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铸态厚大断面珠光体球墨铸铁组织与性能研究 摘要 近年来，重大装备制造业的高速发展，推动了厚大断面球墨铸铁的生产和应 用，市场对厚大断面球墨铸铁件的需求日趋旺盛，尤其是高强度的厚大断面珠光 体球墨铸铁件。虽然我国在厚大断面珠光体球墨铸铁的研制上已取得了不小的成 就，但大部分国内制造厂家生产技术并不成熟，产品质量难以满足市场需求，大 型关键铸件主要依赖进口，已成为重大装备制造业发展的瓶颈。因此，开展厚大 断面珠光体球墨铸铁件组织及性能研究，对于提升我国铸造行业和装备制造业的 整体水平具有重大意义。 本文采用树脂砂铸造工艺制备铸态厚大断面珠光体球墨铸铁，研究了s b 、c u 、 s i 及壁厚对厚大断面球墨铸铁组织性能的影响；利用扫描电镜和能谱仪，研究s b 改善石墨球化的作用机理，分析厚大断面珠光体球墨铸铁的珠光体形貌特点；利 用微分热分析法，研究c u 和壁厚对球墨铸铁凝固过程的影响；分析厚大断面珠光 体球墨铸铁不同壁厚处组织性能的变化，探讨厚大断面球墨铸铁的凝固特性及组 织、性能的不均性。主要结论如下： ( 1 ) 对于尺寸为2 5 0 m m x 2 5 0 m m 3 0 0 m m 试样，微量s b 可有效地消除严重影 响力学性能的碎块状石墨，改善石墨球化，促进基体组织的珠光体化，提高其力 学性能，但过量s b 将导致石墨圆整度与分布均匀性下降；当s b 加入量为0 0 1 5 w t 时，心部组织和性能较优异，抗拉强度、屈服强度、伸长率和硬度分别为5 2 5 m p a 、 3 1 7 m p a 、4 1 和2 0 0 h b w ，与未添加s b 相比，分别提高了2 3 、1 0 、3 3 和 8 。s b 与l a 、c e 中和形成的高熔点金属间化合物，可作为石墨的非自发形核核 心。 ( 2 ) 添加适量c u 可有效促进尺寸为2 5 0 m m x 2 5 0 m m x 3 0 0 m m 试样心部基体的 珠光体化，在一定程度上改善球化，进而提高其强度和硬度，降低其塑性；当c u 加入量为0 5 0 w t 时，心部综合力学性能较好。当添加0 5 0 w t c u 时，与未添加 c u 相比，试样心部的液相线温度( w t ) ，共晶起始温度( t e ) 及结束温度( t s ) ， 奥氏体结晶温度区间( t t t e 。m ) 和共晶凝固时间，分别由11 6 6 2 c 、l16 4 9 c 、 1 0 9 7 4 、9 8 和9 5 2 m i n 变为1 1 7 1 1 、1 1 7 0 2 、1 1 1 0 3 、9 6 和9 7 3 m i n 。 这表明c u 能促进球墨铸铁的石墨化并降低其白口倾向、促使奥氏体枝晶的提前析 出、略微降低奥氏体枝晶的分枝程度。 ( 3 ) 对于尺寸为2 5 0 m m x 2 5 0 m m 3 0 0 m m 试样，s i 含量宜控制在2 1 w t 左右， 此时试样的球化良好且珠光体含量较高，从而获得良好的力学性能。 ( 4 ) 对于加入了0 5 0 w t c u 和0 0 1 5 w t s b ，尺寸分别为7 0 m m x 7 0 m m x l 8 0 硕士学位论文 m m ，1 2 0 m m x l 2 0 m m 1 8 0 m m ，1 8 0 m m 1 8 0 m m x 2 0 0 m m ，2 5 0 m m 2 5 0 m m x 3 0 0 m m 试样，随着试样尺寸的增大，心部力学性能呈现先增加后减小的趋势，尺寸为 1 2 0 m m x l 2 0 m m x l8 0 m m 试样的心部综合力学性能较优异，抗拉强度、屈服强度、 伸长率和硬度，分别为6 4 0 m p a 、3 7 1 m p a 、5 2 和2 2 5 h b w ；由于尺寸为 7 0 m m 7 0 m m x18 0 m m 试样壁厚小、冷速快，对于该尺寸试样c u 和s b 加入量过高， 导致其力学性能显著降低。 ( 5 ) 当试样尺寸为2 5 0 m m 2 5 0 m m x 3 0 0 m m 时，在添加了0 5 0 w t c u 和 0 0 1 5 w t s b 合金后，心部基体组织中层片状珠光体的层片间距减小为0 3 0 6 1 a m ， 珠光体明显细化；但基体组织中的珠光体形貌较不规整，存在较多不连续的层片 状珠光体和粒状珠光体。 ( 6 ) 对于尺寸为2 5 0 m m x 2 5 0 m m 3 0 0 m m 试样，当c u 和s b 的加入量分别为 0 5 0 w t 和0 0 1 5 w t 时，试样心部处和距心部4 0 m m 处的组织和性能明显优于距 心部7 2 m m 处和距心部1 0 4 m m 处；在距心部4 0 r a m 处，试样的综合力学性能最佳， 抗拉强度为5 2 9 m p a ，屈服强度为3 1 9 m p a ，伸长率为4 3 ，硬度为2 0 2 h b w ；厚 大断面珠光体球墨铸铁的凝固特性导致镁和稀土元素大量偏析于该试样的距心部 7 2 m m 和距心部1 0 4 m m 之间的区域，严重恶化该区域的组织和力学性能。 