资源目录
压缩包内文档预览：(预览前20页/共30页)
编号：117192960
类型：共享资源
大小：4.25MB
格式：ZIP
上传时间：2021-03-10
上传人：春***
认证信息
个人认证
张**（实名认证）
河南
IP属地：河南
20
积分
- 关 键 词：
-
合成
铸铁
熔炼
工艺
研究
- 资源描述：
-
合成铸铁熔炼及增碳工艺研究,合成,铸铁,熔炼,工艺,研究
- 内容简介：
-
题目：合成铸铁熔炼工艺及增碳技术的研究 日合成铸铁熔炼工艺及增碳技术研究摘要研究合成灰铸铁不同熔炼工艺及增碳工艺有助于材料的高强度分析，为高功率密度柴油发动机铸铁缸盖的选材提供了可靠的依据，由于灰铸铁是目前各机械行业中应用最广泛的金属结构材料，具有良好的铸造性能、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，而且成本低廉、成型简单等特点，而通过增碳工艺合成的方法可以增加灰铸铁的力学性能等特点。本课题主要研究改变不同生铁废钢比例对合成灰铸铁的力学性能、金相组织的影响和改变增碳剂的加入方法对合成灰铸铁的力学性能、金相组织的影响。通过拉伸试验测试力学性能、光学金相显微镜观察金相组织、扫描电镜观察断口形貌等多种方法,得到如下结论：改变增碳剂对灰铸铁的组织和力学性能基本上没影响；灰铸铁的力学性能随着生铁的减少废钢的增多呈现先上升后下降的趋势，灰铸铁的组织会随着生铁的减少废钢的增多会出现碳化物，出现白口组织。关键词：合成灰铸铁；灰铸铁；增碳剂；熔炼工艺Synthetic Iron Smelting Technology and Increasing Carbon Technology ResearchAbstractStudying different smelting process and increasing carbon of synthesis gray cast iron contribute to analysis high strength materials, and provide a reliable basis for selecting high power density diesel engine cast iron cylinder heads. The gray cast iron is most widely metal structural materials that in the machinery industry present, it has good casting properties, good damping resistance, good abrasion resistance, excellent cutting performance, low notch sensitivity, and low cost, and simple molding. And, it could be increase the mechanical properties of gray cast iron by increasing the synthesis of carbon method. The main subject of study is the influence of synthetic gray cast irons mechanical properties and microstructure by changing different the ratio between iron and scrap, and the influence of synthetic gray cast irons mechanical properties and microstructure by changing decarburize join method. By testing the mechanical properties of tensile test, optical microscope to observe the microstructure variety of methods, and scanning electron microscopy fracture morphology, etc. We can get the conclusion: it is basically not affected to microstructure and mechanical properties of gray cast iron by changing decarburize; Mechanical properties of gray cast iron