生产实践表明，添加适量的 锡或锑等微量元素能够有效地减少或消除厚大断面球铁的石墨畸变，改善球铁性能。 本文针对厚大断面球铁生产中存在的问题，在实验室现有条件基础上，通过向普 通球铁中同时加入微量的锡、锑合金元素制备出高强度球墨铸铁，运用二次回归正交 分析方法考察锡、锑和稀土在球铁中是否存在交互作用以及交互作用如何，以对球铁 的微量元素合金化控制作出一定的指导。 本实验选取的基础化学成分为：c ：3 7 ，s i ：2 3 ，m n ：0 5 5 ，p ：0 0 4 ， s ：0 0 3 。采用1 0 公斤无芯中频感应电炉熔炼铁液，光学高温计测量温度，出炉温度 控制在15 0 0 左右。采用冲入法进行球化和孕育处理，锡、锑合金和孕育剂一起加入 到浇包中，浇注完毕后大约4 0 分钟左右开型，然后空冷至室温。 本研究通过多组试验考察了锡、锑及稀土元素对球铁的微观组织、机械性能和耐 磨性能的影响规律。对微观组织的观察可知，锡、锑能够提高石墨球圆整度，减小球 径，提高珠光体含量，减小珠光体片间距，只有锡与锑之间的交互作用能够显著提高 球化率，三种元素彼此之间的交互作用都不对珠光体量产生显著影响；对机械性能的影 响：三种元素之间的交互作用都对抗拉强度产生显著影响，当合金元素加入量超过一定 值后抗拉强度出现明显下降，三种元素之间的交互作用都不对延伸率产生显著影响，只 有锡与稀土和锑与稀土之间的交互作用使硬度出现显著提高，锡与稀土和锑与稀土之间 的交互作用都能使冲击韧性出现显著下降；锡与锑之间的交互作用能够显著增加磨损失 重量和显著降低摩擦系数，随合金元素加入量不断增加，磨损失重量明显减少，摩擦系 数基本保持在一个稳定范围内。 关键词：球墨铸铁；锡、锑、稀土；交互作用；机械性能 a b s t r a c t a s c a s tp e a r l i t ed u c t i l ei r o ni sak i n do fm e t a lm a t e r i a l sw h i c hh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c h a sh i g hs t r e n g t h ，h i 曲h a r d n e s s ，h i g hw e a rr e s i s t a n c e ，l o w e rp r o d u c t i o nc o s t sa n dl o n g e r w o r k i n gl i f e ，i th a sb e e nw i d e l yu s e dt or e p l a c em o - c ra l l o yc a s ti r o na n do t h e rs t e e l c a s t i n g ， a n dt op r o d u c ea u t o m o t i v ep a n e ld i ec a s t i n g si nr e c e n ty e a r s h o w e v e r , i nh e a v ys e c t i o nd u c t i l e i r o ns u c ha sa u t o m o t i v ep a n e ld i ec a s t i n g s ，i te a s i l ya p p e a r ss p h e r o i d i z a t i o nd e g e n e r a t i o na n d i n o c u l a t i o nd e g e n e r a t i o ni nt h ef i n a ls o l i d i f i c a t i o nc e n t r a lp a r t sd u et os l o ws o l i d i f i c a t i o nr a t e ， a n dt h ee f f e c t i v en u m b e ro fg r a p h i t ec r y s t a lc o r ei sd e c r e a s eq u i c k l y , s ot h eh e a v ys e c t i o n d u c t i l ec a s ti r o ni se a s yt os u f f e rf r o mt h e s ed e f e c t ss u c ha sr e d u c t i o no fn o d u l a rg r a p h i t e ，t h e n o d u l a rg r a p h i t ec o a r s e n i n g ，d e f o r m a t i o no fn o d u l a rg r a