关键词：厚大断面球墨铸铁；珠光体；合金元素；壁厚；碎块状石墨； 1 1 1 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h er a p i dd e v e l o p m e n to fm a j o re q u i p m e n tm a n u f a c t u r i n gl n d u 嘟 p t o m o t e st l l er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fh e a v y s e c t i o nn o d u l a ri r o n t h er e q u i r e m e n to ft h e m 诎e tf o rh i g hs t r e n g t hh e a v ys e c t i o nn o d u l a ri r o ni sm o r ea n dm o r eu r g e n t a i t l l o u g t lo u r c o u n t r yh a sm a d eal o to fa c h i e v e m e n t s o nt h ef i e l do fh e a v ys e c t i o nn o d u l a ri r o n ，t 1 1 en e a 呵 s e c t i o nn o d u l a ri r o np r o d u c t i o nt e c h n o l o g i e so fm o s td o m e s t i cm a n u f a c t u r e r sa l en o tg o o d e n o u g ht om e e tt h en e e d so ft h em a r k e t d e p e n d e n c eo ni m p o r t sf o rk e y l a r g ec a s t i n g sh a s l i m i t e dt h ed e v e l o p m e n to ft h ee q u i p m e n tm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y t h e r e f o r e ，t h es t u d yo n t h e m i c r o s t r u c t u r e sa n dp r o p e r t i e so fh e a v ys e c t i o np e a r l i t en o d u l a r i r o ni so fg r e a ts i g n i f i c a n c et o p r o m o t et h ef o u n d r yi n d u s t r ya n d t h ee q u i p m e n tm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y 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 na s - c a s tp e a r l i t en o d u l a ri r o nw a sp r e l ) a r e db y u s i n gr e s i n - c o a t e ds a n dc a s t i n g t h ee f f e c t so fc u ，s b ，s ic o n t e n ta n ds p e c i m e nt h i c k n e s so n t h es t l l l c t 珈e sa i l dp r o p e r t i e so fn o d u l a ri r o nw e r ei n v e s t i g a t e d t h ee f f e c t sa n d m e c h a n i s m so f s be l 哪e n to nt h eg r a p h i t eb a l l sw e r er e s e a r c h e db yu s i n gs e m a n de d x t h ep e a r l i t e m o r p h o l o g yo ft h eh e a v ys e c t i o n a s c a s tp e a r l i t en o d u l a ri r o nw a so b s e r v e d t h ee 骶c t so f c u e l e m e n ta n dt h i c k n e s so nt h es o l i