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    灰鑄鐵應用與發展的一些動向你了解嗎?


     

    灰鑄鐵是歷史悠久的鑄造合金。人類掌握灰鑄鐵件的生產技術,就是文明發展過程中“鐵器時代”的開始,迄今已將近三千年了。正是由于灰鑄鐵件生產技術的應用和發展,才出現了蒸汽機和多種產業機械,從而推動了產業革命。

    特別應該提到的是:世界上最早掌握鑄鐵技術的是我們中國人,西方進入鐵器時代大約比我們晚兩千年左右,是在元代進軍歐洲時,由我國的隨軍工匠傳授給他們的。

    業革命以后,隨著科學技術的發展,球墨鑄鐵于上世紀40年代問世,各種高性能的鑄造合金也不斷開發和推廣應用,近30年來,球墨鑄鐵件和各種輕合金鑄件的應用發展很快,但是,由于灰鑄鐵具有多種優越的性能,在當前的經濟發展中,仍然是重要的鑄造合金,其影響面很廣。迄今為止,灰鑄鐵仍然還是用量最大的鑄造合金。

    2013年,世界鑄件產量創歷史新高,達10,323.0t,其中:灰鑄鐵件的產量為4,782.2t,占各類鑄件總產量的46.3%,穩居首位;產量占第二位的是球墨鑄鐵件,為2,505.8t,只是灰鑄鐵件產量的52.4%。

    根據發布各類鑄件產量的26個國家提供的統計數據,20102013年,世界各類鑄件的總產量及其中灰鑄鐵件和球墨鑄鐵件的產量見表1。 

    1    20102013年世界各類鑄件的總產量及灰鑄鐵件和球墨鑄鐵件的產量

    年度

    世界鑄件總

    產量(萬t

    灰鑄鐵件產量及其在總產量中所占的比

    球墨鑄鐵件產量及其在總產量中所占的比

    產量      (萬t

    占比      (%)

    產量        (萬t

    占比      (%)

    2010

    9,167.4

    4,325.8

    47.2

    2,345.2

    25.6

    2011

    9,859.3

    4,587.0

    46.5

    2,478.3

    25.1

    2012

    10,083.5

    4,599.6

    45.6

    2,516.7

    25.0

    2013

    10,323.0

    4,782.2

    46.3

    2,505.8

    24.3


    目前,歐洲有一些國家球墨鑄鐵件的產量略大于灰鑄鐵件的產量,如法國、英國、丹麥、挪威、奧地利、西班牙、葡萄牙和瑞士等。但是,鑄件產量最多的5國中,只有美國的球墨鑄鐵件產量略高于灰鑄鐵件,其它各國產量居首位的都是灰鑄鐵件,參見表2。 

    2   鑄件產量居前五位各國的鑄件總產量、灰鑄鐵件和球墨鑄鐵件產量

    年度

     

    中國

    美國

    印度

    德國

    日本

    2010

    鑄件總產量(萬t

    3960.0

    823.8

    905.2

    479.4

    475.8

    灰鑄鐵件產量(萬t/占比(%)

    1900.0 /48.0

    263.3 / 32.0

    618.0 / 68.3

    218.5 / 45.6

    215.8 / 45.4

    球墨鑄鐵件產量(萬t/占比(%)

    1050.0 /26.5

    275.3 / 33.4

    105.3 / 11.6

    148.7 / 30.9

    135.1 / 28.4

    2011

    鑄件總產量(萬t

    4126.0

    1000.8

    999.4

    546.7

    547.4

    灰鑄鐵件產量(萬t/占比(%)

    1968.0 /47.7

    296.2 / 29.6

    679.8 / 68.0

    254.1 / 46.5

    219.0 / 40.0

    球墨鑄鐵件產量(萬t/占比(%)

    1037.5 /25.1

    384.1 / 38.4

    109.0 / 11.0

    169.8 / 31.1

    163.5 / 29.9

    2012

    鑄件總產量(萬t

    4250.0

    1282.5

    934.4

    521.4

    534.3

    灰鑄鐵件產量(萬t/占比(%)

    2010.0 /47.3

    429.6 / 33.5

    625.4 /66.9

    239.3 / 45.9

    220.9 / 41.3

    球墨鑄鐵件產量(萬t/占比(%)

    1090.0 /25.6

    448.0 / 35.0

    98.1 / 10.5

    164.2 / 31.5

    137.8 / 25.8

    2013

    鑄件總產量(萬t

    4450.0

    1225.0

    981.0

    518.7

    553.8

    灰鑄鐵件產量(萬t/占比(%)

    2055.0 /46.1

    408.3 / 33.3

    670.0 / 68.3

    238.1 / 45.9

    213.6 / 38.6

    球墨鑄鐵件產量(萬t/占比(%)

    1160.0 /26.1

    425.2 / 34.7

    100.0 / 10.2

    154.2 / 29.7

    168.3 / 34.4

     正是由于灰鑄鐵的用量很大、應用面很廣,而且還是最便宜的鑄造合金,大家對它已經習以為常,一般都視之為最普通、最簡單的事物,有的人甚至對其有些不屑一顧。

    實際上,雖然人類與灰鑄鐵件打交道已經三千年多了,但是,迄今為止,我們對它的認識仍然十分膚淺,灰鑄鐵潛在的功能遠沒有充分發揮,研究、開發的空間仍然廣闊。

    為了適應各行業持續發展的需求,進一步加強對灰鑄鐵的研究,從而在材質和熔煉工藝方面不斷有所創新,是鑄造行業必須面對的重要課題。

    近二、三十年,各工業國家都很重視灰鑄鐵方面的研究和創新,從而,在其應用方面出現了一些令人振奮的新動向。

    一、汽車行業中灰鑄鐵件應用的可喜動向

    汽車行業中,灰鑄鐵件的應用很廣,除制動鼓、制動盤等要求熱導率高的鑄件是傳統的灰鑄鐵件外,由于灰鑄鐵在鑄造性能、耐磨性、減震性能等方面的優點,二、三十年以前,在內燃機缸體、缸蓋方面,灰鑄鐵一直都是占主導地位的材質。但是,自上世紀80年代中期以后,出于輕量化的考慮,汽車設計方面,汽油機缸體、缸蓋的材質開始出現了用鋁合金代替灰鑄鐵的趨向。

    80年代末期,歐洲缸體、缸蓋鑄件采用鋁合金材質者大約還只占10%左右,到2007年,十多年時間內,即快速增長到占50%左右,大有很快就全部取代灰鑄鐵的勢頭。

    但是,從2007年開始,情況有了很值得關注的變化:20072009年間,歐洲用這兩種材質制造的缸體、缸蓋,用量大體上保持穩定、平衡的態勢;而且,從2010年起,進一步出現了逆轉的態勢,鋁合金缸體、缸蓋的用量緩慢下降,與之相應,灰鑄鐵缸體、缸蓋的用量呈現了逐漸增長的態勢。近二、三十年來,這種情況是頗為罕見的,其主要原因是:

    1、隨著對燃料利用率和廢氣排放的要求日益嚴格,內燃機廢氣排放的溫度不斷提高,鋁合金高溫力學性能方面的弱勢日益顯現;

    2、冶煉鋁的能耗很大,煉制1t鋁需耗能45,000 kWh左右,大約是煉制1t生鐵的10倍。用鋁合金鑄件代替灰鑄鐵件,雖然實現了輕量化,但大幅度增加了產品的總體能耗;

    3、比之灰鑄鐵件,鋁合金鑄件的生產成本明顯較高。

    灰鑄鐵的主要弱項是強度較低,為了增強灰鑄鐵在競爭中的優勢,必須在不過多提高生產成本的條件下改善其力學性能。如果能做到這一點,不僅在汽油機缸體、缸蓋方面比鋁合金更具競爭能力,在高功率柴油機缸體、缸蓋方面也可以與蠕墨鑄鐵一爭高下。

    要想在不過多提高生產成本的條件下改善灰鑄鐵的力學性能,關鍵在于發掘傳統灰鑄鐵的潛在功能,為此,必須對灰鑄鐵的凝固過程有更為深入的認識,包括初生奧氏體枝晶的析出、石墨的生核、共晶轉變、殘留易熔相的凝固及其影響、前期的預處理、孕育處理、合金元素的合理應用等許多方面的問題。目前,各工業國家都加強了這些方面的研究工作。更為重要的是,要將經過確認的成果、按照企業的具體條件,逐步落實在生產過程中。

    合金元素的應用方面,要盡可能地利用資源充裕、價格低廉的材料。

    二、預處理工藝的推廣應用

    鑄鐵的預處理工藝,是為適應感應電爐熔煉的冶金特點而導出的。大約在上世紀70年代后期開始應用于歐洲,隨后,差不多與感應電爐熔煉鑄鐵的工藝同步發展。

    感應電爐熔煉組織中含石墨的鑄鐵,采用預處理工藝,可以改善石墨結晶析出的生核條件,從而使鑄鐵的共晶轉變溫度提高,減輕過冷度,增加共晶團數量,還可以使鑄鐵力學性能參數值的波動范圍減小,改善鑄件的加工性能。

    預處理工藝的良好作用,已經由很多研究工作和實際生產條件下的考核所確認。目前,一些工業國家中,預處理工藝的應用面很廣,可以說已經是感應電爐熔煉鑄鐵的常態工藝。1980年、1982年,筆者曾經在美國造訪過好幾家用感應電爐熔煉鑄鐵的鑄造廠,就沒有見到一家不采用預處理工藝的。

    2013年,我國灰鑄鐵件的產量為2,055t,占全世界灰鐵鑄件總產量的43%,但是,據我所知,采用預處理工藝的鑄造廠卻很少很少。

    預處理工藝的效果是肯定的,但是,這項工藝從開始研發至今,畢竟只有四十多年,盡管一些工業國家進行了大量的試驗研究工作,迄今為止,對其作用機制的認識,最多也不過是知其梗概而已。工藝過程中,許多變數的影響都還有待深入的探索。

    1、預處理工藝的興起

    從上世紀60年代起,中頻感應電爐有了重大的改進,晶閘管靜態變頻電源、逆變變頻電源相繼問世,熱效率可達70%,加以生產安排靈活方便、有利于環境保護等方面的優點,感應電爐的應用日益增多。

    沖天爐熔煉鑄鐵,已經有二百多年的歷史,我們對于鑄鐵質量的控制已經積累了很多經驗。一旦轉而改用感應電爐,鑄鐵熔煉的過程大不相同,簡單地沿用老經驗就難以確保鑄件的冶金質量,生產中就會不斷出現新的問題,如:白口傾向大,石墨化程度不符合要求等。尤其令人頭痛的是,即使在爐料配比不變、原鐵液的成分符合要求、鐵液溫度相同的條件下,也很難保持鑄鐵的性能穩定、一致。

    處理是針對上述問題研發的重要技術措施之一,上世紀70年代,歐洲鑄造行業率先先采用這項工藝。誰是這項工藝的創始人?我沒有辦法確切地查證,但是,廣為人知的是,英國S. Russell公司鑄造部對于開發這項技術是有貢獻的。

    Russell公司1952年開始生產鑄鐵件。60年代末,考慮到需求量增長的態勢很強,而且環保的要求將日益嚴格,在原有沖天爐的基礎上,裝設了21.5t感應電爐,1972年又增加了28t感應電爐。

    采用感應電爐熔煉后,為了解決鑄鐵冶金質量不穩定的問題,公司進行了多方面的分析研究,逐步認識到:問題在于鑄鐵中SiO2之類的微細氧化物顆粒少了,共晶轉變時石墨化的生核條件不充分。據此,決定進行預處理的試驗研究工作,預先在爐內加入預處理劑,使鐵液中存在的SiO2之類的氧化物顆粒增加。

    經過試驗室工作和生產考核,都表明預處理的效果很好,鑄鐵性能的穩定性明顯改善。

    1978年美國鑄造師學會的年會上,Russell公司B. C. Godsell ,介紹了研發預處理工藝的經驗,受到了廣泛的關注。

    此后,對預處理工藝的試驗、研究一直沒有間斷。用感應電爐熔煉灰鑄鐵和球墨鑄鐵的企業,熔煉過程中采用預處理的日見增多,甚至還進一步推廣到沖天爐熔煉。

    2、在熔煉灰鑄鐵方面的應用

    用感應電爐熔煉灰鑄鐵時,在保持原鐵液中硫含量不低于0.06%,且有一定的氧含量的條件下,采用預處理工藝,可使鑄鐵共晶轉變時的過冷度減小,避免組織中出現B型、D型和E型石墨,組織中共晶團數量增多,從而,鑄鐵的力學性能得以提高,而且比較穩定。

    如果預處理工藝得當,還可以明顯減緩孕育作用的衰退。

    生產薄壁鑄件時,不僅可避免組織中出現碳化物,而且可使過冷石墨(B型和D型)減至最少。經預處理工藝的鐵液,可用于砂型鑄造,也可用于金屬型鑄造和離心鑄造。

    3、預處理劑及加入方法

    1)碳化硅

    從預處理工藝開始研發之日起,幾十年來廣泛用于灰鑄鐵的預處理劑是碳化硅,主要是碳化硅含量75%左右的冶金碳化硅。今后,隨著對預處理作用機制的認識逐漸深化,當然會不斷有效果更好的新品種問世。

    碳化硅是將硅砂和焦炭(或石油焦)置于電極加熱的電阻爐內,在14501900℃的高溫下,由碳將SiO2還原而制得的。在制造、破碎、燒結過程中,SiC顆粒表面都會形成很薄的SiO2保護膜。一般的碳化硅,都含有5%左右的游離SiO2,這也就是SiC抗氧化能力特別強,能用作耐火材料和電熱組件的原因。