p h i t ew h i c hl e a d st oe n g e n d e rc h u n k g r a p h i t ea n de x p l o d e dg r a p h i t e ，w h i c hm a k i n g m e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eo fd u c t i l ei r o nd e c r e a s e a n dr e s t r i c t i n gt h ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o no f h e a v ys e c t i o nd u c t i l ei r o n t h ep r a c t i c es h o w e dt h a t i tc a ne f f e c t i v e l yr e d u c eo re l i m i n a t ed e f o r m a t i o no fn o d u l a rg r a p h i t ea n di m p r o v et h e p e r f o r m a n c e i nh e a v ys e c t i o nd u c t i l ec a s ti r o nb ya d d i n gt h et r a c ee l e m e n t ss na n ds b f o ra i m i n gt h ep r o b l e m se x i s t i n gi nt h ep r o d u c t i o no fh e a v ys e c t i o nd u c t i l ec a s ti r o n ，o n t h eb a s i so f t h ee x i s t i n gl a b o r a t o r yc o n d i t i o n s ，ah i g h - s t r e n g t hd u c t i l ei r o nh a sb e e ns u c c e s s f u l l y m a n u f a c t u r e db ya d d i n gt r a c ea m o u n to fs na n ds bt on o n - a l l o yd u c t i l ec a s ti r o n ，a n dt h e c o m p l i c a t e di n t e r a c t i o no fs n ，s ba n dr e i nt h ed u c t i l ec a s ti r o nw a si n v e s t i g a t e db y t h em e t h o d o fq u a d r a t i cr e g r e s s i o no r t h o g o n a ld e s i g n ，s ot h a tm a k i n gc e r t a i ng u i d a n c et ot h et r a c ee l e m e n t s a l l o yc o n t r o li nt h ed u c t i l ec a s ti r o n t h er a n g eo f b a s i sc h e m i c a lc o m p o n e n t si nt h i ss t u d yi sc ：3 7 ，s i ：2 3 ，m n ：0 5 5 ， p ：0 0 4 ，s ：0 0 3 l i q u i di r o n sa r em e l t e di n10 k g c o r e l e s sm e d i u mf r e q u e n c yi n d u c t i o n f u r n a c e ，a n dt h et e m p e r a t u r ei sm e a s u r e db yo p t i c a lp y r o m e t e rw i t hc o n t r o l l i n gt h et a p p i n g t e m p e r a t u r ea r o u n d15 0 0 t h er e a c t i o no fs p h e r o i d i z a t i o na n di n o c u l a t i o na r ei nt h ec a s t i n g l a d l ew i t hp o u r - o v e rp r o c e s s ，a n dt h et r a