球墨铸铁件的缺陷和金相检验2012年

让我们共同学习 共同提升 2012年10月6日 培训内容 球墨铸铁件的生产典型缺陷和金相检验 主讲人 王艳珍 为什么要化验 化验分析是冶金工业的必要组成部分 它对指导生产及调整配料具有重要意义 例如在原料购进和熔炼过程中 提供正确数据 可以保证产品质量和产量 节约材料 更快促进铸造生产的发展和铸造技术水平的提高 并给铸造技术工作者提供工作上的方便 铸造学上的产品分类 铸钢 灰铸铁 球磨铸铁 可锻铸铁 耐磨铸铁 抗磨铸铁 冷硬铸铁 耐蚀铸铁 耐热铸铁九大类 而现在铸造车间生产以球磨铸铁为主 所有产品都含有碳 硅 锰 磷 硫五大元素 但是标准不同 机械性能也不同 化学成分直接影响着机械性能 什么是球磨铸铁 球墨铸铁是指铁液在凝固过程中碳以球型石墨析出的铸铁 与灰铸铁相比 其金相组织的最大不同是石墨形状的改变 避免了灰铸铁中尖锐石墨的存在 使得石墨对金属基体的切口作用大为减少 基本消除了片状石墨引起的应力集中现象 使得金属基体的强度利用率达到70 90 从而使金属基体的性能得到很大程度的发挥 球墨铸铁的特性 球墨铸铁可以像钢一样 通过热处理和合金等措施来进一步提高其使用性能 比如 处理过的球墨铸铁可以取得很好的韧性 延伸率高达24 抗拉强度可以高达1400MPa 基本接近钢材 与钢材相比 球墨铸铁还有很多优点 比如铸造性能好 成本相对较低 由于球墨铸铁产量的不断增加 性能不断开发 现已成功取代了锻钢和铸钢 成为前景广阔的金属结构材料 球墨铸铁的金相与力学性能 金相组织与力学性能的关系力学性能与金属的金相组织密切相关 什么样的金相结构决定了什么样的力学性能 球墨铸铁也不例外 只有石墨球化 才能发挥金属基体的作用 使铸铁的力学性能大幅度提高 也只有石墨球化 进一步改变基体的性能才更有意义 因此 对球墨铸铁的金相研究 是我们了解球墨铸铁 使用球墨铸铁的前提条件 球状石墨的形成 球状石墨的形成经历了形核与生长两个阶段 其中的形核是石墨的首要过程 铁液在熔炼及随后的球化 孕育处理中产生大量的非金属夹杂物 初生的夹杂物非常小 在随后浇铸 充型 凝固过程相互碰撞 聚合变大 上浮或下沉 成为石墨析出的核心 球状石墨核心形成以后 碳原子开始在核心基底上堆砌 石墨最终生成的形状决定受工艺条件影响的生长方式 所以 石墨生长过程的控制是获得球状石墨的关键 球墨铸铁孕育的目的 球墨铸铁的孕育是指向铁水中加入一定数量的球化剂和孕育剂 通过球化及孕育处理使铁水在凝固时碳以球状石墨的形式形核和生长 凝固后铸铁的组织中得到球状石墨的铸铁 一般在浇注之前 在铁液中加入少量球化剂 通常为镁 稀土镁合金或含铈的稀土合金 和孕育剂 通常为硅铁 使铁水凝固后形成球状石墨 球化处理和孕育处理是生产球墨铸铁的重要环节 球墨铸铁进行孕育处理的目的是为消除球墨铸铁的白口化倾向 消除过冷石墨 促进石墨化 细化共晶团及减少晶间偏析等 球墨铸铁的孕育 球化处理是球铁生产的基础 孕育处理是球铁生产的关键 孕育效果决定了石墨球的直径 石墨球数和石墨球的圆整度 为了保证孕育效果 孕育处理采用多级孕育处理 孕育处理越接近浇注 孕育效果越好 从孕育到浇注需要一定的时间 该时间越长 孕育衰退就越严重 球化衰退防止 球化衰退的原因一方面和Mg