    碳化硅溶于鐵液后,游離SiO2以非常微細的顆粒分散于鐵液中,對于異質晶核的生成非常有益。國外有研究者認為,碳化硅的預處理作用主要在于含有這種游離SiO2。

    碳化硅的熔點很高,在2700以上,2600以下相當穩定。在熔煉鑄鐵的溫度下,燒損量很少,而且不可能‘熔化’,只能逐步‘溶解’、擴散,因而其作用的時效相當長。

    碳化硅加入后需要一定的時間使之溶于鐵液,而且需要攪拌,以加速其溶解。用感應電爐熔煉時,可在出鐵前將預處理劑加入爐中?紤]到碳化硅的密度低,約為3.23.3%,熔清后加入,易浮在液面,還是隨固體爐料一并加入為好。

    作為預處理劑,碳化硅的加入量一般為金屬爐料的0.51%。由于預處理的效果受鐵液的成分、爐況條件以及作業方式等多種因素的影響,鑄造廠最好是通過試驗,求得適合企業具體條件的最佳用量。

    2)預處理劑的發展

    十多年前,瑞典Elkem公司基于T. Skaland等人對鑄鐵中石墨生核進行的研究工作,考慮到Al、Ca、Zr等元素的硫化物、氧化物,都是異質晶核中的主要組成物,研制了一種新型預處理劑“Preseed”,其主要成分(%)如下:

    Si         Ca          Zr          Al

           6269    0.61.9    3.05.0    3.05.0

    據稱這種預處理劑的效果很好,用量比碳化硅少得多,只是金屬爐料的0.1%左右。

    此外,也有用晶態石墨作預處理劑的報道。

    三、逐漸增強對灰鑄鐵中初生奧氏體枝晶的控制

    出于強度方面的考慮,灰鑄鐵主要是亞共晶鑄鐵,在對熱導率、耐磨性能或減震性能有特殊要求、必須增加組織中石墨所占的份額時,也有用共晶或微過共晶成分的。

    響灰鑄鐵力學性能的因素很多,主要如:初生奧氏體的數量和形態、片狀石墨的數量和形態、共晶團的數量、基體組織和最后凝固區的狀況等。

    灰鑄鐵中初生奧氏體枝晶是影響力學性能的重要因素,鑄鐵組織中初生奧氏體枝晶所占的體積分數提高,鑄鐵的強度隨之提高,交錯、接搭的枝晶尤為有益。

    長時期以來,在改進灰鑄鐵力學性能方面的研究工作主要是都著重于孕育處理,從而改善石墨片的形態、增加共晶團的數量、增強基體組織。此外,在優化成分、合金化方面也做了大量的研究工作。鑄造界的許多前輩為這類工作奉獻了畢生的精力,使得灰鑄鐵的性能得以不斷改善,從而具有很強的適應能力,至今仍然是用量最大的鑄造合金。

    但是,長時期以來,對灰鑄鐵中初生奧氏體枝晶方面的研究工作,相對而言的確是太少了。其主要原因是,初生奧氏體在二次結晶過程中要發生碳的脫溶和共析轉變,用常規的顯微觀察方法很難分辨其形貌、大小以及在鑄鐵組織所占的份額。也正是因為這個原因,到目前為止,我們對初生奧氏體的認知還很不夠,控制的自由度當然也就不大,在實際生產中,工藝技術人員在質量控制方面很少考慮初生奧氏體的作用,大家對它也知之甚少。

    長期以來,鑄造行業中提高灰鑄鐵強度的一項主要措施是降低鑄鐵的碳當量,實際上,其主要作用就是提高組織中初生奧氏體所占的體積分數。為提高強度而加入的合金元素,除改善組織、增加珠光體含量以外,很多元素也還具有促進初生奧氏體增加的作用。

    近幾十年,一些國家的高等學校和研究機構都增強了對鑄鐵中初生奧氏體的研究,檢測組織中初生奧氏體含量的方法也不斷改進,使我們對控制初生奧氏體的作用有了進一步的認識?磥,在實際生產中,通過控制初生奧氏體提高灰鑄鐵強度已經為期不遠了。

    1、初生奧氏體枝晶的析出

    工業用的灰鑄鐵,以亞共晶鑄鐵居多。亞共晶鑄鐵凝固過程中首先析出的是初生奧氏體,這是大家都熟知的。

      實際生產中,鑄鐵件是在非平衡條件下凝固的,共晶、微過共晶(即使碳當量高達4.7%),鑄造組織中仍然有一定量的初生奧氏體,這里,就不同共晶度的鑄鐵作簡單的分析,見圖1

    1)亞共晶鑄鐵

    碳當量為Fe的亞共晶鐵液,冷卻到液相線BC以下,就開始析出低碳初生奧氏體枝晶,液相中碳當量隨之沿BC線逐漸增高。

    冷卻到溫度T1,由于已逐漸析出初生奧氏體枝晶,液相中的碳含量增高到C1。

    冷卻到共晶溫度TEG,液相中的碳含量為共晶碳含量C,由于并非處于平衡狀態,而且鐵液中沒有石墨作為共晶奧氏體析出的依托,不可能在此溫度下發生共晶轉變。

    冷卻到共晶溫度TEG以下某一溫度T2時,液相中的碳含量已經沿BC的延長線增高到C2,為過共晶成分,石墨異質生核、結晶析出。石墨析出后,液相中的碳當量降低到共晶成分附近,奧氏體以石墨為核心結晶析出,發生共晶轉變。在共晶轉變的初期,仍然有初生奧氏體析出,有一段初生奧氏體析出和共晶轉變重疊的過程。

    2)過共晶鑄鐵

    碳當量為Fe的過共晶鐵液,冷卻到CD線以下,開始析出初生石墨,未凝的液相中碳當量沿DC線逐漸降低。

    冷卻到溫度T1時,由于已逐漸析出初生石墨,液相中的碳當量降低到C1',碳當量仍然略高于共晶成分C,不析出奧氏體。

    冷卻到共晶溫度TEG,液相中的碳當量為共晶碳含量C,由于并非處于平衡狀態,仍然不析出奧氏體,也不可能發生共晶轉變。

    冷卻到共晶溫度TEG以下某一溫度T2時,液相中的碳含量已經沿DC的延長線降低到C2',為亞共晶成分,析出初生奧氏體枝晶。由于初生奧氏體的析出,液相中的碳當量回歸到共晶成分附近,奧氏體以石墨為核心結晶析出,發生共晶轉變。

    3)共晶鑄鐵

    在非平衡狀態下,即使是碳當量為共晶成分的鐵液,冷卻到共晶溫度TEG,也不可能立即發生共晶轉變。

    冷卻到TEG溫度以下,初生奧氏體枝晶生核、析出。由于鐵液中單向性生核,石墨不可能依托奧氏體析出。液相中碳當量提高后,石墨借助于異質生核結晶析出,液相中的碳當量回歸到共晶成分附近,奧氏體以石墨為核心結晶析出,發生共晶轉變。

