（材料加工工程专业论文）一种新型实用低碳当量球墨铸铁的研制.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 本文在实验和生产条件下对球墨铸铁的增碳处理工艺和k n a - r e 复合变质 处理工艺进行了研究，分析了它们对球墨铸铁微观组织和性能的影响机理，确定 了最佳的增碳处理工艺和变质处理方法，并通过增碳处理和k n a - r e 复合变质 处理相结合的方法，成功开发出了一种新型的实用低碳当量球墨铸铁 在球墨铸铁的生产中，使用增碳卉时对铁液进行增碳处理，可以提高铁液的形 核状态，降低铁液的过冷度，从而有利于石墨的形核，增加石墨球的数量，并且 采用废钢加生铁通过增碳处理生产球铁，既能节省大量优质生铁，降低成本，又 能提高铸件性能但是，迄今国内外对球铁增碳工艺的研究报道较少在实际增 碳过程中，增碳效果较差，且不易控制因此，研究如何优化增碳处理工艺，稳 定增碳效果，从而进一步提高球铁的性能具有非常重要的现实意义 实验结果表明，增碳处理降低了铁液的过冷度，在铁液中造成了大量弥散分 布的非均质结晶核心，同时，由于生铁用量少，其遗传作用大为削弱。影响增碳 处理工艺的因素有增碳剂粒度、增碳温度、铁液搅拌时间和铁液的化学成分。增 碳处理改善了石墨的大小、分布和形貌，使石墨细化且均匀分布，基体组织中珠 光体量明显增多且变细，珠光体片层间距减小。增碳处理提高了铸铁的强度，使 白口倾向减小，伸长率及宏观硬度有较大提高，断面敏感性降低。 k n a - r e 复合变质处理净化了铁液，在铁液中产生异质核心，并使原来不活 化的晶核得以长大，结果使铁液中总的晶核数量增多，从而增加石墨球的数量， 并使得石墨球细化、圆整且分布均匀。k n a 变质剂具有突出的促进稀土对铁水 的脱硫、脱氧作用，从而起到净化铁水及提高表面张力和界面张力的作用，这是 其提高球化率防止变态石墨的本质所在。当k n a - r e 复合变质剂的加入量为 1 o 时，球墨铸铁的微观组织和力学性能最好，石墨球和基体组织得到细化，珠 光体形成比例减少，球墨铸铁的强度、硬度和韧性都明显增加，白口倾向也得到 改善。进一步研究表明，k n a - 髓复合变质增加了铁素体的含量，细化晶粒组织， 使得晶问边界增加，阻碍p 以磷共晶形式析出和聚积，而减弱了p 的破坏作用， 可以在较低的碳( 3 0w - - 3 2 - - ) 和s i 含量( 2 4 - - - 2 6w b ) 的条件下， 使球墨铸铁中铁素体含量有所增加，从而使得冲击韧性及延伸率上升，综合力学 性能得到改善。 山东大学硕士学位论文 在用增碳法生产球墨铸铁的过程中，采用k n a - r e 复合变质处理可以促进增 碳处理的效果，进一步增加了石墨球的数量，细化并均匀了石墨球及基体组织 经过增碳处理和k n a r e 复合变质处理后，试样的强度、硬度和韧性得到进一步 提高，而白口倾向和断面敏感性减小。增碳处理和i “n a - r e 复合变质处理相结 合，使得球墨铸铁微观组织得到显著改善，综合力学性能得到大幅度提高，在铸 态下已经达到觚8 0 0 _ 6 水平。 关键词；球墨铸铁；增碳工艺；k n a - r e 复合变质；白口倾向；异质核心；磷共 晶 山东大学硕士学位论文 t h cr c e a r b u r i t l ga g e n tf o ri n d u c t i o nf i l m a m e l t i n gw a si n t r o d u e e d li tw a l l o x p l a i n o dt l b a t t l a cs u s p e n d i n gt i t l e p a r t i c l e so fg r a p h i t ew i t s f a v o r a b l ef o rt h e f o r m a t i o no ft h ei m e l e io fg r a p h i t et h a tw o u l dr e d u c es u p c r e l i n ga n dc h i l l i n g t e n d e t l e yo ft h ee a s ti r o n t h ep i 越d c eo fu s i n gr q 础t u a t i o l ap r o c e s st op r o d u c e n o d u l a ri r o nw i t hs t e e ls c r a pe o t t l dn o to n l yo c o n o m i t , ol o t so f b i 曲霉a d ep i gi 咀，b u t a l s ot h ec ：k 哑| cc o s tc o u l db er e d u c e de f f e c t i v e l y h o w c v o r , t h e r ew c i cn o tc l a o 曲 r c l x ，r t s0 1 1t h er e e a r b u r i n gp r o c e s s ，t h e 托c 锄卫靠i 