高碳当量高强度灰铸铁设计性实验内容.doc

西安工业大学北方信息工程学院设计性实验论文1绪论灰铸铁通常指断面呈灰色，其中的碳主要以片状石墨形式存在的铸铁。灰铸铁组织结构可看成是碳钢的基体加片状石墨。按基体组织的不同灰铸铁分为三类：铁素体基体灰铸铁；铁素体+珠光体基体灰铸铁；珠光体基体灰铸铁。灰铸铁的力学性能与基体的组织和石墨的形态有关。灰铸铁中的片状石墨对基体的割裂严重，在石墨尖角处易造成应力集中，使灰铸铁的抗拉强度、塑性和韧性远低于钢，但抗压强度与钢相当，也是常用铸铁件中力学性能最差的铸铁。同时，基体组织对灰铸铁的力学性能也有一定的影响，铁素体基体灰铸铁的石墨片粗大，强度和硬度最低，故应用较少；珠光体基体灰铸铁的石墨片细小，有较高的强度和硬度，主要用来制造较重要铸件；铁素体一珠光体基体灰铸铁的石墨片较珠光体灰铸铁稍粗大，性能不如珠光体灰铸铁。故工业上较多使用的是珠光体基体的灰铸铁。灰铸铁其他性能良好的铸造性能、良好的减振性、良好的耐磨性能、良好的切削加工性能、低的缺口敏感性。图0-1所示，铁素体灰口铸铁的显微组织，其中石墨呈灰色条片状分布在亮白色的铁素体基体上。图0-2所示，为铁素体+珠光体灰口铸铁显微组织，其中除灰色条片状石墨外，暗灰色团块状为珠光体，亮白色部分为铁素体。图0-1铁素体+粗大石墨片 图0-2 铁素体+珠光体+粗大石墨片图0-3所示，为珠光体灰口铸铁的显微组织，其中石墨呈灰色条片状，基体为珠光体。图0-4所示，为孕育灰口铸铁，经孕育处理后，灰色条片状的石墨变得细小而均匀分布（组织未经腐蚀）。 图0-3 珠光体+粗片状石墨 图0-4 细小均匀的石墨片1.1研究背景1.1.1高碳当量高强度灰铸铁国内外发展状况随着汽车工业的不断进步，发动机正向着大马力、速度和轻量化方向发展，对发动机上重要的缸体、盖等铸件提出了更高的要求，要求高强度、高致密性、高热疲劳性、低应力、表面光洁、尺寸精确。今年来，高强度灰铸铁得到很大发展，国外发动机缸体、缸盖的材质牌号都在HT250以上。此外，高强度灰铸铁还广泛应用于拖拉机、液压件、通用机械、试验仪器、农机等行业。我国在高强度灰铸铁的研究与生产技术上与国外的主要差距如下：1、 强度低。同样的铁水化学成分生产出来的铸件，强度比国外低12牌号。若想生产相同牌号的灰铸铁就必须降低碳含量。这将引起白口倾向增大，收缩倾向增大，使薄壁处加工困难，且易出现裂纹及铸造性能变差等问题。对于发动机上的缸体、缸盖铸件还会使渗漏倾向增大。2、 铸造工艺落后。铸件壁厚答、重量大，如机床类铸件比国外重10%以上。发动机缸体比国外重30%以上。3、 耐磨性差、寿命低。国外汽车第一次大修里程汽油车一般在30万km以上，柴油车在50-80万km，而我国汽油车仅为5-10万km，柴油车也只达10-15万km。4、 断面敏感性大，加工性能差。出现上述差距的主要原因之一是冲天炉熔炼技术落后，铁水出炉温度较低。国外冲天炉一般以提高铁水质量为前提，不盲目追求节焦，积极发展高温热风、富氧送风，水冷无炉衬，使用铸造焦炭，连续作业的封闭式冶金冲天炉等，获得良好的经济效果。冲天炉熔炼技术落后，铁水温度低带来一些列问题。对于生产缸体、缸盖这样薄壁复杂铸件，从铸造性能考虑，都选择较高的碳当量。为获得较高的碳当量，按我国现有的熔炼水平，就必须在配料中多加生铁，少加废钢。