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    鐵素體可鍛鑄鐵的生產工藝研究


    1.1 可鍛鑄鐵概況  可鍛鑄鐵是將白口鑄鐵通過固態石墨化熱處理(包括有或無脫碳過程)得到的具有團絮狀石墨的鐵碳合金。采用不同的熱處理方法,可以得到具有不同組織和性能的可鍛鑄鐵,即黑心可鍛鑄鐵、珠光體可鍛鑄鐵和白心可鍛鑄鐵。       當將白口鑄鐵毛坯件在密封的退火爐中進行熱處理,即在中性爐氣條件下退火時,得到的鑄鐵組織中有呈團絮狀的石墨(退火碳)存在。這種石墨雖不很圓整和緊密,但它對基體的割裂作用則比灰鑄鐵中的片狀石墨要小得多,因此它能使鑄鐵得到較高的強度及良好的韌性。鑄鐵的基體可以通過熱處理來加以控制。使之成為鐵素體或珠光體。用這種方法得到的鐵素體基體可鍛鑄鐵因組織中有石墨存在,因而鑄鐵的斷面呈暗灰色,而在表層經常有薄的脫碳層呈淺灰色,故通稱為黑心可鍛鑄鐵。而珠光體可鍛鑄鐵則是以其基體命名的。
    【1】    1.2 鐵素體可鍛鑄鐵的組織   nth="12" day="30" islunardate="False" isrocdate="False" w:st="on">1.2.1鐵素體可鍛鑄鐵的組織特點  鐵素體可鍛鑄鐵的金相組織為鐵素體基體加團絮狀石墨。由于退火過程中爐氣的氧化作用,常使鑄件表面有一脫碳層,與中心部位的顯微組織有所不同。  可鍛鑄鐵中心部位的石墨主要有團絮狀和絮狀,有時還會出現團球狀、聚蟲狀和枝 晶狀等。
    【2】 1.2.2鐵素體可鍛鑄鐵的性能     nth="12" day="30" islunardate="False" isrocdate="False" w:st="on">1.2.2.1 力學性能及影響因素  (1)彈性模量:鐵素體可鍛鑄鐵的彈性模量約為157~170GPa,彈性模量隨組織中石墨數量的增加和緊密圓整度的降低而減小。 泊松比為0.25~0.28.  (2)疲勞性能: 鐵素體可鍛鑄鐵的光滑試樣的對稱彎曲疲勞極限為175~210MPa。 (3)高、低溫性能:可鍛鑄鐵的抗拉強度和屈服點自室溫至370℃無明顯變化。鐵素體可鍛鑄鐵在高溫下的持久強度隨溫度升高而降低?慑戣T鐵的硬度隨溫度升高而有所變 
    2  化,當溫度超過400℃后,硬度明顯下降。在低溫下可鍛鑄鐵的強度隨溫度下降而升高,伸長率則下降,此種變化情況與韌性脆性轉變有關。鐵素體可鍛鑄鐵有較高的沖擊韌度。 
    【3】     nth="12" day="30" islunardate="False" isrocdate="False" w:st="on">1.2.2.2 鑄造性能  可鍛鑄鐵鑄造性能具有如下特征:  (1)流動性:可鍛鑄鐵碳、硅含量低,液相線溫度偏高,凝固溫度范圍較大,所以流動性不好,類似于鑄鋼。故要求澆注溫度較高,薄壁件應在1350 ℃以上,中厚件澆注溫度要大于1320℃同時要求鑄型耐火度較高。  (2)收縮:可鍛鑄鐵鑄態組織為白口,收縮較大,體收縮一般為5.3%~6.0%,線收縮為1.5%~1.8%。冒口必須保證足夠的尺寸和數量,以利補縮,冒口形式大多采用頂部180°(角)的暗冒口。白口鑄件退火時,將產生石墨化膨脹,其值隨碳含量而變。鐵素體可鍛鑄鐵退火時,如碳含量為2.2%,長度脹出1.4%,精確鑄件的工藝,應同時考慮鑄造收縮和退火膨脹。鐵素體可鍛鑄鐵件模型的縮尺一般選用2.8%,具體數值可根據鑄件結構、鑄型硬度、鐵水含碳量等來決定。  (3)縮松與縮孔:因流動性不好,故可鍛鑄鐵的澆注溫度偏高,造成液態收縮偏大,結晶溫度范圍又較寬,極易產生縮松與縮孔。當結晶過程中形成樹枝狀結晶和板條狀共晶組織時,縮松傾向尤為突出,且補縮能力差,極易產生縮松。  (4)鑄造應力和裂紋可:鍛鑄鐵收縮大,應力大,裂紋傾向隨之也大。故裂紋傾向性大是可鍛鑄鐵同其他鑄鐵區別的特征之一。裂紋傾向與鐵液結晶凝固溫度范圍較 大,易生成樹枝狀結晶、形成板條狀結構、補縮性能較差、收縮較大等性能有關。 
    【4】 1.3 研究內容及目的  (1)查閱文獻資料,掌握可鍛鑄鐵的成分組織,生產工藝性能及應用; (2)完成鐵素體可鍛鑄鐵的配料,熔煉,鑄造工藝及熱處理工藝; (3)會制作砂型及了解砂型成分;  (4)觀察金相組織,并對金相組織進行分析.

