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高强韧合成蠕铁的组织性能研究,强韧,合成,组织,性能,研究
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题目题目：高强韧合成蠕铁的组织性能研究研究高强韧合成蠕铁的组织性能研究研究 高强韧合成蠕铁的组织性能研究高强韧合成蠕铁的组织性能研究摘要摘要本课题以蠕墨铸铁为研究对象。通过三因素上三平正交试验分析，考查了不同合金元素 Cu、Mo、Sn 对合成蠕铁组织性能的影响。通过分析合金化对实验材料的组织和性能影响规律，利用光学金相显微镜（OM） 、扫描电镜（SEM） 、布氏硬度机、拉伸试验机，对合成蠕铁组织基体与力学性能进行分析。通过正交试验得出：合成蠕铁的力学性能抗拉强度为 473Mpa 左右、延伸率 2.87%左右、硬度 243.4 HB 左右；对合金室温抗拉强度的影响顺序为主次因素 MoSnCu(Wt)，对室温延伸率的影响顺序为: MoSnCu(Wt)，对室温硬度的影响因素为 Cu SnMo (Wt)；按正交试验及综合分析得出确定最优水平 Cu2Mo2Sn3 的合金成分，即生铁50、废钢50、蠕化剂0.4、孕育剂0.8、Si0.953、Cu0.6、Mo0.2、Sn0.06 合金进行试验验证，验证试验结果。可以看出，该合金有着良好的高温综合力学性能和室温综合力学性能，其性能达到：b468Mpa、41.87%、Hb=231.4 。关键词关键词：蠕墨铸铁；金相组织； 试样硬度；抗拉强度;延伸率。IResearch Organizations Preep Properties of High Resilient SyntheticironAbstractThe topics to compacted graphite iron for the study. Through the three factors and three levels orthogonal experiment, examine the effects of different alloying elements Cu, Mo, Sn synthetic tissue creep properties of iron. By analyzing the alloy microstructure and properties of the laws of the experimental material, the use of an optical microscope (OM), scanning electron microscopy (SEM), Brinell hardness tester, tensile testing machine, the mechanical properties of the matrix and tissue analysis synthesis VGCI . By orthogonal experiment: the mechanical properties of tensile strength synthetic iron creeping around 473Mpa, elongation of about 2.87%, about the hardness of 243.4 HB; room temperature tensile strength of the alloy mainly secondary factors affect the order Mo Sn Cu (Wt%), the influence of temperature elongation order: Mo Sn Cu (Wt%), factors affecting temperature hardness of Cu Sn Mo (Wt%); by orthogonal test and comprehensive analysis to determine the Cu2Mo2Sn3 optimal level of alloy composition, ie 50 pig iron, scrap 50, 0.4 vermicularizing, inoculant 0.8, Si0.953, Cu0.6, Mo0.2Sn0.06 alloy test verification, validation test results . As can be seen, the alloy has good