第3章 球墨铸铁.doc

第三章 球墨铸铁第一节 球墨铸铁的结晶过程一 球墨铸铁冷却曲线特点为了讨论问题的方便，首先按图31说明球墨铸铁冷却曲线特征值的符号。TEN为共晶初生晶核及其有限生长的温度，TEU为大量共晶生长开始的温度，TER为回升引起的共晶最高温度，TS为固相线温度。图31 说明球墨铸铁冷却曲线特征值符号的示意图图32 球铁原铁水、镁处理的球铁和后孕育球铁冷却曲线的比较图32分别代表球铁原铁水、镁处理的球铁和后孕育球铁的冷却曲线。把球铁原铁水同镁处理的球铁冷却曲线进行对比，有如下差别：经镁处理的铸铁在出现TEN后，由于镁的存在，阻滞了共晶石墨继续长大，因此TEU比原铁水的更低。试验说明，当共晶回升温度（TERTEU）一定时，则球化率随共晶过冷（TENTEU）的增加而增高；其次随共晶过冷的增加，组织中的碳化物也增多。因此可以把共晶过冷或大量共晶生长开始温度TEU作为判断球墨铸铁有无碳化物和预报球化率的一个特征值。随着共晶转变的进一步发展，大量共晶生成，释放出大量结晶潜热，从而形成一个温度回升引起的最高共晶温度TER。试验表明，共晶回升温度（TERTEU）是判断球墨铸铁球化率的主要特征值。回升温度越大，球化级别越低。其次，回升温度还同石墨球数密切相关，过冷和回升温度增大，石墨球数增加。原铁水的回升温度虽然也不大，但是它的共晶转变最低温度却比处理后的球铁高得多，因而就能把球铁和片状石墨铸铁区别开来。由图32还可以看出，球铁的冷却曲线，其尾部的曲率比原铁水小，这个特征也是判断球化率的一个重要判据。曲线尾部曲率越大，则球化率越差。二、球状石墨的析出过去认为，球墨是从过饱和奥氏体壳里析出或由渗碳体高温分解析出。今年来，大量实验资料证明，球状石墨主要是从液态铸铁中析出的。判断石墨是从液态析出的最直接的方法是液淬法，即在不同的液态温度下将球铁水以极快的冷却速度进行激冷，固定铁水在某一温度时的组织，观察球墨的析出。试验结果发现：在用NiMg处理的铸铁中，球墨最先从液态析出，在共晶温度以上或共晶温度都能从液态铸铁中析出自由石墨球。三、共晶生长的特点球状石墨可以和奥氏体直接从熔体中析出。试验证实，无论在亚共晶或共晶成分的球墨铸铁中，首批小石墨球在远高于平衡共晶转变温度就已形成，这是不平衡条件所造成的，但随着温度的下降，有的小石墨球会重新解体，而有的则能长大成球，随着这一过程的进行，又会重新出现新的小石墨球，说明石墨球的成核可在一定的温度范围内进行。球状石墨的共晶过程在相当程度上是属于“变态”的共晶，一般称之为离异共晶，因为在整个共晶转变的相当长一段时间内，球状石墨和奥氏体两个相析出的格局是：石墨在先，奥氏体在后，两个相没有平滑的共同结晶前沿，而且在时间和场合上都是分离的。四、结晶对球铁缩孔和缩松的影响球墨铸铁形成缩孔及缩松的倾向都很大。这是和其凝固特性及共晶团的生长方式密切相关的。球墨铸铁以离异共晶的方式进行共晶转变。其凝固方式是内外几乎是同时进行的粥样凝固，因而容易形成显微缩松。由于呈粥样凝固，铸件在共晶转变期间要持续很长的时间，球墨铸铁的共晶凝固时间可比普通灰铸铁延长1倍还多。另外，球墨铸铁在共晶过程中，每个石墨球的奥氏体外壳之间相互接触，当石墨球长大时，导致共晶转变的石墨化膨胀力传递至铸型壁，型壁发生移动，增大了球墨铸铁产生缩孔或缩松的倾向。第二节 球墨铸铁的组织与性能特点球墨铸铁的正常组织是细小圆整的石墨球加金属基体，在铸态条件下，金属基体通常是铁素体与珠光体的混合组织，由于二次结晶条件的影响，铁素体通常位于石墨球的周围，形成“牛眼”组织，通过不同的热处理手段，可很方便地调整球铁的基体组织，以满足各种服役条件的要求。表31列出球墨铸铁的牌号及力学性能。表31 球墨铸铁的力学性能一 珠光体球墨铸铁珠光体球墨铸铁是以珠光体基体为主，余量为铁素体的球墨铸铁，一般可在铸态或采用正火处理获得。珠光体球铁的性能特点为强度和硬度较高，具有一定的韧性，而且具有比45号锻钢较优良的屈强比、低的缺口敏感性和好的耐磨性。