will increase first and decline with iron reducing and scrap increasing; Organization of gray cast iron will appear carbide and white tissue with iron reducing and scrap increasingKey Words：Synthesis of gray cast iron; gray cast iron; decarburize; melting process目 录1 绪论11.1灰铸铁的发展和研究意义11.2国外研究现状11.3国内研究现状21.4铸铁21.4.1铸铁的特点21.4.2铸铁的分类21.4.3灰铸铁31.4.4灰铸铁的特点31.4.5灰铸铁的性能41.4.6灰铸铁的组织41.4.7铸铁化学成分对其组织和性能的影响41.4.8铸铁中合金元素对其组织和性能的影响51.5增碳剂51.5.1增碳剂的分类51.5.2增碳原理61.5.3增碳剂的选用61.6课题背景及主要研究内容61.6.1课题背景61.6.2主要研究内容72 实验条件及方法82.1实验原料82.2配料计算82.3造型和熔炼工艺82.3.1造型82.3.2熔炼92.4金相试样的制备93 实验结果和分析103.1改变增碳剂加入方法对灰铸铁的影响103.1.1改变增碳剂加入方法对吸收率的影响103.1.2改变增碳剂加入方法对金相组织的影响103.2不同生铁废钢比对灰铸铁金相组织的影响123.3不同生铁废钢比对灰铸铁力学性能的影响173.3.1不同生铁废钢比对灰铸铁硬度的影响173.3.2不同生铁废钢比对灰铸铁力学性能的影响173.4合成灰铸铁拉伸端口形貌的分析183.4.1宏观形貌分析183.4.2微观形貌分析184 结论20参考文献21191 绪论1.1灰铸铁的发展和研究意义由于灰铸铁作为结构材料历史悠久，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。同时，与其它合金相比具有熔点低、充型性好、加工性好、生产设施和成型过程简单以及成本低廉的优越性。所以，长期以来灰铸铁在铸铁件中所占的比重非常大。随着市场竞争的剧烈，灰铸铁作为一种传统的“量大面广”的金属结构材料，其产量占铸铁总产量80%以上，正面临着材料的质量、性能和价格的严重挑战。由于灰铸铁的强度相对较低，所以一段时间以来受到冲压件、焊接件、球墨铸铁、有色金属和塑料等材料的强有力竞争，需求量呈下降趋势1。然而，迄今为止，大型载重汽车的某些工件的选用材料仍然是灰铸铁。因此人们必须关注的是灰铸铁铸铁材质，开展对灰铸铁进一步提高强度的可能性进行研究。长期以来，对高强度灰铸铁的凝固过程、孕育变质处理和合金元素对灰铸铁组织与性能的影响已进行了大量、系统地研究。然而，研究所用的高强度灰铸铁（b300MPa) 为了保证其具有高强度，碳当量一般均在3.8%左右。而低碳当量灰铸铁的白口倾向、热裂倾向及收缩倾向比较严重，同时加工性能较差。因此，人们对高碳当量（3.9%-4.02%）灰铸铁强度的提高产生了极大的兴趣。高碳当量灰铸铁一般是指碳当量在共晶点附近的一类铸铁。此类铸铁具有良好的铸造性和减磨性,同时,与其它合金相比具有充型和加工容易、生产设施和成型过程简单以及成本低廉等优越性。对b300MPa的高碳当量、高强度灰铸铁的研究近十多年来广大铸造工作者一直关注的问题。如何发展灰铸铁的优点，改进其抗拉强度低的缺点，生产出高碳当量高强度的灰铸铁铸件，扩大其应用范围，越来越引起研究者及其生产厂家的高度重视。1.2国外研究现状在汽车、拖拉机和机械制造业生产过程中产生的返回料、废品和切屑总量达铸件总量的 1倍以上，某些产品甚至达 4-5 倍之多,充分收集和用这些废料，是国外铸造企业发展合成铸铁的原因之一。加之中频感应电炉技术的发展和广泛应用，促进了合成铸铁熔炼的推广和使用,欧美发达国家从上世纪70年代开始用，至上世纪90年代，铸造厂已基本不用生铁。1.3国内研究现状在我国,自1964年制成第一台熔炼黑色金属的1.5吨无芯工频感应炉以来,铸铁的感应熔炼二十多年来发展很快。一些大中型企业甚至完全实现了铸铁感应熔炼或冲天炉一工频炉双联熔炼。合成铸铁生产高质量铸铁件已经有了一定的成功经验。但绝大多数熔化铸铁的工频感应炉仍以消耗铸造生铁和炼钢生铁为主,许多可以在感应炉中加以利用的废料(特别是钢屑和铸铁屑)未能加以利用;现有的一些对屑料通过再加工的回收方法金属收得率相当低;对合成铸铁的生产,尤其是正确运用冶金热力学和动力学原理指导其熔炼工艺过程的重要性还未予以必要重视2。1.4铸铁 铸铁不是纯铁，它是一种以Fe、C、Si为主要成分在结晶过程中均有改进转变的多元铁基合金。