（材料加工工程专业论文）铬、锰对高碳灰铸铁组织性能影响的研究.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 本课题通过对高碳灰铸铁的化学成分 生产工艺 力学性能和金相组织进行了研究 实验确定了高碳灰铸铁的最佳化学成分和生产工艺 为了提高高碳灰铸铁的力学性能 在 实验中分别加入c r m n 合金元素 对所得的高碳灰铸铁试样进行了化学成分检测 力学 性能测试 金相组织观察和断口形貌的分析 从而找出提高高碳灰铸铁力学性能的途径和 方法 通过实验研究发现 在化学成分方面 含c 量为3 7 含m n 量为o 8 含c r 量为 o 2 的高碳灰铸铁整体的力学性能最好 金相组织最理想 生产工艺方面 c r m n 合金元素采用炉前合金化的方式加入 大大减少元素烧损 减少实验误差 增加实验数据的可靠性 力学性能方面 随着m n 元素的加入 抗拉强度先增加后又小幅度下降 硬度为先下 降后上升 通过对四种不同含碳量试样的比较得出 当含c 量3 7 含m n 量o 8 时 力 学性能最好 抗拉强度为1 8 2 m p a 硬度值为1 8 5 h b s 随着含c r 量的增加 抗拉强度呈 波状变化 先增加后又下降接着又小幅度升高最后急剧下降 硬度一直增加 当c r 含量 在0 2 时 试样的力学性能最好 抗拉强度为1 9 5 m p a 硬度值为2 0 7 h b s 金相组织方面 c r m n 合金元素都有阻碍石墨化的作用 当m n 元素含量为0 6 时 石墨化比较严重 石墨又细又长 当0 8 时 石墨又细又短小 石墨数量比较少 当m n 含量为0 9 1 o 时 金相组织由a 型石墨和d 型石墨组成 并且伴随着自由渗碳体的析 出 随着c r 元素的加入 石墨组织发生变化 当含c r 量超过0 4 时 金相图片中开始 出现d 型石墨 并随着c r 含量的增加d 型石墨的数量越来越多 当c r 含量大于o 5 时 开始析出自由渗碳体 含c r 量为o 8 时自由渗碳体的数量最多 对高碳灰铸铁断口形貌分析得出 未加入合金元素时 断面呈结晶状 有许多强烈反 光的小刻面 基体组织中有许多尖角 属于穿晶断裂 当m n 含量为o 8 时 断口组织相 对变得比较均匀 细小 基体组织中尖角相对较少 当m n 含量为0 8 c r 含量为o 2 时 断口组织最为均匀 细小 而基体组织中的锋利尖角基本上没有 这说明铬 锰合金 元素有优化基体组织 控制结晶时晶粒的大小 细化石墨的作用 从而大大降低了石墨对 基体的割裂作用 改善了高碳铸铁的力学性能 山东建筑大学硕士学位论文 研究结果表明 加入c r m n 合金元素 既保持了高碳灰铸铁良好的耐磨 减震性能 又能满足力学性能要求 降低生产成本 此类铸铁具有可观的经济效益和社会效益 具有 很高的实用价值和推广意义 关键词 高碳灰铸铁 铬 锰 抗拉强度 石墨 耐磨性 n 山东建筑大学硕士学位论文 r e s e a r c ho ft h ee f f e c ta b o u tc h r o m i u ma n d m a n g a n e s ec o n t e n to n s t r u c t u r ea n d p r o p e r t i e so fh i g hc a r b o ng r a yc a s tl r o n s u i lx i a o m i i l m a t e r i a lp r o c e s s i n ge n 西n e e r i n 曲 d i r e c t e db yl ic h a n 百o n g a bs t r a c t 1 1 1t h i sp a p w em a l et l l er e s e 锄c ht l l i 0 u g l l t l l et h e o r e t i c a la n a l y s i sa 1 1 de x p 鲥m e n t a l r e s e a r c h h i g hc a r b o nc a s ti r o no nt h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o no ft h ep r o d u c t i o np r o c e s s m e c h a n i c a lp r o p e n i e sa 1 1 dm i c r o s t m c t l 脱 a n dd e t e 肋i n e db yt h e p r o d u c t i o nh i 曲s 仃肌g t ha i l d h i 曲c a r b o ni r o nb e s tc h 锄i c a lc o m p o s i t i o n 锄dp r o d u c t i o np r o c e s s i i lo r d e rt oi m p r o v et h e m e c h 锄i c a lp r o p e n i e so fm 曲c 砷o n 舯yc a s t i r o n i nm i se x p 耐m e n t sw e r et oj o i ni i l m i 啪锄d m a l l g a n e s ea l l