d i f i c a t i o np r o c e s so ft h e n o d u l a ri r o nw e r es t u d i e db y a 1 1 a l y z i n gt l l ec o o l i i l gc u r v e t h em i c r o s t r u c t u r c sa n dp r o p e r t i e so f t h ed i f f e r e n tl o c a t i o nm t h e h e a 、s e c t i o np e a r l i t e n o d u l a ri r o nw e r ec o m p a r e d t h ep a p e rh a sg o tt h ef 0 1 1 0 姗n g c o n c l u s i o n s ： f 1 ) a sf o rt h es p e c i m e nw h o s es i z ei s2 5 0 m m x 2 5 0 m m x 3 0 0 m m ，t h ec h u n k yg r a p h i t e c o u l db er e s t m i n e dw h i c h w o u l dr e d u c et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sb ya d d i n ga s m a l la m o u n t o fs b t h eg r a p h i t es p h e r o i d i z a t i o nw o u l db ei m p r o v e d ， a n dt h ep e a r l i t ec o n t e n tw o u l d i n c r e a s ei nt h i ss p e c i m e nt o o s ot h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o ft h i ss p e c i m e nw o u l db e i m p m v e db ya d d i n gd e f i n e da m o u n to fs b i ft h es ba d d i t i o na m o u n tw a se x c e s s l v e ，t h e g r a m t es p h e r o i d i z a t i o no ft h i ss p e c i m e nw o u l dd e t e r i o r a t e w h e nt h es ba d d i t i o na m o m t w a s0 015w t t h es p e c i m e nw i t hg o o dp e r f o r m a n c ea n dm i c r o s t r u c t u r ec o u l db eo b t a i n e d 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 ，e l o n g a t i o na n d h a r d n e s si nt h ec e n 订a lp a r t 袱i r eu pt o 5 2 5 m p a 、317 m p a 、4 1 a n d2 0 0 h b w ，w h i c h w e r e2 3 ，10 ，3 3 a n d8 h i g h e rt h a n t h o s e o ft h es p e c i m e nw i t h o u tm i n o re l e m e n t s t h ei n t e r r n e t a l l i cw i t hh i g hm e l t i n gp o i n tw h l c h 1 s c o m p o s e db ys b ，c e ，a n dl ac o u l da c ta st h eh e t e r o g e n e o u s n u c l e io ft h eg r a p h l t e f 2 ) t h es p h e r o i d i z a t i o n r a t ea n dt h ep e a r l i t ec o n t e n ti nt h ec e n t r a lp a r to ft h es p e o m e n 血o s es i z ei s2 5 0 m m x 2 5 0 m m x 3 0 0 m mc o u l db ei n c r e a s e db ya d d i n gp r o p e rc o n t e n to c u i v 硕士学位论文 s ot h es t r e n g t ha n dh a r d n e