     

    2.1 化學成分的選定原則  

    (1)保證鑄件任一截面在鑄態時全白口,不出現麻點,否則會顯著降低機械性能;

    (2)有利于較快的石墨化過程,以保證短時間內完成石墨化退火,縮短生產周期;

    (3)有利于提高機械性能;  

    (4)在不影響機械性能的情況下,兼顧鑄造性能,從而提高產品的合格率。

    【5】  2.2鐵素體可鍛鑄鐵配比計算  

    (1) 查資料可得可鍛鑄鐵標準含量為:  

     

      在熔煉過程中存在燒損選取燒損率如下: C增加5%       Si燒損5%       Mn燒損10% S增加50%       P不變   由以上數據可以得到以下計算過程,分別計算出需要添加的生鐵中碳錳鐵45號鋼的含量。列于下表。 (2)計算過程:  以熔煉100g白口鑄件為例,設需要Q10生鐵的量為x, 中碳錳鐵的量為y ,45號鋼為z  則可以列下列方程組

                     X+y+z=100               

                 4.32x+1.91y+0.45z=2.38×100              

                   0.44x+75.85y+0.65z=0.61×100 

                 計算可得:x=49.7  y=0.35 z=49.95          

       4  由此定出鐵素體可鍛鑄鐵的初步配料成分單見表2.2,Q10生鐵的配比為49.7%,中碳錳鐵的配比為0.35%,廢鋼為49.95%   表2.2鐵素體可鍛鑄鐵初步配料成分

     

     

    在熔煉過程加入硅鐵以確保Si的含量符合要求即可。    

    2.3熱處理工藝的選定  退火工藝: 退火過程及其組織轉變,用圖2.1所示的退火曲線及組織變化示意圖來說明。其過程可分為如下五個階段。  

     (1)升溫階段(0~1)!1”點溫度一般為950℃左右或稍高些,此時鑄鐵組織由珠光體加萊氏體轉變成奧氏體加萊氏體。實際生產中,由于較大的退火爐升溫較慢,加熱到900℃以上需要10~20h以上,雖然在規定的石墨化退火工藝規范中,沒有專門的預處理階段,但實際上經過300~500℃的時間超過了3~5h,已含有預處理的作用。增加低溫預處理的時間,更可以增加厚大斷面可鍛鑄鐵的石墨核心數。  

     (2)石墨化第一階段(1~2)。在第一階段保溫,自圖2.1 退火曲線及組織變化示意圖由滲碳體不斷溶入奧氏體而逐漸消失,團絮狀石墨逐漸形成。第一階段結束時(到“2”點),組織為奧氏體(γ)加團絮狀石墨。這個階段所需的時問長短以自由滲碳體能全部分解完為準,過長無益且有害。

    (3)中間階段(2~3)。指從高溫冷卻到稍低于共析溫度(710~730℃的范圍)的 階段。隨著溫度的降低,奧氏體中的碳逐漸脫溶,附著在已生成的團絮狀石墨上,使石墨長大。到“3”點的組織為珠光體加團絮狀石墨。這階段冷得太慢會增加退火周期,太快會出現二次滲碳體。    (4)石墨化第二階段(3~4)。在710~730C處保溫,可使共析珠光體逐漸分解成鐵素體加石墨,石墨繼續向已有的團絮狀石墨上附著生長,到“4”點時組織為鐵素體加團絮狀石墨。這階段所需時間的長短根據珠光體是否能分解完而定。這階段亦可采用從750C左右開始,以3~5C/h的緩慢速度通過共析區,這樣奧氏體可直接轉變為鐵素體加石墨。這個方法石墨化速度可快些,但控制冷卻速度是個關鍵因素。      圖2.2鐵素體可鍛鑄鐵金相組織    (5)冷卻階段(4~室溫)。到“4”點以后,再繼續保溫并不發生組織變化,可

       6  用較快速度冷卻。為防止回火脆性,冷到500~600rC時即可出爐空冷。鐵素體可鍛鑄鐵顯微組織如圖2.2所示。[6]  2.4 實驗用原材料、儀器設備及實驗步驟的制定

    nth="12" day="30" islunardate="False" isrocdate="False" w:st="on">2.4.2本次實驗所用儀器設備