o ye l e i l l e l l t s o ft 1 1 eh 谫c 砷o n 伊a yc a s ti r o ns 锄p l ec h 锄训 t e s t i n gm e c h a l l i c a l t e s tm i c r o s 劬c t u r ea i l df t u r em o 叩h o l o g y 锄a l y s i sa st of i n do u tm e h i 曲 c a r b o ni m p r o v em e c h a i l i c a lp r o p e n i e so f 伊e yc a s ti r o nt h ew a y a 1 1 dm e t h o do ft h i sp r o j e c ti s t h em o s ti m p o r t a n t t 胁u g hm ee x p e f i m e n t t l l es t l l d yf o u n dt l l a tc h e i i l i c a lc o m p o s i t i o n c a r b o ni s3 7 m a n g a i l e s ei s0 8 c l l r 姗i 啪i so 2 o ft h el l i g hc a r b o ng r a yc a s ti r o no v e r a l lm e c h a n i c s p e r f o 册a i l c eo ft 1 1 eb e s t m em o s ti d e a lm e t a l l o 黟a p h i cs 臼m c t l l r c i np r o d u c t i o np r o c e s s t h ec h r o m i u ma n d m a i l g a n e s ea l l o ye l e i i l e i l t sb e 内r et l l e 胁1 a c eo f a l l o y e dw a yt oj o i ni 1 1 c 锄伊e a t l yr e d u c et h eb u n l i n go ft l l es m e l t i n g r e d u c et h ee n o r c a n a l s oi n c r e a s et l l er e l i a b i l i t yo ft h ee x p e r i m e n t a ld a t a mm e c h a i l i c a lp e r f 0 肌a n c e a sm em a i l g a i l e s ee l 锄e n t sj o i ni n 1 1 i g l l c a r b o n 伊a yc a s t i r o nt e l l s i l es 仃e n g t ha r e rt h e 行r s ti n c r e a s e s 锄df a l l e l ls l i g h t l y m eh a r d n e s si sa r e rt h ef i r s t d e c l i n e 锄dt h e i ir i s e w i t ht 量l ec o m p a r eo ft l l ef o u rd i 饿f e n tc a r b o nc o n t e l l to fh i 曲c a r b o n g r a yc a s ti r o ni sm a t 他e nt h ec a r b o nc 0 n t e l l t3 7 m ne l 锄e n t si nt h ec o n t e i l to fo 8 h i g i l c a r b o n 笋a yc a s ti r o ns 锄p l eo v e r a l lm e c h a l l i c sp c r f o n n a n c eo ft h eb e s t t e n s i l es 打e n g t hf o r 18 2m p a h a r d n e s sv a l u ef o r18 5h b s a st h ec re l 锄e n tt oj o i nw i m h i g hc a r b o ng r a yc a s t i r o nt e i l s i l es t r c n g t l la l l dw a v c h 锄g e a r e rf i r s t i n c r e 鹊e s i tf e l l 孤dt h e l ld r o p p e ds h 唧l y i n c 嗍e ds l i 曲t l yl 硒t h a r d n e s sc h a l l g e sh a v eb e e i ls h o w i n gu pf o rt l l e 慨do f t h ee l e m e n t h l 山东建筑大学硕士学位论文 一 一 c o n t e i l to f0 2 w h c nc r h i 曲c a r b o n 黟a yc a s t i r o ns 锄p l eo fm e c h 撕c a lp e r f