    2、初生奧氏體枝晶的形態及其作用

    奧氏體的晶格是面心正立方,直接自鐵液中生核、成長時,只有按原子密排面(111)生長,表面能最小,形成八面體晶體,析出的奧氏體才穩定。然后,因為晶體的棱角前沿鐵液中溶質的濃度梯度大,易于擴散,棱角的成長速度比平面大,就形成了一次枝晶,又在此基礎上長出二次枝晶,進而長出三次枝晶,因此,通常都稱之為奧氏體枝晶。

    實際生產中的鑄鐵,由于鐵液中各部位溫度的差異、成分的偏析以及熱流的影響,初生奧氏體枝晶可以成長為柱狀晶,也可以是等軸晶。柱狀晶在鑄型壁上生核,向熱流的反方向長大。等軸晶在鐵液中生核,向熱流的方向長大。

    鑄鐵中的奧氏體枝晶還具有不完整、不對稱的特征,各個枝晶、一個枝的各部位,生長的狀況都有差別。此外,也有在熱流作用下破損、缺失的部位。

    灰鑄鐵中,石墨的形態是片狀的,有切割金屬基體的作用,因而,灰鑄鐵的抗拉強度比基體相同的球墨鑄鐵低得多。但是,在灰鑄鐵中,初生奧氏體枝晶析出和長大的過程中,是不會被石墨切割的,所以,初生奧氏體枝晶的強度很好,其在灰鑄鐵中的作用好象混凝土中的鋼筋,其增強灰鑄鐵的作用不亞于片狀石墨的形態。

    述奧氏體枝晶特點的主要參數是:二次枝晶的間距,枝晶的平均長度,枝晶的數量和方向性。

    亞共晶灰鑄鐵凝固過程中,最先析出的是奧氏體枝晶,其對鑄鐵中共晶團的生核、長大也都會有重要的影響,這方面還有待進一步的研究和認識。

    3、檢測有關初生奧氏體各種參數的方法

    初生奧氏體含量對灰鑄鐵的強度有非常重要的影響,但是,長期以來,在實際生產中,我們未能有意識地控制初生奧氏體,其原因就在于:用常規的顯微觀察,難以分辨初生奧氏體,因而,對它的作用不甚了解,當然也就忽略了到它的控制。

    近幾十年,隨著對初生奧氏體作用的認識逐漸增多,這方面的研究工作不斷加強。測定組織中初生奧氏體含量的方法也日益受到關注,先后推出了多種測定方法,而且還在實踐在不斷優化。以下對一些應用較多的方法作簡要的介紹,供參考。

    1分段液淬法(也有人稱之為連續液淬法)

    早期采用的是“分段液淬法”,即:在鑄鐵凝固過程中,在不同溫度下取樣,以液態或半固態直接淬火。經液淬后,初生奧氏體轉變為馬氏體,未凝的鐵液轉變為細小的萊氏體,易于區分。這種方法好倒是很好,就是太麻煩,不可能在生產條件下應用。

    2)凝固后直接等溫淬火法

    方法的要點是:鑄造的試樣凝固后及早使之與鑄型分離,以保持試樣的溫度不低于900;然后將試樣置900爐中,保溫30min,使之均勻化;再將試樣淬入360的鹽液,保持90min,然后空冷。這種方法能顯示奧氏體晶粒的宏觀組織,可看出試樣外表層的初生奧氏體柱狀晶,但不能區分心部的初生奧氏體等軸晶和共晶轉變后的奧氏體晶粒,而且工藝過程也很繁瑣。

    3)試樣熱處理法

    上世紀70年代,美國Ohio州凱私西儲大學的J.F.Wallace等,將試樣熱處理以顯現組織中的初生奧氏體枝晶。由于鑄鐵凝固過程中的偏析,初生奧氏體枝晶中穩定珠光體元素的含量較低,因而這類元素富集于枝晶間。將試樣加熱到870左右、保溫45min后,以56/h的速率冷卻。一般情況下,試樣經拋光、再用3%的硝酸酒精浸蝕后,即可顯示枝晶組織。枝晶間是珠光體和片狀石墨。

    4)彩色金相技術

    上世紀80年代,德國、美國都致力于開發彩色金相技術(即熱堿液蝕顯法),其要點是:將經拋光的試樣置堿溶液中加熱,使試樣表面形成一層干擾膜,由于這種干擾膜的消光效應,可將不同的組織以不同的顏色顯現出來。所用的堿液,由NaOH、KOH、苦味酸和蒸餾水組成。

    彩色金相技術不僅簡便易行,而且,可以顯現常規金相技術不能顯現的結晶狀況,對于研究凝固和固態相變的關系非常有益。使對鑄鐵中初生奧氏體的研究工作不再局限于大專院校和研究單位,很多鑄造企業也可以進行。

    我國大連理工大學的周繼揚在這方面作了大量的工作,他的著作《鑄鐵彩色金相學》,2002年由機械工業出版社印行。如果要做這方面的研究工作,請仔細閱讀。

    5)改進的微分熱分析法

    以熱分析得到的數據為基礎,采用牛頓熱傳導分析法,改進微分熱分析技術,列式、用計算機計算,可以求得鑄鐵凝固過程中各階段的冷卻速率、計算各種相的析出量。

    上世紀80年代初,為了有助于對鑄鐵凝固過程的進一步研究,美國鑄造協會(AFS)資助Wisconsin大學對這一課題進行了研究1。

    近,西班牙鑄造研究中心(Azterlan),與美國Ohio大學的D.M.Stefanescu合作,對灰鑄鐵中初生奧氏體進行了系統的研究,其中,鑄鐵組織中初生奧氏體所占份額就用改進的微分熱分析法測定2,并用彩色金相法和分段液淬進行了驗證。

    在當前的條件下,用這種方法檢測有關初生奧氏體的各種參數也是簡便易行的。

    4、使灰鑄鐵中初生奧氏體枝晶增多的方法

    影響灰鑄鐵中初生奧氏體枝晶數量和形態的因素很多,如:鐵液的化學成分,溫度,鐵液在鑄型中的冷卻速度、過冷度,以及促進奧氏體生核、長大的孕育處理等。因而,可以用多種方式使奧氏體枝晶的數量增多。但是,在生產條件下,有一些參數決定于多種工藝要求和具體條件,由改變這些參數來控制初生奧氏體枝晶的自由度不大。以下,簡單說說目前常用的幾種方法。

    1)降低鑄鐵的碳當量

    鑄鐵的碳當量是影響初生奧氏體枝晶數量的重要因素。降低碳當量,奧氏體枝晶數量增多,鑄鐵的強度也相應提高。長期以來,降低碳當量是廣泛采用的、提高灰鑄鐵強度的傳統措施。但是,只靠降低碳當量來提高鑄鐵的強度,有不少負面作用,如:

    鐵液的流動性差;

    鑄件的硬度提高,加工性能惡化;

    鑄件產生收縮缺陷的傾向增強;

    鑄鐵的減震性能差;