mechanical properties and high temperature mechanical properties at room temperature, the performance reached: b = 468Mpa, 4 = 1.87%, Hb = 231.4.Keywords: compacted graphite cast iron; microstructure; sample hardness; tensile strength; elongation.II目目 录录1 绪论绪论.1 1.1 相关背景和研究意义.1 1.2 国外研究现状.2 1.3 我国研究现状.2 1.4 铸铁.3 1.4.1 铸铁的特点.3 1.4.2 铸铁的性能.4 1.4.3 铸铁的分类.4 1.4.4 灰铸铁的组织和性能.5 1.4.5 蠕墨铸铁的组织.5 1.5.1 组织特点.6 1.5.2 性能特点.6 1.6 影响蠕墨铸铁强度的因素.8 1.6.1 化学成分的影响.8 1.6.2 石墨形态的影响.11 1.6.3 共晶团的影响.11 1.6.4 基体组织的影响.11 1.6.5 合金化元素 Cu 和 Mo 的影响.11 1.7 本文主要研究内容.122 试验条件及方法试验条件及方法.13 2.1 实验的原料.13 2.2 正交试验.13 2.3 实验造型和工艺.14 2.4 熔炼及浇注.14 2.5 制备金相试样、硬度试样及拉伸试样.14 2.6 SEM 断口分析.153 实验结果和分析实验结果和分析.16 3.1 正交试验.16 3.1.2 验证试验.19 3.2 显微组织分析.19III 3.2.1 蠕墨铸铁的金相组织分析（未腐蚀）.19 3.2.2 蠕墨铸铁的金相组织分析（腐蚀后）.23 3.3 扫描断口分析.244 结论结论.26参考参考文文献献.2701 绪论绪论1.1 相关背景和研究意义相关背景和研究意义作为一种新型工程材料的蠕墨铸铁，近年来日益受到人们的重视。国内外常用的缸盖的材质为低合金铸铁，牌号为 HT250，在常规的灰铸铁成份中，加入适量的铜、铬、钼、锡、镍等合金元素1。蠕墨铸铁的铸造性能、物理性能和力学性能介于灰铸铁和球墨铸铁之间，其强度接近球铁，而导热性和铸造性能则与灰铁近似，有一定的韧性和良好的耐磨性。蠕墨铸铁的高温瞬时强度随温度上升而下降较慢，适用于既要求高强度又要求有高导热率的工作条件，在生产上得到广泛应用2。目前，缸体类铸件仍然绝大部分沿用高强灰铸铁材质3，但是存在许多问题，如渗漏、性能不稳定、随着某些合金元素价格的大幅攀升致成本增加等，从长远发展看蠕墨铸铁将代替灰铸铁。过去人们选择铝合金来替代灰铸铁，使汽车、发动机的质量有所下降，这在过去的发动机技术下是可以的。在未来几年中，铝合金的气缸体在欧洲预计还会有所增加。但发动机的比功率(kW/排量 L)越来越大，导至发动机气缸体与气缸盖的工作温度越来越高,这两个零件很多部位的温度已超过 200，这时铝合金的强度迅速下降，已不足以承受所受机械负荷,而这样的工作温度对铸铁则毫无影响4。此外，随着比功率的提高，常温下的铝合金也存在力学强度不够的问题。目前的解决办法是在缸体与缸盖、轴承盖与缸体的连接螺栓处镶铸螺纹件，甚至连接板。这无疑又会增加质量，同时除成本提高外，增加了铸造的技术难度5。因为热膨胀系数的差别，尤其是镶铸件有一些小缺陷时，就保证不了与铝合金本体连接的理想间隙，因而在使用中易引起松动和疲劳裂纹。实际上从矿石到成品，铝合金的耗能要高于铸铁件。众所周知，铸铁件的防振能力远大于铝合金。也只有铸铁件的力学性能与高温性能才能满足汽车，尤其是发动机的未来发展要求6。合金灰铸铁、蠕墨铸铁(CGI) 都具有较高的室温强度、高温强度、抗热疲劳和抗热冲击性以及良好的铸造性能和热物理性能，因而是制造高性能柴油发动机机体及气缸盖的理想材料7。1.2 国外研究现状国外研究现状近几年，蠕墨铸铁的应用，特别是在欧洲得到了长足的进展。这是在发现蠕墨铸铁后，首次作为一种材质在国外发动机缸体等重要铸件上得到的广泛使1用。应用同时又掀起了进一步深入研究的高潮。目前，欧盟已制订出蠕墨铸铁标准草案，发给各企业，正在征求意见，并预定在一年内正式公布。美国在前年就把蠕墨铸铁的产量从球墨铸铁中分离出来统计，表明了他们对蠕墨铸铁的重视程度。在 2003 年 6 月的 GIFA 展览会上，许多铸造企业都把蠕墨铸铁作为供货范围，并举出了相应的生产实例。例如，宝马汽车公司(BMW) V8 柴油发动机缸体，太姆勒-克莱斯勒汽车公司(Daimler chrysler) 12L 排量的 8 缸发动机缸体，达夫公司(DAF)的 1216L 排量、功率为 390kW 的六缸发动机缸体都用蠕墨铸铁铸造。