o m 锄c e o v e r a nb e s t t e n s i l es t r e i l g t hf o r l9 5m p a h a r d n e s sv a l u et o r2 0 7h b s i nm e t a l l o 蓼a p h i co 唱a n i z a t i o n c h r o m i 啪m 锄g a n e s ea 1 1 0 ye l e m e n th a sr e f i n e d 野印h i t e m e 矗m c t i o no ft l l eo r g m i z a t i o n w h 朗m ne l e i l l e i l tc o n t c n tw 舔o 6 g r a p h i t i z a l i o nm o r e s 嘶o u s 黟a p h i t ea i l dt h i ng r o wa g a i n c o n t e n to fo 8 黟a p l l i t ea 1 1 d 血i nh a v es h o r t 铲印h i t e i sa l s or e l a t i v e l yl i t t l e h e l lm ne l 锄e n tc o n t e n ti so 9 1 0 m e t a l l o 黟a p h i co 唱a i l i z a t i o n m a i n l yb ym et y p ea 伊a p h i t ea n dd t y p e 舯p h i t ec o m p o s i t i o n a i l di s a s s o c i a t c dw i t h 行e e c 锄e n t i t en s w c re l 锄饥tt oj o i nw i t h 孕a p h i t eo r g a n i z a t i o nc h a n 百n g w h e i lc re l 锄咖s t o m o r et h a no 4 m e t a l l o 莎a p h i cp i c t l r eb e g 锄t 0a p p e a rd t y p e 黟a p h i t e a l l dw i t ht h ei n c r e a s e o f c re l e m e l l td t y p e 鲫h i t em g e i sm o r e 锄dm o r eb i g 啪e 1 1c re l 锄c n tc o n t c n tm a i lt h c o 5 i nt h em i c r o s t l l j c t u r co fs t a r te x h a l a t i o nf r e ec e m e n t i t e w i mc re l e m e n ta d dm o r ea i l d m o r ei nm ec o n t e i l to f o 8 丘d mc re l e n l e n t s t h e 矗a c t u r eo fh i 曲c a r b o ng r a yc a s ti r o nm o 叩h o l o g ya i l a l y s i s t l l ec o n c l u s i o no f a 1 1 0 y i n ge l e r i l 饥t sn o tt oj o i nm e 仔a i 咖r em o 啦o l o g y as e c t i o no fc r y s t a l l i i l e m 盯c a r em a i l y 舀a n c es 臼r o n 酉ys m a l lf a c e t s m a t r i xo 唱a n i z a t i o na r em a n ys h a 印e d g e s b e l o n gt ow e a rc r y s t a l f j m l t w h e l lj o i n0 8 o fm na l l o ye l 锄e n t s 纳c t u r er e l a t i v e l ym o r e e v e l ls m a l lo 略a i l i z a t i o n m a 臼叙o r g a i l i z a t i o np o i n t e di nr e l a t i v e l yf e w w h e nm na 1 1 0 ye l 锄e 1 1 t st 0c o n t ti s0 8 c r a 1 1 0 ye l e n l e l l t st oc o n t e i l ti so 2 m o s te v e i lt i n yf a c t i l r eo 培叭i z a t i o n a n dt h eo 玛a i l i z a t i o n w a sp o i n t e dm a tb a s i c a l l yn os h a r pc h r o m i 眦lm a n g a n e s ea l l o ye l e m e n th a so p t i m i z e db a s e s t m c