    鑄鐵的熱導率降低。

    因而,以這種方式提高灰鑄鐵的強度,是受到很大制約的。特別是汽車制動鼓、制動盤之類的鑄件,材質的熱導率和減震性能受到影響是絕對不能允許的。

    近幾十年來,大家關注的是:在不降低碳當量的條件下增加初生奧氏體枝晶。很多國家都在這方面進行了研究工作。

    2)往鐵液中加入促進初生奧氏體生核的孕育劑

    近十多年來,逐漸加強了對初生奧氏體枝晶的研究,孕育處理對初生奧氏體枝晶的影響也日益受到了關注,對多種可能成為初生奧氏體晶核的材料進行了研究。

    1) 石墨粉  基于單向性生核的觀點,過共晶鑄鐵中析出的初生石墨,當然可以作為初生奧氏體枝晶析出的異質晶核,實際情況也是如此。亞共晶鑄鐵中,加入晶態石墨粉,應該可以作為奧氏體枝晶析出的異質晶核,但是,微細的石墨粉很容易溶于鐵液,其作用很難控制穩定。有報道說,將石墨涂在型壁上,可促進初生奧氏體生核,以型壁為依托成長為柱狀晶。

    2) 鐵粉或細鐵粒  加入純鐵粉或細小的鐵粒(0.41㎜)作為奧氏體枝晶析出的均質晶核,應該是很有效的,問題是純鐵粉很容易熔入鐵液,難以控制。也有研究報告說:鑄鐵中加入鐵粉后,對石墨的生核有負面影響,使鑄鐵的白口傾向增強。因此,鐵粉宜在孕育處理之前加入,經孕育處理后,可以緩解這種負面作用。

    最近,羅馬尼亞曼徹斯特技術大學的研究工作表明:在共晶、微過共晶灰鑄鐵中,加入鐵粉也可以使初生奧氏體增多,鑄鐵的強度提高。這對于要求熱導率、耐磨性能和減震性能的汽車用部件是非常有益的。

    3) SiO2  三十年前,日本早稻田大學就對SiO2作為初生奧氏體異質核心的作用進行過研究,他們的工作表明,鐵液中加入微細的粉狀α-石英或α-方石英,都有促進初生奧氏體枝晶生核、長大的作用,石英玻璃則是無效的。

    4)鈦  四十年前,美國Wisconsin大學的C.R. loper等就注意到,灰鑄鐵中加入鈦,有促進初生奧氏體枝晶生核和細化等軸晶的作用。近年來,鈦在灰鑄鐵中的這種作用受到了廣泛的關注。

    鈦的碳化物、氮化物、碳氮化物都可以作為初生奧氏體晶出的異質晶核。鐵液中加入鈦,可以使析出的初生奧氏體明顯地增多,可以使初生奧氏體晶粒細化。而且,如果加入鐵液中的鈦,在其與碳、氮作用后還有剩余,就會與鐵液中的硫作用,形成TiS,TiS作為石墨晶核的作用不及MnS,因而會減緩共晶石墨的生核,從而增加了初生奧氏體析出的時間,這也是使鑄鐵組織中初生奧氏體增多的因素。由于有這樣的作用,加鈦宜在孕育處理之前,或者與孕育劑同時加入。

    灰鑄鐵中加鈦,對石墨的形態也有重要的影響,隨著鈦含量的增加,石墨的形態會發生由A型向枝晶間析出的D型轉變。鈦含量在0.25%以上,就會形成超細的晶間石墨(也稱為珊瑚狀石墨),石墨片的長度從常規灰鑄鐵的50100μm縮短到510μm。這也是提高鑄鐵強度因素。

    西班牙鑄造技術中心最近的研究工作3表明,碳當量為4%的低硫(<0.01%)灰鑄鐵中,加入0.3%的鈦,初生奧氏體含量由常規鑄鐵的1519%提高到2736%,可在不明顯提高硬度的條件下(布氏硬度保持在200以下),使鑄鐵的抗拉強度,從常規灰鑄鐵的260 MPa左右提高到300345 MPa。

    灰鑄鐵中,鈦加入量最好在0.25%~0.40%之間,鈦含量太高,鐵液中TiC增多,易于聚集成團簇,會使鑄鐵的力學性能降低。

    5)提高Si/C

    在保持碳當量相同的條件下,適當提高灰鑄鐵中的硅含量、相應地降低碳含量,提高Si/C比,可以明顯提高灰鑄鐵的抗拉強度。

    1980年前后我國北京鋼鐵學院(現在的北京科技大學)鐘雪友等進行了這方面的研究、試驗工作。在灰鑄鐵碳當量保持在4.05%左右、不加入合金元素的條件下,將Si/C比提高到0.78左右,可以使灰鑄鐵的抗拉強度就保持在300 MPa以上。

    有兩個因素導致這種強化作用:一是硅固溶于鐵素體中起強化鐵素體的作用;再就是Si/C比提高可以使組織中的初生奧氏體增加10%、或者更多一點。

    但是,在這種條件下,灰鑄鐵組織中石墨片的含量相應減少,不適用于要求熱導率和減震性能的鑄件。

    四、進一步認識硫和錳在灰鑄鐵中的作用

    硫和錳都是傳統灰鑄鐵中的5項基本元素之一,早就是我們的老相識了。硫和錳在灰鑄鐵中有很重要的作用,可是,其作用的機制非常復雜,影響的因素也很多。

    這方面研究工作的領先者,應該是英國的鑄鐵研究學會(BCIRA),他們從上世紀初開始,就著手研究硫和錳對灰鑄鐵性能的影響,以及二者之間的相互作用。

    二次大戰以后,隨著工業、技術的發展,對灰鑄鐵件的需求量和性能要求日益提高,各工業國家都在這方面進行了大量的研究工作,涉及的范圍很廣,包括:硫對石墨形態的影響、硫對共晶團的影響、硫對鑄鐵的過冷度和白口傾向的影響、錳在消解硫的有害作用方面的功能、硫和錳在石墨成核方面的作用、硫和錳之間的互補增益作用等等,已發表的文獻可說是浩如煙海。

    但是,到目前為止,對于硫和錳在灰鑄鐵中的作用,我們的認識仍然是很淺薄而不全面的,可以說是管中窺豹,只見其一斑而已。

    1、硫在灰鑄鐵中的作用

    在大家的印象中,一般都認為硫在鋼、鐵中是有害元素,但實際情況卻并非如此。即使是在鋼中,在一定的條件下硫也可以是有益的元素,例如:

    硫以(Fe、MnS夾雜物存在于鋼中,可以改善鋼的切削性能。美國自上世紀20年代開始生產硫系易切削鋼,其中的硫含量為0.08%~0.35%,40年代以后,日本也大量采用。在軸承鋼中,含有適量的MnS,可減輕鋼中硅酸鹽夾雜對疲勞壽命的有害作用。

    灰鑄鐵和球墨鑄鐵中,多種硫化物都是石墨結晶析出所依附的異質晶核中不可或缺的組分。

    在灰鑄鐵中,硫的作用尤為重要,對灰鑄鐵凝固過程的影響是多方面的,如:

    有助于石墨生核;

    影響石墨片的形態;

    增強過冷度、促進白口傾向;

    使共晶團數增多。

    對灰鑄鐵力學性能影響,決定于多種因素的復合作用,而且這些因素又與鑄鐵的實際成分和凝固過程中的諸多參數密切相關。因此,充分發揮其正面作用、消解其有害影響,是非常復雜的問題。近百年來,各國鑄造行業的同仁為此做了大量的研究工作,使我們對其逐步有所認知,但是,迄今為止,這方面還有廣闊的空間有待探索。

    如果灰鑄鐵中含有硫,而與硫親和力強于鐵的元素含量又很低,硫就易于與鐵化合,生成低熔點化合物FeS(熔點1193),FeS還可以與鐵和碳形成低熔點的共晶體(含碳0.17%,硫31.7%,其余為鐵,熔點975)。

    FeS在鐵液中的溶解度比較高,而在奧氏體和滲碳體中的固溶度卻很小。鑄鐵凝固過程中,偏析于共晶團界面液相中的FeS或三元共晶,還易于吸附在生長的石墨晶核的表面,增大石墨與液相之間的界面能,影響鐵液中的碳原子向成長中的石墨擴散,阻礙鑄鐵石墨化、抑制共晶團的成長,從而使鑄鐵的白口傾向增大。FeS、三元共晶又都是脆性物質。這些因素都對鑄鐵的力學性能有很大的負面影響。

    實際上,鑄鐵中含有的硫不可能全都與鐵化合,總會有少量溶于鐵液中、未與其它元素化合的硫,通常稱之為“溶解硫”或“自由硫”。即使鑄鐵中含有一些與氧結合能力強于鐵的元素,如錳等,也不可能使自由硫完全消除。

    硫是表面活性元素,在鑄鐵凝固過程中,自由硫移動到固-液界面,影響碳原子向石墨片轉移,影響石墨片的生長,因而,對灰鑄鐵的組織和性能有重要的影響。

    2、錳在灰鑄鐵中的作用

    錳在奧氏體中的固溶度很高,幾乎可認為其能無限固溶。在鐵素體中的固溶度也不低,約為3%左右,且略有強化鐵素體的作用。

    在不含硫、或硫的活性已被有效抑制的Fe-C合金中,固溶于奧氏體的錳有抑制碳的活性的作用,能促進珠光體形成,并穩定珠光體,從而有強化基體的作用。

    錳還可以與碳結合,形成類似于滲碳體的碳化物。因此,錳本身也是阻礙鑄鐵石墨化的元素。

    在含硫的灰鑄鐵中,錳有兩種重要的作用:

    一是錳與硫結合的能力強于鐵,能與自由硫結合、抑制FeS的生成,抑制自由硫和FeS在鑄鐵中的有害作用,而且MnS又是石墨晶核中的重要組分;

    是通過控制鑄鐵中的錳含量,可以控制鐵液中自由硫的含量,更好地利用自由硫的有益作用。

    從各種元素硫化物生成的自由能看來,可以在鑄鐵中抑制FeS生成、控制自由硫含量的合金元素很多,與硫結合能力強于鐵的有(按作用漸強的順序排列):


     

     

               Mn Al Mg Ba Zr Ca Ce


     

    為什么長時期以來最受關注的是錳和硫的配合作用呢?其原因是:MnS是鑄鐵中石墨生核不可缺少的;而錳又是資源豐富、價格低廉的合金元素。

    3、錳和硫的協同作用

    灰鑄鐵中,錳與硫除化合形成MnS和多種復合化合物外,二者之間還有很復雜的互補、增益作用,我們應該不斷深化這方面的認知。

    1)硫化物

    單獨的硫或錳都是阻礙鑄鐵石墨化的元素,但是,硫和錳化合的產物反而卻是鑄鐵石墨化不可或缺的條件。

    按照近年來歐洲、美國和日本所作的多項研究工作,灰鑄鐵石墨化時,石墨析出所依托的是異質核心,而MnSFeS等多種硫化物組成的復合硫化物(Mn、x)S,卻是異質核心中的主要組分。目前,這種觀點在各種條件下都得到了確認,已成為普遍的共識。

    在灰鑄鐵中,硫與錳的親和力比其與鐵的親和力大得多,下式表述的反應中,MnS的形成是占優勢的。

    Mn+FeS MnS + Fe

        鑄鐵中,MnSFeS可以互溶,所以,復合硫化物(Mn、FeS中,錳和硫的量都是可變的。

    此外。硫化物和氧化物也可以互溶,所以,灰鑄鐵中,硫化物的情況很復雜,生成的硫氧復合化合物可以用FexMnySvOw來表示,其中x、y、vw的值因鑄鐵的具體條件而改變。

        2)從抑制形成FeS的觀點控制鑄鐵中硫、錳的含量

    錳在灰鑄鐵中的一項重要作用,是抑制FeS的形成。

    錳的原子量為54.93,硫的原子量為32.06,二者的比值為1.71。早期,只考慮二者之間的化合關系,當灰鑄鐵中錳含量與硫含量的比(以下簡稱Mn/S比)為1.71時,即認為其處于錳硫平衡狀態。含量高于平衡狀態的錳,稱為“超量錳”,錳含量低于平衡狀態時,則屬于“硫超量”。

    此推論,灰鑄鐵中,1.71倍于硫含量的錳,是抑制硫的負面作用所必需的,超量錳就可以起穩定珠光體、提高灰鑄鐵強度的作用。實際上,按Mn/S比和超量錳控制錳、硫含量的做法,在不同生產條件下應用,效果往往大相徑庭、莫衷一是。

    關于錳和硫在灰鑄鐵中的作用,英國鑄鐵研究協會(BCIRA)很早就進行過比較系統的研究,美國鑄造學會(AFS)也組織過有關的調查和研究,當時的看法是:灰鑄鐵中的超量錳以0.2~0.3%為宜。但是,由于在不同條件下驗證的結果往往差異相當大,因此,BCIRAAFS都沒有推薦生產企業直接采用這一數據,只作大致如下的表述:

    “由于各個鑄造廠的熔煉方式、鑄鐵中的硫含量、各種殘留合金元素等含量都不不一致,所以各廠超量錳的最佳值不盡相同,無法推薦廣泛適用的超量錳。各鑄造廠都應該根據其具體熔煉條件,通過試驗,確定其最合適的錳含量?梢杂0.2%為超量錳的起點,在一較長的時間內逐步改變錳含量進行試驗,每一階段(約一個月)增加0.1%的錳,然后對鑄鐵性能的測試數據作綜合分析,從而求得適合其作業條件和產品要求的錳含量!