c ea m o u n to fs na n ds ba r ea d d e di nt h el a d l ew i 【t h i n o c u l a n t s ，k n o c k o u ti so p e r a t e da b o u t4 0m i n u t e sa f t e rp o u r i n gf i n i s h e d ，a n dt h e na i rc o o l e dt o r o o mt e m p e r a t u r e t h ee f f e c t so ft h et r a c ee l e m e n t ss n s ba n dr eo nm i c r o s t r u c t u r e , m e c h a n i c a l p e r f o r m a n c ea n dw e a rr e s i s t a n c ep e r f o r m a n c eo f d u c t i l ec a s ti r o nw e r ei n v e s t i g a t e dt h r o u g h m u l t ig r o u pe x p e r i m e n t si nt h i ss t u d y t h er e s u l t ss h o w e dt h a ts na n ds bn o to n l yi n c r e a s et h e g r a d ea n dd e c r e a s et h eg r a p h i t es p h e r es i z e ，b u ta l s oi n c r e a s ep e a r l i t ec o n t e n ta n d d e c r e a s e p e a r l i t el a m e l l a rd i s t a n c et h r o u g ho b s e r v a t i o no f t h em i c r o s t r u c t u r e ，o n l yt h ei n t e r a c t i o n b e t w e e nt h es na n ds bc a ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h ep h e r o i d i z a t i o nr a t e ，t h ei n t e r a c t i o na m o n g t h r e ea l l o ye l e m e n t sa l ln o th a v eas i g n i f i c a n ti m p a c to np e a r l i t ec o n t e n t i i 西华大学硕士学位论文 t h ei n t e r a c f i o na m o n gt h r e ea l l o ye l e m e n t sa 1 1h a v eas i g n i f i c a n ti m p a c to nt e n s i l e s t r e n g t h ，t h et e n s i l es t r e n g t hw i l lb ed e c l i n eo b v i o u s l yw h e nt h ea l l o ye l e m e n t se x c e e da c e r t a i nv a l u e ，t h ei n t e r a c t i o na m o n gt h r e ea l l o ye l e m e n t sa l ln o th a v eas i g n i f i c a n ti m p a c to n t h ee l o n g a t i o n o n l yt h ei n t e r a c t i o no fs na n dr eo rs ba n dr ec a ni m p r o v et h eh a r d n e s sa n d d e c r e a s et h ei m p a c tt o u g h n e s ss i g n i f i c a n t l yt h r o u g ht h et e s to nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s t h e i n t e r a c t i o nb e t w e e nt h es na n ds bc a ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h