铸铁的化学成分一般为：w（C）=2.5%-4.0%、w（Si）=1.0%-3.0%、w（P）=0.4%-1.5%、w（S）=0.02%-0.2%。为了提高铸铁的机械性能，通常在铸铁成分中添加少量的Cr、Ni、Cu、Mo等合金元素制成合金铸铁。 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，铸件约占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，主要由于生产简单、成本低廉，并且具有优良的铸造型、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3。1.4.1铸铁的特点 铸铁与碳钢相比较，其化学成分除了较高的碳含量、硅含量之外，还含有较高的杂质元素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的，所以铸铁的组织是由金属基体和石墨所组成。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铸铁的分类 按碳在铸铁中存在的状态及形式的不同，可将铸铁分为白口铸铁、灰口铸铁及麻口铸铁。 白口铸铁：是组织中完全没有或几乎没有石墨的一种铁碳合金，其断口呈白亮色，硬而脆，不能进行切削加工，很少在工业上直接用来制作机械零件。由于其具有很高的表面硬度和耐磨性，又称激冷铸铁或冷硬铸铁。 灰口铸铁：这种铸铁中的碳大部分或全部以自由状态的片状石墨形式存在，其断口呈暗灰色，有一定的力学性能和良好的加工切削性能，普遍应用于工业中。 麻口铸铁：这种铸铁是介于白口铸铁和灰铸铁之间的一种铸铁，其断口呈灰白相间的麻点状，性能不好，极少应用4。1.4.3灰铸铁灰铸铁是一种含碳量较高（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。灰铸铁一般以铸造回炉料和铸造生铁为主要合金原料,并加入适量废钢以降低铁液含碳量,或因特殊要求加入某些合金元素熔炼而成。但是,生铁价格持续上扬,致使铸件成本提高。近年来,早已出现废钢价格远低于新生铁的局面,于是“弃铁,用钢”配合适当铸铁回炉料,通过炉内增碳和炉外孕育处理相结合生产合成铸铁的冶炼技术应运而生。实践表明,采用合成铸铁的生产工艺与用生铁熔炼的铸件相比,不仅降低成本,并且可以获得更好的力学性能。1.4.4灰铸铁的特点 灰铸铁是指具有片状石墨的铸铁，主要成分是铁、碳、硅、锰、硫、磷，是应用最广的铸铁，其产量占铸铁总产量80%以上。按基体组织的不同灰铸铁分为三类：铁素体基体灰铸铁；珠光体一铁素体基体灰铸铁；珠光体基体灰铸铁。铁素体灰铸铁是在铁素体的基体上分布着多而粗大的石墨片，其强度、硬度差，很少应用；珠光体灰铸铁是在珠光体的基体上分布着均匀、细小的石墨片，其强度、硬度相对较高，常用于制造床身、机体等重要件；珠光体铁素体灰铸铁是在珠光体和铁素体混合的基体上，分布着较为粗大的石墨片，此种铸铁的强度、硬度尽管比前者低，但仍可满足一般机体要求，其铸造性、减震性均佳，且便于熔炼，是应用最广的灰铸铁。灰铸铁显微组织的不同，实质上是碳在铸铁中存在形式的不同。灰铸铁中的碳有化合碳（Fe3C)和石墨碳所组成。化合碳为0.8%时，属珠光体灰铸铁；化合碳小于0.8%时，属珠光体铁素体灰铸铁；全部碳都以石墨状态存在时，则为铁素体灰铸铁。1.4.5灰铸铁的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。故工业上较多使用的是珠光体基体的灰铸铁。灰铸铁还有良好的铸造性能、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5。1.4.6灰铸铁的组织灰铸铁的金相组织由金属基体和片状石墨所组成。主要的基体形式有珠光体、铁素体、珠光体-铁素体，其它基体还有托氏体、贝氏体、马氏体基体组织。1.4.7铸铁化学成分对其组织和性能的影响灰铸铁的化学合成呢过分很复杂的，在铸铁中除铁以外，主要元素有碳、硅、锰、磷、硫等五种，其它还有随炉料和熔炼过程中进入铸铁内的许多微量元素和各种杂质，以及有时为了使铸铁获得某些特殊性能而加入的一些合金元素如铬、铜、钼、镍、钒等。所有这些元素都对铸铁的结晶组织和力学性能有着很大的影响。碳（C）和硅（Si）：碳和硅是灰铸铁中最主要的两个元素，它们对铸铁的组织与性能起着决定性作用。碳在铸铁中是促进石墨化的元素。增加含碳量，可使铸铁的石墨化程度增加，形成石墨的碳量增加，石墨也变得粗大，基体中珠光体数量减少，铁素体增加。适当降低含碳量，可以提高铸铁的强度。硅作为孕育剂，会强烈促进石墨化，石墨化效果比原铁水中的硅大得多，硅可以促进结晶核心形成和石墨化，并减少白口倾向。