年产 315105t 发动机铸件的弗里茨-维特公司(FritzWinter)，在研究开发的基础上， KuengelWagner 静压多触头造型线，砂箱尺寸为1350mm1100mm400mm，每年用来生产 310105t 发动机薄壁蠕墨铸铁缸体。年产 410106 个发动机缸体，210106 个缸盖的爱森.布吕尔(EisenBruehl)公司在充分对比的基础上，已开始在轿车发动机缸体上使用蠕墨铸铁。德国阿乌哥斯特坎泼公司(August Kuepper GmbH)已成为一个蠕墨铸铁的专业生产厂，有员工 380 人，使用 2 条迪砂造型线每年生产 316104t 蠕墨铸铁件，主要供奥地、奔驰、大众、宝马、司高达等汽车公司的排气管与增压器壳体。美国福特(Ford)公司与辛特(Sinter)公司合作，在 1999 年就在巴西生产出 110105 个蠕墨铸铁 V6缸体。瑞典达劳斯(Daros)活赛环厂开发了蠕墨铸铁活塞环8。1.3 我国研究现状我国研究现状我国是世界上最早研究和应用蠕墨铸铁的国家之一。20 世纪七八十年代，在二汽铸造一厂就实现了蠕墨铸铁排气管的大量流水线生产，之后还生产蠕墨铸铁速箱等；无锡柴油机厂、大连柴油机厂、二七机车车辆厂、戚墅堰机车车辆厂、四川资阳机车厂等生产了蠕墨铸铁气缸盖，还有一些单位生产蠕墨铸铁液压件、蠕墨铸铁玻璃模具、钢锭模、铝锭模、蠕墨铸铁增压器、纺织机械零件，济南材料试验机厂、武汉重型机床厂、太原重机厂等用蠕墨铸铁生产机床铸件。但从那以后，蠕墨铸铁的发展趋缓，较为突出的是河南省西峡县建成了国内专业生产蠕墨铸铁排气管的基地（西峡内燃机进排气管有限公司和河南省西峡县汽车水泵股份有限公司等） ，上海圣德曼铸造有限公司、玉柴铸造厂等也生产蠕墨铸铁排气管；山东省淄博蠕墨铸铁股份有限公司成为我国首家蠕墨铸铁专业生产厂，生产蠕墨铸铁炉门框、机床床身等，年生产能力达到 10 万 t9。近年来，蠕化率大于等于 80%的蠕墨铸铁具有强度高、导热和耐热疲劳、加工性等综合性能好的特点，在发动机缸体、缸盖等重要铸件上应用的越来越多，并且获得很好的技术经济效益。国内一些企业也开始对蠕墨铸铁作进一步2的试验研究10-11。天津新伟祥工业有限公司几年前就引进了国外 Sinter CastA 二步法 B 处理技术和设备，研究开发蠕墨铸铁件的生产12；一汽铸造有限公司2010 年引进了 SinterCast 二步法 B 处理技术和试验设备，目前已完成 6DL 发动机蠕墨铸铁缸体和缸盖样件的研制开发13；无锡一汽铸造有限公司也进行了用Sinter CastA 二步法 B 试制蠕墨铸铁的工作14。1.4 铸铁铸铁铸铁主要由铁、碳和硅组成的合金的总称。在这些合金中，含碳量超过在共晶温度时能保留在奥氏体固溶体中的量。含碳量在 2%以上的铁碳合金。工业用铸铁一般含碳量为 2%4%。碳在铸铁中多以石墨形态存在，有时也以渗碳体形态存在。除碳外，铸铁中还含有1%3%的硅，以及锰、磷、硫等元素。合金铸铁还含有镍、铬、钼、铝、铜、硼、钒等元素。碳、硅是影响铸铁显微组织和性能的主要元素。铸铁是人类最早的金属材料之一。到目前为止，铸铁仍是一种被广泛应用的金属材料。例如，按质量统计，在机床业中铸铁件约占 60%到 90%，在汽车、拖拉机行业中，铸件约为 50%到 70%。高强度铸铁和特殊性能铸铁还可以替代部分昂贵的合金钢和有色金属材料。铸铁之所以获得广泛的应用，主要是由于生产简单、成本低廉，并且具有优良的铸造性、可加工性、耐磨性和吸震性等。因此，铸铁广泛应用于机械制造、冶金、矿山及交通运输部门11。1.4.1 铸铁的特点铸铁的特点铸铁和碳钢相比较，其化学成分除了 w(c)、w（si）外，还有较高的杂质元素 Mn、P、S，在特殊性能的合金铸铁中，还含有某些合金元素。所有这些元素的存在及其含量，都将直接影响铸铁的组织和性能。由于铸铁中的碳主要是以石墨形式存在，所以铸铁的组织，是由金属基体和石墨组成的。铸铁的金属基体由珠光体、铁素体、珠光体加铁素体三类，它们相当于钢的组织。因此铸铁的组织特点，可以看成是在钢的基体上分布着不同形状的石墨。1.4.2 铸铁的性能铸铁的性能铸铁的机械性能主要取决于集体组织和石墨数量、形状、大小和分布，石墨的机械性能很低。1.4.3 铸铁的分类铸铁的分类按照碳在铸铁中存在的状态及形式的不同，可将铸铁分为：3 (1) 灰口铸铁：含碳量较高（2.7%4.0%） ，碳主要以片状石墨形态存在，断口呈灰色，简称灰铁。熔点低（11451250） ，凝固时收缩量小，抗压强度和硬度接近碳素钢，减震性好。由于片状石墨存在，故耐磨性好。铸造性能和切削加工较好。