ew e a r m a s sl o s sa n dd e c r e a s e t h ef r i c t i o nc o e f f i c t i o nr e m a r k a b l y ，t h ew e a rm a s1 0 s sw i l ld e s c e n do b v i o u s l ya n dt h ef i i c t i o n c o e f j f i c t i o nw i l lr e m a i ni nas t a b l er a n g ew h e nt h ea d d i t i o no fa l l o y e l e m e n t si n c r e a s i n g k e yw o r d s ：d u c t i l ec a s ti r o n ；t i n ，a n t i m o n y , r e ；i n t e r a c t i o n ；m e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e i i i 铸态珠光体球铁锡、锑及稀土复合处理作用的试验研究 目录 要i 。，t a c t i i j 、绪论j ：1 1 1 选题目的意义1 1 2 球墨铸铁的发展及应用2 1 2 1 国外发展概况2 1 2 2 国内发展概况4 1 2 3 球墨铸铁的应用概况4 1 3 球墨铸铁的合金化作用5 1 3 1 碳化物形成元素6 1 3 2 石墨化促进元素7 1 3 3 微量元素8 1 4 球墨铸铁的孕育作用9 1 4 1 球铁孕育的目的9 1 4 2 球铁的孕育处理工艺1 0 1 4 3 球铁用孕育剂“11 1 5 本文研究的主要内容1 3 。验内容及方法1 4 2 1 化学成分及工艺的确定1 4 2 1 1 化学成分的确定1 4 2 1 2 试验方案的确定。1 8 2 1 3 试验工艺的确定2 0 2 2 球墨铸铁的制各工艺2 0 2 2 1 原材料2 0 i 2 2 试验用球墨铸铁的制备。2 l 2 3 性能测试方法2 2 2 3 1 抗拉强度测试方法2 2 2 3 2 硬度测试方法2 3 2 3 3 磨损性能测试_ 2 3 2 3 4 冲击试验2 3 i v 西华大学硕士学位论文 2 4 球墨铸铁组织的微观组织分析2 3 3 合金元素对球墨铸铁微观组织的影响2 4 3 1 前言2 4 3 2 合金元素对球墨铸铁微观组织的影响2 4 3 2 1 合金元素对球墨铸铁石墨形态的影响2 4 3 2 2 合金元素对球墨铸铁基体组织的影响2 8 3 3 合金元素对球铁球化率和珠光体量影响的试验结果及分析3 2 3 3 1 球化率和珠光体量的实验结果3 2 3 3 2 单个元素对球铁球化率和珠光体量的影响3 3 3 3 3 交互作用对球铁球化率和珠光体量的影响3 4 3 4 本章小结3 7 4 合金元素对球墨铸铁机械性能的影响3 8 4 1 引言：3 8 4 2 合金元素对球铁机械性能影响的试验结果及分析3 8 4 2 1 抗拉强度、延伸率、硬度和冲击韧性的试验结果3 8 4 2 2 单个元素对球铁抗拉强度、延伸率、硬度和冲击韧性的影响4 0 4 2 3 交互作用对球铁抗拉强度、延伸率、硬度和冲击韧性的影响4 2 4 3 本章小结4 7 5 合金元素对球墨铸铁耐磨性能的影响4 9 5 1 引言4 9 5 2 合金元素对球铁耐磨性能影响的试验结果及分析4 9 5 2 1 磨损失重和摩擦系数的试验结果4 9 5 2 2 单个元素对球铁磨损失重和摩擦系数的影响5 0 5 2 3 交互作用对球铁磨损失重和摩擦系数的影响5 1 5 3 本章小结5 4 结论5 4 参考文献5 6 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果5 7 致 射5 8 v 西华大学硕士学位论文 1 、绪论 1 1 选题目的意义 球墨铸铁的诞生是继人类发明炼钢技术之后，在黑色金属应用技术方面又一次重 大的技术创新，成为2 0 世纪材料科学最重大的技术进展之一，在其工业化生产6 0 年 来已经成为国民经济各领域中必不可少的重要工程材料。近年来我国铸件产量持续上 升，其中尤以球墨铸铁产量增长最快，2 0 0 6 年我国球铁件产量已达6 8 0 多万t ，约占当 年世界球铁产量的3 1 6 ；2 0 0 7 年增长到7 7 0 万t ，所占比例为2 4 6 。球铁件广泛应 用于国民经济各个领域，其中铸管和管件约占到3 3 6 ，汽车铸件约占3 2 ，其它的 如机床、农机、工程机械、建筑、矿山、冶金、能源工业部门等约占3 5 。