总之，碳、硅都是促进石墨化的重要元素，它们对铸铁的组织和性能有着决定性的影响。提高铸铁的含碳量，可使石墨数量增多，石墨粗大，共晶团颗粒增大。降低含碳量，可减少石墨的数量，使石墨细化。碳和硅也促进共析石墨化，珠光体减少，铁素体增加。锰（Mn）和硫(S)：锰和硫均可稳定碳化物，阻碍石墨化。锰在铸铁中是作为有益合金元素加入的。因一般铸铁中皆含有硫，故锰的作用首先表现在抵消硫的有害作用上。锰和硫之间有比较大的亲和力,可发生以下反应：M n+ S=M n SM n+ F e S=M n S+ F e硫化锰的熔点为（161010），高于一般冲天炉铁液的温度，所以在铁液中多呈固体质点存在。因其密度小能从铁液中浮出，或呈颗粒状杂物存留在铸铁中，故可大大减弱硫的有害影响。硫在铸铁中因能增强Fe-C原子间的结合力，所以促使铸铁按介稳定系统进行结晶，能较强烈的阻碍石墨化。特别当冷却速度较高，碳硅量较低时，硫阻碍石墨化的作用就更显著，铸铁白口化的倾向越大。磷（P）：磷完全溶于铁水。结晶时，磷使共晶点左移，形成磷共晶，是铸铁耐磨性提高，脆性增加6。1.4.8铸铁中合金元素对其组织和性能的影响第一组如镍、铜、钴、铝等元素，一般都有促进一次结晶石墨化的作用。在这些合金元素中，如镍、铜等又能阻碍珠光体分解，稳定珠光体，因此可使珠光体数量增多和细化强化铸铁基体，在铸铁中既能提高强度和硬度，又能防止白口的产生。第二组如铬、钼、钒等都以渗碳体为基础形成固溶体，也可以形成一些特殊的碳化物。因为这些合金元素能增强铁和碳的结合力，故强烈的阻碍石墨化。 第三组如钛等元素在铸铁中多形成特殊碳化物，如Ti C等。钛在灰铸铁中一般加入量很小，它有轻微促进石墨化的作用，有的资料中指出，钛可促使高碳硅铸铁中粗大片状石墨细化，因而有利于提高铸铁的强度。因它还能提高铸铁的耐磨性，所以可用于有润滑下的耐磨铸铁。1.5增碳剂1.5.1增碳剂的分类根据增碳剂中碳的晶体结构，增碳剂可分为非晶体态和晶体态，根据碳在增碳剂中的存在形态，分为石墨增碳剂和非石墨增碳剂。石墨增碳剂主要有废石墨电极、石墨电极边角料及碎屑、天然石墨压粒、微晶石墨等；此外，碳化硅（Si C）具有和石墨相似的六方结构，也被列为石墨增碳剂的一种特殊形态；非石墨增碳剂主要有沥青焦、煅烧石油焦、焦炭压粒、煅烧无烟煤等，铸铁常用的增碳剂主要以晶体态的石墨增碳剂为主。1.5.2增碳原理合成铸铁熔炼过程中，由于废钢加入量大，铁液中w（C）量底，必须采用增碳剂增碳。增碳剂中的C主要通过溶解和扩散两种方式溶入铁液。当铁液中的w（C）在2.1%是，石墨增碳剂中的的石墨可在铁液中直接溶解；而非石墨增碳剂直溶现象基本不存在，只是随着时间的推移，C在铁液中逐渐地扩散溶解。对于电炉熔炼合成铸铁，采用晶体石墨增碳剂的增碳速度显著高于非石墨增碳剂。C在铁液中的溶解受到固体粒子表面液体边界层的C 传质的控制。用焦炭和煤颗粒所得的结果与用石墨所得的结果对比，发现石墨增C在铁液中的扩散溶解速度明显快于焦炭和煤颗粒一类的增碳。用电子显微镜观察了部分溶解的焦炭和煤颗粒样品，发现在样品表面形成了一层很薄的粘性灰层，这是影响其在铁液中扩散溶解性能的主要原因7。1.5.3增碳剂的选用（1）固定碳和灰分的含量固定碳和灰分是增碳剂中此消彼长的两个对立参数，也是影响增碳效率的两个最重要的参数。增碳剂中的固定碳含量高、灰分低，则增碳效率高；反之则增碳效率低。由于生产条件下的影响因素很多，很难严格评定两参数各自对增碳效率的影响。灰分高，对增碳有抑制作用，而且还会使炉渣量增多，从而延长作业时间，增加电耗，增加冶炼过程中的劳动量。采用熔沟式感应电炉，如增碳剂加入炉内，尤其应选用低灰分的品种，以免熔沟中聚集氧化物而影响电效率。从增碳效率考虑，当然希望增碳剂的固定碳含量高一些、灰分低一些，但同时也要考虑生产成本的因素和对铁液质量的影响。（2）增碳剂的加入方式 增碳剂在装料时加入炉内:装料时将增碳剂与炉料混匀，置于感应电炉的底层和中部，增碳效率较高。出铁时加增碳剂:出铁时在包内加增碳剂，增碳效率比加入炉内者低得多。1.6课题背景及主要研究内容1.6.1课题背景随着现代新型车用柴油发动机功率密度（ KW/ 排量L）的提高，导致了发动机机体、缸盖等关键零部件机械负荷和热负荷的增加，因而对它们的强度、刚度、耐热性能、抗疲劳性能及工艺性能等提出了更为苛刻的要求。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。高功率密度柴油发动机缸盖进气口和排气口，工作时要承受着很高的温度，进气口温度可以达到200300 ,排气口的温度则可达400500 ，同时在高温燃气的环境中承受着气门高频率的反复冲击。因而热疲劳断裂是造成缸盖失效的主要原因。