t u r e c o n t r o lc 哕s t a l l i z a t i o ni nm e s i z eo ft 1 1 e 伊a i n r e 6 n i n gt h er o l eo f 伊印h i t e m u s 乒e a t l yr e d u c e st h e 伊a p h i t em a t r i xo f t h es 印a r a t e 缸1 c t i o n i m p r o v et h eh i 曲c a r b o nc a s ti r o n m e c h a n i c sp e r f o 锄a n c e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed l r o m i 啪m a i l g a l l e s ea l l o ye l e i n e n t si s1 1 0 to n l ym a i n t a i n sh i g h c 曲o n 黟a yc a s ti r o ne x c e l l e n th e a td 锄p i n gp 柏肌锄c e b u ta l s ot om 鳅t h er e q u i r 锄饥t s 五 mm e c h a l l i c a lp r o p e r t i e st or c d u c et h ep r o d u c t i o nc o s tp o i n to fv i e w t h i sk i n do fc 嬲ti r o n h a v ec o n s i d e r a b l ee c 0 n o m i cb e n e f i ta n ds o c i a lb e n e f i ta 1 1 dh a sh i g i l 舯砝i c a lv a l u ea i l d p o p u l a r i z e ds i 弘i f i c 锄c e k e yw o r d s h i 曲c a r b o ng r a yc 嬲ti m n c h r o m i u m m a i l g a i l e s e t e n s i l es t r e i l g f h 黟a p h i t e 砌t i o nr e s i s t a l l c e l v 山东建筑大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 选题的意义 灰铸铁作为金属材料历史悠久 具有良好的减震性以及耐热 耐磨 耐氧化 耐酸 碱 耐腐蚀等性能而被广泛应用 在历来的生产铸造中都占有重要地位 1 1 同时灰铸铁 与其他合金相比具有熔点低 充型能力强 加工性能好 价格低廉 生产过程简单等优 点 因此 灰铸铁在历来的铸件生产中占有的比重比较大 2 据有关数据显示 灰铸铁铸件占有世界总铸件比重的7 2 左右 3 1 但是 随着现在 科技与经济的进一步发展 狄铸铁作为传统的金属材料受到了严重的挑战 由于灰铸铁 的强度 韧性等力学性能相对较低 所以在近一段时间内受到有色金属 球墨铸铁 蠕 墨铸铁 焊接件 冲压件以及高分子材料等材料的挤压竞争 在现实生产中相比于以前 的需求量呈现下降的趋势 4 1 一为了解决灰铸铁力学性能低的缺点 长期以来人们对铸铁的凝固过程 变质处理以 及合金元素对灰铸铁组织和性能的影响已进行了大量 系统地研刭5 1 然而研究所用成 分的碳含量在3 6 左右或者以下 对于高碳条件下的研究较少 高碳灰铸铁一般是指碳 含量在3 6 以上的一类铸铁 此类铸铁具有良好的铸造性能和减磨性能 与此同时 高 碳灰铸铁件与普通灰铸铁件相比由于含碳量高 因此具有良好的导热性能和润滑作用 6 1 所以 随着世界经济的飞速发展 高碳灰铸铁在汽车上的应用范围越来越广 并且逐渐 受到重视 譬如汽车的制动毂和刹车盘等铸件的生产 采用的就是高碳灰铸铁 高碳铸 铁还可以被大量应用于各种缸体和缸盖以及各种薄壁工件上 并且随着铸造生产技术的 不断完善 高碳灰铸铁的应用将会越来越广泛 7 与此同时 由于含碳量增高的同时铸 铁的力学性能相对于含碳量在3 6 以下时整体下降 如强度低 脆性大等 所以如何使 铸铁碳含量提高到既能维持良好的铸造性能 又能达到灰铸铁的力学性能要求 是近十 多年来广大铸造工作者一直关注的问题 8 目前针对高碳灰铸铁的力学性能的研究越来越受到重视 成为广大科研工作个持续 关注的焦点 由于普通的高碳灰铸铁的力学性能相对于一般中碳灰铸铁与低碳灰铸铁的 力学性能整体下降 所以如何提高高碳狄铸铁的力学性能就成为该课题的关键所在 9 1 众所周知 材料的力学性能是由材料的组织所决定的 然而材料的组织又受到化学成分 以及生产工艺的影响及控制 1 0 1 在高碳灰铸铁中 组织以铸铁石墨以及金属基体组成 其力学性能由石墨跟金属基体共同作用 因此为了使铸铁含碳量高的同时其力学性能也 山东建筑大学硕士学位论文 很好 第一种方法 加入合金元素改变其力学性能 常用的合金元素有 m o c u n i c r m n 等 第二种方法 我们可以对高碳铸铁进行变质处理 改变其石墨形态 从 而提高其力学性能 l i 所以 本文主要研究铬 锰合金元素在高碳灰铸铁中的作用机理 