s si nt h ec e n t r a lp a r tw o u l db ei m p r o v e d ，b u tt h ed u c t i l i t yw o u l db e r e d u c e d w h e nt h ec ua d d i t i o na m o u n tw a s0 5 0 w t t h em e c h n i c a lp r o p e r t i e so ft h e s p e c i m e nw e r et h eb e s t n l el i q u i d u st e m p e r a t u r e ( t l ) ，t h ee u t e c t i ct e m p e r a t u r es t a r t i n g ( 黝 a n de n d i n gt e m p e r a t u r e ( r s ) ，t h ea u s t e n i t i cc r y s t a l l i z a t i o nt e m p e r a t u r er a n g e ( t l - t e m i n ) a n d e u t e c t i cc o a g u l a t i o nt i m ew e r e11 7 0 2 ，1 11 0 3 ，9 6 a n d9 7 3m i n 11 6 6 2 b u tt h e s e w e r e11 6 4 9 ，1 0 9 7 4 ，9 8 a n d9 5 2 m i nw h e nt h es p e c i m e nw a sn o ta d d e dc u c u e l e m e n tc o u l dp r o m o t en o d u l a ri r o n g r a p h i t i z a t i o n ，r e d u c ei t sc h i l l i n gt e n d e n c y ，m a k e a u s t e n i t ed e n d r i t ep r e c i p i t a t ea h e a do ft i m e ，a n dr e d u c et h eb r a n c h i n go fa u s t e n i t ed e n d r i t e ( 3 ) w h e ns ic o n t e n tw a s2 1 w t ，t h es p e c i m e nw h o s es i z ei s2 5 0 m m x 2 5 0 m m x 3 0 0 m m c o u l dg e tg o o ds p h e r i c a lg r a p h i t ea n dh i g hp e a r l i t ec o n t e n t s ot h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f t h i ss p e c i m e nw e r eh i 曲 ( 4 ) a s f o r7 0 m m x 7 0 m m x18 0 m ms i z e s p e c i m e n 12 0 m m x 12 0 m m x18 0 m ms i z e s p e c i m e n ，l8 0 m m 18 0 m m 2 0 0 m ms i z es p e c i m e n a n d2 5 0 m r n x 2 5 0 m m x 3 0 0 m ms i z e s p e c i m e na d d e d 诵t h0 5 0 w t c ua n d0 5 0 w t s b ，t h ep e r f o r m a n c ei nt h ec e n t r mp a r tf i r s t i n c r e a s e d ，t h e nd e c r e a s e d a st h e s i z ei n c r e a s e d t h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f 1 2 0 m m x 1 2 0 m m xl8 0 m ms i z es p e c i m e nw e r et h eb e s t 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 ， e l o n g a t i o na n dh a r d n e s si n t h ec e n t r a lp a r tw e r eu pt o6 4 0 m p a , 3 7 1 m p a , 5 2 a n d2 2 5 h b w b e c a u s et h e7 0 m m 7 0 m m 18 0 m ms i z es p e c i m e ni ss m a