深入研究不同成分的合金铸铁和合金蠕墨铸铁的室温、高温力学性能（高温强度、持久强度极限）及强度比，不仅有助于材料的热疲劳性能分析，而且对高功率密度柴油发动机铸铁缸盖的选材提供了可靠的依据8。1.6.2主要研究内容 （1） 研究不同生铁废钢比例对灰铸铁组织和性能的影响。 （2） 研究不同增碳剂比例对灰铸铁组织和性能的影响。 （3） 进行扫描电镜下的断口分析。 2 实验条件及方法2.1实验原料本实验的目标成分为w（c）=3.5%，w（Si）=1.25%，w（Cu）=0.05%，w（Mo）=0.3%，w（S n）=0.095%，w（M n）=0.6%，w（V）=0.65%，通过补硅和孕育剂来补充硅的不足，通过增碳剂来补充碳的不足，通过加入锰铁、钼铁、钒铁来加入合金元素锰、钼、钒，还加入一定量铜和硒。本实验原料详见表2.1。表 2.1 实验原料序号名称CSiM nMoVS nCu1生铁4.130.890.152废钢0.450.300.53补硅754孕育剂755增碳剂1006Mn-Fe0.87Mo-Fe558V-Fe609Sn10010Cu1002.2配料计算本实验的目标成分为w（c）=3.5%，w（Si）=1.25%，w（Cu）=0.05%，w（Mo）=0.3%，w（S n）=0.095%，w（M n）=0.6%，w（V）=0.65%。通过改变生铁废钢的比例、增碳剂的加入方法来探讨对灰铸铁的性能和金相组织的影响。2.3造型和熔炼工艺2.3.1造型把膨润土、细沙、水按一定的比例加入到碾轮式混沙机中混合均匀，达到一定的湿度和粘度，采用六箱造型，使用三根25mm的圆柱棒作为模型，其试样高度大约为300mm左右，如图2.3.1。图2.3.1圆棒试样2.3.2熔炼 熔炼在10kg 中频感应电炉中进行，孕育处理采用包底冲入法，采用75SiFe 作为孕育剂，实验过程中每炉次孕育剂的加入量保持不变，其孕育剂的加入量为0.4%，孕育处理温度在 14701480之间，浇注温度为13201340。为了达到良好的孕育效果，配料时将孕育剂处理成直径3-8mm的颗粒。增碳剂选用石墨，石墨颗粒为3-5mm。熔炼时，加入生铁废钢，加入增碳剂和孕育剂。实验所用热分析设备为天津撒布朗斯探测仪器有限公司开发的TSP-3610 数据采集仪，热分析样杯为树脂砂制成，壁厚5mm。样杯中心安放直径为0.5mm 的K 型热电偶。出铁时，通过浇包把铁液浇到浇杯中，通过数据采集仪，测量灰铸铁的碳当量、碳含量、硅含量等数据。2.4金相试样的制备金相试样的制备：把浇铸好的并冷却完全的铸件加工出一小块厚度为10mm左右的试样，现在砂轮机上进行粗打磨，然后在砂纸上打磨，砂纸从粗到细，磨过之后，再降试样在抛光机上抛光，为了达到良好的抛光效果，可以在试样上抹点抛光膏进行抛光，抛光完成后，用酒精进行清洗，并吹干。把试样放到金相显微镜上进行观察，观察金相组织形貌并分析。然后经4%硝酸酒精溶液浸蚀5-8s后检验基体组织，在100倍金相显微镜下观察。把每一组的铸件用锯床锯出3根厚度为150mm、一根30mm的圆棒，用砂轮机把外表面、端面打磨光滑。其中三根厚度为150mm的圆柱棒加工成长度为100mm、直径为10mm的拉伸试棒，进行拉伸试验，测量其抗拉强度、屈服强度、最大力、延伸率等；30mm的圆柱棒把端面磨平，然后用作打硬度。3 实验结果和分析3.1改变增碳剂加入方法对灰铸铁的影响3.1.1改变增碳剂加入方法对吸收率的影响 为了研究探讨增碳剂加入方法对增碳剂吸收率的影响，实验过程中保证增碳剂总碳量、生铁废钢比例不变，生铁废钢比例为50%/50%。分别进行熔炼时加入95%增碳剂出铁时加入5%、熔炼时加入90%出铁时加入10%增碳剂、熔炼时加入85%出铁时加入15%增碳剂等三组实验来测定碳当量、碳含量、硅含量等实验数据，见表3.1.1。3.1.1增碳剂不同加入方法铁水成分的测定熔炼时出铁时w（C）W（Si）CE吸收率95%5%3.74%0.82%3.9798.99%90%10%3.75%0.52%3.8395.20%85%15%3.83%0.53%3.9495.03% 表3.1.1是增碳剂不同加入方法铁水成分的测定，从中可以看出，当改变增碳剂的加入方法时，碳含量基本不变，在3.74%-3.83%之间；硅含量在熔炼时增碳剂加入量为95%出铁时加入量为5%最大，达到0.82%，其他两组相差不大；碳当量在熔炼时增碳剂加入量为95%出铁时加入量为5%最大，达到3.97，熔炼时增碳剂加入量为90%出铁时加入量为10%最小，为3.83；改变增碳剂的加入方法，吸收率都达到95%以上，其中，在熔炼时增碳剂加入量为95%出铁时加入量为5%最大，达到99%。3.1.2改变增碳剂加入方法对金相组织的影响 为了研究探讨增碳剂加入方法对灰铸铁金相组织的的影响，实验过程中保证增碳剂总碳量、生铁废钢比例不变，生铁废钢比例为50%/50%。