    (1)可控Si中頻爐  (2)熱處理爐:對金屬工件進行各種金屬熱處理的工業爐的統稱。溫度一般較加熱爐為低。熱處理爐可以采用各種加熱爐的爐型,但要求較嚴格地控制爐溫和爐內氣氛等。熱處理爐大多使用氣體燃料加熱,為了準確控制爐溫,有的熱處理爐用電加熱。        圖2.3熱處理爐    (3)金相顯微鏡:用入射照明來觀察金屬試樣表面(金相組織)的顯微鏡。 (4)澆注設備 (5)洛氏硬度計

     

    (6)混砂機 (7)造型設備    nth="12" day="30" islunardate="False" isrocdate="False" w:st="on">2.4.3實驗步驟       nth="12" day="30" islunardate="False" isrocdate="False" w:st="on">2.4.3.1制作砂型  本實驗選用干砂型進行澆注,干砂型是以粘土和膨潤土作粘結劑的一種型砂,鑄鐵件的干砂型大多采用粒度較粗的原砂。干砂型砂主要由新砂、舊砂、粘土、膨潤土、附加物和少量的誰組成。制作過程中先將下沙箱放好,制作底層,要緊實,防止泄漏,再將零件放好將混合好的沙子倒入沙箱中到一層壓實一層知道頂端,頂端要壓平。      nth="12" day="30" islunardate="False" isrocdate="False" w:st="on">2.4.3.2熔煉  本實驗采用電弧爐熔煉,把Q10生鐵、45鋼、中碳錳鐵放入熔爐中進行熔煉,待全部融化后將75硅鐵放入爐中,大約40分鐘進行澆注。使用工具必須干燥,發現潮濕不準使用。實驗中要注意安全。  2.4.3.3澆注  本實驗采用直接澆注圓棒,實驗人員要注意穿好工作服帶好手套注意安全。 2.4.3.4熱處理  鐵素體可鍛鑄鐵是由白口鑄坯退火而成的。白口鑄坯的鑄態室溫組織為:珠光體(鐵素體+ 共析滲碳體)+ 萊氏體(奧氏體+共晶滲碳體)+ 二次滲碳體。退火的目的就是要將共晶滲碳體、二次滲碳體和共析滲碳體全部分解為鐵素體和石墨。鐵素體可鍛鑄鐵退火過程可分為五個階段,分別為:升溫、第一階段石墨化、中間階段冷卻、第二階段石墨化和出爐冷卻。具體操作可參考2.2 熱處理工藝的選定  經過嚴格控溫和保溫時間的熱處理后可以得到比較純凈的鐵素體基體可鍛鑄鐵,最后的組織可以基本的符合我們實驗要求。 2.4.3.5金相制作與觀察   將未經石墨化退火熱處理與經過石墨化退火熱處理的試樣分別制作金相組織,并在金相顯微鏡下觀察并照相。并與標準的金相組織進行表對分析,找出組織中的典型組織特征。并分析實驗中缺陷出現原因。

       

    8  第三章 結果分析               

     3.1 實驗所得金相組織  

    圖3.1中黑色部分為滲碳體組織,白色部分為珠光體組織,

    圖3.2中白色部分為鐵素體組織,黑色部分為團絮狀石墨組織。        

    圖3.1 未經退火處理的白口鑄件金相組織        

     圖3.2 經退火處理的鑄件金相組織

     3.2 實驗所得金相組織分析

     通過熱處理圖3.1中珠光體先轉變成奧氏體,即實現奧氏體化,而后奧氏體不斷溶入奧氏體而逐漸消失,團絮狀石墨相應生成,冷卻降溫時,奧氏體中碳溶解度降低而析出過飽和的碳,沉積于石墨上,組織變為珠光體加團絮狀石墨,繼續降溫冷卻,珠光體分解,形成如圖3.2所示的白色部分的鐵素體組織,黑色部分的圖絮狀石墨。        

     

        9  第四章 結論    1.此次試驗通過正確選用爐料配比,獲得了可用的白口鐵組織,經退火熱處理, 即鐵素體可鍛鑄鐵退火過程的五個階段,分別為:升溫、第一階段石墨化、中間階段冷卻、第二階段石墨化和出爐冷卻,從而得到了純凈的鐵素體基體。  2. 在實驗中我學會了很多東西,在生產中不僅需要專業知識還需要我們的動手能力。為以后的學習定位指明了方向。通過這個實驗我學到了很多不僅有對專業知識更加深刻的認識,還有在生產實際中對生產勞動更加深刻的理解,對以后走上就業崗位從事專業活動有了更深的理解。 

     


    【上一個】 氧化物、硫化物和硫氧復合化合物在球墨鑄鐵中的作用 【下一個】 消失模工藝工業應用及解決缺陷問題研究

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