而国外由于铁水温度高，使用铸造焦炭，仍可以少加生铁，多加废钢，获得较高的碳当量。因此，同样的化学成分，国内生产的缸体、缸盖等铸件强度性能就要比国外的低，内在质量差。国内要达到同样牌号的铁水，就必须降低碳当量，结果又是铸造性能变差，铸件出白口、收缩、加工性能差、渗漏倾向增加。因此，提高冲天炉熔炼水平，提高铁液熔炼温度是生产高碳当量、高强度灰铸铁的根本出路。造成与国外差距的第二个因素是孕育技术落后。国外非常重视孕育剂和孕育方法的研究，孕育品种很多，各有各的用途，针对不同的铸件，不同的生产条件，选择适用的孕育剂。近年来，国外发展了各种新型孕育剂，即在硅铁的基础上加进一些强化孕育效果的元素，如铝、钙、钡、锶、锆、镁等，而且是实现了孕育剂系列化、标准化、商品化。而国内前一段时间一直使用75SiFe孕育剂，品种单一，缺乏统一的质量要求，各个厂家生产的75SiFe质量各不相同，尤其对其中的铝、钙含量没有要求，铸件质量差。1.2提高灰铸铁抗拉强度的途径1.2.1优化铸铁成分与提高冶金质量根据铸件要求从不同的资料中筛选出合理的化学成分。衡量标准主要有CE、Si/C、Mn%、合金元素。碳当量：根据各元素对共晶点实际碳量影响，将这些元素的量折算成碳量的增减，谓之碳当量，以CE表示。CE=C+1/3（Si+P）增加碳量，可改善铸造性能、熔炼容易、吸气少，但会使石墨粗大、数量增多，使机械性能变差。高的Si/C，即在共晶度一定时，适当降低灰铸铁的碳含量，控制灰铸铁的Si/C，可显著提高铸铁的抗拉强度，使Si/C比在0.60.9，再加以适当的孕育和合金化，可获得综合性能良好的高强度灰铸铁。通过提高锰量来提高强度和硬度（过多会有碳化物），为提高铸造性能，控制碳化物含量，细化珠光体，在碳当量提高的情况下，保证其力学性能。调整高碳当量灰铸铁中的Si Mn含量，在w(Mn+Si)=3.2%4.2%，并控制（Mn%）/（Si%）=1.121.23可控制获得较理想的基体组织，是这种灰铸铁既能保证具有高的强度和刚度，又能保证有良好的耐磨性和耐压致密性，且具有良好的加工性能和铸造性能，是一种综合性能良好的高强度灰铸铁。铁液要有一定的过热温度 温度、化学成分、纯净度是铁液的三项冶金指标。铁液温度的高低又直接影响到铁液的成分及纯净度。铁液温度的提高有助于柱铸造性能的改善，更主要的是，如果在一定的范围内提高铁液温度，能使石墨细化，基体组织细密，抗拉强度提高。如图所示 1-C2.4% 2-C3.0% 3-C3.6%图1-1 过热温度对铸铁力学性能的影响对于孕育铸铁来说，过热铁液的要求着眼于纯化铁液，提高过冷，以期在孕育情况下加入大量人工核心，迫使铸铁在“受控”的条件下进行共晶凝固，从而达到真正的孕育目的。因此要做好孕育铸铁，要在最大程度上改变它在受控于自身条件的凝固特点，就必须有相当的过热温度（如14501470）。1.2.2孕育对灰铸铁力学性能的影响铁液浇注前，在一定条件下（如一定的过热度、一定的化学成分、合适的加入方法等），向铁液中加入一定量的物质（成为孕育剂）以改变铁液的凝固过程，改善铸态组织，从而达到提高性能为目的的处理方法，谓之孕育处理。孕育的目的在于促使石墨化，降低白口倾向；降低断面敏感性；控制石墨形态，消除过冷石墨；适当增高共晶团数和促进细片状珠光体的形成，从而达到改善铸铁的强度性能及其它性能（如致密性、耐磨性及切削性能等）地目的。