RE元素由铁液中逃逸减少有关 另一方面也和孕育作用不断衰退有关 为了防止球化衰退 采取以下措施 A 铁液中应保持有足够的球化元素含量 B 降低原铁液的含硫量 并防止铁液氧化 C 缩短铁液经球化处理后的停留时间 D 铁液经球化处理并扒渣后 为防止Mg RE元素逃逸 可用覆盖剂将铁液表面覆盖严 隔绝空气以减少元素的逃逸 球化分级 球化分级 石墨大小 球墨铸铁石墨球的大小对力学性能的影响很大 减小石墨球径 增加石墨球在单位面积的个数可以明显地提高球墨铸铁的强度 塑性和韧性 石墨球径的减小 使单位面积上球墨铸铁数量增多 可使抗疲劳强度提高 因此 细化石墨也是提高抗疲劳强度的一个要求 珠光体的粗细 球墨铸铁的化验成分 选择适当的化学成分是保证球墨铸铁获得良好的金相组织和高性能的基本条件 化学成分的选择既要利于石墨的球化和获得满意的基体 以期获得满意的性能 又要使球墨铸铁具有良好的铸造性能 球墨铸铁的成分一般是指五个元素 碳 硅 锰 磷 硫 化学成分 碳 碳是球墨铸铁的基本元素 碳高有助于石墨化 由于石墨呈球状后石墨对机械性能的影响已减小到最低程度 球墨铸铁的含碳量一般较高 在3 5 3 9 之间 碳当量在4 1 4 7 之间 铸件壁薄 球化元素残留量大或孕育不充分时取上限 反之 取下限 将碳当量选择在共晶点附近不仅可以改善铁液的流动性 对于球墨铸铁而言 碳当量的提高还会由于提高了铸铁凝固时的石墨化膨胀提高铁液的自补缩能力 但是 碳含量过高 会引起石墨漂浮 当碳含量过低时 铸件易产生缩松和裂纹 化学成分 硅 在球墨铸铁中 硅是第二个有重要影响的元素 它不仅可以有效地减小白口倾向 增加铁素体量 而且具有细化共晶团 提高石墨球圆整度的作用 但是 硅提高铸铁的韧脆性转变温度 降低冲击韧性 因此硅含量不宜过高 尤其是当铸铁中锰和磷含量较高时 更需要严格控制硅的含量 一般认为硅含量大于2 8 时 可能降低韧性 使韧性 脆性转变温度升高 因此 选择碳硅含量时 应按照高碳低硅的原则 铸件在寒冷地区使用 则含硅量应适当降低 化学成分 锰 球墨铸铁中锰的作用就主要表现在增加珠光体的稳定性 帮助形成碳化锰 碳化铁 锰有严重的正偏析倾向 往往有可能富集于共晶团界处 严重时会促使形成晶间碳化物 显著降低球墨铸铁的韧性 锰也会提高铁素体球墨铸铁的韧脆性转变温度 锰含量每增加0 1 脆性转变温度提高10 12 球墨铸铁中 由于球化元素具有很强的脱硫能力 不需要锰承担这种功能 因此 球墨铸铁中锰含量一般是愈低愈好 即使珠光体球墨铸铁 锰含量也不宜超过0 4 0 6 一般都是遵循这一规律的 化学成分 磷 磷是一种有害元素 它在铸铁中溶解度极低 当其含量小于0 05 时 固溶于基体中 对力学性能几乎没有影响 当含量大于0 05 时 磷在球墨铸铁中有很强的偏析倾向 具有增大球铁的缩松倾向 极易偏析于共晶团边界 形成二元 三元或复合磷共晶 降低铸铁的韧性 当含磷量增加时 韧脆性转变温度就会提高 对于寒冷地区使用的铸件 易采用磷的下限含量 磷的含量控制在0 04 0 06 以下 化学成分 硫 球墨铸铁中硫与球化元素的化合能力很强 生成硫化物或硫氧化物 不仅消耗球化剂 造成球化不稳定 衰退速度加快 而且还使夹杂物数量增多 导致夹渣 气孔等铸造缺陷 国外一般要求铁液含硫量低于0 