缸c f l e e t 硼b a da n dn o ti i t l l l ) i l c a s am m l t , t h er e s e a r e l ao nt h er e e a r b u r a t i o na n di t ss t a b i l i t yw a l lv e r yi m p o r t a n to n t h e o r ya n da p p l i c a t i o n u n d e rt l a cc o n d i t i o n so fl a b o r a t o r ya n dp r o d u c t i o n , t h ee f l e e to fr e e n r b t t r a l i o n p r o c e s sa n dt l a ek n a - r ec o m p o u n dm o d i f i c a t i o no nt h es l l u c t u r e sa n dp r o l 刎c so f d u c t i l ee a s ti r o nw a l li n v e s t i g a t e d , a n dt h eo p t i m t m ao l 圮 r a l i n gs c h e m eo f r e e a r b u r a l i o n a n dm o d i f i c a t i o nw a f ts e l e c t e d b yc o m b i n i n gt h er 矗z a r b t t r a t i o np r o c a l sw i t hk n a - r o m o d i f i c a t i o n , an e wt y p eo fi n - a e t i e a ll o wc a r b o nd u e t i l oe a s ti r o nw a l lu f u l l y d o v e l o l 坂1 t h er 髓u l ts h o w e dt h a tt l a cr e e a r b u r a f i o np r o c e 8 8p r o d u c 斌l o t so fd i 印c 墙c d l y d i s t r i b u t e dn u c l e u st h a tw o u l dt h es u p e r c o o l i n go f t l a cm e l t t l a ch e r e d i t ye f f e c to f t h o p i gi r o nw a sg r e a t l yr e d u c e d f a c t o r si n f l u e l a c et h er e e a r b u r a t i o nw e g r 粗u l a r i t yo f r e e a r b u r i n ga g e n t s ，r e e a r b t t r i n gt c m p c l a t u r c , s t i r r i n gt i m ea n de l a c m i e a lc o m p o s i t i o n r e e a r b u r a t i o nl z i m e n tr e d u c e ds i z e ，d i s t r i b u t i o na n dm o 印h o l o g yo f g r a p h i t e , f i n e d t h eg r a p l a i t c ，m a d ei tt od i s t r i b u t om o r eu n i f o r m l y i tc o u l di l l c l - e l l l 犯t h ep e a r l i t c m o u n t o b v i o u s l y ，s h o r t t h ei n t e r v a lo ff l a k e s ，i n c r e a s et m s i l c 曲旧g l ha n dm a c r o h l l r d n 翻s ，i n c r e a s e dt h ee l o n g a t i o nt oq u i t eh i g hl e v e l ，r e d u c ee l a i l l i n gt o n d e n e y ，a n d i l l l p l o v l ：8 c c t i o ns a a s i t i v i t yo b v i o u s l y t h ek q a - p 1 ec o m p o u n dm o d i f i c a t i o np u r i f i e dt h ei r o nl i q u i da n dg r a i n b o u n d a r y , p r o d u e x dh e t e 】删t yc o r cf o rt h eg r a