孕育铸铁的碳、硅量一般较低，另外锰量偏高，因此其基体全是弥散度较高的珠光体或索氏体组织。共晶团较普通灰铸铁要细得多。石墨分布均匀、量适中、比较细化，而且变得较厚，而头部变得较钝，因而对金属基体的切割、缩减作用都比灰铸铁中的要小。它的b值在250400MPa范围内波动。对于碳当量在3.9%4.15%时采用反石墨化的孕育剂。孕育剂及孕育方法目前各国使用的商业孕育剂和专业孕育剂品种繁多，归纳起来可分为两大类：石墨化孕育剂和稳定化孕育剂。石墨化孕育剂具有促进石墨化和改善石墨形态的特性，其中硅铁合金应用最早也最完善，其特点是价格便宜，有一定的石墨化能力，但熔点偏高（约1320），孕育衰退快，故不宜用于重要铸件的孕育处理。硅钙合金也是早期孕育剂，由于钙含量较高，已形成高熔点熔渣，阻碍熔解而影响孕育效果，现被性能好的孕育剂取代。稳定化孕育剂的主要作用是强化基体，提高强度、硬度，用于白口铁的孕育处理可提高硬度的同时改善材料的韧性。孕育剂的加入量依孕育的方法和孕育的种类而定。硅铁孕育剂浇包孕育一般加入量0.4%0.8%，其它孕育剂0.2%0.3%，粒度1.53.5mm，最佳孕育温度13801420。瞬时孕育方法：随流孕育、孕育丝孕育、孕育块孕育。1.2.3合金化对灰铸铁力学性能的影响向一定成分的普通灰铸铁中加入少量的合金元素，是提高灰铸铁力学性能的另一个有力手段。常在炉前进行孕育处理而加以配合。由于加入量少，因而在组织上仍然没有脱离灰铸铁的范畴。所不同的是由于 图 1-2 合金加入对石墨的影响对比合金的作用，常使石墨有一 定程度的细化；铁素体量减少甚至消失；珠光体则 有一定程度的细化，而且其中的铁素体由于溶有一定量的合金元素而得到固溶强化。因此能有效的提高灰铸铁的强度和硬度。 Sn锡为增加珠光体而加入，一般用量在0.1%时有可能使铸铁出现脆性。 Sb强烈促进形成珠光体，灰铸铁中加入量为0.02%Zn 1.灰铸铁中加入0.3%能去氧，使氧量降低到原有量的1/3. 2.能细化石墨，增加化合碳量，白口倾向有所增加，强度、硬度有提高的趋势，加入量可在0.1%0.3% 3.可能生成Fe3ZnC复合碳化物 V钒 1.强烈形成碳化物能形成VC V2C V4C3等 2.能细化石墨有促使形成珠光体的作用 3.亦有增加珠光体高温稳定性的作用Ti钛 1.亦能形成碳化物，与碳氮亲和力极强 2.V和Ti的碳化物都有极高的硬度 3.其碳化物 氮化物常以细颗粒（方形 多边形）存在于铸铁中，可提高耐磨性 4.有强化铁素体效果Cu铜 1.降低奥氏体转变临界温度，细化并增加珠光体 2.有弱的细化石墨作用 3.常用量1.0%表1-1 若干合金元素对灰铸铁组织和性能的影响元素含量（）组织力学性能使用性能工艺性能耐磨性耐热性耐蚀性可切削性铸造性能Ni0.52.0常与Cr、Cu、Mo合用促进石墨化，消除白口和游离渗碳体；细化石墨；稳定且细化珠光体，促成索氏体提高强度、硬度、冲击韧度提高提高提高优于同硬度和强度的非合金铸铁减少缩松，提高铸件致密性。断面壁厚差大时尤有效Cu0.52.0常与Ni、Cr、Mo、V合用弱石墨化；细化且珠光体和石墨；减少薄断面白口，改善大断面组织敏感性提高强度、硬度、韧度。低碳铸铁尤显著提高提高提高。