分别进行熔炼时加入95%增碳剂出铁时加入5%、熔炼时加入90%出铁时加入10%增碳剂、熔炼时加入85%出铁时加入15%增碳剂等三组实验，通过金相显微镜观察其金相试样未腐蚀在100倍、通过4%硝酸酒精腐蚀以后在100倍500倍下观察金相组织。如图3.1.2-图3.1.4。 (a)熔炼时增碳剂加入量为95% (b)熔炼时增碳剂加入量为90%(c)熔炼时增碳剂加入量为85%图3.1.2 不同增碳剂方法在100下倍未腐蚀的金相组织图3.1.2是不同增碳剂方法在100下倍未腐蚀的金相组织，从图中可以看出石墨变得越来越细小，越来越短，分布也越来与不均匀。（a）熔炼时增碳剂加入量为95% (b)熔炼时增碳剂加入量为90% （c）熔炼时增碳剂加入量为85%图3.1.3 不同增碳剂加入方法用4%硝酸酒精腐蚀后放大100倍的金相组织图3.1.3是不同增碳剂加入方法用4%硝酸酒精腐蚀后放大100倍的金相组织，从图中可以看出铁素体和珠光体均匀分布，随着增碳剂的改变没有多大改变。3.1.3改变增碳剂加入方法对力学性能的影响 为了研究探讨增碳剂加入方法对增碳剂吸收率的影响，实验过程中保证增碳剂总碳量、生铁废钢比例不变，生铁废钢比例为50%/50%。分别进行熔炼时加入95%增碳剂出铁时加入5%、熔炼时加入90%出铁时加入10%增碳剂、熔炼时加入85%出铁时加入15%增碳剂等三组实验。并且，对这三组实验的铸件进行加工成拉伸试棒，进行拉伸试验，所测得的力学性能详见表3.1.3。表3.1.3增碳剂不同加入方法的力学性能测定熔炼时出铁时硬度（HBW）最大力Fm（N）抗拉强度Rm（N/mm）屈服强度Re（N/mm）延伸率（%）95%5%211.919879.900248.333118.6670.5190%10%206.319691.100246.667204.6670.0285%15%219.420782.100265.000243.3330.11表3.1.3是增碳剂不同加入方法的力学性能的测定，从表中可以看出，改变增碳剂的改变方法，对灰铸铁的力学性能影响不大，布氏硬度在200-220HBW之间，抗拉强度在240-260 N/mm之间，延伸率最大的是熔炼时加入的增碳剂为95%出铁时为5%的这组，达到0.51%。3.2不同生铁废钢比对灰铸铁金相组织的影响 为了研究探讨在铸铁熔炼时所加入的生铁废钢比例不同对灰铸铁金相组织和力学性能的影响，本课题设计了熔炼时生铁加入量为75%废钢加入量为25%、生铁加入量为60%废钢加入量为40%、生铁加入量为50%废钢加入量为50%、生铁加入量为40%废钢加入量为60%、生铁加入量为30%废钢加入量为70%等五组实验，并通过金相显微镜观察其未腐蚀金相试样在100倍下、通过4%硝酸酒精腐蚀后的金相试样在100倍下和500倍下的金相组织形貌。通过生铁的减少、废钢的增加，含碳量就会减少，这时，就要增加增碳剂，通过改变增碳剂的量达到一定的强度和硬度。而废钢中含有许多合金元素，就有利于提高铸件的综合力学性能。下图是铸件未腐蚀之前和腐蚀之后的金相组织形貌图，通过观察其中石墨形态、大小、数量和弯曲程度以及碳化物多少进行比较，从而得到比较优良的综合力学性能的铸件。（a）生铁为75%废钢为25% （b）生铁为60%废钢为40%（c）生铁为50%废钢为50% （d）生铁为40%废钢为60% （e）生铁为30%废钢为70%图3.2.1 不同生铁废钢未腐蚀在100倍下的金相组织 图3.2.1是不同生铁废钢未腐蚀在100倍下的金相组织，从图中可以看出前四张图石墨越来越细小，也越来越弯曲，组织良好。石墨作为夹杂分布在基体组织中，石墨形态对灰铸铁的抗拉强度有很大的影响。石墨越弯曲，抗拉强度越好，其力学性能也越好。石墨端部角度越钝，石墨端部越圆润，抗拉强度越好，其力学性能也越好。而第五组石墨都聚在一起，产生白口。产生白口组织的条件，主要有以下三项:a. 冷却速率很高。发生共晶反应以前，铁水就冷却到铁-渗碳体共晶温度以下。造成冷却速率过高的工艺因素有：1)孕育不良：孕育剂不足、孕育效果不好（孕育处理时，铁水处理温度不合理）。由于孕育效果常常造成合金组织有偏析的现象。2)铸件壁薄：由于铸件薄壁处、尖角处冷却速度快，铁水在渗碳体析出阶段凝固，造成白口组织。3)浇注温度太低：在凝固以前加热型腔的作用差，铸件与铸型间的温差大造成激冷。4)铸型的导热能力强：由于铸型大热能力强，使铁水表面快速冷却而造成激冷。b. 铸铁的碳当量太低。凝固过程中析出的初生奥氏体枝晶多，剩下的共晶成分的液相不多，发生共晶反应时，释放的热量不足以使温度升高到铁-渗碳体温度以上。c. 合金元素的影响，大多数合金元素都会影响共晶碳含量，使碳当量改变，从而促使白口。此外，合金元素还会改变共晶温度，影响铁-石墨系和铁-渗碳体系共晶温度之间的间隔。