p l a i t on u c l e a t i o na n d 瑚d cg r o w no f t h eu n - a e t i v a t e dn t t c l c u s i tc o u l d1 1 1 c 1 e a 舱t h em e l tq u a l i t ya n dn u c l e a t i o ns t a t e r e m a r k a b l y k n a - r eh 勰a l le x c e l l e n t e f l e e to fc a l c i u m0 1 1 d e o x i d i z a t i o n , m 山东大学硕士学位论文 d e s u l p h u r i z a t i o na n dp u r i f i c a t i o no f t h el i q u i ds t e e l 勰w e l la 8c h a n g eo f t h em c l u s i o n s h a p c w i t ht h ei n c r e a s eo fk n a - r ea d d i t i o n , t h eg r a i ns i 鹋i sr e d u c e d a n dt h e d u c t i l ec a s ti r o nh a st h eb e s tm o r p h o l o g ya n dm e c h a n i c a l 珥o p 咀t yw i t h1 o w t m o d i f i e r f u r t h e rm a l y s i ss h o w st h a t , t h ek n a - r ec o m p o u n dm o d i f i c a t i o ni n o r e s s e 8 t h em o u n to ff e r r i t e ，r e d u c e st h eg r a i ns i z e i tw e a k e n e dt h eh a r m f u le f f e c to fp b y p r e v e n t i n gp r e c i p i t a t i o no f i r o np h o s p h i d ee u t e c f i c c o n s e q u e n t l y , t h ei m p a c td u c t l i t y a n de l o n g a t i o no ft h ed u c t i l ec a s ti r o n 喇懈g r e a t l yi n c r e a s e du n d e ral o wc o n t e n to f c ( 3 0w b - 3 2w ) a n ds i ( 2 4w b 2 6w b ) t h ee f f e c to ft h ex n ar em o d i f i c a t o ra d d e di n t on o d u t a rc a s th o nt h a tw a s p r o d u c e db yt h er e c a r b u r a t i o np r o c e s sw a si n v e s t i g a t c c lt h er e s u l t si n d i c a t et h a t k n a - r eh a s 缸e x c e l l e n te f f e c to nt h er e c a r b u r m i o np r o c e s s a sar e s u l t , t h en o d u l e m o u n th a sa i lo b v i o u si n o r 嘲oa n dt h en o d u l e sb f o a n l cf i n ea n dh o m o g e n e o u s t h e c o o p e r a t i o no ft w ot r e a t m e n t si m p r o v e dt h ec o m p r e h e n s i v em e c h a n i c a lp r d p 硎髓 o f t h ed u c t i l ec a s ti r o n ( s u c h 勰t h es u e n g t h , h a r d n e s sa n dw u g h n e 鹤) ，a n dh a sa h e a d y r e a c h e dt h eq t 8 0 0 - 6l e v e li na s - c a s tc o n d i t i o n k e yw o r d s ：d u c t i l ec a s t 缸蜘l ：r e c a r b u r a f i o np r o c e s s ；k n a - r ec o m p o u n dm o d i f i c a l i o n ； h e t e r o