用于制造机床床身、汽缸、箱体等结构件。其牌号以“HT”后面附两组数字。例如：HT2040（第一数字表示最低抗拉强度，第二组数字表示最低抗弯强度） 。 (2) 白口铸铁：碳、硅含量较低，碳主要以渗碳体形态存在，断口呈银白色。凝固时收缩大，易产生缩孔、裂纹。硬度高，脆性大，不能承受冲击载荷。多用作可锻铸铁的坯件和制作耐磨损的零部件。 (3) 可锻铸铁：由白口铸铁退火处理后获得，石墨呈团絮状分布，简称韧铁。其组织性能均匀，耐磨损，有良好的塑性和韧性。用于制造形状复杂、能承受强动载荷的零件。 (4)球墨铸铁：将灰口铸铁铁水经球化处理后获得，析出的石墨呈球状，简称球铁。碳全部或大部分以自由状态的球状石墨存在，断口成银灰色。比普通灰口铸铁有较高强度、较好韧性和塑性。其牌号以“QT”后面附两组数字表示，例如：QT45-5（第一组数字表示最低抗拉强度，第二组数字表示最低延伸率） 。用于制造内燃机、汽车零部件及农机具等。 (5) 蠕墨铸铁：将灰口铸铁铁水经蠕化处理后获得，析出的石墨呈蠕虫状。力学性能与球墨铸铁相近，铸造性能介于灰口铸铁与球墨铸铁之间。用于制造汽车的零部件。 (6) 合金铸铁件：普通铸铁加入适量合金元素（如硅、锰、磷、镍、铬、钼、铜、铝、硼、钒、锡等）获得。合金元素使铸铁的基体组织发生变化，从而具有相应的耐热、耐磨、耐蚀、耐低温或无磁等特性。用于制造矿山、化工机械和仪器、仪表等的零部件。1.4.4 灰铸铁的组织和性能灰铸铁的组织和性能组织：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；铁素体一珠光体基体灰铸铁；珠光体基体灰铸铁。 力学性能：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。4故工业上较多使用的是珠光体基体的灰铸铁。 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、低的缺口敏感性灰铸铁的热处理：a.消除内应力退火 b.改善切削加工性退火 c.表面淬火灰铸铁的密度。1.4.5 蠕墨铸铁的组织蠕墨铸铁的组织蠕墨铸铁的石墨形态是蠕虫状和球状石墨共存的混合形态，蠕虫状石墨介于片状石墨和球状石墨之间的中间石墨形态，蠕墨铸铁的强度介于球墨铸铁和灰口铸铁之间，热疲劳性能好，具有接近灰口铸铁的优良的铸造性能。有 5 种牌号：RuT420 和 RuT380 是抗拉强度大于 420 和 380MPa 的珠光体蠕墨铸铁，RuT340 和 300 的是珠光体+铁素体的蠕墨铸铁，RuT260 是铁素体蠕墨铸铁。(1) 蠕墨铸铁的基体组织可以是铁素体，也可以是珠光体，同时还可以是两者的混合物，根据使用的要求，可以通过热处理来得到。(2) 生产中也经常直接在铸态下得到要求的组织，以降低成本。1.5 如墨铸铁的牌号如墨铸铁的牌号表 1-1 为蠕墨铸铁件标准（JB440387）中规定的蠕墨铸铁牌号。据其强度性能分为六种。表 1.1 蠕墨铸铁强度性能条件基体变化情况C、Si、Al 增高铁素体增加Mn、Cr、Cu、Ni、Sn、Si（一定量内）珠光体内增加并细化Mo珠光体细化提高 Cu、Ni、Mo 量可出现中温转变产物贝氏体中 Mn（5%7%）形成马氏体高 Mn、高 Ni形成奥氏体1.5.1 组织特点组织特点石墨：蠕墨铸铁中的石墨呈蠕虫状，是介于球状石墨和片状石墨之间的形态。其在共晶团内是连在一起的似片状石墨，而在共晶团只间又是孤立的15。 关于蠕虫状石墨的形态有多种描述，如“藕节状” 、 “内片外球”及“内球外片”等。基于不同的观察结果提出了蠕虫状石墨的不同生长机制，如“先以片状方式生长，后以球状方式生长” 、 “先长成球状而后局部分枝”等16。5基体组织：普通蠕墨铸铁的铸态组织中铁素体含量较高，共晶团内部多为铁素体而共晶团之间多为珠光体，由此造成了断口呈“花脸”状。其形成原因一般认为与一下因素有关。石墨的形态。共晶团内分枝多，碳原子扩散距离小，以及由于蠕墨是 A 向和 C 向交替优势生长形成的，其表面既有基面又有棱面使表面较粗糙且增加了石墨奥氏体界面，碳原子易扩散并依附于蠕墨上析出。元素的偏析17。测试结果表明共晶团内部 Si 的含量较高，而共晶团间 Mn、Cr等元素较高。可采用合金化（如 Cr、Mn、Cu、Sn、Sb 等） 、正火处理等方法提高珠光体含量，从而提高强度，提高耐磨性18。1.5.2 性能特点性能特点力学性能：蠕墨铸铁的力学性能如抗拉强度、延伸率、冲击韧度介于灰铸铁和球铁之间。根据我国机械部标准（JB4403-87） ，蠕铁的牌号有RuT260，RuT300，RuT340，RuT380，RuT420 五种，即其抗拉强度最低260MPa，一般不高于 450 MPa18。