从而找出提高高碳灰铸铁力学性能的途径和方法是本课题研究的关键 1 2 国内外研究现状 针对高碳高强度灰铸铁的研究 国外的研究起步较早 且多集中在美国 丹麦 德 国 法国 西班牙 日本等发达国家 1 2 这些国家不但针对高碳高强度灰铸铁制定了相 应的生产工艺 还制定了相应的标准来指导实际的生产和检测 国内针对高碳高强度灰 铸铁的研究起步晚于国外 但近几年来发展迅速 成为研究高强度灰铸铁的新热点 1 3 在高碳高强度灰铸铁铸件中 由于发动机的缸体 缸盖铸件以及刹车系统中的刹车 盘 刹车毂等铸件在工作运行中收到的热冲击跟热疲劳的作用比较大 因此铸件要有比 较高的力学性能和良好的抗热疲劳性能1 1 4 所以对铸件的基体组织的要求就会比较严 格 因此 国内外一直从事此项研究 并且不断改进缸体 缸盖及刹车盘 刹车毂的材 质以及性能 1 5 汽车的制动鼓和刹车盘也一直是使用的高碳铸铁 然而世界各国所采用铸铁材料的 成分也是各不相同 英 美等欧美国家主要用高c 低合会 v m o 铸铁为主要材料 1 6 1 而前苏联却采用c r n i m o 合金铸铁为主要生产材料 1 7 1 德国则是采用c u c r s n 合金铸铁为主要的生产材料 1 8 而我国的江淮公司自从2 0 0 2 年年底开始采用高c 狄铸 铁为主要材料生产刹车盘 制动毂 原先存在的制动毂亮斑 黑斑 网状裂纹等缺陷以 及制动异响的现象均有大幅度改善 制动毂的使用使用寿命也由原来不足3 万公里提高 到6 万公里以上 而其成本增加不足5 经济效益得到了明显的提科眇 所以江淮公 司的这些改善 促进了主要产品的档次提高 对于铸造厂来说 铸件档次的提高 不仅 增强了产品的市场竞争力 而且获得了更多的经济效益 在发达国家生产高强度灰铸铁件时 对于高碳当量 低合金化 强化孕育技术的运 用已经相当普及 然而我国家基本上是从8 0 年代初才开始初步研究与试制 2 0 1 在相同 的碳当量下国内所采用的牌号普遍比国外低1 2 个牌号 国内铸件本体质量与国外铸件 差距较大主要表现在 铸件断面性差 硬度只达到1 3 0 h b s 1 5 0 h b s 本体强度在1 5 0 m p a 以下 2 1 材质稳定性差 加工性能差 工艺出品率低 由于我国的熔炼技术以及孕育变 质技术等的落后 生产出铸件的强度通常都低于相同成分的国外铸件 即使能达到相同 山东建筑大学硕士学位论文 强度要求 其稳定性差 废品率高 因此铸件成本提高 从而导致一些特殊的铸件依赖 从国外进口 2 2 国外生产高碳当量高强度灰铸铁铸件的方法比较简单 高强度灰铸铁铸件的碳当量 一般都控制在3 9 4 1 抗拉强度大于2 5 0 m p a 铸件本体的硬度控制在 1 8 0 h b s 2 3 5 h b s 2 3 通常情况下都加入少量m n c r c u n i m o 等合金元素 通常 是采取常规变质处理 冲天炉 电炉双联熔炼的熔炼方式 2 4 j 国内在保持高碳的前提 下 提高灰铸铁的强度方面也做了大量的研究工作 主要重点集中在提高铁液的质量 添加合金元素和强化变质处理等方面 2 5 1 但是不同研究部门的方法及结果差距较大 且 对各种提高高碳狄铸铁强度方面的看法也不太相同 高强度高碳灰铸铁的发展迅速 但发展的同时也会产生许多急需解决的问题 比如 在实际生产中铸件合金成分的控制 铸件生产的稳定性等 同一工艺不同批次的产品 其强度 力学性能等会出现差异 2 6 另外研制开发的成本高 耗时长 只有一些拥有先 进设备和科研机构的大型铸造企业才可进行 而对于国内多数中小型企业来书 代价高 昂 根本无法掌握关键的核心技术 因而生产时具体的工艺成分等不尽相同 导致其生 产成本有高有低 没有形成固定统一的生产工艺 2 7 1 1 3 提高高碳灰铸铁强度的措施 提高高碳灰铸铁的强度必须从其生产工艺入手 必须通过合适的化学成分 高质量 的铁液 有效的孕育变质处理工艺以及合适的合金化来共同完成 2 8 1 不同的生产工艺会 对高碳灰铸铁的组织和性能产生很大的影响 2 9 1 1 3 1 化学成分的选择 选择合适的化学成分是保证高碳灰铸铁件具有优异的性能跟理想组织的前提条件 在高碳灰铸铁的生产中化学元素主要是由基本元素和合金元素组成 在化学成分的选择 上 主要遵循即有利于石墨的石墨化又要有利于优质基体组织的获得以及好的铸造性能 为原则 3 0 以下为主要的化学成分对高碳灰铸铁组织性能的影响 一 基本元素的影响 基本元素主要有碳 硅 锰 磷 硫等五种 1 碳的影响 3 山东建筑大学硕士学位论文 碳元素对铸铁的组织与性能起决定性的作用 碳在铸铁中是促进石墨化的元素 含 碳量增加会使石墨变得粗大 基体中珠光体数量减少 铁素体增加 因此含碳量在3 6 以下相对于3 6 以上时强度要高 所以高碳灰铸铁的强度往往很低 3 l 2 硅的影响 硅在铸铁中是强烈促进石墨化的元素 随着含硅量的增加铸铁的石墨化程度逐渐提 高 珠光体数量减少 而铁素体增加 相反则铸铁的石墨化程度减少 珠光体数量增多 铁素体减少 若含硅量过低 则可出现麻口或白口组织 3 2 碳和硅元素对于铸铁石墨化的进程都有促进作用 碳当量可以用来表述碳 硅元素 对灰铸铁金相组织和力学性能的影响 提高灰铸铁的碳当量可以导致石墨片粗大 石墨 数量增加 逐渐的强度和硬度下降 降低灰铸铁的碳当量可以减少石墨的数量 细化石 墨组织 从而使灰铸铁的力学性能得到提高 