球墨铸铁性能及生产工艺.ppt

1、球墨铸铁的特性及其应用、球墨铸铁的概念、球墨铸铁的概况球墨铸铁是指铁液在凝固过程中碳在球墨中析出的铸铁。 与灰铸铁相比，其金相组织的最大差异在于石墨形状的变化，避免了灰铸铁中尖锐石墨的存在，大大减少了石墨对金属基体的切缝作用，基本消除了板状石墨引起的应力集中现象，使金属基体的强度利用率达到7090，发挥了金属基体的性能。 球墨铸铁像钢一样，可以通过热处理和合金化等措施，进一步提高其使用性能。 例如，处理后的球墨铸铁可以得到良好的韧性，伸长率高达24，抗拉强度高达1400MPa，几乎接近钢材。 球墨铸铁与钢材相比有很多优点。 例如铸造性能好，成本较低。 随着球墨铸铁产量的增加，性能不断开发，现已

2、成功取代锻钢和铸钢的一部分，成为前景广阔的金属结构材料。 球墨铸铁的金相组织、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，哪些金相结构决定着哪些力学性能。 球墨铸铁也不例外，只靠石墨球化就能发挥金属基体的作用，大幅提高铸铁的力学性能。 只要石墨球化，进一步改变基体的性能就更有意义。 因此，球墨铸铁的金相研究是理解球墨铸铁，使用球墨铸铁的前提条件。 球墨铸铁的形成、球墨的形成经历了形核和生长两个阶段。 其中的成核是石墨的主要过程，铁液在熔炼和其后的球化、培育处理中产生大量的非金属夹杂物，初生夹杂物非常小，然后在铸造、充型、凝固过程中相互碰撞、聚合增大，上浮或下沉，成为石墨析出的核心

3、。 球状石墨核形成后，碳原子开始堆积在核基板上，石墨最终生成的形状决定受工艺条件的影响的生长方式。 因此，石墨生长过程的控制是得到球状石墨的关键。 球状石墨的形核、单一夹杂物复合夹杂物球状石墨的核、石墨形核的条件石墨的形核分均质形核和异质形核。 均质核： c的微原子团(C6)n晶胚铁液过冷度为200300异质核：形核基底的外来质点符合晶格匹配关系(不匹配度12% )的界面要求外来质点被石墨淋湿，形核物质1，石墨：未溶解石墨，添加晶体石墨，非平衡石墨2球墨铸铁的培育，球墨球墨铸铁培育的不同点提高培育衰退现象培育效果的措施a .强力培育剂b .必要的s的含量c .处理方法d .提高铸件的冷却速度，

4、球墨的生长球墨的生长条件a，极低的硫，氧含量b，反球化元素c的限制，必要的冷却速度d的保证，添加球化元素的第一组：镁铈、钙、镧、镥、钐、镝、镱、钬、铒3360 (0. 070.12 ) % w (y ) : (0. 150.2 ) %、石墨球的螺旋生长、石墨的锥顶角的关系化学成分中，对石墨生长有重要影响的是，作为使铁液过冷倾向显着变化的元素的铸铁冷却速度变化的主要原因是铸件的壁厚、铸模和铸造。 这些条件的本质是改变石墨晶体的冷却状况。 球墨铸铁的金相组织与力学性能的关系、球墨铸铁的力学性能与其金相组织密切相关。保证铸铁中石墨球化良好是熔融制造球墨铸铁的第一要求。 只要石墨球化，就能充分发挥金属

5、基体的作用，大幅提高铸铁的力学性能。 石墨球化后，只要进一步改变基体的性能就更有意义。 1、金相组织球状石墨外观接近球形，内部呈放射状，有明显的偏振效果。 石墨是由多面棱锥体的枝晶组成的多晶体，各枝晶的基底面垂直于球径，c轴呈放射状指向球心。 2、球化分级，GB94411998球墨铸铁金相检验标准将石墨大小分为六级。 球墨铸铁石墨球的大小对力学性能有很大影响，减小石墨球直径，增加石墨球每单位面积的个数，能够明显提高球墨铸铁的强度、塑性和韧性。 石墨球径的减少能够增加单位面积的球墨铸铁数量，提高耐疲劳强度，因此使石墨微细化也是提高耐疲劳强度的要求之一。 3、石墨尺寸石墨球尺寸分级(GB9441-

6、1988 )、各种基体与力学性能的关系，1、铁氧体通过GB9441-1988球墨铸铁的金相检查评价铁氧体数。 其比例在大部分视野下对照图像进行评价。 一般不检查牛眼铁素体的数量，只检查与其共存的珠光体的数量，2、珠光体在球墨铸铁中，珠光体的形态一般分为粗状珠光体、板状珠光体、细板状珠光体3个阶段。 随着珠光体的微细化，球墨铸铁的强度和硬度提高了。 基体为粒状珠体，球墨铸铁在保持一定强度的同时，具有更高的塑性。 3、奥氏体、贝氏体、马氏体是从奥氏体、上贝氏体或下贝氏体通过等温淬火加入适当元素而得到的。 4 .渗碳体渗碳体多呈针状、棒状，球墨铸铁容易使基体变脆，应避免其出现。 5、磷共晶磷共晶对球