最近几年，国外有 Ru500 甚至 Ru600 的报道，但均加入合金元素，应用于特殊场合19。劳帕（loper）等人认为蠕墨铸铁的抗拉性能与基体组织、碳化物含量有关，因此根据不同基体，蠕墨铸铁的抗拉性能可分为以下几组20：（1）1450%珠光体，抗拉强度 350420N/mm2，屈服强度 262.550 N/mm2，延伸率 2.0-4.5%，硬度 HB145-180。（2）8897%珠光体，抗拉强度 510-525N/mm2，屈服强度 378392 N/mm2，延伸率 2.0%，硬度 HB226229。物理性能：蠕墨铸铁的密度与普通灰铸铁的差不多，为 7.3g/cm3，比高强度灰铸铁（7.7g/cm3）小些。处理时所用的蠕化剂不同，对蠕墨铸铁的密度也有影响，例如，用 Re-Ca-Si-Fe 合金处理时，密度为 7.1-7.4g/cm3（碳当量为4.5-4.8%） ；用 Re-Ca-Mg-Si-Fe 合金处理，密度为 7.1g/cm3；用 Mg-Ti-Si-Fe 合金处理，密度为 7.1-7.2g/cm3。蠕铁的导热率远高于球铁，低于相近成分的灰铸铁，由于蠕铁的碳当量较高（一般接近共晶点） ，其导热率一般高于低碳当量高强度灰铸铁和合金灰铸铁21。另外，蠕铁的热膨胀系数较普通灰铸铁高但低于高强度灰铸铁。工艺性能：蠕铁的工艺性能较球铁和高强度灰铸铁高，易于获得致密的健全铸件，铸造工艺较简单，且组织及力学性能的壁厚敏感度小22。这也是用蠕铁替代高强灰铸铁或强度要求不太高的球铁的主要原因之一，蠕铁的切削加工性与球铁类似，比灰铸铁差。这是蠕铁应用于发动机缸体等有待于解决的问题之一。使用性能：由于蠕铁的导热性好于球铁和高强度灰铸铁，在交变温度条件6下产生的热应力小，且强度较高、石墨端部较圆钝不易产生应力集中，从而其抗热疲劳性能比球铁和灰铸铁都好23。这是蠕铁最典型的优点。因此其是钢锭摸、气缸盖、排气管、玻璃模具、制动盘等在交变温度条件下工作的零部件的较理想的材料。因蠕铁的缩孔、缩松倾向比球铁和高强度灰铸铁小，密性比较好，从而可以替代高强度灰铸铁和合金灰铸铁制造耐压件，如内燃机气缸盖、液压阀体等，不仅降低耐压实验中的渗漏废品率，而且可以提高工艺出品率24。另外，实验证明蠕铁的耐磨性比灰铸铁好。蠕墨铸铁是铸铁族中较新的一种材料。它的抗拉强度比得上可锻铸铁或者球墨铸铁，它的铸造性能比灰铸铁好。它的组织特点在于石墨相互连接，形状介于灰铸铁的片状石墨和球墨铸铁的球状石墨之间。蠕墨铸铁已经应用在诸如重载的制动盘、偏心齿轮、液压缸体和阀体、排气歧管、飞轮和各种各样的箱体。通常认为蠕墨铸铁的性能介于灰铸铁和球墨铸铁之间。蠕墨铸铁的一些性能的配合，使它们在某些应用方面具有的若干显著优点胜过其它铸铁：抗拉强度范围 4000085000psj（275.792585.996Mpa） 、屈服强度3000060000psj（206.822413.644 Mpa） 、及延伸率 15%。蠕墨铸铁中的石墨形态呈现出像灰铸铁那样的片状25，这就有利于生产健全的铸件，特别是某些形状复杂或者带复杂砂芯通道的铸件。蠕虫状石墨相对较短，端部较钝，这就使蠕墨铸铁比灰铸铁有更好的强度，有一定的韧性以及更好的机加工表面光洁度。相互联系的石墨（蠕虫状）提供了比球墨铸铁稍高的导热率、更好的减振性以及更好的机加工性能。铸铁的导热性与石墨的形状有关，片状石墨的导热性要高于球状石墨。由于蠕墨铸铁的石墨形状与接近于片状石墨，因此，蠕墨铸铁有较好的导热性。当然蠕墨铸铁的耐热性与石墨的蠕化率和石墨的形状有关。当蠕化率较高和形状系数较小时，其导热性接近灰铸铁，较好；而当蠕化率降低和形状系数较高时，则其导热性又与球墨铸铁较低。蠕墨铸铁的综合耐热疲劳性比球墨铸铁和灰铸铁优越。蠕墨铸铁具有较高的碳当量，接近共晶成分，又经过蠕化处理去硫去氧，因此具有良好的流动性。蠕墨铸铁的体收缩及线收缩与蠕化率有关。蠕化率越高则越接近于灰铸铁，反之，接近于球墨铸铁。因而，蠕墨铸铁件比球墨铸铁件更容易获得无内外缩孔及缩松的致密铸件，但比灰铸铁要稍困难些。总之，蠕墨铸铁的力学性能与石墨的蠕化率、形状和分布及基体组织密切相关。7由于强度高，对断面的敏感性小，铸造性能好，因而可以用来制造复杂的大型零件。如变速机箱体。又由于蠕墨铸铁具有较高的强度以及还具有较好的导热性，热疲劳性，因而特别适合制造在热交换以及有较大温度梯度下工作的零件，如汽车制动盘、排气管、发动机缸体、钢锭模、金属型等。如汽车发动机的排气管，工作温度经常在常温至 700之间变化，承受教大的热循环载荷，原设计材料为HT150，使用寿命短且极易开裂，改用蠕墨铸铁生产后，其使用寿命提高了35 倍，并从根本上解决了开裂问题，且自身质量也减轻了 10%，收到良好的效果。