高碳当量高强度低铬铜合金灰铸铁的试验研究.docx

高碳当量高强度低铬铜合金灰铸铁的试验研究孙少纯(江苏理工大学材料科学与工程学院 ,江苏 镇江212013)摘 要 :针对高碳当量灰铸铁 ,试验了少量合金元素 Cr 、Cu 对抗拉强度及白口倾向的影响 。结果表明 :合金元素 Cr 和 Cu 对灰铸铁的强度有明显的影响 ,在碳当量为 3 . 9 %4 . 1 %的条件下 ,铁水中合金元素 Cr 和 Cu 的合理含量分别为 :0 . 20 %0 . 25 %以及 0 . 40 %0 . 45 % 。此外 ,初步分析了合金元素 Cr 和 Cu 对灰 铸铁强度及组织的影响机理 。关键词 :灰铸铁 ;高强度 ;合金元素中图分类号 : T G143 . 2文献标识码 :A 文章编号 :1004 - 6178 (2000) 04 - 0025 - 04Alloy Elements in High Carbon Equivalent Gray Ca st IronSUN S ha o2ch u n( I nst i t ute of M ateri al S cience an d En gi neeri n g , J i an gs u U ni versi t y of S cience an d Tech nology , Zhenji an g J i an gs u 212013 , Chi n a)Abstract :The effect s of small amount of alloy element s Cr ,Cu and Sn o n tensile st rengt h and chilling tendency of gray cast iro n wit h high carbo n equivalent were st udied. The result s show t hat t he alloy element s Cr and Cu have remar kable effect s o nt he st rengt h of gray cast iro n. The reaso nable co ntent of Cr and Cu in molten iro n is respectively 0 . 20 %0 . 25 % and 0 . 40 %0 . 45 % ,when t he carbo n equivalent is about 3 . 9 %4 . 1 % . Sn has insignificant effect under experimental co nditio n. In ad2ditio n ,t he mechanisms of t he influences of Cr and Cu o n t he st rengt h and microst ruct ures of gray iro n were also analyzed p rimar2ily.Key words :gray cast iro n ; high st rengt h ;alloy element s随着技术的进步 、节能降耗要求的提高以及对环境的日益重视 ,新一代的机器设备普遍采用 薄壁高强度铸铁 ,尤其在发动机行业 。提高灰铸铁抗拉强度最常用且有效的方法是降低碳当量 。 然而 ,碳当量的降低会降低铁水的流动性 ,增大铁 水的白口倾向和缩松倾向 ,这显然会影响到薄壁 铸件的成形 。因此 ,近年来铸造工作者在如何保 持高碳当量的前提下 ,提高灰铸铁的强度方面做了大量的研究工作 ,重点主要集中在提高铁水的 冶金质量 、添加合金元素和强化孕育处理等方面 , 但各种研究报道的方法及结果差距较大 ,且对各 种提高高碳当量灰铸铁强度方法的看法也不太相 同 。事实上 ,目前国外生产高碳当量高强度灰铸铁铸件 (如 :发动机缸体) 的方法比较简单 , 并基 本上已规范化1 。碳当量一般都控制在 3 . 9 %4 . 