    Mn/S比和超量錳控制灰鑄鐵中的硫、錳含量,一致性是不能令人滿意的,現在看來,一個重要的原因是沒有考慮到自由硫的作用。

    3)按硫化錳在鑄鐵中的溶解度控制鑄鐵中硫、錳的含量

    由熱力學計算,灰鑄鐵鐵液中,硫化錳的溶解度取決于鐵液的溫度和硫、錳含量,硫和錳脫溶形成MnS的溫度可由下式計算:

    Log(%Mn×%S)-1920/T(0K)

    硫、錳含量(質量百分數)的乘積(%Mn×%S)是計算MnS生成自由能的平衡常數。

    不同溫度下硫化錳的溶解度與硫、錳含量的大致關系參見圖2。 

     

    2中各曲線的左下方,硫和錳都溶于鐵液中;曲線的右上方,硫和錳脫溶,化合形成MnS。接近共晶轉變溫度(1200)的曲線,%Mn×%S的乘積大致為0.03。這一數值是非常重要的,可用以優化灰鑄鐵的強度,也可以由錳含量來控制共晶轉變時鐵液中的自由硫含量。

    果灰鑄鐵中含有的自由硫很少,共晶轉變時石墨很易于分枝,其形態類似于過冷的D型石墨。

    存在于固-液界面處的自由硫量增多,就會抑制石墨的快速方枝,形成比較粗而長的A型石墨。但是,自由硫含量太高,又會導致產生另一類的畸形石墨。

    英國A.Alderson在研究試驗4中發現:灰鑄鐵中硫含量很高(0.176%)、錳含量很低(0.18%)時,組織中出現細長而曲折的石墨,稱之為“spiky graphite”,見圖3。

    低碳當量的灰鑄鐵中,如果硫含量很高、而錳含量又很低,組織中還會出現胞狀晶間碳化物和FeS。 

     

    不同溫度下自鐵液中析出的MnS,其形態、大小和分布狀況不盡相同,對鑄鐵性能的影響也就不一樣。硫和錳的協同作用,對灰鑄鐵的過冷度、組織中的共晶團數、珠光體數量都有不可忽視的影響。這些,就不可能不在這里一一細說了。

    美國R.B.Gundlach,基于熱力學的計算求得:灰鑄鐵在共晶溫度(1160左右)下,平衡常數(%Mn×%S的乘積)大致等于0.03。

    1973年,美國Ohio州凱私西儲大學的J.F.Wallace等,從優選硫含量的角度,用多種不同硫含量的灰鑄鐵進行了大量的試驗5。從他們報告中發表的數據可以得知:在硫、錳含量(質量百分數)的乘積(%Mn×%S)為0.03左右時,出現抗拉強度的最高值,如圖4所示。 

    美國Wisconsin大學的C.R. loper等也對錳、硫在灰鑄鐵中的作用進行過研究工作,分析他們發表的試驗數據6,也可以得知,抗拉強度最高的鑄鐵,硫、錳含量(質量百分數)的乘積(%Mn×%S)都在0.04附近。

    看來,由平衡常數(%Mn×%S)控制灰鑄鐵中的硫、錳含量,是一項十分可取的方式。

    4、美國鑄造協會(AFS)最近的研究課題

    有鑒于灰鑄鐵中錳和硫對力學性能有很重要的影響,其作用的機制卻很復雜,而我們目前的認知又非常有限,美國鑄造學會(AFS)于2012年啟動了一項新的研究課題——“錳和硫對鑄鐵性能的影響(Influence of Mn and S on the Properties of Cast Iron)”。

    這項課題主旨是:根據熱力學的原理,分析、研究灰鑄鐵中硫和錳的關系,確定鐵液共晶凝固時其中所含自由硫的作用。

    課題的目標主要有4項:

    認識硫、錳含量與不同截面厚度鑄鐵件強度之間的關系;

    進一步認識硫、錳含量與石墨組織的關系;

    研究如何通過平衡硫、錳含量以提高厚截面鑄鐵件的強度。生產高牌號灰鑄鐵件時,盡可能地不用或少用其它合金元素;

    力求對硫在鑄鐵生核和共晶凝固過程中的多種作用有更好的認識。

    這一研究課題已于2014年結束,并安排在2014年召開的美國鑄造協會年會上發表研究報告。報告共方三部分:第一部分是“歷史的回顧”,重點是對相關的文獻資料進行分析和討論;第二部分是“試驗過程的安排”;第三部分是“對試驗結果的分析”。應該包含力學性能、白口深度、硬度、化學分析方面的數據,熱分析曲線以及顯微組織等方面詳情。

    但是,在2014年年會的論文集(AFS Transactions 2014)中只見到第一部分和第二部分7、8,雖然第二部分中提到試驗結果的分析見第三部分,而且在參考文獻中提到第三部分在論文集中的編號為“14158”,但是在論文集中找不到這篇很關鍵的報告?磥,很可能是在論文集即將付印時發現需要進一步補充、修改,臨時撤下去了。

    半年以后,在美國AFS出版的雜志“International Journal of Metalcasting2015年第二期見到了該研究報告的第三部分9,報告中的基本觀點仍然在于按硫化錳的溶解度控制灰鑄鐵中硫和錳的含量,同時也注意到自由硫的負面影響,以下是幾點主要的分析意見:

    1)如果灰鑄鐵中的硫含量和錳含量配合適當,其抗拉強度可提高4070 MPa;

    2)灰鑄鐵發生共晶轉變時,如硫、錳含量質量百分數的乘積(%S×%Mn)在0.03左右,則MnS在鐵液中的溶解度達到極限,參見圖2。按此值平衡灰鑄鐵中的硫、錳含量,灰鑄鐵的抗拉強度最高,%S×%Mn的乘積超過這一限值,抗拉強度降低;

    3)在控制%S×%Mn的乘積為0.03左右的條件下,還應該注意自由硫對灰鑄鐵的性能的負面影響。

    如果鑄鐵中錳含量很低,而硫含量很高,即使%S×%Mn的乘積為0.03%左右,由于鐵液中存在的自由硫多,其負面作用是多方面的。

    灰鑄鐵抗拉強度與布氏硬度的比值隨硫含量的提高而降低。這一比值的降低,表明鑄鐵中的石墨結構改變、強度降低。

    灰鑄鐵中硫含量在0.08%以上,無論錳含量如何,鑄件的壁厚如何,組織中都可能出現細長而曲折的石墨。

    如灰鑄鐵中錳含量低于0.3%、硫含量在0.10%以上,組織中可能出現胞狀晶間碳化物。在這種情況下,提高錳含量、或降低硫含量都可以抑制這種碳化物的析出。

    由以上簡要介紹的概況可見,硫和錳是灰鑄鐵中的重要組成元素,但是,迄今為止,如何控制硫和錳的含量才能更好地利用灰鑄鐵潛在的功能?仍然有待進一步深入的探索。

    五、高錳灰鑄鐵的研制

    以前,不少研究報告表明:灰鑄鐵中錳含量超過0.7%,就會影響鐵液凝固過程中石墨的生核,使共晶團數量少,石墨粗大,甚至可能促成過冷石墨,從而使鑄鐵的強度降低。因此,生產中一般都將灰鑄鐵的錳含量控制在1.0%以下。