g e n e o u sn u c l e i ；c h i l l i n gt e n d e n c y ；, i r o np h o s p h i d ee u t e c t i c i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：呈丝叻 日 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东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、缩印或其他复制手 段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：赴垒略师签名：论文作者签名：2 纪堡里务师签名： 日期：幽 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 球墨铸铁的诞生及发展 钢铁的应用使人类文明进入了铁器时代球墨铸铁的诞生，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大的技术创新，是2 0 世纪材料科 学最重大的技术进展之一我国古代工匠早在2 0 0 0 年前就已制造出具有球状石 墨的铸铁，分析表明上述铸铁件不含镁或稀土元素，是采用高纯木炭生铁熔剂， 在金属型中浇注，经热处理后制成但由于这种工艺难于大量生产，因而这种古 代球铁的独特技艺没有流传至今。现代球墨铸铁采用向铁液中添加球化剂的方法 使其在铸态下析出球状石墨，使得球墨铸铁真正登上了工业应用的舞台。 球墨铸铁的五十多年的技术进步，使它在1 9 9 8 年做为工程材料被广泛地用 在汽车，农业，能源和其他的工业上最近进行的抗高温度铸件，等温淬火和热 机械处理的应用“1 也为这种材料开辟了新的途径尽管在汽车上的应用有重量的 限制，可以预见在下一个十年中啪，球铁的应用会有一个绝对的增长指标。此外， 借助于先进的工程技术方法，比如：计算机辅助设计软件( o d ) 再加上计算 机充型和凝固模拟应用程序，铸造工艺控制技术的改良( 自动化浇铸和孕育处理 方法，热分析) ；可靠的不破坏检查技术，如涡流，x 射线，超声波等球铁的 优势可以使它应用在更为复杂和苛刻的场合，比如薄壁铸件球铁家族独特的成 本，安全性，机械性能的结合使这些材料向着下一世纪迈进。 1 1 1 国外发展概况 铸铁出现已经有大约5 0 0 0 年的历史了，但是大规模的生产应用还是近代的事 情咖1 8 6 0 年以前铸铁的抗拉强度只有6 0 - 1 0 0 m p a , 1 8 8 3 年，开始研究在铸铁熔 化时加入废钢，以提高强度。第一次世界大战期间，依靠冶金学的知识，铸铁的 抗拉强度提高到了1 2 0 - 1 4 0 b d p a ，后来通过系统研究在铸铁熔化期废钢加入量占 4 0 - 8 0 和采用熔化过热的方法，从而使铸铁强度大幅度提高，但是当铸铁抗拉 强度超过2 0 0 m p a 以上时，进一步增加废钢量，反而使力学性能恶化，为此在1 9 2 2 年，美国人丸f m e e h a n 发明了孕育铸铁，极大地促进了铸铁的发展 早在1 9 3 5 年间，德国阿汉铸造研究所就已知道在低碳高硅的铸铁中，如何 获得球状石墨的方法田。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出了 山东大学硕士学位论文 球状石墨的金相照片。这幅照片是c a d e y 从事高碳铁一碳合金的研究时得到的， 为此c a d c 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，石墨呈全部或部分球状 析出” 随后，m o r r o g h 和w i l l i a m s 啪研究了f e - c - c o 合金的石墨化过程，他们认为， 其结晶过程与f e c - s i 很相似，在提高冷却速度，特别是在加入s i - c a 合金以后， 石墨呈球状。为了得到球状石墨必须满足以下条件： 1 、铸铁成分应该是过共晶的，即c + i 3 ( s i + p ) 4 3 ； 2 、硅的质量分数在2 3 7 之间； 3 、含硫量应尽可能的低，经孕育处理后，硫的质量分数小于0 0 2 ； 4 、r a n 、c u 、n i 、c r 、m o 等元素可以以任何含量单独或联合加入，但要 满足其成分是过共晶的 在致力于石墨片细化的研究中，取得决定性成果的是m e c h a n 在其所获得的 专利指出嘲，为了使处理后的铸铁达到所要求的性能，必须加入一定量的活性元 素。m e e h a n i t e 公司于1 9 4 1 年取得美国专利仁n 0 1 2 3 删2 2 指出，采用硅一钙合 金作为石墨化元素处理铁液后，再采用碲元素作反石墨化元素，就可以得到球状 石墨。此外e p i w o w a r s k y 曾建议在灰铸铁中加入c u 、b a 、l i 、m g 等元素，以 提高过共晶铁碳合金的强度。此时由于这些元素的作用，降低了合金的熔点，也 就是相对提高了过热度，因而可以得到细小石墨。 