二、铁素体球墨铸铁的性能及应用铁素体球墨铸铁指基体以铁素体为主，其余为珠光体的球墨铸铁，其性能特点为塑性和韧性较高，强度较低。三、混合基体型球墨铸铁的性能及应用这种铸铁由于有较好的强度和韧性的配合，多用于汽车、农业机械、冶金设备及柴油机中一些部件，通过铸态控制或热处理手段可调整和改善组织中珠光体和铁素体的相对数量及形态与分布，从而可在一定范围内改善和调整其强度和韧性的配合。四、奥氏体贝氏体球墨铸铁的性能及应用与普通基体的球墨铸铁相比，它具有强度、塑性和韧性都很高的综合力学性能，显著优于珠光体球墨铸铁，也优于传统的经调质处理的球墨铸铁。还具有比普通球墨铸铁高的冲击韧性及抗点蚀疲劳能力，尤其具有高的弯曲疲劳性能和良好的耐磨性。第三节 球墨铸铁的生产与控制技术球墨铸铁的生产过程包含以下几个环节：熔炼合格的铁液，球化处理，孕育处理，炉前检验，浇注铸件，清理及热处理，铸件质量检验。其中熔炼优质铁液和进行有效的球化孕育处理是生产的关键。一 化学成分的选定选择适当的化学成分是保证铸铁获得良好的组织状态和高性能的基本条件，化学成分的选择既要有利于石墨的球化和获得满意基体，以期获得所要求的性能，又要使铸铁有较好的铸造性能。化学成分的选定包括基本元素和合金元素的选定。1. 基本元素包括碳、硅、锰、磷、硫等。确定球墨铸铁的碳硅含量时，主要从保证铸造性能考虑，为此将碳当量选择在共晶成分左右。硅能减小结晶过冷和形成白口的倾向，另外硅还能细化石墨，提高石墨球的圆整度。但硅又降低铸铁的韧性，因此在选择碳硅含量时，应按照高碳低硅的原则。在球铁中，由于锰有严重的正偏析倾向，往往富集于共晶团晶界处，严重时会促进形成晶间碳化物，因而显著降低球墨铸铁的韧性。磷在球墨铸铁中有严重的偏析倾向，易在晶界处形成磷共晶，严重降低球铁的韧性，还增大球铁的缩松倾向。硫会消耗球化剂，造成球化不稳定，而且还使夹杂物数量增多，导致铸件产生缺陷，此外还会使球化衰退速度加快，故在球化处理前应对原铁液的含硫量加以控制。2. 合金元素在球墨铸铁中应用的合金元素主要有钼、铜、镍、铬等。工厂往往加入钼元素提高铸铁的强度，其用量一般为0.20.5%左右。铜具有稳定珠光体的作用。镍常作为强化元素使用，还可用于生产奥氏体球墨铸铁。铬用于珠光体球墨铸铁，可起到显著的稳定珠光体及强化力学性能的作用。二、球化元素与球化剂1. 球化元素 加入铁液中能使石墨在结晶生长时长成球状的元素称为球化元素。虽然具有使石墨球化作用的元素有多种，但在生产条件下，实用的目前是Mg、Ce和Y三种。我国使用最多的球化剂是稀土镁合金。2. 常用球化剂的特点及处理方法1）镁球化剂的性质及在铁液中的作用。镁进入铁液后首先起脱硫去氧作用，当铁液中硫含量降至一定值时，镁开始对石墨的球化起作用促使石墨长成球状。处理方法主要有：自建压力加镁法、转动包法、镁合金法。2）稀土镁合金球化剂的性质及在铁液中的作用。稀土镁合金球化剂是60年代初发展起来的带有我国特色的球化剂。其球化处理方法有：冲入法、型内球化法。三、孕育处理过程及控制孕育处理是球墨铸铁生产中的一个重要环节，至少有以下几个目的：消除结晶过冷倾向、促进石墨球化、减小晶间偏析。一种好的实用的孕育方法应该简单易行，能避免孕育衰退和节省孕育剂。目前采用如下方法：1. 炉前一次孕育和多次孕育 和灰铸铁的孕育方法相似，所不同的是孕育剂量使用较多。这种方法有较好的效果，而且可减少孕育剂总的加入量。2. 瞬时孕育 其种类有：包外孕育、浇口杯孕育、硅铁棒浇包孕育、浮硅孕育、插丝法孕育以及型内孕育等。瞬时孕育工艺达到了强化孕育效果、改善金相组织、提高力学性能、降低孕育剂消耗及降低铁液终硅量的目的。四、球墨铸铁生产的炉前检验技术在球化和孕育处理后，首先必须对铁液的处理效果进行迅速准确的判断，方能进行浇注，因此必须进行炉前控制检验。