02 我国目前由于焦炭含量较高等熔炼条件的限制 往往达不到这一标准 应进一步改善熔炼条件 有条件可进行炉外脱硫 一般要求小于0 06 典型缺陷 球化不良 球化不良和球化退化特征 断口银灰色 分布芝麻状黑斑点 金相组织分布大量厚片石墨 原因 原铁液含硫高 过量反球化元素 建议选用低硫焦炭 脱硫处理 必要时增加球化剂稀土量 控制冲天炉鼓风强度和料位 典型缺陷 缩孔和缩松 缩孔和缩松特征 缩孔发生于第一次收缩阶段 表面凹陷及局部热节凹陷 含气孔的暗缩孔 内壁粗糙 缩松发生于第二次收缩阶段 被树枝晶分割的溶池处成为真空 凝固后的孔壁粗糙 排满树枝晶的疏松孔为缩松 原因 碳含量低 磷含量高 增加缩孔缩松倾向 措施 提高铸型刚度 如使用树脂砂 提高铁液碳当量 典型缺陷 石墨漂浮 石墨漂浮特征 冷却过程中的过共晶铁液首先析出石墨球 上浮聚集成石墨漂浮 分布于铸件最后部位的上部的冒口处 微观观察石墨球串接呈开花状 原因 碳当量和稀土残留量高 炉料原始尺寸大 数量多 都可能增加石墨漂浮 措施 建议C 4 控制稀土含量 注意原生铁与其他炉料的搭配 典型缺陷 反白口 反白口特征 宏观断面为界限清晰的白亮块 呈方向性白亮针 出现于热节中心 金相观察为过冷密集细针状渗碳体 原因 凝固热节中心偏析富镁 稀土 锰等白口化元素 孕育不足或大件冷却速度快等 措施 保证球化前提下减少残留稀土镁 防止炉料内的强烈白口化元素 强化孕育 提高小件铸件温度 典型缺陷 夹渣 夹渣特征 浇铸位置上表面或死角处 断面呈暗黑无光泽 深浅不一的夹杂物 金相为可见 块状夹杂物 原因 形成一次夹渣的重要原因是原铁液含硫量高 氧化严重 二次夹渣主要原因是镁残留量过高 提高了氧化膜形成温度 措施 降低原铁液硫含量 保证球化时降低镁残留量 加入适量稀土降低形膜温度 浇铸系统应使充型平稳 夹渣部位设集渣冒口 典型缺陷 应力变形和裂纹 应力变形和裂纹特征 收缩应力 相变应力之和超过断面金属抗断裂后形成裂纹 热裂呈暗褐色不平整端口 冷裂形成浅褐色光滑平直断口 原因 碳含量低 碳化物形成元素增加 孕育不足 冷却过快等 措施 适当提高碳当量 降低含磷量 加强孕育等措施 典型缺陷 皮下气孔 皮下气孔特征 铸件表皮下2 3mm处均匀或蜂窝状分布的球形 椭圆形或针孔状内壁光滑孔洞 直径0 5 3mm 在热处理和抛丸后暴露 小件中较多 原因 铁液表明形成的氧化膜阻碍气体析出 碳化反应中形成的气体 镁残留量多形成的镁蒸汽 炉料潮湿锈蚀等 措施 球化保证条件下降低镁残留量 铁液平稳浇铸 控制炉料干燥少锈 采用少氮或无氮树脂 薄壁铸件的凝固 在铸铁凝固时 存在石墨共晶与渗碳体共晶两种形式 在平衡状态图中 前者的温度比后者高 为了要避免白口的产生 应使石墨共晶凝固过程在温度达到渗碳体共晶以前完成 这就需要提高石墨共晶的凝固速率 而在一定的冷却速度下 球铁共晶团的生长速度是一定的 因此提高石墨共晶的凝固速度 就必须增加共晶团数量 因此 为防止白口 对球墨铸铁的某一冷却速度 存在对应的临界共晶团数 即临界石墨球数 只有石墨球数大于该临界数 才能避免白口出现 当铸件越薄 冷却速度越大时 所需的临界石墨球数越多 研究表明 为增加石墨球数目 添加稀土Bi是十分有效的 球铁的力度性能 