现代球墨铸铁是由美国国际镍公司0 n c o ) 青年科研人员麦里斯a 艮d m i l l s ) 于1 9 4 3 年4 月1 2 日研制成功的，他熔化了几组镍硬铸铁，典型成分( ) ：3 3 5c ， 0 5 0s i ，0 5 0m n ，4 5n i ，1 5c r 分别添加z r 、c e 、b i 、c u + p b ，还有两组 加t e 和c o ，有一组添加0 5 y 锄l g ，浇注成激冷试块，其中加镁的试块不但达到 了预期效果促进形成碳化物，而且意外地发现了加镁的镍硬铸铁比加铬的标准 镍硬铸铁明显提高了韧性。麦里斯一年后又作了加镁然后添加硅铁孕育的试验， 浇注试块制成拉伸试样与金相试样，发现组织中析出完整的球状石墨，力学性能 十分优异。这次实验标志着球墨铸铁的正式研制成功。经过5 年深入系统的实验 后，i n c o 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 了加镁球墨铸铁专利。但是直到1 9 4 9 年1 月2 5 日英国铸铁研究所的莫勒( h e n t o n 2 山东大学硕士学位论文 m o r r o g h ) 在美国申请加铈球墨铸铁专利权后，美国专利局才对i n c o 公司的专利 进行实质性审查，并于1 9 4 9 年1 0 月2 5 日批准授予加镁球墨铸铁专利权，接着 于同年1 1 月1 5 日批准授予莫勒加铈球墨铸铁专利权i n c o 公司立即购买了后 一项专利与此同时，1 9 4 8 年5 月7 日，c 劬g n c b i n 嘲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 到球状石墨的论文他们采用n i 合金加入到铁液中，这在当时的技术上是重 大的突破，这种球化技术具有毋庸置疑的可靠性正是由于采用镁处理铁液，球 墨铸铁取得突破性进展，从1 9 4 8 年起，在全世界开始了球墨铸铁的工业生产 1 1 2 国内发展概况 考古发现，我国早在二千年前的汉代铸铁件中就出现了球状、球团状石墨。 河南巩县铁生沟汉代河南郡铁官三号铁作坊出土的铁镢，其石墨呈圆整的球状， 偏光观察石墨断面有明显的辐射纹，进一步热腐蚀试验表明，这类石墨具有典型 的球状石墨年轮组织，几乎与用近代工艺手段生产的球墨铸铁无异，石墨等级可 达现行稀土镁金相标准的1 2 级嗍m 佛山球墨铸铁研究所、自然科学史研究所 和河南省博物馆在他们联合普查河南出土古代铸铁时，共发现有六件含有球状、 球团状石墨铸铁件，生产年代从西汉到北魏，从而说明这类具有球状、球团状石 墨的铸铁并非偶然出现嘲 。 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i n c o 的镍镁球化剂，而是采用铜镁合金冲入法研制成功球铁王遵明教授于1 9 4 9 年 春便在清华大学的实验室里用a - - 和七三铜镁合金研究成功球墨铸铁，并进行了 镍镁、铝镁、锌镁和铅铜做球化剂的试验工作嗍中国科学院冶金陶瓷研究所( 原 工学实验馆) 周任、吴学蔺、李林等于1 9 5 0 年4 月开始进行球墨铸铁研究的准备 工作，同年5 月动手研究，于8 月1 8 日熔制铜镁合金成功，到1 0 月9 日试制出 球墨铸铁。到1 9 5 1 年4 月共试制了5 4 次，掌握了能用铜镁、镍镁、硅铁镁三种 球化剂制造球墨铸铁，并能控制球墨铸铁的基体组织。1 9 5 2 年，更多的单位开 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 山东大学硕士学位论文 入法一直到1 9 5 7 年左右，这种方法耗镁量高( 一般占铁水量的0 骗1 o ) ，同 时球化不够稳定，劳动条件差1 9 5 7 1 9 5 8 年间，铸铁研究室( 1 9 5 7 年由清华大 学与一机部机械院等有关单位组成的合作研究机构) 、大连造船厂、天津拖拉机 厂、上海区球铁曲轴研究小组( 由上海交大等单位组成) 等单位先后试验成功压力 加镁和灭容加镁的方法，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 以陈熙深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“”。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”，并在国家科委的支持下，他们分别在球化理论、石墨形貌、球墨铸铁基体 性能等方面进行了深入的研究1 9 7 7 年5 月，一机部在沙市召开了第三次全国 球铁会议，交流了随流孕育、摇包脱硫、快速测定球化率等九项球铁新技术，以 后又召开多届年会，交流球铁新成果。 进入8 0 年代以来，我国球铁产量逐年大幅度增长，生产厂遍及全国各省市 区；研究成功等温淬火球铁及多种特种球铁，球铁牌号增至十多个品种，并相继 制订了“稀土镁球铁金相”、。球墨铸铁件”、“球铁用生铁”、“稀土硅铁镁 合金”等技术标准；研究开发了适应球铁大量流水生产的先进工艺，如摇包、气 动脱硫；型内、型上球化；多种瞬时孕育；音频、超声、热分析等多种球化率快 速检测方法等。