尤耐弱酸和大气腐蚀改善改善流动性提高铸件致密度Cr0.21.0常与Cu、Mo、Ni合用强阻碍石墨化，促成碳化物；细化石墨；细化且稳定珠光体；促成白口提高强度、硬度；Cr约0.5，降低塑性、韧性显著提高，与Cu、Mo、Ni合用更好提高。铬越多越显著提高。铬越多越显著降低。少量影响不大Cr1.0，降低流动性；增加收缩，增大白口Mo0.31.0常与Ni、 Cu、Cr合用细化石墨；强稳定、增加、细化珠光体；温和促成碳化物；改善大断面组织均匀性显著提高强度、硬度、冲击韧度、疲劳强度、高温（550）性能，大断面性能显著提高提高稍改善改善减少收缩，改善热处理性能V0.10.4常与Ti合加阻碍石墨化；细化、均化石墨；细化珠光体；强烈促成碳化物；消除大断面的铁素体合枝晶组织少量V，可显著提高强度、硬度，提高冲击韧性显著提高。与Cu、Ti合用更好提高350650的抗生长性少量V不降低可切削性；难磨削降低流动性，增加收缩，促进白口、麻口Ti0.050.15常与V合加微量，促进石墨化，细化石墨和晶粒；减少白口和硬点；过量，形成D型石墨TiC、TiCN脱氧、净化和孕育作用大于合金化作用，适量Ti，提高强度提高提高抗生长性提高耐酸性少量Ti，改善可切削性改善流动性B0.021.0细化但减少石墨；促成碳化物；在含磷铸铁中形成复合共晶，硬度HV1000提高强度，降低塑性、冲击韧度提高影响不大降低脱氧、去硫；增大白口倾向Sn0.040.10减少或消除铁素体，稳定且细化珠光体；改善断面均匀性显著提高强度、硬度。碳当量高时，效果好提高提高改善改善Sn0.050.1，保持铸造性能良好Sb0.030.08减少或消除铁素体，强促成、稳定细化珠光体提高强度、硬度提高提高高温（700）寿命稍差稍差2 实验方案及实验方法2.1 化学成分的确定2.1.1碳量 硅量的确定的确定综上所述，初步确定设计合金的成分：Si/C比确定为0.7C:3.25%、Si:2.275%、Mn:1.2%2.1.2其他元素量的确定P:0.1%、S:0.05%、Cu:0.5%、Cr:0.5%、Mo0.4%CE=3.25+1/3（2.275+0.1）=4.042.2配料计算烧损率：生铁C按0.005%计算各材料含量 生铁 C 4.29% Si 0.92% Mn 0.89% 废钢 C 0.45% Si-Fe Si 75% Mn-Fe Mn 80% Cu 100% 稀土 100% Sb 100% Mo- Fe 28%V-Fe 40% Cr- Fe 40% Ti- Fe 28%计算各物质的质量，首先称得生铁4500g， 3.25/（1-0.005）=3.232 3.232/4.04=0.8 总重量 4500/0.8=5625g废钢质量为 5625-4500=1125gMn-Fe质量为 45000.89%0.8%=32.04g 56251.2%=67.5g 67.5-32.04=35.46g Si-Fe质量为 45000.92%0.75%=115.4g Cu质量为 56250.5%=28.125gCr质量为 56250.3%/40%=42.1875gMo质量为 56250.4%/0.28%=80.357gTi质量为 56250.65%/0.28%=10.045g稀土质量为 56254%=22.5gSb质量为 56250.04%=2.25g2.3砂型制造2.3.1砂型制造制造砂型的基本原材料是铸造砂和型砂粘结剂。最常用的铸造砂是硅质砂。