在球铁件 的产量中，铁素体基体球铁约占到6 0 ，珠光体基体球铁约占到1 5 ，铁素体、珠光 体混合基体球铁约占到2 0 ，奥氏体基体球铁( h d i ) 占1 2 ，其它基体球铁约占3 8 1 】 o 铸态球铁主要分为珠光体高强度球铁和铁素体高韧性球铁两大类，它们分别通过 正火或退火热处理获得，至于珠光体和铁素体混合基体球铁，一般不需要热处理。热 处理一般用于避免薄断面中产生过量游离渗碳体、改善厚大断面基体组织以提高力学 性能、弥补铸态球铁的组织和性能波动较大或达不到要求、以及消除生产过程中产生 的内应力等方面。和热处理相比，铸态球铁具有节能、节约设备投资、缩短生产周 期、降低生产成本、增加球铁竞争能力，还可避免热处理产生的高温氧化、变形、石 墨畸变等优点，一般通过控制铸件冷却速度、调整铁液的化学成分、加入适量的合金 元素以及配合适当的球化、孕育措施等，从而使铸态铸件达到技术条件规定的金相组 织和机械性能。国外汽车厂生产的球铁铸件8 0 都是采用铸态生产。因此发展铸态球 铁，特别是研究开发高性能铸态球铁，成为今后球墨铸铁研究和发展的方向之一。 获得铸态珠光体高强度铸铁的工艺主要包括利用铸造余热正火和加入一定量珠光 体促成元素的合金化作用。用于形成和稳定珠光体基体组织的合金元素有很多，如 铜、锰、铝、镍、铬等常规元素和锡、锑、铋、铅、钒、钛等微量合金元素，通过调 整铁液的化学成分，使球铁铸态珠光体量达到7 5 以上，性能达到q t 6 0 0 3 、q t 7 0 0 2 等要求。但通常采用单一的合金元素不能很好的达到高的牌号与性能，研究表明，采 用二元合金或多元合金往往较单一合金加入形式具有更好的效果，通常采用铜作为合 金化的一个主要元素( 铜具有很好的促进珠光体能力，有利于共晶阶段石墨化，细化、 圆整石墨球，不促进碳化物形成等) ，采用铜锰、铜钼、铜镍、铜铬等二元合金均 能可实现上述铸态牌号生产。 铸态珠光体球铁锡、锑及稀土复合处理作用的试验研究 在厚大断面球墨铸铁中，由于铁液凝固速度较慢，在最后凝固的中心部位极易出现 球化衰退和孕育衰退，使有效的石墨结晶核心数量减少，从而导致石墨球数量减少、球 径增大，出现碎块状、蠕虫状、爆裂状等石墨畸变或石墨漂浮，恶化了球铁的机械性能， 制约了厚大断面球铁的广泛应用。为此，人们采用多种措施来解决大断面球铁中存在的 问题，如加快冷却速度、严格控制化学成分、强化球化和孕育工艺、悬浮铸造以及添加 微量元素等【2 】，其中通过添加适量的锡、锑或铋等微量元素的效果最为显著【3 】，能够明 显细化石墨，提高球化率和石墨球数。另外，锡、锑还是很强的珠光体生成元素，在铸 态珠光体球铁中，它们提高珠光体含量的作用是铜或锰等的数倍，但是，锡、锑也是严 重的干扰石墨球化元素，在有足够量的稀土元素存在前提下，可以扩大它们的加入量范 围。 锡和锑都是低熔点金属，二者在元素周期表中的位置和原子量都很接近，在球铁中 对奥氏体的平衡分配系数和对铁水中碳活度的影响作用也是一致的，同时它们促进珠光 体生成、干扰球铁石墨球化以及稀土抑制它们的反球化机理也是相同的，但是目前对球 铁中单独加入锡或锑的应用研究较多，而对于球铁中锡或锑之间的作用能否相互替代、 或者二者能否同时加入以及同时加入后是否存在交互作用还没有相关的研究。 本文就是针对厚大断面球铁中提出的问题，结合现有试验条件，在球墨铸铁中添加 微量的锡和锑合金元素，以考察锡、锑、稀土元素之间是否存在交互作用以及是如何进 行交互作用的，运用二次回归正交分析方法得到各种性能指标与合金元素加入量之间的 回归关系式，对稀土、锡和锑在铸态球铁中的单独作用及两两之间的交互作用进行了探 讨。 1 2 球墨铸铁的发展及应用 1 2 1 国外发展概况 铸铁的产生大约已经有了5 0 0 0 年的历史，自从近代应用于铁轨和铸铁管制造中 后，才真正走上工业发展道路。在1 9 世纪6 0 年代之前，铸铁抗拉强度只能达到 1 0 0 m p a ，从1 9 世际8 0 年代以后通过加入废钢以提高铸铁强度。一战之后又研究在熔 化期加入4 0 8 0 废钢和采用熔化过热方法，使铸铁强度得到较大提高，但是当抗拉强 度超过2 0 0 m p a 后，再增加废钢量会使力学性能恶化。1 9 2 2 年，美国人a f m e e h a n 通过采取严格控制化学成分、高温熔炼并在炉前进行孕育处理的方法发明了孕育铸 铁，可使抗拉强度达到3 0 0 m p a ，它的出现在铸铁冶金史上具有划时代意义，使人们认 识到可以通过孕育处理大幅度提高铸铁性能。 2 西华大学硕士学位论文 在1 9 3 5 1 9 3 6 年间，德国阿汉铸造研究所已经知道在低碳高硅铸铁中获得球状石墨 的方法。1 9 3 7 年，a d c y 在从事高碳铁碳合金研究时也得到了球状石墨球，并在 h h h a n c m a n n 编著的金相图谱中首次展示了这种球墨的金相照片，a d y e 认为：“获 得高强度铸铁的方法：不含夹渣的共晶或者过共晶铸铁；硅的质量分数大于1 ；快速 凝固条件下石墨能从金属基体中全部或部分地呈球状析出。 