但是降低碳当量会导致铸件的内应力增大 铸造工艺性能大大降低 铸件白口倾向增大 硬度上升以及加工困难等问题 因此必须 辅以其他措施 3 3 1 有文献显示 在相同的碳当量情况下s i c 比提高 抗拉强度可以提高3 0 7 0 m p a 3 4 1 因为 碳当量相同的条件下 随着硅碳比的提高 铸铁组织中奥氏体枝晶数量会大大增 加 提高硅的比值会使组织中奥氏体枝晶在较高的温度即开始生成 并且大大延长了奥 氏体枝晶的生长时间 从而使初生奥氏体数量增加 最终使奥氏体枝晶得到强化 与此 同时提高硅的比值使得奥氏体共晶在结晶时 基体组织中石墨数量少 同时细化石墨 石墨形状比较圆滑尖端比较钝 石墨组织割裂基体组织的作用减弱 另外灰铸铁中会有 更多的s i 元素固溶于铁素体中使之强化 从而使灰铸铁的力学性能得到提高 3 5 1 另外 在s i c 值提高到一定值后 狄铸铁的力学性能开始下降 如图1 1 所示当c e 在3 6 3 8 时 s i c 在0 7 5 0 8 范围内 最大 当c e 在3 8 4 0 时 s 狄 在0 6 5 o 7 5 范围内吧最大 当c e 在4 o 4 2 时嘞无明显变化 故c e 高时 提高s i c 对强度不 会产生明显的影响 这时用提高s i c 来提高强度 效果不大 3 6 这是因为 首先 s i 是一个促进石墨化元素 并且能够分解铸铁中碳化铁 使之在基体组织中形成游离碳元 素 由于石墨化作用析出了大量的石墨片 石墨片割裂基体的作用显著 大大破坏了灰 铸铁基体组织的连续性 从而严重损害了铸件的抗拉强度 其次 s i 又可以对灰铸铁基 体组织中的铁素铁体起到固溶强化作用 从而提高铸铁的抗拉强度 3 7 这说明 s i 提高 基体组织的强度有一个临界点 在低于临界点时 珠光体的数量受到影响会大大增加数 量 进而提高铸铁强度 高于临界点时会导致基体组织中石墨粗大和珠光体数量下降 4 山东建筑大学硕士学位论文 强度降低等 因此 s i c 提高可以产生两种相反的影响 在高碳当量 3 9 4 2 下 s i c 值应在o 6 5 0 7 5 的范围时强度值较佳 3 引 图1 2 所示为s i c 对h b 的影响 由图可见 当c e 在3 6 3 8 范围内时 h b 随 s i c 增大而呈上升趋势 提高幅度不大 当c e 在4 o 4 2 范围内时 h b 随s i c 的增 大而呈下降趋势 下降幅度比较大 当c e 在3 8 4 o 范围内时 h b 基本上不随s i c 变化而变化 3 9 1 因此由图及分析可知 高碳灰铸铁不适合通过提高s i c 比值来获得高的 力学性能 2 8 0 0 一 自2 4 0 0 龟 一2 0 0 0 d 1 6 0 0 1 c e 3 6 3 8 2 c e 3 8 4 0 3 c e 4 0 4 2 图1 1s i c 对嘞的影响 宙 s l c 1 c e 3 6 3 8 2 c e 3 8 4 0 3 c e 4 o 4 2 图1 2s 肥对h b 的影响 3 硫的影响 硫在铸铁中是有害元素 硫在铸铁中能增强f e c 原子间的结合力 能强烈的阻碍石 墨化的 特别是当冷却速度较快 含硅量较低时 硫阻碍石墨化的作用就更显著 铸铁 山东建筑大学硕士学位论文 白口化的倾向也越大 硫在铸铁中还有恶化铸铁的铸造性能 如降低流动性 容易使铸 件产生裂纹等 因此硫在灰铸铁中一般应限制在0 1 2 以下 删 4 锰的影响 锰在铸铁中是作为有益金属加入的 因一般铸铁中都含有硫 因此锰的作用首先是 在抵消硫的有害作用上 4 l 锰和硫之间有比较大的亲和力 可发生如下反应 m n s m n s m n f e s m n s 十f e 硫化锰的熔点在1 6 l o 左右 高于一般冲天炉铁液的温度 所以铁液中多呈固体质 点存在 因其密度小能从铁液中浮出 或呈颗粒状夹杂物存留在铸铁中 故可大大减弱 硫的有害影响 4 2 1 硫化锰在铸铁中起石墨形核的基底作用 所以锰 硫元素在灰铸铁中相互制约相互 影响 因此存在一个合理的m n s 值 所以 要想生产出合格的高强度灰铸铁 应该综 合考虑锰元素与硫元素的含量 尽量发挥锰和硫对灰铸铁强度有利的一面的影响1 6 剐 5 磷的影响 磷元素能降低铸铁的共晶点含碳量 同时又降低共晶温度 故磷对石墨化的影响不大 一般稍微的促进一次结晶的石墨化m 磷共晶体本身脆而硬 二元磷共晶体的显微硬度为 4 0 0 h v 三元磷共晶体的显微硬度为6 0 0 h v 故铸铁的硬度随含磷量的增高而增高 而韧 性随含磷量的增高而降低 是铸铁变得又脆又硬 磷共晶体作为硬质点存在于铸铁中 可 明显的提高铸铁的耐磨性 当磷的质量分数不是很高时 o 0 5 以下 提高含磷量 强度 稍有增加 但磷量继续提高 则强度下降 4 2 二 合金元素的影响 生产高碳灰铸铁铸件时 基体组织的成分控制很重要 一般的方法是选择合适的碳 当量 通过孕育 变质等处理手段来控制高碳灰铸铁的基体组织 但是往这样一般不能 获得最终所需要的金相组织 强度和硬度达不到零件的要求 4 3 1 因此 这个时候就需要 加入适量的合金元素来获得理想的珠光体组织 与此同时获得细小的石墨组织 州 大量 生产实践证实 在生产高强度灰铸铁时必须加入合金元素 在工作生产中通常加入的合金元素是用来提高灰铸铁的强度的 其主要机理首先表 