球墨铸铁的力学性能以抗拉强度和延伸率两个指标作为验收依据 在生产工艺稳定的条件下 也可根据硬度值进行验收 因硬度与强度的对应关系建立在球化合格 化学成分 孕育稳定 铸造工艺合理的基础上 为保证性能 规定按硬度验收时 必须检验金相组织 其球化率不得低于4级 即使硬度和球化合格 由于基体其中存在渗碳体 磷共晶 高硅固溶强化等 可能使强度和韧性达不到要求 所以不具备生产工艺稳定的条件下 不能根据硬度值验收 力学值 各种牌号的力学和硬度 性能特性 1 硬度球墨铸铁的硬度主要取决于基体组织 而且与抗拉强度 延伸率等净荷载性能有相应的关系 2 强度和塑性球墨铸铁的强度和塑性主要取决于基体组织 下贝氏体或回火马氏体强度最高 其次是上贝氏体 索氏体 珠光体 随着铁素体增多 强度下降 延伸率增加 奥氏体或铁素体强度较低 塑性较好 减震性和切削性 球墨铸铁的减震性优于钢 劣于灰铸铁 球化率越高 减震性越差 温度上升 灰铸铁的减震性下降 但是对球墨铸铁的影响很小 球墨铸铁的弹性模量高于灰铸铁 因此其声波传播速度 固有频率都高于灰铸铁 利用声学的差别 可检验球化率等级 球墨铸铁含有较多的石墨 起到切削润滑作用 因此球墨铸铁的切削阻力小于钢 切削速度较高 珠光体增多使球墨铸铁的切削性能下降 贝氏体球墨铸铁切削性能较差 所以 阀门中使用球墨铸铁时 都是采用铁素体 珠光体的基体类型 焊补性球墨铸铁不能焊接 只能焊补 当球墨铸铁中稀土镁合金含量较高时 在焊缝和近焊缝区易产生白口或马氏体组织 形成内应力和裂纹 为此 国家标准GB T10044 1988规定了适用于球墨铸铁焊补用的焊条 按照要求 可获得高强度珠光体基体球墨铸铁的焊缝 耐热性球墨铸铁中的石墨彼此分离 与灰铸铁相比 可阻碍高温下氧的扩散 因此球墨铸铁的抗氧化性和抗生长性均优于灰铸铁 也优于可锻铸铁 铁素体球墨铸铁的高温抗生长性优于珠光体球墨铸铁 提高硅含量或铝含量可改善球墨铸铁的抗氧化性及耐热性 耐腐蚀性在大气中球墨铸铁耐蚀性优于钢 与灰铸铁 可锻铸铁相近 球墨铸铁在土壤的耐蚀性优于钢 与灰铸铁相近 球墨铸铁抗蚀能力略强 但球墨铸铁管经腐蚀后的强度损失则小于灰铸铁管 球墨铸铁在室温 0 5 的硫酸溶液的耐蚀性与灰铸铁大体相同 开始阶段球墨铸铁的腐蚀率低于灰铸铁 但在灰铸铁表面形成石墨化层后腐蚀速度下降 球墨铸铁则无下降倾向 而在后期高于灰铸铁 球墨铸铁和灰铸铁在碱溶液中的耐蚀性良好 与与钢相近 球墨铸铁对有机物 硫化物 融金属 低熔点 的耐蚀性与灰铸铁相近 耐磨性球墨铸铁是良好的耐磨和减磨材料 耐磨性优于同样基体的灰铸铁 碳钢以致低合金钢 1 润滑耐磨球墨铸铁的耐磨性优于灰铸铁 2 磨料磨损球墨铸铁在磨料磨损条件下也有一定应用 但与白口铸铁 低合金钢相比 普通球墨铸铁的耐磨性并不太好 只有合金球墨铸铁或合金贝氏球墨铸铁有良好的耐磨性 混合基体球墨铸铁的性能及应用QT500 7 QT600 3属于铁素体和珠光体混合基体的球墨铸铁 这种铸铁由于有较好的强度和韧性的配合 多用于机械 冶金设备的一些部件中 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分布 从而在一定范围内改善调整和韧性的配合 以满足各类部件的要求 检验 步骤 1 观察金相