m o r r o g h 和w i l l i a m s 在研究铁碳钴合金石墨化过程中，认为其结晶过程与铁碳 硅合金的结晶过程相似，加入硅钙合金后能够得到球状石墨。为得到球状石墨必须满 足以下条件：1 、在未加入铈以前，铸铁应呈灰口凝固；2 、铸铁应是过共晶成分；3 、 硅的质量分数应在2 3 7 之间；4 、硫含量应尽可能地低；5 、c u 、m o 、n i 、c r 、 m n 等可以任何含量单独或者同时加入，但是要达到过共晶成分。m o r r o g h 认为工业生 产球墨铸铁不会有特殊的困难，如果有低硫生铁，并在坩埚炉、电弧炉、电阻炉或感 应电炉中熔炼即可【4 】。 m e c h a n 在其所获的专利【5 】中指出，为获得铸铁所需要的性能，必须加入一定量的 镁、钙等活性元素。m e e h a n i t e 公司在其专利n 0 1 2 3 6 4 2 2 中指出，处理铁液时加入硅钙 等石墨化元素，再加入碲等反石墨化元素，就能够得到球状石墨。此外， e p i w o w a r s k y 建议在灰铸铁中加入一定的c u 、b a 、l i 、m g 等，由于这些元素的作用 能够提高铁液过热度，可以获得细小石墨球，也就提高了过共晶铁碳合金的强度。 最新资料表明，现代球墨铸铁是由美国国际镍公司( i n c o ) 科研人员麦里斯首先 研制成功【6 】，他在熔化一组添加了o 5 镁的镍硬铸铁时候，发现加镁镍硬铸铁的韧性比 加铬的镍硬铸铁明显得到提高。一年之后他又做了加镁同时加入硅铁孕育试验，发现基 体组织中析出完整球状石墨球，力学性能也得到提高，此次实验标志球墨铸铁正式研究 成功。然后经过五年的系统实验，i n c o 公司于1 9 4 7 年在英国和美国都申请了加镁的 球墨铸铁专利。1 9 4 9 年，莫勒在美国申请了加铈的球墨铸铁专利时，美国专利局对 i n c o 公司的专利进行了实质性审查，然后批准授予i n c o 公司加镁球铁专利权，接着 批准授予莫勒加铈球铁专利权，i n c o 公司立即购买了莫勒的专利权。在此同时，1 9 4 8 年5 月7 日，g a n g n e b i n 等三人通过在铁液中添加镁并以硅铁合金进行孕育处理，在镁 残余量超过0 0 4 时得到了球状石墨，并第一次写成论文发表，正是由于他们添加了镁 处理铁液，才使得球铁得到极大发展，之后球墨铸铁在全世界范围内都应用于了工业 生产【4 1 。 铸态珠光体球铁锡、锑及稀土复合处理作用的试验研究 1 2 2 国内发展概况 我国是世界上最早能生产球铁的国家，在汉代铸件中就已经出现了球状石墨球【7 1 。 河南巩县出土铁镢中的石墨呈圆整球状，偏光观察到石墨断面呈明显的辐射状，经过 进一步热腐蚀发现这种石墨有典型的球状石墨年轮组织，和近代工艺手段生产的球铁 相差无几，石墨等级也可达到金相标准的1 2 级 乳9 1 。在普查河南出土的古代铸铁件 时，发现了六件都含有球状或球团状石墨铸铁件，说明此类具有球状或球团状石墨铸铁 件的出现并非偶然【l0 1 。这些铸件是采用高纯木炭熔炼、不经过变质处理，浇注到金属型 后再进行热处理而得到的，因生产条件要求苛刻，没有得到流传延续。 近代国内最早进行球铁研究工作的是清华大学的王遵明教授和中科院上海冶金陶 瓷所。王遵明教授采用a - 和七三铜镁合金成功研制出了球墨铸铁，同时进行以镍镁、 锌镁、铝镁和铅铜作球化剂的试验【1 1 1 。中科院冶金陶瓷研究所等人于1 9 5 0 年1 0 月成功 试验出球墨铸铁，能够掌握以铜镁、镍镁、硅铁镁作为球化剂制造球墨铸铁的方法， 并能较好地控制球铁基体组织。1 9 5 7 至1 9 5 8 年间，铸铁研究室、天津拖拉机厂、大连 造船厂、上海区球铁曲轴研究小组等单位先后试验出压力加镁和灭容加镁方法，并正 式应用到生产中。经过八年不断的研究工作，国内的镁系球化剂及其处理工艺基本成 熟和完善了。 2 0 世纪5 0 年代末以陈熙深教授为代表的球铁学者开展了具有当时国际水平的研究 工作【1 2 1 。7 0 年代他提出了“稀土镁球铁基础理论、基础技术研究计划”，并在球化理 论、石墨形貌、球铁基体性能等做了深入的研究。 2 0 世纪8 0 年代后，国内球墨铸铁件产量逐年增长，厂家分布于全国各个省市，成 功研究出了a d i 和其它多种特种球铁，并且制订了“稀土镁球墨铸铁金相”、“球墨铸铁 用生铁”、“球墨铸铁件”等标准，开发出了能够应用于大批量球铁生产的先进工艺和检 测方法，如气动脱硫、型内球化、瞬时孕育、热分析等。 1 2 3 球墨铸铁的应用概况 球墨铸铁广泛应用于国民经济生产的各个领域。