现在 细化石墨和共晶团 细化珠光体的片间距 增加基体组织中珠光体的含量 其次 提高渗碳体的热稳定性能 防止基体组织中的珠光体在高温下分解 4 5 1 图1 3 为灰铸铁 抗拉强度与合金元素之间的关系 6 山东建筑大学硕士学位论文 厶 鬟 g 元素加入羧 图l 一3 合金元素对灰铸铁抗拉强度的影响 加入合金元素的主要作用是提高灰铸铁的强度和硬度 由上图可知每种合金元素都 有其适量的加入范围 如果超出这个范围不仅起不到提高力学性能的效果反而还是经济 上的一种浪费 因此 在达到强度与硬度要求的前提下 考虑到经济方面的原因 这些 元素应尽量少加或者不加 国内外科技工作者多年来对铬 钼 钒 铜 锡等合金元素 对灰铸铁性能的影响开展了大量的科学研究工作 并取得了一些可以已成熟的应用于生 产实践中的丰硕成果m 1 1 铬的影响 c r 元素既能细化珠光体组织 又能促进珠光体形成 铸件中加入一定量的c r 元素 可以促使灰铸铁的强度得到提高 这是因为c r 元素可以使石墨形态得到改善 并且使基 体组织中铁素体的数量减少 珠光体的数量增多的缘故 但是c r 元素和c 元素具有很 强的亲和力 能够形成一种强碳化合物 加入c r 元素的肯定会促使铸件白口倾向的增加 而且当铁液中的c r 元素含量达到一定程度后 超过0 8 叭 时 基体组织中的游离碳 化物就会迅速增加 导致狄铸铁铸件的强度大大下降 4 7 1 此外 加入c r 元素同时也会 导致灰铸铁的共晶凝固温度降低 扩大铁液的凝固温度范围 大大增加了灰铸铁铸件的 缩松 缩孔的倾向 从而导致灰铸铁铸件的致密性大大下降 但是由于c r 的价格相对较 低 并能明显提高灰铸铁的强度 因而成为灰铸铁常用的合金元素 为了避免其负面影 响 铁液中应该加入合适含量的c r 元烈4 引 2 钼的影响 钼是一种容易形成碳化物的元素 但其碳化物的形成能力相对于铬来说比较温和 而且形成的复合碳化物在高温状态下极为稳定 因此 不论是单独或者与其它合金元素 一同加入灰铸铁中共同作用 对抗拉强度的提高都相当的有效 为了提高抗拉强度 可 7 山东建筑大学硕士学位论文 以根据所用铁水的质量和加入钼量 一般可以达到5 1 0 由于直接的固溶体作用强 化了基体同时改善了石墨的分布 增加了共晶团数所以铸件的强度得到了增加f 4 9 1 虽然 钼对灰铸铁的抗拉强度的提高的作用相当的明显 但由于其价格十分昂贵 所以只有在 必须的场合下使用 大量应用于生产中的可能性很小 3 铜的影响 铜对灰铸铁的强化效果好 又不增加铁水的白口倾向 所以铜是灰铸铁中最常用的 合金元素 虽然加入铜元素能提高灰铸铁的强度 但是其作用没有铬元素明显 所以在 工作生产中 铜常常和铬一起使用共同作用 铜是一种稳定珠光体的合金元素 因此 铜的加入可以增加和稳定基体中珠光体组织 同时 铜又是一种促进石墨化的元素 可 以有效的抵消铬元素增大白口的倾向 5 0 1 4 锡的影响 锡元素能够促进珠光体的形成 同时锡对稳定珠光体作用很强 从而提高灰铸铁的 强度 o 0 1 叭 的锡元素就能使铸铁基体组织中的铁素体减少到1 5 当锡含量增加到 o 0 6 叭 o 1 叭 时 珠光体就会基本上充斥在整个基体组织中 铁液中加入o 0 5 讯 的锡元素 灰铸铁的抗拉强度可以提高2 0 左右 5 i 锡元素同时还能够促进灰铸铁基体 组织中碳化物生成 在锡含量超过一定量时 一般在0 1 5 j l t 左右 由于碳化物明显 增多 造成基体组织脆性增大 铸件的强度大大下降 图1 4 为锡的加入量与灰铸铁抗拉强度之间的关系图 s n w i 图1 4 锡对灰铸铁抗拉强度的影响 山东建筑大学硕士学位论文 5 铌的影响 铌元素能够细化晶粒 提高铸件的耐磨性 提升基体的强度和硬度等 对灰铸铁有 很大的优化作用 资料表明 铌对灰铸铁的抗拉强度作用非常明显 可以使普通灰铸铁 的抗拉强度超过3 0 0 m p a 5 2 1 铌对灰铸铁抗拉强度的影响如下图1 5 所示 红 2 n 域 l i r t 图1 5 铌对灰铸铁抗拉强度的影响 n b l 帆 图1 5 铌对灰铸铁硬度的影响 由上图可以看出铌的含量在0 6 w t o 8 训 时 铸铁的硬度跟强度比较高 通过对上述各个化学元素进行分析研究可知 高碳灰铸铁受到各个合会元素的影响 非常大 即使少量的差别都可能会对其力学性能产生明显的影响 因此 在生产高碳灰 铸铁件时控制铁液的化学成分就显得尤其重要 只有这样才能保证高碳产品的力学性能 达到标准的要求 5 3 山东建筑大学硕士学位论文 1 3 2 孕育对灰铸铁力学性能的影响 孕育处理是提高铸件力学性能 使用性能等的重要途径 一直以来国内对高碳高强 度灰铸铁的孕育剂选择和孕育工艺都较为重视 孕育剂对灰铸铁的作用相当明显 它不 仅可以有效的控制石墨基体组织 获得细小的片状a 型石墨和珠光体基体 还可以促进 石墨化的进程 能够有效的防止薄壁处硬度过高和出现白口 同时改善铸件断面均匀性 和降低壁厚敏感性 提高铸件的力学性能 钏 总之 孕育剂可以促进基体组织的石墨化进程 控制石墨形态 消除过冷石墨 降 低铁液的白口倾向 降低铸件的断面敏感度 使基体组织中共晶团数和促进细片状珠光 体的形成大大增加 从而使铸铁强度性能得到改善 5 5 1 目前我国大量使用的孕育剂还是以7 5 s i f e 为主 含硅量在7 0 7 5 由于含硅较 高 