l la n dc o o l i n gf a s t ，f o rt h i ss i z e s p e c i m e nc ua n ds ba d d i t i o na m o u n tw a st o oh i g h ，w h i c hc a u s e dt h em e c h a n i c a l p e r f o r m a n c es i g n i f i c a n t l yr e d u c e d ( 5 ) w h e nt h es a m p l es i z ew a s2 5 0 m m x 2 5 0 m m 3 0 0 m m ，t h ep e a r l i t el a y e rs p a c i n gi nt h e c e n t r a lp a r tw a sr e d u c e dt o0 3 - 0 6 p mb ya d d i n g0 5 0 w t c ua n d0 0 15 w t s b t h e p e a r l i t em o r p h o l o g yw a si r r e g u l a r t h e r ew e r ean u m b e ro ff r a c t u r e dp e a r l i t ea n dg l o b u l a r p e a r l i t e ( 6 ) t h em i c r o s t r u c t u r e sa n dp r o p e r t i e si np o s i t i o n4 0 m ma w a yf r o mt h ec e n t e ra n di nt h e c e n t e rp a r to f2 5 0 m m x 2 5 0 m m x 3 0 0 m ms i z e s p e c i m e na d d e dw i t h0 5 0 w t c ua n d 0 015 w t s bw e r eb e u e rt h a nt h o s ei np o s i t i o n7 2 m ma n d10 4 m ma w a yf r o mt h ec e n t e r t h e m i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e si np o s i t i o n4 0 m ma w a yf r o mt h ec e n t e rw a st h eb e s t n e t 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 ，e l o n g a t i o na n dh a r d n e s sw e r eu pt o5 2 9 m p a ，319 m p a , 4 3 a n d2 0 2 h b w 1 1 1 ec h a r a c t e r i s t i c so fh e a v ys e c t i o nn o d u l a ri r o nm a k em ga n dr a r ee a r t h e l e m e n t ss e g r e g a t ei np o s i t i o n7 2 m ma n d10 4 m ma w a yf r o mt h ec e n t e rw h i c hc a u s e dt h e m e c h a n i c a lp e r f o r m a n c es i g n i f i c a n t l yr e d u c e di nt h i sa r e a k e yw o r d s ：h e a v ys e c t i o nn o d u l a ri r o n ；p e a r l i t e ；a l l o ye l e m e n t s ；t h i c k n e s s ；c h u n k y g r a p h i t e v 铸态厚大断面珠光体球墨铸铁组织与性能研究 图1 1 图1 2 图1 3 图1 4 图1 5 图1 6 图1 7 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1o 图3 1 1 图3 1 2 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 插图索引 球墨铸铁世界年产量变化1 石墨核心组成示意图3 球状石墨的螺旋长大模式3 冲入法球化种类5 喂丝球化处理法示意图5 宁波日月重工股份有限公司生产的注塑机模板( 重6 0 吨) 7 厚大断面球墨铸铁中的碎块状石墨8 铸型工艺图16 堤坝式球化法处理1 7 实验试样制备流程图一1 7 试样解剖和取样方式一1 7 拉伸试样的规格及尺寸1 9 添加不同s b 量试样的宏观断面2 3 添加不同s b 量尺寸为2 