以汽车零件为代表的大量流水生产逐步达到国际水平，离心铸管 产量也逐年增长，使我国逐步迈进球铁生产大国的行列 在球化理论方面，哈工大、中科院物理所、华中工学院、镇江农机学院等单 位分别采用液淬，热分析、扫描电镜观察、电子探针等先进手段进行试验，并系 统地提出了自己的观点：球状石墨是从液相中直接析出长大的；在液态就可能发 生石墨畸变；石墨生成的结构机理是以螺旋位错方式长大；石墨畸变的原因是氧、 硫等表面活性原子堵塞螺旋位错台阶而阻碍了石墨的球状生长；镁、稀土等球化 元素的作用在于其脱氧、脱硫的“清扫剂”作用等等。这些观点丰富了原有的球 化理论，并对原铁水质量控制、合理选择球化剂、加强孕育、防止球化不良和衰 退产生等生产实际问题都有非常重要的指导意义 在石墨形貌方面，清华大学采用扫描电镜等手段，用深腐蚀和热腐蚀方法， 研究了各种铸铁的石墨形貌和内部结构，建立了一套铸铁石墨形貌的扫描电镜图 山东大学硕士学位论文 谱，并据此提出了“铸铁石墨分类，命名”的文件，深化了对铸铁石墨形貌的认 识 在球铁基本性能方面，郑州机械所、北京钢铁学院、北京市机电院等单位系 统测定了各种不同基体、不同牌号稀土镁球铁的动静态力学、使用、加工等性能， 为合理选用球铁材质制造服役条件恶劣零件( 如齿轮等) 提供了科学数据 1 1 3 低碳球墨铸铁研究概况 因为只有含碳量足够高时才能够保证石墨的顺利析出，所以自从2 0 世纪4 0 年代球墨铸铁诞生之后，有关球墨铸铁的研究主要集中在共晶或过共晶成分。尽 管这些成分的球墨铸铁仍然有很大的开发潜力，但是在其它成分范围下获得的球 墨铸铁也可能有特殊的性能和独特的应用前景，也可能会对铸铁研究和生产产生 较深远的影响。低碳铸铁的产生可能就是这一设想的尝试和实践的成果 a 瓦c h a k r a b m i 和j m y o u n g n l 儿埘等人研究了含碳量为1 6 1 冁，含硅 量1 9 2 2 9 6 成分的材料，把它称为低碳灰铁，其中石墨既有球状也有片状，并 且在一定的条件下球化率和球化级别都很高，实际上这种铸铁与我国的球墨可锻 铸铁的成分与处理工艺十分相近这种材料在铸态下的延伸率能达到4 傩，抗 拉强度能达到8 3 0 肝a ，经铁素体化后分别能达到9 5 和5 2 0 m p a 日本学者曾研究过含碳量2 1 2 8 含硅量1 9 2 2 成分的铸铁，在铸 态下获得白口组织与部分石墨球，经过两阶段石墨化退火得到球墨铸铁，并把它 叫做低碳球墨铸铁n * s b s i n g h , akc h a k 珀b a r t i , a b a s a k 研究了含碳量为1 5 1 6 1 6 ，含硅量 0 成分的材料，用硅钙或硅钙加稀土进行变质处理后，得到球状十蠕虫状石墨， 珠光体基体组织把它称为低碳球墨铸铁n “ 1 1 b h a s a l e ，ai c c h a k r a b a r t i 和a b a s a k 研究了含碳量为1 7 1 蹦，含硅 量o 9 成分的材料，用硅钙、硅铁或硅钙加稀土进行变质处理后，得到球状+ 蠕 虫状石墨，珠光体基体组织n 目。 r 阢w o r l dc e n t r ef o rm a 珏m i a i s 阳心婚 a 烈0 10 g y 网站提 供了含碳为2 0 4 秭含硅1 3 ，其基体组织为珠光体、铁素体、或珠光体加 铁素体组织，但其石墨形状为片状 5 山东大学硕士学位论文 湖南大学的李建明、刘克昌等人从2 0 世纪8 0 年代就开始了低碳贝氏体球墨 铸铁的研究“”此种低碳球墨铸铁的含碳量为2 2 3 傩，抗拉强度为7 0 0 1 2 5 0 m p a ，延伸率为2 1 2 ，硬度h b s3 7 4 7 0 8 。在低、中，高的应力磨损条件 下，该低碳贝氏体球墨铸铁的耐磨性优于中锰球墨铸铁、高碳钢与中锰奥氏体耐 磨钢。 但是，却未见到该低碳球墨铸铁应用研究的相关报道。湖南大学的另一位学 者萧志刚先生等人研究的所谓的点状石墨铸铁，亦可列为低碳球墨铸铁之列日 该铸铁的成分范围为：c 2 4 - 3 5 s i l 4 2 2 , m n 0 5 1 2 p 嘲中已经有过报导，已经 证明他们存在。s k a l a n d 等人已经回顾和评论了许多关于描述石墨球这些不同成 核作用的理论口1 1 典型的例子有碳化硅理论，类盐理论和硫化物氧化物理论 同一些作者乜1 1 最近发现的一个例子也说明了孕育剂的衰退行为在工作中，他们 分析了球铁的石墨球和基体中发现的大量夹杂物 ， 山东大学硕士学位论文 表1 t 夹杂物中检测到的可以作为石墨核心的各种相和化合物 t a b l e1 - 1c o m b i n a t i o n s a n d p h a s e s i n i n c l u s i o n ss e r v i n g 柚m k l e if o rg r a p h i t en o d u l e si ni n c l u s i o n s q 在球的中央识别出了两种类型的晶核第一类是由复合晶核组成的，有一个 硫化物的核心( m g s 或c a s ) ，外面覆盖一层硅酸镁( ) 蛐o s i 0 2 ) 第二种 是一个单独的硅酸镁相m g o s i q ) 用含有硅铁的c a a 1 孕育之后，两种类型 的夹杂物都作为了x o s i 0 2 或x o a l 2 0 ，2 s 1 0 2 类型的六角形的硅酸盐相( 在这 里x 表示c a ，s r 或b a ) 沉淀的晶核这些晶体的基位面是有利于使墨成核的 位置，因为这些小平面允许在晶核和石墨之间形成连续或半连续的低能界面。