1.6 影响蠕墨铸铁强度的因素影响蠕墨铸铁强度的因素1.6.1 化学成分的影响化学成分的影响要使石墨由片状变成蠕虫状，铁水应该具备以下条件：铁水成分与球铁相似。近共晶或过共晶（CE4.04.7%）：只要不产生漂浮，碳当量对力学性能影响不大；适当提高可减少薄壁铸件或尖角处的白口倾向。高碳（3.6.8%）：以保证铁水流动性好，收缩性小；大断面铸件碳宜低。低硫（0.02%）：对硫的要求比球铁更严格，硫是重要因素。硅：硅量决定于碳当量与碳量，一般终硅 2.03.0%，厚大铸件选下限，薄小铸件选上限。原铁水要低硅，一般1.8%，其余硅量随蠕化剂带入。硅控制铁素体数量，如果硅超过铁素体需要量，起固溶强化作用，提高强度、硬度。但硅降低低温冲击韧性。锰：铁素体基体，锰宜低，一般0.3%.。若基体中以珠光体为主，一般0.61.0%。蠕铁中 S 低，锰起合金化作用；稳定珠光体。锰在 2.7%以下对蠕化无影响。用稀土钙蠕化处理时，Mn0.95%，对强度、硬度影响不大。磷：含磷范围类似于球铁。一般0.06%，以保证韧性。铁水中残留一定量的球化元素镁、钙、稀土等（单独使用时，残留范围很狭窄） ，为了扩大球化元素的残留范围稳定生产，铁水中常需要残留一定量的干扰元素钛（0.1%） 、铝等。镁：单独用镁处理知，生产极难控制：无干扰元素时，获得蠕虫状石墨Mg（残）仅为 0.015%0.02%，当含钛和（或者）铅时，生成片状石墨。用镁钛稀土合金处理，残余量可以扩大，铁水含Mg0.0050.06%，Ti0.150.5%，RE0.0010.015%，均可生成蠕墨铸铁。另外，Mg +Ti+Ce 作蠕化剂可显著扩大残余 Mg 含量。但是，Mg 量增加将导致白口倾8向增加。钙：钙稍促成蠕虫状石墨，但是可改善蠕化剂的变质特性，使获得蠕虫状石墨的加入量范围增宽。钙与硫、氧的亲和力极强。用钙强烈脱硫，使铁水中S0.002%,并使之在铸型中快速凝固，可获得蠕铁。合金中有钙时，它先于铈脱硫，故可减少稀土的加入量，减少单纯用稀土引起的白口倾向，且放宽对硫的限制。钙的残余量一般为 0.0020.003%。稀土：稀土有变质作用，促成石墨呈蠕虫状或圆球状。铈和稀土可以放宽残余镁量；稀土可以净化铁水，强化基体，改善铸造性能，减少铸件的气孔与夹杂；铈过少，石墨成片状；铈过多，白口倾向大。用稀土合金处理时，获得蠕墨的稀土量一般 0.050.07%；有钙时，为 0.0350.05%，用美钛稀土合金处理，参与铈更低。钛：化学性质极强的金属元素之一，与碳、氢和氮均有较强的亲和力。钛与硫的亲和力比铁与硫的强，能生成硫化钛。钛和钒类似也是强烈形成硫化物的元素。钛不与其它元素形成复合碳化物，只与碳形成碳化物 TiC。钛的碳化物、氮化物和氧化物通常以细小而规则的颗粒（方形、多边形等）存在于铸铁中，能有效的提高铸铁的耐磨性。钛也是强铁素体形成元素，以固溶体状态存在于铁素体中，强化铁素体，其强化作用略低于铜和硅。但大于锰、钼和镍等。钛的作用和其含量有很大关系，当微量元素 Ti 的含量小于 0.1%时，钛是一个促进石墨化的元素；当微量元素 Ti 的含量大于 0.1%时，钛是一个阻碍石墨化的元素；在含钛达 0.3%时，有助于产生过冷石墨。在球铁中钛被认为是一种干扰元素，当含钛量超过 0.05%时将使石墨变态但钛的反球化干扰作用可用加入稀土元素予以中和。铝：铝是一个强烈促进石墨化的元素，溶解度系数 m=-0.22，与硅的作用很相似，铝不形成碳化物，一般以原子状态存在于奥氏体、铁素体等固溶体中。铝能提高共晶温度，每 Al1%可提高稳定系共晶温度 16（适用范围AlSnCu(Wt)，对室温延伸率的影响顺序为: Mo Cu Sn (Wt)，对室温硬度的影响因素为 Cu SnMo (Wt)。Mo 的室温延伸率极差 R5 为 2.66，对合金室温延伸率影响大，Cu 的室温延伸率极差 R5 为 1.24，对合金室温延伸率影响小。Cu 的室温硬度为 25.4，对合金元素硬度影响较大，Mo 的室温极差硬度为 11.2，对合金元素硬度影响较小。1.01.52.02.53.0440445450455460465Map因 因 因 因 Cu Mo Sn5图 3.1 各因子水平的变化对合成蠕铁室温抗拉强度的影响由图 3.1 可知，随着 Cu、Mo、Sn 量的增加，室温下的合成蠕铁的室温抗拉强度呈先上升后下降的趋势。图 3.2 各因子水平的变化对合成蠕铁室温延伸率的影响由图 3.2 可知，随着 Cu 的含量增加，延伸率呈先下降后上升的趋势，随着Mo 的增加，延伸率呈先平缓升高后急速下降的趋势，随着 Sn 的增加，延伸率呈平缓下降趋势。