    年來,由于錳的價格低廉,日本各行業采用的低合金高強度鋼中,以錳為主要合金元素的日益增多,而且為了確保鋼的強度,鋼中的錳含量已逐步提高到2%左右。在此種情況下,供應鑄造行業的下腳料廢鋼,錳含量高已經成為常態。

    同時,生產灰鑄鐵件的鑄造企業,熔煉設備采用感應電爐的也日益增多,配料中廢鋼的用量增大,廢鋼中的錳含量高往往成為鑄造廠的棘手問題。有的鑄造廠不得不在爐料中配用高純生鐵,以淡化廢鋼中錳含量的影響,這樣,當然導致生產成本提高。

    針對這種情況,日本巖手大學工學部的堀江 皓等數年前進行了一項專題研究工作10,課題的要點是:

    3種常用的灰鑄鐵進行試驗,試驗鑄鐵的碳當量分別為4.4%、4.0%和3.6%,分別相當于HT150、HT250HT350等牌號;

    每一種鑄鐵,都將錳含量提高到2.0%,并配加不同的硫含量,使Mn/S比分別為5、10、20、50100;

    就錳含量為2%、碳當量不同的鑄鐵,分析Mn/S比對鑄鐵性能的影響。

    1、鑄鐵的成分、熔煉工藝和試樣的制備

    試驗用鑄鐵的成分配置按表3。 

    3   試驗用灰鑄鐵的成分和與之相應的常規鑄鐵的牌號

    鑄鐵編號

    碳當量CE,%

    常規灰鑄鐵相當的牌號

    C,%

    Si,%

    Mn,%

    S,%

    Mn/S

    1

    4.4

    HT 150

    3.6

    2.4

    2.0

    0.40

    5

    0.20

    10

    0.10

    20

    0.04

    50

    0.02

    100

    2

    4.0

    HT 250

    3.3

    2.1

    2.0

    0.40

    5

    0.20

    10

    0.10

    20

    0.04

    50

    0.02

    100

    3

    3.6

    HT 350

    3.0

    1.8

    2.0

    0.40

    5

    0.20

    10

    0.10

    20

    0.04

    50

    0.02

    100

     


     

    試驗用鑄鐵在12kHz、20kW的感應電爐中熔煉,每次熔煉3㎏。爐料由高純生鐵、電解鐵、75硅鐵、錳鐵和硫化亞鐵組配,以力求避免干擾元素的影響。

    爐料熔清后升溫到最高熔煉溫度(1480)。溫度降低到1450時,加入硅鈣合金進行孕育處理,孕育劑加入量按加硅0.3%計算。

    各種試樣的澆注溫度均為1400。

    此外,為了比較各種孕育劑對高錳灰鑄鐵孕育的效果,還就碳當量CE4.02號試驗鑄鐵,分別用純硅、75硅鐵和硅鈣合金進行孕育處理,并與不孕育的鑄鐵比較。與前述的試驗相同,熔煉的最高溫度1480、孕育處理溫度1450、澆注溫度1400。

    2、Mn/S對抗拉強度的影響

    錳含量為2%的3種灰鑄鐵,Mn/S比對抗拉強度的影響見圖5。 

     

    由圖5可見,不同碳當量的灰鑄鐵,Mn/S比為5(硫含量為0.4%)時,抗拉強度很低,此后,隨著Mn/S比的提高,抗拉強度明顯提高,Mn/S比提高到20(硫含量為0.1%)以后,抗拉強度基本上趨于一致。也就是說,高錳灰鑄鐵中,硫含量不宜高于0.1%,但也不宜將硫含量控制得太低。

    錳含量為, 2%的灰鑄鐵,抗拉強度可能比碳當量相同的常規灰鑄鐵高100MPa左右。也就是說,將常規灰鑄鐵的錳含量提高到2%,在適當控制Mn/S比的條件下,鑄鐵的強度大約可提高一個牌號。

    3、Mn/S比對鑄鐵的硬度和試片白口深度的影響

    Mn/S比對3種灰鑄鐵布氏硬度的影響見圖6。 

     

    由圖6可見,Mn/S比為5時,鑄鐵的硬度很低,此后,隨著Mn/S比的提高,硬度逐步提高,Mn/S比提高到20以后,布氏硬度基本上趨于一致。這種情況與Mn/S對抗拉強度的影響有很好的對應關系。

    Mn/S比對3種鑄鐵試片白口深度的影響見圖7。 

     

    無論是哪種鑄鐵,白口傾向都隨Mn/S比的提高而降低,直到Mn/S比為50以后才趨于一致。與圖1、圖2對比可見,Mn/S比提高并不導致鑄鐵中碳化物增加。Mn/S比高的鑄鐵,強度和硬度的提高,主要是由于珠光體細化,當然,珠光體量也有所增加。

    4、提高錳含量對鑄鐵顯微組織的影響

    為了了解提高錳含量對鑄鐵顯微組織的影響,自前述2號試驗灰鑄鐵(CE 4.0)拉伸試樣取金相試樣,另自感應電爐熔煉的、碳當量相當的常規灰鑄鐵(錳含量0.7%)取樣,觀察顯微組織,并, 進行對比。

    用未經浸蝕的試樣觀察石墨組織,如圖8。 

     

    常規灰鑄鐵的組織以A型石墨為主,有少量D型石墨。此外,還有C型石墨,這可能是爐料中生鐵用量太多所致,此處暫不討論。

    錳含量為2%的試驗鑄鐵,全部為A型石墨。

    在掃描電鏡觀察下,兩種鑄鐵組織中珠光體片層厚度(層間距)見圖9。

    由圖9可見,高錳灰鑄鐵組織中珠光體明顯細化。

    5、高錳灰鑄鐵適用的孕育劑

    為了了解提高錳含量后鑄鐵對孕育處理和各種孕育劑的適應性, 2號試驗鑄鐵(CE 4.0)熔煉后,分別用純硅、75硅鐵和硅鈣合金進行孕育處理,考核其對鑄鐵的白口深度、抗拉強度和共晶團數量的影響。并與不進行孕育的鑄鐵比較。

    不同孕育劑對試片白口深度的影響見圖10,對鑄鐵抗拉強度的影響見圖11。 

    經硅鈣合金孕育的鑄鐵,共晶團數量最多。用75硅鐵孕育的鑄鐵次之,但比硅鈣處理的約差兩個等級。用純硅孕育居第三位,與用75硅鐵處理的差別不太大。不經孕育處理的鑄鐵,共晶團數量然最少。

    由此可見,對于錳含量提高到2%左右的灰鑄鐵,最適宜的孕育劑是硅鈣合金。

    3項檢測的指標看來,用75硅鐵處理的鑄鐵居第二位,但與硅鈣合金處理的差距并不很大,實際生產中也是可用的。

    用純硅處理的效果不及75硅鐵。 


    【上一個】 如何防止球墨鑄鐵石墨漂浮缺陷? 【下一個】 如何解決蠟模表面缺陷熔模鑄造中的一個重要工作?

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