这 种衰落现象可以用夹杂物随时间的长大来进行解释。最适宜的夹杂物直径在 0 a 2 p a n 的范围内下降，在颗粒度为1 1l a n 的时候有一个峰值。在共晶凝固过 程中，增加过冷度会增加成核数，和预期的球数共晶转变的温度范围同样也 会因冷却速度的增加而增大嘲 在奥氏体的固态转变过程中，不太可能形成石墨沉淀所需要的新的晶核反 应中，随金属的温度和化学成分的不同，奥氏体可能转变为铁素体+ 石墨或者铁 索体+ 珠光体+ 石墨。同样可以看到f e 3 c 分解为石墨和铁索体嘲在慢的冷却条件 下，因为石墨周围贫碳区的出现，铁素体经常在奥氏体一石墨的界面上形核；c 在奥氏体中的溶解度随温度的下降而降低。在这个阶段，因为奥氏体中存在很高 的碳含量，铁素体奥氏体界面成为珠光体的首选成核区域。如果珠光体促进元 素使得转变温度下降或减少了铁素体形成率，珠光体就可能在y y 晶粒边界或 石墨一y 界面上形核。 一一嗡一一哦毗毗一 郴陋懿雠璐邺眺一一一 a 山东大学硕士学位论文 1 2 3 生长 在同样的冷速下，石墨和奥氏体的生长速率并不是相同的，因为它们存在不 同的生长机理奥氏体是一个非小面相，它的生长，在许多参考书目中都有详细 的说明口棚，是由液一固界面的热流和扩散速率控制的。图1 - 5 说明了奥氏体，石 墨片和石墨晶粒间生长速率的不同石墨颗粒的生长速率随晶体的生长方向和熔 体中的杂质水平而变化( 图1 _ 5 a 竹或删) 石墨的生长是由这样一种速率控 制的，在这个速率下，不同固一液界面结构能够在石墨晶体结构的底面或者棱面 上合为一体。底面 是首选的生长方向，因为它与熔体之问存在较低的界面 能。在这个方向上的生长产生球状的石墨。尽管如此，如果表面活性元素比如氧， 硫铅或者碲存在于熔体中，它们很容易被高能底面( 棱面 ) 所吸附，这个 底面的能级也就因此而降低到了 面以下。混杂的生长条件导致了石墨颗粒 具有不同的形状( 珊瑚状，紧凑状，分解状，短粗状) m c s w a i n m j 黉经建立 了许多的模型( 超过1 0 个) 来说明石墨的生长机理但是，其中没有一个能够充 分的与实验数据相一致 假如石墨球和奥氏体各自的生长速率永远不等效( 见图1 - 5 ) 的话，这样在球 铁中没有连接区域，就会生成离异共晶奥氏体。这个连接区域定义了这样一个凝 固条件( 化学成分范围，过冷) ，在这个条件下，共晶的生长速率要比任意一个 独立的组分快呻哪在灰铁中，这个连结区域也是存在的，因为它的石墨的生长 轴是 ( 或者 1 0 1 0 方向) ，这样的生长速率与奥氏体在特定条件嘲下的生长 速率相当。 山东大学硕士学位论文 - l 一f 晷譬嗍 图1 - 5 生长速率曲线 h g 1 - 5o r o w t hr a t e sc 删 超过一定的过冷度( 图1 - 6 ) 后，渗碳体的生长速率就变得比石墨的生长素 率高，并且支配着亚共晶和或共晶的形成因为渗碳体的生长速率可以与y ， f e 2 c 中一个等效，并且奥氏体形成一个常规共晶且同时生长。 o 1 一 l 夸- a - | o 憎瞻托一 图1 _ 6 石墨和渗碳体的生长速率与固一液界面温度的关系 f i g1 - 6s o l i d - f i q u i di n t e r f a c et e n g , e r a t m ea 5af l m c t i o n o f g r o w t hr a t ef o rg r o w t ho f c e m e m i t ee u t e c 址a n df a k og r a p h i t ee u t e c t i c 山东大学硕士学位论文 在这种情况下，微观结构由成对共晶生长决定因此，如果在过共晶铁中存 在太大的过冷度，就生成块状沉淀碳化物就代替石墨( 图1 i 的实线部分) 。并 且共晶反应就是州嘞c 的同时生长 类似于共晶反映，共析转变也受过冷度的影响。当相对于碳的扩散速率来说， 过冷度较低的话，奥氏体转变为铁素体和石墨，碳原子通过铁素体外壳扩散到石 墨颗粒当中去在三元f e c s i 系中，铁素体和石墨在7 5 0 和7 2 2 之间从 母相生长如果当介稳共析温度到达( m 7 2 2 ) 时，共析转变还没有完成，珠 光体与铁素体相竞争地成长嘲在工业铸件生产时，因为冷却时间有限，v 转变 到石墨，珠光体层在振动清箱之前因为合金元素的效应允许结晶关于其它的铁 合金，珠光体的片层间距是一个冷却率的函数：冷却率愈高，薄片之间的间距也 愈小 1 2 4 球铁的生产 一个球墨铸铁生产的概要流程如目81 - 7 所示伽球铁铸件的制造第一步就是 是装料量的谨慎选择。