5 0 m m x 2 5 0 m m 3 0 0 m m 试样的心部金相组织2 5 s b 加入量对尺寸为2 5 0 m m x 2 5 0 m m 3 0 0 m m 试样心部力学性能的影响2 7 尺寸为2 5 0 m m 2 5 0 m m 3 0 0 m m 试样的心部拉伸断口( 不添加s b ) 一2 8 尺寸为2 5 0 m m x 2 5 0 m m 3 0 0 m m 试样的心部拉伸断口( 0 0 15 w t s b ) 2 8 石墨核心e d x 结果3 l 添加不同c u 量尺寸为2 5 0 m m 2 5 0 m m x 3 0 0 m m 试样的心部金相组织3 3 c u 加入量对尺寸为2 5 0 m m 2 5 0 m m 3 0 0 m m 试样心部力学性能的影响3 5 尺寸为2 5 0 m m 2 5 0 m m 3 0 0 m m 试样的心部拉伸断口( 未添加c u ) 3 5 尺寸为2 5 0 m m 2 5 0 m m 3 0 0 m m 试样的心部拉伸断口( o 7 5 w t c u ) 3 6 微分热分析法原理图3 8 尺寸为2 5 0 m m x 2 5 0 m m x 3 0 0 m m 试样心部的热分析曲线3 9 尺寸为2 5 0 m m x 2 5 0 m m 3 0 0 m m 试样取样及编号示意图一4 2 不同s i 含量尺寸为2 5 0 m m 2 5 0 m m 3 0 0 m m 试样心部金相组织4 3 s i 含量对尺寸为2 5 0 m m x 2 5 0 m m x 3 0 0 m m 试样心部力学性能的影响一4 5 不同壁厚试样的心部金相组织4 7 壁厚对试样心部力学性能的影响4 8 不同尺寸试样的心部凝固特性曲线5 0 不同尺寸试样的心部热分析曲线5 1 硕士学位论文 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 l 尺寸为2 5 0 m m x 2 5 0 m m 3 0 0 m m 试样的心部珠光体形态一5 2 珠光体等温转变曲线5 3 尺寸为2 5 0 m m x 2 5 0 m m 3 0 0 m m 试样不同位置的微观组织5 6 尺寸为2 5 0 m m x 2 5 0 m m x 3 0 0 m m 宏观断面( 未添加s b ) 5 8 v i l 铸态厚大断面珠光体球墨铸铁组织与性能研究 表1 1 表2 1 表2 2 表2 3 表2 4 表2 5 表2 6 表2 7 表2 8 表2 9 表3 1 表3 2 表3 3 表3 4 表3 5 表3 6 表3 7 表3 8 表4 1 表4 2 表4 3 表4 4 表4 5 表4 6 表4 7 表4 8 附表索引 各种基体组织球墨铸铁的抗拉强度和硬度【2 1 0 q 1 0 生铁的化学成分( w t ) 1 5 4 5 号废钢的化学成分( w t ) 一1 5 7 5 f e s i 的化学成分( w t ) 一1 5 d t - 1 球化剂的化学成分( w t ) 一1 5 b s 1 长效孕育剂和梯形孕育块的化学成分( w t ) 1 5 球化级别评定1 8 石墨大小分级( 1 0 0 倍) 1 8 珠光体数量分级( 1 0 0 倍) 1 8 实验所需仪器2 0 实验球铁的主要化学成分( w t 1 2 2 试样成分及合金元素的加入量( w t ) 2 2 试样的化学分析结果( w t ) 一2 2 添加不同s b 量尺寸为2 5 0 m m x 2 5 0 m m x 3 0 0 m m 试样的金相检验结果2 4 c e ，l a 与s b 生成化合物的相关资料 4 9 】3 1 添加不同c u 量尺寸2 5 0 m m x 2 5 0 m m 3 0 0 m m 试样的金相检验3 2 添加不同c u 量尺寸为2 5 0 m m 2 5 0 m m x 3 0 0 m m 试样的心部凝固特征点3 8 添加不同c u 量尺寸为2 5 0 m m x 2 5 0m m x 3 0 0 m m 试样的心部石墨形态3 9 实验球铁的主要化学成分及合金加入量( w t ) 4 l 实验成分及s i 含量的变化( w t 1 一4 2 实验试样的化学分析结果( w t 1 4 2 不同s i 含量的尺寸为2 5 0 m m 2 5 0 m m 3 0 0 m m 试样的金相检验结果4 4 不同尺寸试样的心部金相检验结果4 6 不同尺寸试样的共晶起始时间和凝固时间5 0 尺寸为2 5 0 m m 2 5 0 m mx3 0 0 m m 试样不同位置处的金相检验5 5 尺寸为2 5 0 m m x 2 5 0 m m 3 0 0 m m 试样不同位置处组织的力学性能5 5 v i i i 硕士学位论文 1 1 球墨铸铁概述 第1 章绪论 1 1 1 球墨铸铁的发展 现代球墨铸铁是在铁水加入一定量的球化剂和孕育剂，并采用适当的球化孕 育处理技术，使碳以球状石墨的方式形核长大，最终在铸件中得到球状石墨的铸 铁。