7、墨铸铁性能的危害远大于灰铸铁中的磷共晶。 沿晶界分布的二元或三元磷共晶强烈降低球墨铸铁的韧性、塑性和强度，受到冲击时，裂纹始终沿磷共晶的边缘开始裂纹。 选择球墨铸铁的化学成分、合适的化学成分是保证球墨铸铁得到良好的金相组织和高性能的基本条件，化学成分的选择必须得到石墨球化和良好的基体，在得到满意性能的同时，使球墨铸铁具有良好的铸造性能。 一、五大元素1、碳和硅对石墨球基体的弱化作用较小，因此碳含量为3.2-3.8%时，对力学性能没有显着影响。 决定球墨铸铁的碳硅含量，主要是为了保证铸造性能，选择碳当量为共晶成分左右。 碳含量过低时铸件容易产生松弛或裂纹，碳当量过高时，容易产生石墨浮游现象，结果

8、夹杂物变多。 硅能提高石墨球的圆整度，使石墨微细化，减小晶体过冷和白口倾向。 一般认为硅含量超过2.8时，韧性降低，韧性脆性转变温度有可能上升。 因此，选择碳硅含量时，遵循高碳低硅原则，铸件在寒冷地区使用时，硅含量应适当降低。 在铁素体C:3.6-4.0% Si:2.4-2.8%珠光体C:3.4-3.8% Si:2.2-2.4%、2、锰球墨铸铁中，由于球化元素而具有较强脱硫能力的锰有严重的正偏析倾向，可能丰富地存在于共晶团界，在严重的情况下铸态铁素体Mn:0.3-0.4%珠光体球铁Mn:0.4-0.8%、3、磷在球墨铸铁中有较强的偏析倾向，增大球铁的缩松倾向，容易在晶界形成磷共晶，显着降低球铁

9、的韧性。 在寒冷地区使用的铸件，容易采用磷的下限含量。 磷含量控制在0.04-0.06%以下。 4、硫球墨铸铁硫与球化元素的化合能力强，生成硫化物或硫氧化物，消耗球化剂，球化不稳定，衰退速度快，且夹杂物数量多，铸件产生缺陷。国外一般要求铁液的硫含量低于0.02%，但由于目前焦炭含量高等溶解条件的限制，很多情况下不能达到该标准，需要进一步改善溶解条件，有条件可以进行炉外脱硫。 二、合金元素球墨铸铁的合金元素主要有钼、铜、镍、铬、锑、钒、铋等金属。 这些元素主要起到提高铸铁强度，稳定基体组织的作用。 球墨铸铁的凝固特点1、球墨铸铁的共晶温度范围宽2、球墨铸铁的膏状凝固特性3、球墨铸铁的共晶膨胀大、

10、球墨铸铁的典型缺陷1、球化不良和球化退化特征：断口银灰色、分布芝麻状黑点。 金相组织中分布着很多厚石墨。 原因：原铁液硫含量高，是过剩的反球化元素。 推荐低硫焦、脱硫处理，必要时增加球化剂稀土量，控制真空炉送风强度和材料位置。 2、收缩孔和收缩特征：收缩孔发生在最初的收缩阶段。 表面凹陷及局部热节凹陷，含气孔的暗收缩孔，内壁粗糙度。 缩径发生在第二次收缩阶段。 被枝晶分割的熔池变为真空，凝固后的孔壁粗糙，被枝晶充满的疏孔缩径。 原因：碳当量低，磷含量高，收缩孔收缩趋势增加。 对策：提高铸模刚性，如使用树脂砂，提高铁液的碳当量。 3、石墨悬浮特征：冷却过程中的过共晶铁液首先析出石墨球，悬浮聚集于

11、石墨悬浮，分布于铸件最后部位上部的冒口处。 从微观上观察了石墨球的连接呈开花状。 原因：碳当量和稀土残留量高，炉料原始尺寸大，数量大，可能增加石墨悬浮。 措施：提出C4%，控制稀土含量，注意原生铁和其他炉材的组合。 4、翻转口的特点：宏观断面是边界清晰的白亮块，呈方向性白亮针，出现在热节中心。 金相观察为过冷却密集细针状渗碳体。 原因：凝固热节中心偏析镁、稀土、锰等白口化元素，培育不足和粗大冷却速度快等。 措施：在保证球化的基础上减少残留稀土镁，防止炉料内强白口化元素，加强培育，提高小件铸件的温度。 5、焊剂的特点：在铸造位置的上面或死角，截面呈黑暗无光泽、深度不同的夹杂物，可见金相，是块状夹