1 % ,抗拉强度大于 250 M Pa ,铸件本体检测点硬度控制在 180 HB235 HB 。通常情况下都加 入少量合金元素 Cr 、Cu 、Ni 、Mo 等 ,采取常规孕育处理 ,采用冲天炉 电炉双联熔炼 。随着改革开 放的深入 ,近年来国内一些企业加大了技术改造 的力度 ,在铸件的生产条件方面已逐渐接近国外 企业 。这为高碳当量高强度灰铸铁件的生产创造 了条件 。本文主要针对高碳当量 (3 . 9 %4 . 1 %)灰铸铁 ,探索在常规孕育的条件下 ,通过加入少量 合 金 元 素 , 生 产 高 强 度 灰 铸 铁 ( 抗 拉 强 度 大 于250M Pa) 的方法 。归纳有关资料 ,国内外目前在灰铸铁中常用 的合金元素大约有 : Cr 、Cu 、Mo 、Ni 、Sn 、Ti 、V 等 ,其中最主要的是 Cr 和 Cu 两种元素 。Cr 是强烈 促进珠光体形成 ,并能细化珠光体组织的元素 ,是收稿日期 :2000 - 03 - 06作者简介 :孙少纯 ( 1964 - ) ,男 ,工学硕士 ,讲师 ,主要从事铸造机械化以及铸造合金方面的教学和科研工作 。 25 铸造设备研究4/ 2000 年孙少纯 :高碳当量高强度低铬铜合金灰铸铁的试验研究提高灰铸铁抗拉强度最常用的元素之一 。然而 ,Cr 也是强碳化物形成元素 , 因此 Cr 的加入会增 大铁水的白口倾向 , 恶化铸造及机械加工性能 。 通常 ,很少单独使用 Cr , 而是在加入 Cr 的同时 ,加入一定数量的 Cu 、Ni 和 Sn ,以抑制 Cr 的这种副作用 。因此在综合考虑各合金元素对灰铸铁铸 造工艺性能的影响以及生产成本等因素后 ,本文主要试验研究了少量合金元素 Cr 、Cu 对灰铸铁强度及组织的影响 ,在此基础上探讨了高碳当量 铸件中合金元素的合理加入量 ,此外还初步分析了灰铸铁中合金元素的作用机理 。可见 ,Cr 对灰铸铁的性能有明显的影响 。Cr含量对抗拉强度及白口宽度的影响见图 1 。1试验条件和方法抗拉强度 白口宽度图 1 Cr 含量对抗拉强度及白口宽度的影响试验采用 150 kg 中频感应炉酸性炉衬熔炼 ,熔炼温度控制在 1450 。每组试验分别浇注 30 mm 330 mm 标 准 试 棒 3 根 , 干 型 造 型 , 1 型 3 件 。同时浇注三角试块 ,以检测铁水的白口倾向 。 对各组试验的试样进行抗拉强度及硬度测定 ,并 取样进行了金相组织分析 ,观测了各试样的石墨 形态和长度 、基体组织中的珠光体数量及珠光体的片间距 、共晶团的大小和分布 以及初生奥氏体组织 。图中清晰可见试验条件下 ,当铁水的 Cr 含量小于 0 . 20 %时 ,随着含 Cr 量的增加 ,其抗拉强度 显著提高 。表现在图 1 上的开始阶段 ,随着含 Cr 量的增加 ,抗拉强度几乎线性上升 。而当含 Cr 量 大于 0 . 20 %后 ,Cr 含量提高对铁水的抗拉强度则 已无明显影响 。此外图 1 还明显表明 , Cr 含量越 高 ,铁水的白口宽度越大 。这说明 Cr 元素的加入会增加铁水的白口倾向 ,而且这种倾向并不在铁 水中含 Cr 量达到一定大小后有所缓和 。通常情况下 ,当铁水的碳当量大于 3 . 9 %时 , 不加入适量的合金元素 ,难以稳定珠光体组织并 且还可能会出现粗大石墨 ,此时即使采取相当的孕育措施 , 也很难保证得到 稳 定 的 强 度2 ,3 。就 此意义说 ,对于缸体这样的高碳当量高强度灰铸 铁件 ,加入一些适当的合金元素 ,实际生产中有其 现实必需性 。而众所周知 , Cr 既是一种强烈促进 珠光体形成元素 ,又能细化珠光体组织 。加入一定数量的合金元素 Cr ,显然可以起到既增加和稳 定珠光体量 ,又细化珠光体组织的作用 ,显然能明 显提高灰铸铁的强度 。然而 Cr 和碳有较强的亲 和力 ,是一种强碳化物形成元素 。Cr 的加入必然 引起铁水白口倾向的增加 ,白口宽度的增大 。这就不难理解为什么在图 1 上 ,白口宽度随含 Cr 量 的增加而单调增大 。