在2 0 世纪4 0 年代，英国和美国科学家相继通过在铁液中添加铈和镁制得含 球状石墨的铸铁件，标志了现代球墨铸铁的诞生【l 】。这种新型材料具有较高的强韧 性和较低的生产成本，诞生后便取得了快速发展及广泛应用，进入了“以铁代钢” 的时代。球墨铸铁现已应用于矿山机械设备、冶金机械设备、管道输送、石油化 工、核工业、机械制造及风力发电等行业，被称为2 0 世纪材料科学的重大进展之 一。 球墨铸铁诞生1 0 年后便以一种新型的工业金属材料投入了工业生产，并得到 了迅猛的发展和广泛的应用。图1 1 为球墨铸铁世界年产量的变化，可发现球墨铸 铁的发展速度是相当惊人的。1 9 4 9 年全世界球墨铸铁的产量是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 9 0 年是9 1 5 万吨，2 0 0 0 年是1 3 1 0 万吨【2 i ，2 0 0 8 年是2 3 8 4 万吨，占黑色铸件产量的3 0 3 1 。值得指出的是，进入2 0 世纪8 0 年代， 全世界铸件的总产量呈下降趋势，而球墨铸铁的产量却在稳步增长。当前，球墨 铸铁年产量占铸铁年产量的比值继续增大，预计球墨铸铁今后还将以每年2 4 的速率递增，最终将超过灰铸铁的年产量【2 1 。 冒 k 删 碰 年份 图1 1球墨铸铁世界年产量变化 铸态厚大断面珠光体球墨铸铁组织与性能研究 球墨铸铁的迅速发展不仅体现在生产和应用方面，也体现在对球墨铸铁基础 理论和生产工艺的深入研究。自球墨铸铁诞生以来，国内外科研工作者对球墨铸 铁进行了大量研究，主要围绕石墨球化理论、合金化、球化处理、孕育处理、热 处理等方面。近年来，厚大断面球墨铸铁、等温淬火球墨铸铁( a d i ) 、贝氏体球 墨铸铁、奥氏体球墨铸铁等新型的球墨铸铁成为研究热点。 我国是球墨铸铁发展较早也是发展较快的国家。早在1 9 4 8 年清华大学王遵明 教授就开展了球墨铸铁的研究，并于1 9 5 0 年通过采用铜镁合金冲入法成功研制出 了现代球墨铸铁，同时开展镍镁、铝镁、锌镁和铅铜做球化剂的试验工作【4 j 。在2 0 世纪6 0 年代初，由于原材料和技术方面的原因，我国球墨铸铁发展一度陷入了困 境。为此我国的科技人员进行了大量试验研究，于1 9 6 4 年创造了适应我国国情的 稀土镁球墨铸铁，较好地解决当时球墨铸铁生产的质量问题，使我国的球墨铸铁 生产再次快速发展1 5 j 。在这几年，我国还对a d i 的基础冶金学、铸造、热处理工艺、 动静态力学性能及其影响因素、使用性能及应用范围等做了大量工作，并取得一 些成绩【6 】。在生产应用领域，我国球墨铸铁件发展飞速。1 9 8 0 年，我国球墨铸铁件 年产量仅为3 5 万吨，不足美国的1 6 。2 0 0 4 年我国球墨铸铁的年产量己超过5 0 0 万吨， 位居世界第一，2 0 0 8 年为8 2 0 万吨，占全世界球墨铸铁总产量的3 4 1 7 岗j 。 诞生6 0 年以来，球墨铸铁在生产，应用和研究方面都取得了迅猛的发展，我 国在球墨铸铁领域方面处于世界的较高水平，为世界球墨铸铁的发展做出了巨大 贡献。 1 1 2 球墨铸铁的石墨球化理论 球墨铸铁的显著特点是石墨呈球状分布于铸铁的基体中，其对基体的割裂作 用最小，因此球墨铸铁的抗拉强度、屈服强度、疲劳强度和伸长率等机械性能要 远远高于灰铸铁。自球墨铸铁诞生以来，国内外对石墨结构、石墨球化机理和球 化元素的作用等理论问题展开了大量研究，提出了许多解释球化现象的学说，但 是到目前为止，球状石墨的形成机理还没有统一的认识。 最近几十年，得益于液淬法、深腐蚀、扫描电镜等先进分析手段的迅速发展， 人们对石墨结构有了较清晰的认识。球状石墨结构有以下特点p j ：1 、外形近似球 型，内部呈放射状，有明显的偏振光效应；2 、石墨球在异质核心上形核，晶核具 有双层结构，心部为内核，外围为外核；3 、内核是钙和镁的氧硫化物，外核为镁、 硅、钛、铝的氧化物；4 、石墨主要是碳，同时含有大量的铁；5 、石墨呈贝壳状 结构，规律分布着镁、硅、钙和铁等元素。图1 2 为石墨核一i h , 的双层结构示意图 7 10 目前被人们所接受的球化论和模型主要有i lo j ：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、过冷学理论、界面能理论等。每种理论都有一 定的合理性，但并不能解释所有的球化现象。 硕士学位论文 图1 2 石墨核心组成示意图1 7 1 其中界面能理论较为完善，获得了较多认同。该理论认为铁液中石墨晶体为 六方晶，c 原子会优先扩散于石墨晶体中界面能低的晶面，石墨生长的最终形态取 决于石墨棱面和基面的界面能；当棱面的界面能高于基面的界面能，石墨将以螺 旋位错的方式长成球状石墨，如图1 3 所示；当基面的界面能高于棱面的界面能， 石墨则沿棱面生长，最终长成片状石墨；棱面和基面的界面能变化主要是受到氧、 硫以及镁和稀土等球化元素的影响【】。 图1 3 球状石墨的螺旋长大模式j 影响石墨球化的因素种类繁多，如奥氏体外壳，冷却速度，表面活性元素， 球化元素等，各种因素对石墨球化的影响最终可归纳为热力学因素和动力学因素。 