图 3.3 各因子水平的变化对合成蠕铁室温硬度的影响1.01.52.02.53.00.81.01.21.41.61.82.0%因 因 因 因 Cu Mo Sn1.01.52.02.53.0230232234236238240HB因 因 因 因 Cu Mo Sn6由图 3.3 可知，随着 Cu 的含量增加，延伸率呈先下降后上升的趋势，随着Mo 的增加，延伸率呈先平缓升高后急速下降的趋势，随着 Sn 的增加，延伸率呈平缓下降趋势；随着 Cu 的增加，室温下合成蠕铁硬度呈上升趋势，随着Mo、Sn 量的增加，室温下合成蠕铁的硬度呈平缓上升趋势。因此，对室温强度而言，其最优水平为：Cu2Mo2Sn2，即0.6wt%Cu，0.2wt%Mo，0.06wt%Sn；对室温延伸率而言，其最优水平为：Cu1Mo2Sn1，即 0.4wt%Cu，0.2wt%Mo，0.03wt%Sn；对室温硬度而言，其最优水平为：Cu3Mo3Sn2,即 0.8wt%Cu，0.6wt%Mo，0.06wt%Sn。考虑合金室温综合力学性能，选取合金最优水平为：Cu2Mo2Sn3 。3.1.2 验证试验验证试验按正交试验及综合分析得出确定最优水平 Cu2Mo2Sn3 的合金成分，即生铁50、废钢50、蠕化剂0.4、孕育剂0.8、Si0.953、Cu0.6、Mo0.2Sn0.06合金进行试验验证，验证试验结果见表 3.3。对比表 3.1 可以看出，该合金有着良好的高温综合力学性能和室温综合力学性能，其性能达到：b468Mpa、41.87%、Hb=231.4 。表 3.3 验证试验结果合金成分（wt%）室温生铁废钢孕育剂蠕化剂CuMoSn抗拉强度延伸率室温硬度50500.40.80.60.40.094681.87231.43.2 显微组织分析显微组织分析3.2.1 蠕墨铸铁的金相组织分析（未腐蚀）蠕墨铸铁的金相组织分析（未腐蚀）蠕墨铸铁是铸铁族中较新的一种材料。它的抗拉强度比得上可锻铸铁或者球墨铸铁，它的铸造性能比灰铸铁好。它的组织特点在于石墨相互连接，形状介于灰铸铁的片状石墨和球墨铸铁的球状石墨之间。由于蠕墨铸铁兼有球墨铸铁和灰铸铁的性能，因此，它具有独特的用途，在钢锭模、汽车发动机、排气管、玻璃模具、柴油机缸盖、制动零件等方面的应用均取得了良好的效果。从图中可以看出，这两种的蠕墨铸铁的基体组织是珠光体+铁素体。其中两种基体都是以层片状的珠光体为主，且分布较均匀。珠光体含量 75 左右，珠光体能很好的提高铸铁的硬度。劳帕教授曾经指出26，无论是用灰铸铁还是球墨铸铁的原铁水，只要适当控制流量，都可以很容易的得到蠕虫状石墨组织。但是在含硅量过高，或者由于在薄断面处冷却速度快，会使蠕墨铸铁中得到较多的球状石墨。这个可以很好的解释图（1、2）蠕墨铸铁的石墨略少于原因。7图 3.4 为 Cu0.4%、Mo0.2%、Sn0.03%合金的金相组织铸态图100。由图可以看出图中含有较多的球墨铸铁，蠕虫状石墨凌乱分布，蠕虫状石墨形状不一，大部分偏小，较密集。大部分为彼此孤立、两侧不甚平整、端部圆钝的石墨。其蠕化率为 73.45%；蠕化率相对较小。石墨长度范围 114143um；室温下的抗拉强度为 458Mpa；延伸率为 2.87%；硬度为 223.6HB。图 3.4 未腐蚀合金的金相组织铸态图100图 3.5 为 Cu0.4%、Mo0.4%、Sn0.06%合金的金相组织铸态图100。由图可以看出图中含有较多的球墨铸铁，蠕虫状石墨凌乱分布，蠕虫状石墨形状不一，大部分偏小，较密集。大部分为彼此孤立、两侧不甚平整、端部圆钝的石墨。其蠕化率为 74.0%；石墨长度范围 135150um；室温下的抗拉强度为 473Mpa；延伸率为 2.08%；硬度为 223.4HB。图 3.5 未腐蚀合金的金相组织铸态图100图 3.6 Cu0.4%、Mo0.6%、Sn0.09%合金的金相组织铸态图100。由图可以看出图中含有较少的球墨铸铁，蠕虫状石墨分布不匀称，蠕虫状石墨形状良好，较密集。大部分为彼此孤立、两侧不甚平整、端部圆钝的石墨。其蠕化率为86.72%；石墨长度范围 134160um；室温下的抗拉强度为 395Mpa；延伸率为0.5%；硬度为 235HB。8图 3.6 未腐蚀合金的金相组织铸态图100图 3.7Cu0.6%、Mo0.2%、Sn0.06%合金的金相组织铸态图100。由图可以看出图中含有极少的球墨铸铁，其蠕化率为 94.7%；石墨长度范围110200um；室温下的抗拉强度为 460Mpa；延伸率为 0.86%；硬度为233.8HB。图 3.7 未腐蚀合金的金相组织铸态图100图 3.8Cu0.6%、Mo0.4%、Sn0.09%合金的金相组织铸态图100。