在汽车铸件中，一汽重卡上球墨 铸铁件占到6 0 以上，二汽公司的铸件中灰铸铁约占4 4 ，球墨铸铁约占4 6 ，蠕墨 铸铁约占2 。汽车驱动桥壳、底盘件转向节等保安件和排气歧管多采用铁素体球铁， 轿车上的曲轴、齿轮轴等大都也采用球铁制造。许多铸造厂通过提高技术和增加投资， 逐渐取得了各大汽车厂铸件毛坯的供应商资格。铸铁管是球铁应用的另外一个大用 户，由于具有强度高、塑性高、重量轻、耐腐蚀、耐压、运输安装方便等优点，离心 球铁墨铸铁管在城市给排水、远距离输水和输气工程中得到了广泛应用，2 0 0 6 年我国球 4 西华大学硕士学位论文 墨铸铁管件产量己达两百多万吨，与铸管配套的球铁管件产量约占球铁管的5 8 ，年 产量约2 0 万吨。发动机曲轴是球铁在我国应用最典型的零件，研究开发最早，应用范 围最广，产量最多，汽车、拖拉机、船用及工程机械上的许多发动机曲轴以及空压机 上的曲轴材料都是球墨铸铁，汽油机多采用球铁曲轴，柴油机中3 6 0 千瓦以下、爆发压 力在11 m p a 以下的均可用球铁曲轴，其牌号为q t 6 0 0 3 、q t 7 0 0 2 、o t 8 0 0 2 、 q t 8 0 0 6 、q t 8 0 0 5 、q t 9 0 0 3 等，据统计，我国年产各类球铁曲轴约2 0 吨，1 0 0 0 万根 以上。另外，随着重型机械工业和核工业的发展，国内外对大断面球铁件的需求越来 越多，我国通过自行研制开发，已可以生产出这类高难度、高技术含量的铸件。随着 风电机组装机容量不断增加，对铸件质量和性能要求极为严格的风电设备球铁件需求 量相应增加，一大批铸造厂都能生产出这类风电球铁件【1 3 】。 1 3 球墨铸铁的合金化作用 1 4 1 5 1 6 】 随着工业技术的发展，各个领域对铸铁性能要求越来越高，普通铸铁已经不能完 全满足需要，促使人们不断研究制取高性能铸铁，通过在铸铁中添加合金元素是制取 高性能铸铁的重要手段之一。合金元素通过改变铸铁组织而改变材料性能，有些合金 元素促进珠光体形成并使之细化以提高强度和硬度，有些则促进铁素体形成以改善铸 铁的塑韧性，还可通过合金化使基体成为单一奥氏体组织来获得耐热或耐蚀铸件，使 碳化物结构、性能和分布状态发生改变而显著提高抗磨性能。 合金元素对铸铁组织的影响一般发生在两个阶段，首先是在凝固阶段，合金元素 能够改变稳定系和亚稳定系两者之间的共晶温度间隔，表现出促进稳定系共晶转变或 抑制稳定系共晶转变，以及影响初生奥氏体的生长、共晶转变方式以及共晶相的形态 特点；其次是在固态相变阶段，合金元素影响奥氏体转变速率、转变方式以及所形成 的组织特征，可以使基体成为珠光体、索氏体、贝氏体或马氏体，也可使凝固组织中 的奥氏体保留到室温，成为铸态奥氏体组织，满足各种不同工程需求。 合金元素以固溶状态、化合状态、吸附或游离状态存在于铸铁组织中，些元素 以置换固溶或间隙固溶方式进入丫f e 或a f e 中，一些元素与碳的电负性相差较大，易 与碳化合成合金碳化物，少数元素在固溶体中超过其极限溶解度后，从固相中分离以 弥散颗粒状态存在于基体中，另外一种游离状态时合金元素的原子被吸附在某一相的 表面而存在。 在铸铁中应用的合金元素的作用和用量各不相同，有些单独加入即可获得良好效 果，有些则需要几种元素共同加入才能达到改善性能之目的，也有些元素在改善组织 铸态珠光体球铁锡、锑及稀土复合处理作用的试验研究 方面产生相互制约的作用，因此在设计和使用合金铸铁之前应了解合金元素在铸铁中 的存在状态和作用，同时也应了解合金铸铁的使用范围和使用上的限制因素。 1 3 1 碳化物形成元素 ( 1 ) 铬灰铸铁中的铬在铁水凝固过程中约有8 5 固溶于奥氏体，碳在奥氏体中的溶 解度随铬含量增加而提高，促进亚稳定系共晶反应的发生，碳化物生成倾向随铸铁含 铬量增加而提高，将会析出( f e 3 c r ) 3 c 、( f e 3 c r ) 7 c 3 、q e 3 c r ) 2 3 c 6 等特殊碳化物。铬的反 石墨化能力大致与相同数量硅的石墨化能力相抵消。溶入奥氏体的铬降低其中碳活 度，稳定奥氏体，抑制铁素体形核和减少游离铁素体量以促进珠光体形成，延长珠光 体孕育期和推迟共析转变，提高共析转变过冷度以细化珠光体。含铬球墨铸铁容易产 生共晶渗碳体，可与铜、镍同时加入以提高球铁的强度和硬度。 铬在铸铁中是一个使用广泛的元素，加入量范围从o 2 至3 0 ，含铬量不同其组 织、性能及用途也明显不同。c r f o - 0 5 ( 9 ，5 ) = 4 7 7 ： s 剩剩 f ，1 - - 4 2 2 ，f x 2 = 2 5 7 ，f x 3 = 1 4 6 6 ，f x l x 2 = 9 5 1 ，f x l x 3 = 3 0 2 ，f ) 2 x 3 = 0 0 0 7 5 ，f 。