而且当铁水中的含 Cr 量达 到一定程度后 ,组织中出现的游离碳化物会迅速 增加 ,这显然会使灰铸铁的强度下降 。此外 。Cr 元素会降低灰铸铁的共晶凝固温度 ,使得铁水的凝固温度范围扩大 。这加大了灰铸铁的缩松 、缩 孔倾向 ,可能会减小铸件的致密性 。这些都可能2试验内容 、结果及分析2 . 1合金元素对灰铸铁性能的影响2 . 1 . 1Cr 对灰铸铁性能的影响 在铸铁的碳 当 量 为 3 . 90 % 4 . 02 % , Cu 含量 为 0 . 35 % 0 . 45 % , 采 用 60 % SiBa 和 40 %75 Si Fe 两种孕育剂复合孕育 ,孕育剂总加入量为0 . 4 % ,其他条件完全相同的情况下 ,通过改变 Cr元素的加入量 , 试验含 Cr 量对灰铸铁性能的影 响 。试验时 ,Cr 的加入量分别为 ( 质量分数 , %) :0 、0 . 10 、0 . 15 、0 . 20 、0 . 25 、0 . 30 、0 . 35 。测定了不 同 Cr 含量灰铸铁的抗拉强度和硬度 ,并同时考察了 Cr 含量对铁水白口倾向的影响 。试验结果为 下表 1 。表 1 Cr 含量对灰铸铁性能的影响 26 试验号90690710011003100210041006C. E/ 100Cr 含量/ 100b / M Pa 硬度/ HB 白口宽度/ mm4 . 0102302241 . 904 . 010 . 102502202 . 13 . 930 . 152752093 . 03 . 930 . 202951973 . 53 . 910 . 242852003 . 53 . 910 . 282852093 . 53 . 910 . 322902153 . 9铸造设备研究4/ 2000 年孙少纯 :高碳当量高强度低铬铜合金灰铸铁的试验研究影响到 Cr 元素对灰铸铁的强化作用 。从上述试验结果及分析可见 : 在本试验条件 下 ,铁 水 中 较 为 合 适 的 含 Cr 量 为 0 . 20 % 0 .25 % 。2 . 1 . 2 Cu 对灰铸铁性能的影响Cu 也是 灰 铸 铁 中 最 常 用 的 合 金 元 素 之 一 。 尽管单独加入 Cu 也能提高灰铸铁的强度 , 但其 作用没有 Cr 明显4 。大多情况下 , Cu 常和合金 元素 Cr 一起作用 。为此 , 本次试验探索了在 Cr 含量为 0 . 20 %0 . 25 %的情况下 ,合适的 Cu 含量 。试验时 , 碳当量控制在 3 . 95 % 4 . 05 % , Cr 含量控制在 0 . 20 % 0 . 25 % , 采用 60 %的 SiBa 和 40 %的 75 Si Fe 两种孕育剂复合孕育 ,孕育剂的 总加入量为 0 . 4 % 。试验结果见下表 2 及图 2 。的作用 ;另一方面 , Cu 又是一种促进石墨化的元素 ,可抵消 Cr 元素的增大白口的不利影响 ,有利 于保证铁水的铸造工艺性能 。可见 ,在灰铸铁的含 Cr 量为 0 . 2 %0 . 25 %的情况下 ,应加入 0 . 4 %0 . 5 %的含金元素 Cu 。2 . 2合金元素对灰铸铁组织的影响 尽管合金 元 素 Cr 、Cu 对 灰 铁 的 组 织 都 有 一定程度的影响 ,但是由于试验过程中合金元素的变化范围较小 ,且各组试验都同时加入了几种合 金元素 ,故很难分析各元素对灰铸铁组织的影响 。 试样的金相观察结果表明 ,各试样的金相组织区 别不是很大 。各试样的石墨组织都为 A 型 ,石墨 片长度大多在 (1525) 10 - 2 mm 。基体组织中珠光体量都大于 95 % ,珠光体片间距较小 。共晶 团数多为 6 级7 级 ,且大小分布较为均匀 。然而 ,在电子显微镜下高倍观察灰铸铁的基 铁组织 ,可以发现合金元素 Cr 对珠光体的片间距 有明显的影响 。图 3 (a) 、图 3 ( b) 及图 3 (c) 分别是含 Cr 量为 0 . 10 % 、0 . 20 %及 0 . 32 %时的珠光体 组织 ,明显可见随着 Cr 含量的增加 ,珠光体的片 间距减小 。