在石墨形核早期，初生石墨呈球状，热力学因素对石墨形态的影响起决定性作用； 随着石墨长大，热力学因素对石墨球化的影响减弱，而动力学因素的影响增强； 当石墨长大到一定程度时，石墨球化将取决于动力学因素，初生石墨周围铁液中 球化元素和表面活性元素的分布及扩散速度，直接决定初晶球状石墨能否维持球 状生长；合金元素、球化处理、孕育处理、铸件壁厚等各种因素对石墨生长过程 的影响，均是通过对石墨形核生长过程中热力学和动力学条件的综合作用，最终 对石墨的最终形态产生影响【12 1 。 1 1 3 球墨铸铁的孕育和球化处理 1 、孕育处理 孕育处理是在浇注阶段，将少量材料加入熔融金属，促使形成结晶核心以改 善金属组织和物理、力学性能的方法。在球墨铸铁中，孕育处理的本质是在铁液 铸态厚大断面珠光体球墨铸铁组织与性能研究 中创造出有利于石墨形核析出的热力学和动力学条件。目前孕育方式主要有：浇 包孕育、孕育丝孕育、型内孕育、瞬时包外孕育等i i 引。 ( 1 ) 浇包孕育浇包孕育是目前最有普遍的一种孕育方式，是在出铁时，将 适量的孕育剂撒入出铁槽中，以保证孕育剂和铁液混合充分，提高孕育效果的一 种方法。该方法操作简便，不需要复杂设备，孕育剂吸收率高，不足之处为孕育 剂加入量大，且必须在孕育处理完后1 5 2 0 m i n 完成浇注，否则易导致孕育衰退。 ( 2 ) 型内孕育型内孕育是将孕育剂置于浇注系统内，实现孕育作用的一种 孕育方式。型内孕育一般是将少量孕育剂放到直浇道底部，从而达到瞬时孕育的 效果，实现消除白口化，减少过冷，改善石墨球化、减小断面敏感度、增加铁液 共晶团数的目的 1 2 】。型内孕育的主要优点是孕育过程在铸型中进行，可充分利用 孕育剂的作用，因此所需孕育剂量较少，一般仅占铸型所需铁水重量的0 0 5 0 1 。 型内孕育还是存在着一些不足和缺点，如须严格控制孕育剂粒度，铁液浇注温度 及浇注速度；增加了铸件夹渣和夹砂的可能性。型内孕育适用于批量和流水线生 产，也可用于单件生产。 白球墨铸铁问世以来，球墨铸铁的孕育剂引起人们的广泛研究。经过多年的 不断研究改进，孕育剂已由单一发展到多样，由通用到专用。孕育剂的选择应根 据实际生产需要，与孕育方式和球化剂等相匹配。目前通过在孕育剂中加入一定 量锶、钡、铝、钙等元素制成的长效孕育剂得到了广泛的研究和应用【l5 , 1 6 1 。 2 、球化处理 球化处理是指铁水浇注前或浇注过程中以适当的方法把球化剂加入铁水的工 艺，目的是改变石墨的结晶特性，使其以球状析出，最终获得球墨铸铁的一种工 艺。在球墨铸铁中，石墨呈球状分布于铸铁的基体中，石墨球化效果对球墨铸铁 的性能具有显著的影响，所以球化处理在球墨铸铁的生产中扮演着至关重要的角 色。球化处理工艺主要包括：球化处理方法和球化剂。 随着球墨铸铁的发展，国内外已研制出多种球化处理方法，目前最为常见的 球化处理方法主要有冲入法、盖包法、压力加镁法、转包法( g f 法) 、型内球 化法、喂丝法等【1 。”。球化处理方法必须根据实际生产情况和需求进行选择。 ( 1 ) 冲入法冲入法又称三明治法，是迄今为止国内外应用最广泛的球化处 理工艺。根据处理包种类，可分为堤坝式，凹坑式和平底式，如图1 4 所示。 冲入法处理时，首先将球化合金放入包底，上面覆盖硅铁合金及草木灰等覆 盖剂，再将铁液冲入另一侧。一般先加入铁液总量的2 3 或3 4 ，待反应基本结束后， 再补加余量铁液，同时可进行随流孕育，待稳定后进行扒渣。冲入法的优点是设 备简单，操作简便，可实现稳定生产，缺点为镁的吸收率偏低，仅为2 5 3 0 ； 爆镁时易产生大量闪光和烟尘，恶化劳动条件。 硕士学位论文 ( a ) 堤坝式 ( b ) 凹坑式( c ) 平底式 图1 4 冲入法球化种类 ( 2 ) 喂丝法喂丝法是一种利用自动化喂丝装置，将镁合金包芯线以一定的 速度，连续、均匀地插入到加盖的铁液处理包底部，在适宜的铁液温度及高度压 力下进行稳定、受控的球化处理工艺方法【18 1 。喂丝法在国外已得到广泛应用【1 9 , 2 0 ， 但由于国内技术不够成熟，未能广泛应用，其过程示意图见图1 5 。 茔 图1 5 喂丝球化处理法示意图【博l 喂丝法的优势在于 2 1 1 ：镁吸收率高，约为4 0 5 0 ；减少二次氧化渣量，由 此减少铸件缺陷、降低铸造废品率；减少球化过程中的镁光和烟雾，从而改善劳 动条件；易实现有线控制，可依据铁液的硫含量，确定芯线加入量，进而保证球 化效果稳定；即可应用于小批量铸件的生产，也可适应大量、流水线生产。 球化剂的种类繁多，当今工业生产领域主要采用的是以下四大类：稀土系球 化剂、镁系球化剂、钙系球化剂和稀土镁系球化剂。 稀土镁系球化剂诞生于2 0 世纪6 0 年代，是当前被广泛研究和应用的球化剂。 稀土镁系球化剂能够很好适应我国生产条件，在原铁液干扰元素较多的情况下能 制造出优质球墨铸铁件，因而在我国得到很快的发展及普及。稀土镁球墨铸铁的 铸造性能好，铸造缺陷少，力学性能高，生