1 = 5 9 0 ，f x 2 芦1 3 8 1 ，f f l ；o 4 3 ； 对回归系数进行显著性分析可知，回归方程在q = o 0 5 水平上显著，故实验数据与 所采用二次回归模型是比较符合的。 将上述回归公式中的编码值转换成各组分的百分含量，得到公式如下： k = 5 1 4 6 0 0 0 4 9 s n + 0 2 6 3 s b + 0 0 4 7 8 r e + 2 2 5 x 1 0 4 s n s b + 2 2 2 x 1 0 s n r e + 2 9 2 x 1 0 6 s b r e 一3 3 2 1 0 一s n 2 _ 2 6 6 x 1 0 一s b 2 2 4 7 x 1 0 。5 r e 2 ( 3 - 2 ) 3 2 西华大学硕士学位论文 ( 2 ) 珠光体量对试验数据处理后得到珠光体量与x l 、x 2 、x 3 的回归方程： p = 8 5 7 3 + 5 5 1 x 1 + 2 7 5 x 2 + 0 9 1 3 x 3 + 0 2 5 x l x 2 + 0 5 x l x 3 + 0 5 x 2 x 3 - 0 4 6 6 x 1 - 2 1 6 x 2 + 2 9 2 x 3 ( 3 3 ) 式中：p 球化率，；x l 一锡的编码值：x r 锑的编码值；x 3 一稀土的编码值； q 事 s 回= 4 8 6 6 6 3 ，s 囊= 4 8 2 7 0 ，s 尊= 5 3 4 9 3 3 ；f 目9 ，f 剩f 尊= 1 4 ；f _ 昙旦与导= 5 6 0 f 0 0 5 ( 9 ，5 ) = 4 7 7 b 弱卢剩 f x i - - 3 4 3 9 ，f , a = 8 5 5 ，f 】3 = o 9 5 ，f x i x 2 = o 0 5 ，f x i x 3 = 0 2 1 ，f x 2 , o = 0 2 1 ，f x l 芦0 1 0 ，f 】【2 芦2 11 ，f x 3 ；3 8 5 ： 对回归系数进行显著性分析可知，回归方程在q = 0 0 5 水平上显著，故实验数据与所 采用二次回归模型是比较符合的。 将上述回归公式中的编码值转换成各组分的百分含量，得到公式如下： p = 1 5 8 1 7 + 0 0 2 1 s n + 0 3 1 6 s b 0 2 0 3 r e + 3 3 3 x 1 0 s n s b + 1 1 7 x 1 0 一s n r e + 9 7 3 x 1 0 s b r e 一1 1 4 x1 0 一s n 2 _ 2 1 7 x 1 0 3 s b 2 + 9 4 2 x 1 0 5 r e 2 ( 3 - 4 ) 3 3 2 单个元素对球铁球化率和珠光体量的影响 ； 爵 篁 箭 a + 球化率 _ 卜一珠光体量 1 0 0 9 5 鞯 9 0 娄 8 5 堕 辞 8 0 7 5 7 0 1 0 03 0 05 0 07 0 09 0 01 1 0 0 s n ( p p m ) 8 0 p p j s b ，1 0 2 7 5 p p m r e 9 0 8 8 8 6 8 4 8 2 8 0 盆 一 静 皋 兹 + 球化率 2 04 06 08 01 0 01 2 0 1 4 0 s b ( p p m ) 6 0 0 p l a m s n ，1 0 2 7 5 p p m r e 1 0 0 9 5 。薹 8 5 弓 8 0 7 5 7 0 7 0 08 0 09 0 0l o o o1 l o o1 2 0 0 1 3 0 0 r e ( p p m ) 6 0 0 l a p m s n ，8 0 p p m s b 1 0 0 9 5 9 0 染 法 窑 呻 8 5 盆 8 0 7 5 7 0 f i g 3 3t h ei n f l u e n c eo f t h ec o n t e n to f t h ea l l o y i n ge l e m e n t so nn o d u l a r i t ya n dp e a r l i t ec o n t e n t 图3 3 单个元素含量对球化率和珠光体量的影响 3 3 阳韶盯：8踮跗鼢眈盯 g 豫篁黉 铸态珠光体球铁锡、锑及稀土复合处理作用的试验研究 图3 3 是在试验取值范围内，对式( 3 - 2 ) 进行相关处理，在固定其中两种合金元素 的情况下，分别得出锡、锑和稀土三元素各自对球化率和珠光体量的影响趋势。 由图a 和图b 中可看出，添加少量的锡或者锑都能使球化率有一定程度的增加。而 当锡含量超过5 5 0 p p m 时，球化率出现大幅度下降，锑的加入量超过8 0 p p m 时，球化率 更是出现急剧下降。这种情况与锡或者锑是球化干扰元素有关，当它们的加入量超过 一定值时，会偏析于奥氏体晶界