一些渗碳体稳定元素（如C v、V和Ti），在降低铁-石墨共晶温度的同时又提高铁-渗碳体共晶温度，铁水当然就容易过冷到铁-渗碳体共晶温度以下。还有一些合金元素（如M n和M o等），既降低铁-石墨共晶温度，又降低铁-渗碳体共晶温度，对白口倾向相对就没有明显的影响13-17。 图 3.2.2 白口铸铁凝固曲线（a）生铁为75%废钢为25% （b）生铁为60%废钢为40%（c）生铁为50%废钢为50% （d）生铁为40%废钢为60%（e）生铁为30%废钢为70%图3.2.3 通过4%硝酸酒精腐蚀在100倍下的金相组织图3.2.3是通过硝酸酒精腐蚀在100倍下的金相组织，参照GB/T 72162009灰铸铁金相检验标准中珠光体数量评级部分进行基体分级评定；其中石墨周围的白色部分为铁素体F，灰色及深灰色的成片区域为珠光体P，铁素体的强度、硬度不高、但具有良好的塑性和韧性。而珠光体是铁素体与渗碳体的混合物，力学性能介于铁素体和渗碳体之间，强度较高，硬度适中，塑性和韧性较好。从图中能够观察到基体主要为珠光体和铁素体，参照GB/T 72162009灰铸铁铁金相检验标准图中珠光体的量大都在75%以上。Cu和Cr都具有稳定珠光体的作用，Cr和Mo除了能提高灰铸铁中珠光体的百分率外，还可提高灰铸铁的抗热疲劳性能，Ni有稳定奥氏体降白口倾向的作用。其中生铁为30%废钢为70%时的基体组织，白色为碳化物18-20。（a）生铁为75%废钢为25% （b）生铁为60%废钢为40%（c）生铁为50%废钢为50% （d）生铁为40%废钢为60%（e）生铁为30%废钢为70%图3.2.4 通过4%硝酸酒精腐蚀后在500倍下的金相组织图3.2.4是通过4%硝酸酒精腐蚀后在500倍下的金相组织，从图中可以看出大部分珠光体中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。3.3不同生铁废钢比对灰铸铁力学性能的影响3.3.1不同生铁废钢比对灰铸铁硬度的影响 为了研究探讨在铸铁熔炼时所加入的生铁废钢比例不同对灰铸铁金相组织和力学性能的影响，本课题设计了熔炼时生铁加入量为75%废钢加入量为25%、生铁加入量为60%废钢加入量为40%、生铁加入量为50%废钢加入量为50%、生铁加入量为40%废钢加入量为60%、生铁加入量为30%废钢加入量为70%等五组实验，并将其用作打硬度的试样进行打硬度，硬度如表3.3.1。表3.3.1不同生铁废钢比的灰铸铁的硬度生铁废钢比75%/25%60%/40%50%/50%40%/60%30%/70%硬度210.5224.6211.9205.2315.1表3.3.1是不同生铁废钢比的灰铸铁的硬度，从表中可以看出，随着生铁减少、废钢增加，灰铸铁的硬度变化不大，都在200-220HBW，除了生铁为30%、废钢为70%的这一组，这组硬度很大，达到315HBW左右，这是因为这组灰铸铁出现白口组织，从而造成硬度大，脆性也大21。3.3.2不同生铁废钢比对灰铸铁力学性能的影响 为了研究探讨在铸铁熔炼时所加入的生铁废钢比例不同对灰铸铁金相组织和力学性能的影响，本课题设计了熔炼时生铁加入量为75%废钢加入量为25%、生铁加入量为60%废钢加入量为40%、生铁加入量为50%废钢加入量为50%、生铁加入量为40%废钢加入量为60%、生铁加入量为30%废钢加入量为70%等五组实验，并将其铸件加工成拉伸试棒，进行拉伸试验，测其力学性能，如表3.3.2。表3.3.2不同生铁废钢比对灰铸铁抗拉强度、拉伸最大力、屈服强度的测定生铁废钢最大力Fm（N）抗拉强度Rm（N/mm）屈服强度Re（N/mm）延伸率（%）75%25%18433.900235.000130.0000.9260%40%17365.800217.333172.5000.3650%50%17879.900248.333118.6670.5140%60%17152.100216.000136.0000.6430%70%16466.800211.000199.0000.75表3.3.2是不同生铁废钢对灰铸铁抗拉强度、拉伸最大力、屈服强度的测定，从表中可以看出，随着生铁的减少、废钢的增加，灰铸铁力学性能整体变化不大，其中生铁/废钢为50%/50%的力学性能比较好，抗拉强度达到250 N/mm左右，而延伸率只有0.51。3.4合成灰铸铁拉伸端口形貌的分析3.4.1宏观形貌分析3.4.1拉伸试棒断口宏观图图3.4.1是拉伸试棒端口宏观图，从图中看出断口呈暗灰色，有粒状亮点。全部断口均较平坦，边缘稍有起伏，看不到钢拉伸断口三个区域(即纤维区、放射区、剪切唇)，没有明显的缩颈现象，且断面收缩率小于5%，根据断裂前塑性变形大小分类，该断裂属脆性断裂。3.4.2微观形貌分析图3.4.2 拉伸断口在扫描电镜下的微观形貌图3.4.2是拉伸断口在扫描电镜下的微观形貌，从图中可以看出，大部分断口都被花朵状或不规则的石墨覆盖，基体占的比例很小，而且石墨片较大，这也就是导致抗拉强度低的原因之一22。