在生产中铸件中的含硅量多用孕育剂的加入来调整和控制 5 6 由上述分析得出硅元 素对灰铸铁力学性能的影响有两面性 因此生产高碳灰铸铁铸件时 孕育剂的加入量应 以适宜为原则 在保证孕育效果的基础上 不宜过多加入 否则只会对铸件造成不利影 响 1 3 3 铁液对灰铸铁力学性能的影响 铸件材质力学性能的高低与铁液的质量是息息相关的 如何获得高质量的铁液 这 是多年来许多学者大量深入研究的课题 5 7 1 众所周知 提高铁液的出炉温度 可以获得高效优质的铁液 因为较高的出炉温度 有利于铁液中细化晶粒 析出石墨和细化石墨 得到细密基体组织 并且大大提高铁水 的流动性 从而提高了铸造性能 进而提高了铸件的力学性甜5 8 1 随着铁液温度的提高 灰铸铁的抗拉强度也随之提高 随着温度的提高其抗拉强度 的变化如图1 6 所示 5 9 1 图1 6 出铁温度与抗拉强度的关系 山东建筑大学硕士学位论文 铁液的出炉温度并非越高越好 出炉温度过高 容易在基体中形成e 型石墨 所以 铁液应保留一部分过饱和的氧 有利形成一些氧化物质点 从而加强孕育剂的孕育效果 进而获得细小的a 型石墨组织 所以说 铁液的出炉温度一般控制在1 5 0 0 1 5 5 0 为宜 6 0 o 为了获得高效优质的铁液与其熔炼工艺也是分不丌的 我们一般采用冲天炉与感应 电炉双联熔炼 因为冲天炉具有熔速快 出渣方便 能耗低的优点 所以一般采用冲天 炉熔炼作为初级熔炼 但是由于冲天炉的影响因素多 铁液质量不易控制 温度调控不 灵敏 所以往往用感应电炉对铁液进行进一步处理 感应电炉具有升温快 保温 纯净 铁水的能力 二者互补 冲天炉熔炼出合适的铁液 感应电炉进一步对铁液进行调质处 理 从而熔炼和得高效优质的铁液 6 l 1 4 课题研究的内容及目的 1 4 1 研究内容 一 本课题的研究内容主要是围绕高碳灰铸铁的性能展开的 尤其是高碳灰铸铁铸件的 硬度 耐磨 抗拉强度 研究了高碳灰铸铁的化学成分 生产工艺 基体组织 力学性 能间的相互联系和影响 结合生产实验制定出具体的生产工艺 寻找提高高碳灰铸铁力 学性能的有效措施 由于高碳灰铸铁性能的影响因素较多 本课题将分别从以下几个方 面入手 1 生产工艺对高碳灰铸铁性能的影响 主要研究熔炼工艺 孕育处理工艺等对高 碳灰铸铁性能的影响 2 化学成分对高碳灰铸铁性能的影响 主要研究铬 锰合金元素在高碳灰铸铁中 的作用 从而找出提高高碳灰铸铁力学性能的途径和方法 3 对高碳灰铸铁的合金设计方案进行论证 研究铬 锰合金元素的不同加入量对 高碳灰铸铁组织与性能的影响 1 4 2 研究目的 通过实践 研究不同c r m n 合会对高碳狄铸铁成分 组织和性能的影响 尤其是 对铸件耐磨性能的影响 分析合金元素对高碳狄铸铁的作用机理 在此基础上找出用合 金元素优化高碳灰铸铁组织和性能的方法 建立相应的工艺规范 为高碳灰铸铁的技术 发展提供相关的理论依据 山东建筑大学硕士学位论文 第2 章实验内容及方法 本章介绍本论文中使用的实验材料 设备和实验方法 以及实验过程中采用的分析 与表征手段 2 1 高碳灰铸铁的制备 2 1 1 高碳灰铸铁的化学成分的设计 本章对高碳灰铸铁铸铁化学成分设计如下表2 1 所示 表2 1 实验的化学成分范围 i 2 1 2 实验材料 本实验以常用的工业生产中原材料为实验材料 包括原生铁 废钢 硅铁 锰铁及 铬铁其主要成分见表2 2 表2 2 实验原料的化学成分 2 1 3 高碳灰铸铁的熔炼 本实验用的高碳灰铸铁原铁水成分和熔炼工艺为本课题组与烟台美丰机械铸造研究 所共同优化设计 本实验采用合成铸铁生产工艺 靠使用增碳剂来调整碳的含量 熔炼过程在实验室中进行 采用5 0 k g 中频无芯坩埚式感应电炉对铁液进行熔炼 选 用的坩埚为酸性硅砂坩埚 热电偶测温 铁水出炉温度控制在1 5 0 0 1 5 5 0 之间 出炉 时采用孕育方式加入合金元素 在1 3 5 0 一1 4 0 0 进行浇注 浇注抗拉试棒 线收缩试样 耐磨试样以及白口试片 每炉铁水浇注一个光谱测试试样进行成分分析 山东建筑大学硕士学位论文 2 1 4 合金元素的加入 合会元素的加入方式是采用炉前合金化的方式 即像随流孕育一样 随流加入方式 本实验总共设计两步进行试验 第一步 m n 元素的加入 共设计3 2 组进行试验对比 m n 合金元素采用炉前合金 化方式加入 m n 含量从0 4 1 0 变化进行对比试验 从而得出最优配比的m n 含量 第二步 在取得的最优配比的m n 含量的基础上 再设计1 6 组进行对比试验 c r 含量从o 1 0 4 变化进行对比试验 从而得出最优配比的c r 含量 2 2 实验方法 2 2 1 化学成分检测 实验采用的化学成分检测设备是德国生产的s p e c t r o m a x x 型直读光谱仪 光谱 波长的有效范围1 4 0 6 7 0 衄 具有多个元素通道 可快速的对铁液中的元素进行分析 6 2 1 在实际使用时 先用标准试样对设备进行校正 然后将预处理过的待测光谱试样放于测 试台上进行检测 一个试样分别测不同位置的三个点 取平均值为最终结果 若不能把 需要测得的元素测出时 需采用化学分析的方法 利用分光光度计进行测量 2 2 2 力学性能试样制备 根据g b 厂r 9 4 3 9 1 9 8 8 将痧3 0 1 1 1 m 的试样加工成标准拉伸试样 如图2 1 所示