钢屑，回炉料，或其它的材料中可能含有合金( 举例来说 钢的如) 或残留( 举例来说渗碳剂的s ) 元素，这些元素就可能促使亚稳共晶 凝固，阻止球状石墨的结晶，或者引起所不希望得到的铸造组织的产生j e n k i n s m o 详细地讨论了生产铁素体球铁铸件时应该选择的装炉料的性状特征。 图1 - 7 球铁生产流程示意图 f i gi - 7s c h e m a t i cf l o w s h e e to f d u c t i l ei r o np r o d l l c d o n 山东大学硕士学位论文 他强调了对高纯度钢屑和对于低m n 、p 、s 的高纯度铁( 举例来说 s 0 跹i 埘e t i ，) 的需要，以在必需的限度里面控制铸件的成分。如t r u d e l 等人所说 嘲，当需要严格控制铁素体基体和避免产生晶件间碳化物的时候，必须有很多的 高纯铁准确知道装炉料的成分对于其他等级也是适用的举例来说，食铜量 的微小差别将会影响所形成的珠光体的数量和增加铸件的机械性能的变异性跚1 克思等人嘲介绍了属于小心选择球铁熔炼设备的一系列的独特特征。这些 是：低的s ( o 0 2 绚和s i ( 1 1 5 ) 含量，高的c 富集( 3 6 4 ) ，高的出铁温度 ( 1 4 5 0 - 1 5 7 0 ) ，剩余元素的低富集以及操作的连贯性高质量球铁铸件的生产 是以化学成分，出铁温度，保温时间等的严格控制为基础的冲天炉和感应熔炼 炉通常符合上述的需求，尽管他们不能完全替代其他的熔化设备。 球状石墨是通过一种特殊的处理获得的，在处理中在熔体中加入球化元素。 l l g 是这些元素中最常用的影响镁回收率的因素是很多的；例如，m g 可以减少 二氧化硅炉衬，高硫的铁需要更多的m g 存在尽管需要一个最低的硫含量以用 于石墨形核叫，剩余的硫必须与m g 反映以保证球化对于个体铸造厂的处理方 法的选择( 在其他地方有详细的说明) 包含许多有- h e n n i n g = j 列出的因素并且必 须以铸造场当前的环境为基础。 孕育处理是生产球铁铸件所必需的步骤。正如h e n d e r s o n 所阐述，一个未 经过孕育的球铁将会全是碳化物，而另一方面，完全孕育的球铁可能会由于孕育 效应的衰退而表现出石墨结构的恶化( 图1 8 ) 孕育的其他一些好处包含高的结 构一致性和晶间偏析嘲的减少大多数的孕育剂是包含a l ，c a ，b a ，m n ，乃的 f e _ s i 合金这些元素是用来增加合金的溶解度和潜能的石墨在灰铁中是有效 的孕育剂，但在球铁中却不是渊；不过，当在l l g 处理时加入，或先于它加入时， 将会出现球数量的增加嗍。 山东大学硕士学位论文 图1 8 孕育处理对球铁微观组织的影响 f i g1 - 8e f f e c to f i n o c u l a t i o n o nd i l c t i l e 虹面锄嗨岫i c i m 髓( 2 5 0 x ) 有三种球化金属的方法可以单独或者联合使用p 6 l ：在钢包中( 先于或同时 于m g 处理) ，在浇注过程中的液流中，以及在型中处理。由于存在导致低球数 量和共晶碳化物的衰退现象，所以孕育处理越晚，铸件的质量越高正如图1 9 所示，在液流中加入0 1 3 的f e s i 7 5 来球化镁一处理铁的效果要比在钢包中加入 0 6 7 所产生的效果更为显著，晚的型内孕育对于良好铸件组织的获得是有帮助 的。然而，铸件的均匀性：可能会受到影响，因为未溶解的颗粒可能会导致缺陷 比如块状石墨的产生咖孕育过程的选择与球化步骤具有同等的重要性；孕育参 数的严格控制，比如 山东大学硕士学位论文 ( a )c o ) 圈l - 9 浇包孕育( 8 ) 和随流孕育( b ) 对2 m 断面球铁微观组织的影响，铁硅镁合金处 理，铸造硅铁孕育；5 0 0 。蛾苦味酸的酒精溶液腐蚀 f 堙1 - 9 e f f e c t o f l a d l ea n d 酬8 t f e a n t i n o c u l a d o n u p o n t h e s t r u c t m - e o f 2 m m c t l o l m o f i r o n s t r e a t e d w i t h 缸n 啊i l i 伽心曲川芦档i 眦a n d i n o c u l a t e d w i t h f o u n d r y g r a d e f e n d l i c o u ；x s 0 0 ，4 p i 啪1e t c h e d 化学组成，加入量，颗粒尺寸以及温度必须执行以获得完整性和一致性生产高 质量的球铁还包含其他许多需要严格控制的步骤。比如，必须限制球化处理前的 保温温度和时间以获得高的形核势，以及必须保持液态金属高的冶金学质量因子 u s 。浇注温度作为铸件尺寸的一个函数的必须最优以获得无收缩铸件p 研。 1 2 5 热力学分析技术在球铁中的应用 在制造液态金属过程中的不同阶段采用热力学分析( 例如，分析冷却曲线 ( c c ) 数据) 已经在工业上得到了广泛的应用。它允许我们在进程中控制金属的 质量，并且在一定程度上，以及在制造过程中区别和防止铸件缺陷。下面讨论了 这项技术的好处和不足 关于c c s 的典型温度许多作者都已经描述