大多铸铁的断裂是由于石墨解理或石墨与基体界面分离造成。石墨周围分布的韧窝带，又密，又小，又浅。这说明在断裂过程中石墨周围的基体发生小量的塑性变形，有夹杂物的地方会形成等轴韧窝，这是由于夹杂物阻碍基体滑移导致的。铁素体本身塑形好，在应力作用下变形较大，易与石墨脱离，在石墨与基体间会形成微小的缝隙或孔洞，这些解理裂纹源在三维应力作用下，能够承载的拉应力增大，因此不是直接的裂纹源。灰铸铁断裂时，在粗大的垂直于拉应力的石墨片附近基体中，由于石墨割裂集体从而导致应力集中形成裂纹，随着外应力增大，裂纹沿石墨向基体扩展，扩展的裂纹相互连接，最终导致断裂23。4 结论（1）在改变增碳剂的加入方法时，对灰铸铁的组织和力学性能没有很大影响，同在生铁为50%废钢为50%时，熔炼时增碳剂加入量为95%出铁时加入量为5%为最好。（2）通过改变生铁废钢的不同比例，发现随着生铁的减少，废钢加入量的增多，金相组织上，石墨是变得越来越细小和弯曲，而当生铁为30%废钢为70%时，出现白口组织，这时，基体组织中包含大量碳化物。（3）通过改变生铁废钢的不同比例，发现随着生铁的减少，废钢加入量的增多，硬度都在HB200-220 w5/750左右，而当生铁为30%废钢为70%时，硬度达到315左右，这时出现白口组织，硬度高，脆性大。（4）通过改变生铁废钢的不同比例，发现随着生铁的减少，废钢加入量的增多，整体趋势呈现先上升后下降的趋势，当生铁为50%废钢为50%为最好，抗拉强度达到250 N/mm左右。参考文献1 刘文今,黄蕙松.合成铸铁熔炼的若干问题J.铸造技术,2007,4:39-40.2 金永锡.推广合成铸铁应用的若干工艺技术问题J.现代铸铁,2009,5:15-16.3 中国机械工程学会铸造分会.铸造手册.铸铁M.北京:机械工业出版社,2008:246.4 李传试.铸铁和铸钢中的碳J.现代铸铁2009,(4):61-67.5 邓宏运,曹瑜强.2008年中国铸造活动周论文集C.沈阳;中国铸造学会,2008:162-19.6 邓宏运,曹瑜强.采用电炉合成铸铁技术提高铸造厂J.世界铸造报,2009,(5):17-19.7 王顺安,邹荣建.合成铸铁的生产及应用J.铸造技术,2010,31(8):1090-1091.8 中国机械工程学会铸造分会.铸造手册第一卷.铸铁M.北京:机械工业出版社,2007:1.9 逢伟.HT300高强度缸体缸盖材料熔炼技术研究J.现代铸铁,2007,(6):13-18.10 星山康洋,林尤栋,三宅秀和等.增碳铸铁溶液的特性与凝固行为J.铸造技术,2007,(7):895-898.11 王顺安.合成铸铁熔炼及增碳剂吸收率影响因素J.现代铸铁,2010,(5):52-55.12 Lavaca, Lionel. Aliment oucarburant J.Bulletined Agricultures, 2008,91(6):18-19.13 K.-T. Rye. Optimization and control of plasma carburizing by means ofopticalemissionspectroscopy J.Surface Coatings Technology, 1998, 98(1).14 Philippe Jacque. A novel technique to mo
- 温馨提示:
1: 本站所有资源如无特殊说明，都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
2: 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等，如果需要附件，请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
3.本站RAR压缩包中若带图纸，网页内容里面会有图纸预览，若没有图纸预览就没有图纸。
4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
5. 人人文库网仅提供信息存储空间，仅对用户上传内容的表现方式做保护处理，对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑，并不能对任何下载内容负责。
6. 下载文件中如有侵权或不适当内容，请与我们联系，我们立即纠正。
7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
人人文库网所有资源均是用户自行上传分享，仅供网友学习交流，未经上传用户书面授权，请勿作他用。
川公网安备: 51019002004831号