由图可以看出图中含有极少的球墨铸铁，其蠕化率为 90.62%；石墨长度范围 160um 左右；室温下的抗拉强度为 468Mpa；延伸率为 1.87%；硬度为 231.4HB。9图 3.8 未腐蚀合金的金相组织铸态图100图 3.9Cu0.6%、Mo0.6%、Sn0.03%合金的金相组织铸态图100。其石墨长度范围 170um；室温下的抗拉强度为 443Mpa；延伸率为 0.92%；硬度为232.6HB。图 3.9 未腐蚀合金的金相组织铸态图100图 3.10 Cu0.8%、Mo0.2%、Sn0.09%合金的金相组织铸态图100。其蠕化率为 85.3%石墨长度范围 150um 抗拉强度为 460Mpa 延伸率为 1.79%。图 3.10 未腐蚀合金的金相组织铸态图100图 3.11Cu0.8%、Mo0.4%、Sn0.03%合金的金相组织铸态图100。石墨长度范围 180210um；450Mpa；延伸率为 1.61%；硬度为 234.3HB。10图 3.11 未腐蚀合金的金相组织铸态图100图 3.12Cu0.8%、Mo0.6%、Sn0.06%合金的金相组织铸态图100。由图可以看出图中出现少量球墨铸铁，蠕虫状石墨分布均匀，蠕虫状石墨形状偏小，其蠕化率为 89.44%；石墨长度范围 73120um；室温下的抗拉强度为 437Mpa；延伸率为 1.48%；硬度为 243.1HB 。图 3.12 未腐蚀合金的金相组织铸态图1003.2.2 蠕墨铸铁的金相组织分析（腐蚀后）蠕墨铸铁的金相组织分析（腐蚀后）图 3.13 为用 4%的硝酸酒精腐蚀后蠕墨铸铁在铸态下的基体组织，基体主要为珠光体和铁素体，其中珠光体的含量较多，珠光体的强度、硬度较高，具有良好的塑性与韧性。珠光体是奥氏体(奥氏体是碳溶解在 Fe 中的间隙固溶体)发生共析转变所形成的铁素体与渗碳体的共析体。得名自其珍珠般（pearl-like）的光泽。其形态为铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的层状复相物，也称片状珠光体。珠光体是铁素体与渗碳体的混合物，力学性能介于铁素体与渗碳体之间，强度较高，硬度适中,塑性和韧性较好。参照 JB26656-2011 标准，从图中可知，珠光体的数量在 55%85%左右，其中珠光体含有索氏体型珠光体和细片状珠光体。其中片层间距越小，珠光体强度、硬度越高。化学成分对基体组织也有影响，随着硅含量的增加，基体中珠光体量减少，而铁素体含量增11加。(a) Cu0.4% Mo0.2% Sn0.03%合成蠕铁 (b) Cu0.4% Mo0.4% Sn0.06%合成蠕铁(c) Cu0.4% Mo0.6% Sn0.09%合成蠕铁 (d) Cu0.6% Mo0.2% Sn0.06%合成蠕铁(e) Cu0.6% Mo0.4% Sn0.09%合成蠕铁 (f) Cu0.6% Mo0.6% Sn0.03%合成蠕铁 (g)Cu0.8% Mo0.2% Sn0.09%合成蠕铁 (h)Cu0.8% Mo0.4% Sn0.03%合成蠕铁图 3.13 合成蠕铁不同组下金相组织（500 腐蚀后）3.3 扫描断口分析扫描断口分析选取力学性能比较好的几组拉伸试样的断口进行进行 SEM 扫描。通过对图片的观察可以知道，铸铁的拉伸断裂中主要由纤维区和放射区组成，这是由于铸铁是脆性断裂。从图中可以看出，其断裂形式为解理断裂和准解理断裂两种12形式。解理断裂是沿特定界面发生的脆性穿晶断裂，其微观特征应该是极其平坦的镜面。但是，实际的解理断裂断口是由许多大致相当于晶粒大小的解理面集合而成的。解理台阶、河流花样，还有舌状花样是解理断裂的基本微观特征。准解理断裂的微观形貌似解理河流但有非真正解理，故称为准解理。图 3.14 为部分试验合金合成蠕铁室温拉伸试样的宏观断口形貌，0.6Cu-0.4Mo-0.09SnRT 的断口较为平坦，断裂源在中心呈放射状。图 3.14 试验合金合成蠕铁铁室温拉伸试样的宏观断口分析（a）0.6Cu-0.4Mo-0.09SnRT500 （b）0.6Cu-0.4Mo-0.09Sn-0.4RT10000图 3.15 试验合金高强灰铸铁室温拉伸试样的微观断口分从图 3.15（a）中断口主要呈现解理面，有河流花样、撕裂棱和韧窝，属于准解理断裂。从图 3.15（b）中能清晰的看出层片间距。4 结论134 结论结论(1) 从金相照片可以看出少数石墨较细，蠕虫状石墨形态各异，分布比较均匀，石墨弯曲程度稍小一些，抗拉强度也
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