硅砂的高温性能不能满足使用要求时则使用锆英砂、铬铁矿砂、刚玉砂等特种砂。为使制成的砂型和型芯具有一定的强度，在搬运、合型及浇注液态金属时不致变形或损坏，一般要在铸造中加入型砂粘结剂，将松散的砂粒粘结起来成为型砂。应用最广的型砂粘结剂是粘土，也可采用各种干性油或半干性油、水溶性硅酸盐或磷酸盐和各种合成树脂作型砂粘结剂。砂型铸造中所用的外砂型按型砂所用的粘结剂及其建立强度的方式不同分为粘土湿砂型、粘土干砂型和化学硬化砂型3种。粘土湿砂型，以型砂和芯砂为造型材料制成铸型，液态金属在重力下充填铸型来生产铸件的铸造方法。由于砂型铸造所用的造型材料价廉易得，铸型制造简便，对铸件的单件生产、成批生产和大量生产均能适应，长期以来，一直是铸造生产中的基本工艺。砂型铸造所用铸型一般由外砂型和型芯组合而成。为了提高铸件的表面质量，常在砂型和型芯表面刷一层涂料。涂料的主要成分是耐火度高、高温化学稳定性好的粉状材料和粘结剂，另外还加有便于施涂的载体（水或其他溶剂）和各种附加物。砂型制造砂型的基本原材料是铸造砂和型砂粘结剂。最常用的铸造砂是硅质砂。硅砂的高温性能不能满足使用要求时则使用锆英砂、铬铁矿砂、刚玉砂等特种砂。为使制成的砂型和型芯具有一定的强度，在搬运、合型及浇注液态金属时不致变形或损坏，一般要在铸造中加入型砂粘结剂，将松散的砂粒粘结起来成为型砂。应用最广的型砂粘结剂是粘土，也可采用各种干性油或半干性油、水溶性硅酸盐或磷酸盐和各种合成树脂作型砂粘结剂。砂型铸造中所用的外砂型按型砂所用的粘结剂及其建立强度的方式不同分为粘土湿砂型、粘土干砂型和化学硬化砂型3种。粘土湿砂型以粘土和适量的水为型砂的主要粘结剂，制成砂型后直接在湿态下合型和浇注。湿型铸造历史悠久，应用较广。湿型砂的强度取决于粘土和水按一定比例混合而成的粘土浆。型砂一经混好即具有一定的强度，经舂实制成砂型后，即可满足合型和浇注的要求。因此型砂中的粘土量和水分是十分重要的工艺因素。粘土湿砂型铸造的优点是：粘土的资源丰富、价格便宜。使用过的粘土湿砂经适当的砂处理后，绝大部分均可回收再用。制造铸型的周期短、工效高。混好的型砂可使用的时间长。砂型舂实以后仍可容受少量变形而不致破坏，对拔模和下芯都非常有利。缺点是：混砂时要将粘稠的粘土浆涂布在砂粒表面上，需要使用有搓揉作用的高功率混砂设备，否则不可能得到质量良好的型砂。由于型砂混好后即具有相当高的强度,造型时型砂不易流动，难以舂实,手工造型时既费力又需一定的技巧，用机器造型时则设备复杂而庞大。铸型的刚度不高，铸件的尺寸精度较差。铸件易于产生冲砂、夹砂、气孔等缺陷。2.4熔炼工艺2.4.1熔炼工艺要点1）孕育技术孕育处理目的在于促进石墨化，降低白口倾向，降低端面敏感性；控制石墨形态，消除过冷石墨；适当增加共晶团数和促进细片状珠光体的形成，从而达到改善铸铁的强度性能和其它性能的目的。铁液温度对孕育的影响及控制铁液温度对孕育的影响明显。在一定的范围内进步铁液的过热温度并保持一定时间，可以使铁液中残存着未溶的石墨质点，完全溶进铁液中，以消除生铁的遗传影响，充分发挥孕育剂的孕育作用，进步铁水受孕育能力。过程控制中，对过热温度进步到15001520，对孕育处理温度控制在14201450。 孕育剂的粒度是孕育剂状况的重要指标，对孕育效果有很大影响。粒度过细，易于分散或被氧化进进溶渣而失往 作用，粒度太大，孕育剂熔化或溶解不尽，不仅不能充分发挥孕育作用，反而会造成偏析、硬点、过冷石墨等缺陷。