常用方法有炉前试块法、火苗判断法、热分析法及炉前快速金相法等，其中用的较广泛的是炉前试块法和热分析法。炉前试块法是根据试块的断口色泽和敲击时发出的声音来判断孕育和球化效果的好坏。热分析法是将处理好的铁液浇入特定的试样杯中，试样杯中的热点偶将铁液的温度变化信号传送到记录仪器上，仪器绘出冷却曲线，根据共晶回升温度来判断球化情况。五、稳定球化率的方法球化率指：在铸铁微观组织的有代表型的视场中，在单位面积上，球状石墨数目与全部石墨数目的比值。为了保证球墨铸铁的性能，要求有较高的球化率，圆整而细小的球状石墨，而为此就需要熔炼初质量良好的铁液，原材料要稳定，球化干扰元素低，并进行良好的球化处理和孕育处理。第四节 球墨铸铁的铸造性能球墨铸铁的铸造性能是与球墨铸铁铁液的凝固特点密切相关的，包括流动性和收缩特性。一、 流动性 铁液经球化处理后，由于脱硫、去气和去除了部分金属夹杂物，使铁液净化，对提高流动性是有利的，因此，在化学成分和浇注温度相同时，球墨铸铁的流动性较灰铸铁好。但通常由于铁液经球化、孕育处理后，温度降低较多，从而使实际的浇注温度偏低，再加之铁液中含有一定量的镁，会使铁液的表面张力增加，因此再实际生产中往往感到流动性较灰铸铁差。所以应适当提高球墨铸铁的浇注温度。二、 收缩特性铸件从高温到低温各阶段的收缩或膨胀可通过其一维方向的尺寸变化或三维方向的体积变化量来描述，前者称为线收缩量，后者称为体收缩量，它们的大小直接影响到铸件的缩孔和缩松的倾向以及铸件的尺寸精度。球墨铸铁和其它合金不同，其收缩倾向的大小不但与合金本身的特性有关，而且还取决于铸型的刚度。图33示出在成分、浇注温度和铸型刚度大致相同条件下灰铸铁和球墨铸铁的自由线收缩曲线，可见其收缩过程基本相同，两者的显著差别在于球墨铸铁收缩前的膨胀要比灰铸铁大得多，因此，总的线收缩值显得较小，但这只是在其膨胀受阻较小时才是如此。在实际铸件中，若铸型刚度增大，将使这部分膨胀量减小，最终可能会和灰铸铁接近。图33 球墨铸铁和灰铸铁的自由收缩曲线三、铸型紧实度对球铁缩孔和缩松的影响加大铸型的刚度，以帮助球墨铸铁件较软的外壳抵抗由于石墨化膨胀所产生的使外壳胀大的倾向，使铸件外壳保持原有的形状。这样，铸件需要补缩的体积不致因外壳的胀大而增加。这一措施可使石墨化膨胀所产生的巨大的膨胀力作用于正在生长的共晶团，从而有效地消除共晶团间的微观缩松。第五节 球墨铸铁的常见缺陷及防止措施在球墨铸铁生产中，除会产生一般的铸造缺陷外，还经常会产生一些特有的缺陷。主要有：缩孔及缩松，夹渣、皮下气孔、石墨漂浮及球化率衰退等。一、缩孔及缩松球墨铸铁形成缩孔及缩松的倾向都很大。这是和其凝固特性及共晶团的生长方式密切相关的。为了有效的防止缩孔和缩松的产生，常采取以下措施：加大铸型刚度、增加石墨化膨胀的体积、采用适宜的浇注温度，以减少液态收缩值、结合生产条件，合理地选用冒口或冒口加冷铁的防止收缩缺陷的工艺。二、夹渣夹渣通常称黑渣，多出现在铸件浇注位置上平面或型芯下表面部位。根据夹渣形成的时间不同，可将其分为一次夹渣和二次夹渣。防止措施有：1. 尽量降低原铁液的含硫量；2. 在保证石墨球化的条件下，降低铁液的残留镁量和残留稀土量；3. 提高浇注温度，一般应不低于1350；4. 浇注前将铁液表面的熔渣清除干净。三、石墨漂浮石墨漂浮发生在铁液的碳硅含量过高的情况下。漂浮石墨在铸件上出现的部位与夹渣相同，但颜色有区别，夹渣一般呈暗灰色，而石墨呈黑色。石墨漂浮使铸铁性能显著降低。防止措施有：1. 严格控制碳当量 将碳当量控制在4.6%4.7%以下。2. 降低原铁液的含硅量 在碳当量不变条件下，适当降低含硅量，有助于防止发生石墨漂浮。四、皮下气孔皮下气孔经常出现在球墨铸铁件的表皮层内，呈细小的圆形或椭圆形孔洞，无光泽。产生皮下气孔缺陷的多是中等壁厚铸件，极薄或很厚的铸件一般不会发生。防止球墨铸铁件发生皮下气孔的主要措施是严格控制铁液的残留镁量及型砂的水分含量。五、球化衰退球化衰退的特征为：处理过的同一包