12、杂物。 原因：形成一次通量的重要原因是原铁液的硫含量高，氧化严重，二次通量的主要原因是镁残留量过高，氧化膜形成温度升高。 对策：降低原铁液的硫、氧含量，保证球化时镁残留量下降，加入适量稀土降低成膜温度。 铸造系统应稳定充型，在夹渣部位设置集渣冒口。 7、应力变形和裂缝的特点：收缩应力、相变应力之和超过截面金属的断裂阻力形成裂缝，热裂呈暗褐色的不平整路口，冷裂形成淡褐色的光滑平整的断口。 原因：碳含量低、碳化物形成元素增加、生长不足、冷却过快等。 措施：适当提高碳当量、降低磷含量、加强培养等措施。 8、破碎块状石墨的特征： Ce等活性元素丰富地存在于共晶团边界，在该区域中促进过饱和析出形成蠕虫状

13、石墨，截面形态为破碎块状。 原因：冷却慢，共晶凝固时间过长导致的成分偏析和培育衰退。 对策：选用纯炉料，限制Ce等元素含量，控制低碳当量，添加Sb、y、Bi等微量元素。 探讨了薄壁铸件球墨铸铁在欧美发达国家的气门铸造技术中可以使用薄壁铸件节约资源。 薄壁铸片球墨铸铁材料是壁厚数毫米的铸件。 因为是薄壁，共晶凝固时的冷却速度极快，所以抑制白口组织的出现成为第一个问题。 分析了铸铁凝固时存在石墨共晶和渗碳体共晶两种形式。 在平衡状态图中，前者的温度比后者的高。为了避免白口的产生，应该在温度达到渗碳体共晶之前完成石墨共晶凝固过程，这就需要提高石墨共晶的凝固速度，由于球铁共晶团在一定的冷却速度下的生长

14、速度是一定的，所以要提高石墨共晶的凝固速度就必须增加共晶团数。 因此，为了防止白口，对于球墨铸铁的某种冷却速度，存在对应的临界共晶团数，即临界石墨球数。 只有石墨球的数量大于该临界数，才能避免白口的出现。 铸件越薄，冷却速度越大，需要的临界石墨球数越多。 研究发现，为了增加石墨球的数量，添加稀土类Bi十分有效。 6、皮下气孔特点：铸件表皮下23mm均匀或蜂窝状分布的球形、椭圆形或针孔状内壁为光滑气孔，直径0.5-3mm，热处理和抛光后露出，多在小件中。 原因：铁液表示形成的氧化膜阻碍气体的析出，碳化反应形成的气体、镁残留量多形成的镁蒸气、炉材的湿锈等。 对策：在球化保证条件下降低镁残留量，流畅

15、铸造铁液，抑制炉料干燥少锈，采用少氮或无氮树脂。 球墨铸铁铸件形式、1、大截面球墨铸铁2、铸件球墨铸铁材料3、薄壁球墨铸铁材料4、高强度高韧性球铁、球墨铸铁的性能、球墨铸铁的力学性能以拉伸强度和伸长率两个指标为检验依据。 在生产工艺稳定的条件下，也可以根据硬度值进行检查。 硬度与强度的对应关系考虑到球化合格、化学成分、培养稳定、铸造工艺合理，为了保证性能，用硬度检验时必须检验金相组织，其球化率不能低于4级。 即使通过硬度和球状化，由于基体中存在渗碳体、磷共晶、高硅固溶强化等，因此可能不要求强度和韧性。 因此，在生产过程不稳定的条件下，不能根据硬度值进行检查。 GB规定的球墨铸铁牌号，一、球墨铸

16、铁的力学性能，一、净荷载性能(一)硬度球墨铸铁的硬度主要取决于基体组织，并且与抗拉强度、伸长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，下贝氏体或淬火马氏体的强度最高，其次为上贝氏体、皂石、珠光体。 强度随铁素体增多而降低，伸长率增加。 奥氏体和铁素体强度低，塑性好。 2、动负荷性能(1)冲击韧性：铁氧体球墨铸铁由于硅含量的变化，贝氏体球墨铸铁由于上、下贝氏体及奥氏体数的变化，冲击韧性的变化范围宽。 j、铁氧体球墨铸铁试样的冲击吸收功温度曲线、各种基体组织球墨铸铁的常温冲击韧性、(2)疲劳强度部分球墨铸铁具有高疲劳强度，相当于45号正火钢，例如珠光体球

17、铁。 各种基体组织的球墨铸铁的弯曲疲劳强度，3，高温性能(1)硬度各种球墨铸铁在低温下有良好的硬度，但540时开始粒化，开始分解高于650，硬度开始下降，逐渐接近铁氧体球墨铸铁的硬度。 (2)高温短时间力学性能图显示球墨铸铁的抗拉强度随温度上升而降低。 在伸长率中，铁氧体先显着下降后急剧上升，珠光体逐渐下降，然后显着增加。 (3)高温蠕变和耐久强度；(4)疲劳强度；(4)低温性能随温度下降，球墨铸铁从韧性向脆性的转变逐渐发生，特别是在脆性转变温度以下，冲击值急剧下降。 同时，屈服强度提高，伸长率降低，对应力集中的感受性显着增加，屈服后的变形量小即显示断裂。 常温下塑性韧性优异的铁氧体球墨铸铁，低温下的抗拉强度提高。铁素体和珍珠岩的低温拉伸性能Si:2