因而对孕育剂的粒度尽量控制在25mm。保证孕育效果。过程控制中孕育工艺主要在孕育槽孕育，这样对一包浇注的铸件，基本可以在孕育衰退前浇注结束。但对于比较大的件和双浇包浇注的件，不能满足要求。因而采用了晚期孕育方法：即在浇注铸件之前，在浇包中进行浮硅孕育（孕育量为0.1%），这样减小了或不存在孕育衰退，进步了孕育效果。2）合金化处理合金化处理向普通铸铁中加进少量的合金元素，进步灰铸铁的力学性能。在熔炼过程控制中，对合金的加进，主要是针对顾客要求淬火的件和导轨比较厚大的件，主要加进的合金元素及加进量。这样在一定程度上保证了由于CE值的进步造成性能的下降，而且对淬火件来说，进步了淬火时的淬透性。保证了淬火深度。对熔炼过程的温度控制如图所示： 图2-1电炉熔炼过程曲线图中OA段是投料熔化过程，这个阶段重点控制的加料顺序，按废钢、机铁、生铁的先后顺序进行加料，为了减少合金元素的烧损，铁合金应在最后加进，当冷料全部化清后升温至1450即A点，。假如低于1450时则有增碳剂或铁合金不完全溶解的危险。在AB段，应做如下处理： 测温； 扒渣； 取样分析化学成分； 利用热光谱仪对常规元素和微量元素进行分析； 取三角试片测CW值； 根据各种检测结果对铁水进行调整后，继续送电10分钟后重新取样分析，确认所有数据正常后继续升温至1500左右，即C点。在CD段，让铁水静置5至10分钟后取三角试片测试CW值，测温后预备出铁三角试片的控制对于不同牌号，确定不同三角试块的白口（CW）控制范围，结合炉前成份分析确定铁水质量。3 结果结果分析3.1 力学性能经拉伸实验测试该实验抗拉强度平均值为198.235MPa，这和实验要求差距太大。3.2金相分析金相分析是金属材料试验研究的重要手段之一，采用定量金相学原理，由二维金相试样磨面或薄膜的金相显微组织的测量和计算来确定合金组织的三维空间形貌，从而建立合金成分、组织和性能间的定量关系。将计算机应用于图像处理，具有精度高、速度快等优点，可以大大提高工作效率。（一）金相试样的选取及制备1.试样的选取本试样取自铸件本身。2.试样的制备将试样的观察面在细砂轮上磨平，然后经300#、600#、1000#、03#磨制至抛光，消除试样磨面的划痕，铸铁石墨不使其污染或拖曳。3.试样的抛光选用短毛纤维柔软的平绒，抛光粉最好具有细致尖利性，可用氧化铬，氧化铁。在开始抛光是抛光粉的浓度可高些，这对防止石墨拖曳有好处。抛光时用力要适中，随时转动变化试样方向，将至完成时把抛光粉减薄，并用力减轻。最后清水冲洗试样，在轻微抛光用干净丝绒擦干就可以观察石墨，以观察试样无划痕，石墨呈暗灰色为标准。粗抛：1）氧化铬粉+2%铬酐，转速可用1300r/min左右； 2）3.55u金刚石研磨膏或金刚石喷雾剂。细抛：1）氧化铁； 2）0.52.5u金刚石研磨膏或金刚石喷雾剂。4.试样的腐蚀一般采用2%5%的硝酸酒精溶液或4%的苦味酸酒精溶液。（二）灰铸铁金相检验及评定方法石墨的类型、石墨的长度和数量、共晶石墨的控制，基体组织中的珠光体的分散度，铁素体含量，磷共晶的类型及分布特征和面积大小的程度，渗碳体数量等。可按GB/T7216-1987，ASTM A247-06，ISO945-75等标准检验。3.2.1金相显微图片及其分析本组制得几