由于 Cr 是碳化物形成元素 , 当含 Cr 量小于 1 %时 ,Cr 通常不形成自己的碳化物 ,而是 强烈促使合金渗碳体 ( Fe 、Cr) 3 C 的形成 ,故 Cr 能促使共析转变为珠光体 ,因而增加和稳定珠光体 的数量 ,这不难理解 。然而 ,为何 Cr 含量的提高 会细化珠光体 ,目前尚无统一的看法 。珠光体型 共析转变通常是以奥氏体晶界或奥氏体石墨晶界 处形成渗碳体片开始 ,渗碳体片的形成和长大使得在渗碳体片的两侧出现相对贫碳区 ,这促使铁 素体的形成和生长 ,铁素体片的形成和长大又由 于形成相对富碳 区 而 促 使 渗 碳 体 片 的 形 成 和 生 长 ,就这样渗碳体片和铁素体片逐层生长 ,最后形 成了层片状珠光体组织 。奥氏体向铁素体的转变 通常只需铁原子移动很小距离即可完成晶格的改建 ,很明显共析转变的速度主要取决于碳原子的 扩散以及碳化物的形成速度 。在没有合金元素加 入的情况下 ,铁素体片必须长大到一定厚度 ,使得 其侧面富集的碳浓度达到一定值 ,渗碳体才会形 成 。显然 ,Cr 元素的加入 , 降低了形成渗碳体所需的碳浓度值 ,而且加快了渗碳体合金渗碳体的 生长速度 。这样就减小了铁素体片的厚度 ,加快 了共析转变的速度 ,结果使的珠光体的片间距减 小 。表 2Cu 对灰铸铁性能的影响图 2 Cu 对灰铸铁抗拉强度的影响表 2 及图 2 明显可见 ,当 Cu 含量小于 0 . 4 %时 ,随着 铁 水 含 Cu 量 的 增 加 , 抗 拉 强 度 显 著 增 加 。当含 Cu 量达到 0 . 4 %时 ,这种增加的趋势明显缓和 。而当含 Cr 量超过 0 . 5 %后 ,进一步增加 铁水的含 Cu 量 ,抗拉强度变化很小 。此外 ,从表2 中还可看到 ,铁水中含 Cu 量的变化对白口宽度 几乎没有影响 。Cu 加入 到 铁 水 中 主 要 产 生 两 方 面 的 作 用 。 一方面 Cu 也是一种稳定珠光体的元素 ,因此 Cu的加入 ,可起到增加和稳定基体中的珠光体组织 27 试验号5015025035051031C. E/ 100Cr 含量 100Cu 含量/ 100Cr/ Cu 比b / M Pa 硬度 HB 白口宽度/ mm4 . 010 . 220 . 2511 . 142152033 . 764 . 030 . 220 . 3811 . 732302003 . 884 . 090 . 200 . 4412 . 22552153 . 784 . 090 . 250 . 5912 . 362702293 . 183 . 950 . 250 . 7813 . 122702173 . 64铸造设备研究4/ 2000 年孙少纯 :高碳当量高强度低铬铜合金灰铸铁的试验研究(a) 0 . 10 %Cr( b) 0 . 20 %Cr图 3 Cr 含量对灰铸铁基体组织的影响(c) 0 . 32 %Cr25 %以及 0 . 4 % 0 . 45 % ; 采用 60 % SiVBa 孕育剂和 40 %75 Si Fe 孕育剂组成的混合孕育剂孕育 ,孕育剂的总加入量为 0 . 4 % 。3结论1 . 试验条件下 ,铁水中合金元素的 Cr 含量 小于 0 . 2 %时 , 随着含 Cr 量的增加 , 灰铸铁的强 度迅速提高 ; Cr 含量大于 0 . 2 % , 进 一 步 增 加 含 Cr 量 ,灰铸铁的强度无明显变化 ,随着 Cr 含量的 提高 ,铁水的白口倾向单调增加 。2 . 铁水中的 Cu 含量小于 0 . 4 %时 , 随着含 Cu 量的增加 ,灰铸铁的强度显著提高 ;但当 Cu 含 量大于 0 . 5 % ,进一步提高含 Cu 量 ,灰铸铁的强 度变化不大 。3 . 生产高碳当量高强度灰铸铁件合适的工 艺参数为 :铁水的碳当量控制在 3 . 9 % 4 . 1 % ; 合金元素 Cr 和 Cu 的含量分别控制在 0 . 2 %0 .参考文献 :1范晓明 ,等. 高强薄壁灰铸铁缸体和缸盖发展概况 J . 现代铸铁 ,1996 ( 2) :32 .周世康 ,等. 薄