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    提高灰鑄鐵性能的途徑往往同時采取兩種以上措施


    為提高灰鑄鐵的性能,常采取下列幾種措施:選擇合理的化學成分;改變爐料組成,過熱處理鐵液;孕育處理;微量或低合金化。采取何種措施取決于所要求的性能及生產條件,往往同時采取兩種以上措施。  

    1、化學成分的合理選配

    (1)碳、硅及硅碳比  灰鑄鐵的含碳量大多在2.6%~3.6%,含硅量在1.2%~3.0%,碳硅都是強烈地促進石墨化的元素,可用碳當量CE來說明它們對灰鑄鐵金相組織和力學性能的影響.提高碳當量促使石墨化變粗,數量增多,強度和硬度下降.降低碳當量可減少石墨數量,細化石墨,增加初析奧氏體枝晶,從而是提高灰鑄鐵力學性能時常采取的措施.但降低碳當量會導致鑄造性能降低,鑄件斷面敏感性增大,鑄件內應力增加,硬度上升加工困難等問題,因此必須輔以其它的措施.  在碳當量保持不變的條件下,適當提高Si/C比(一般由0.5左右提高至0.7左右),在凝固特性,組織結構與材質性能方面有以下變化:  

    a  組織中初析奧氏體數量增多,有加固基體的作用;  

    b  由于總碳量的降低,石墨量相應減少,減輕了石墨片對基體的切割作用;

     c  固溶于鐵素體中的硅量增多,強化了鐵素體(包括珠光體中的鐵素體); 

    d 提高了共析轉變溫度,珠光體在較高溫度下生成,易粗化,會降低強度; 

    e 降低了奧氏體的含碳量,使奧氏體在共析轉變時易生成鐵素體;  

    f  硅高碳低情況下,易使鑄件表層產生過冷石墨并伴隨有大量鐵素體,有利于切削加工,但不加工面的性能有所削弱;  

    g  提高了液相線凝固溫度,降低了共晶溫度,擴大了凝固范圍,降低了鐵液流動性

    ,增大了縮松滲漏傾向

    .  綜合以上各種固素的利弊,在碳當量較低時,適當提高Si/C,強度性能會有所提高,切削性能有較大改善,但要注意縮松滲漏傾向的增加和珠光體數量的減少。在較高碳當量時

    (具體取決于生產條件)提高Si/C反而使抗拉強度下降。此時提高硅碳比仍能有減少白口傾向的優點,適用于性能要求不高的薄壁鑄件的鑄造。  

    (2)錳和硫  錳和硫本身都是穩定碳化物、阻礙石墨化的元素。但兩者共同存在時,會結合成MnS及(Fe、Mn)S化合物,以顆粒狀分布于基體中。這些化合物的熔點在1600℃以上,不僅無阻礙石墨化的作用,而且還可作為石墨化的非自發性晶核。為中和硫所必需的錳大約為:  

           Mn=1.73S    

           S≤0.2% Mn=3.3S     

           S≥0.2%  

        普通灰鑄鐵中,硫量一般在0.02%~0.15%,錳量在0.4%~1.2%。故中和以后過高的錳或硫才能單獨起作用。  

    實踐表明,只要防止鐵液氧化、正確使用孕育防白口的能力,錳量增加不僅能增加并細化珠光體,且適當放寬對含硫量的控制并無害處。歐洲許多廠家經常用S0.12%~0.15%的鐵液來鑄造汽車、拖拉機上HT250以上處牌號的零件。  錳在1.5%以上,甚至超過硅量時,灰鑄鐵已屬合金化鑄鐵,此時具有強度高、硬度高、密度高、致密性高、耐磨的優點,已在機床鑄件上得到了應用,但此時Si量也需作相應的提高。  為確保常用孕育劑的孕育效果,灰鑄鐵鐵液中的含硫量一般不低于0.05%~0.06%

    。 (3)磷  磷使鑄鐵的共晶點左移,且作用程度和硅相似,故計算碳當量時,應計入磷的含量。 磷在鑄鐵中以低熔點二元或三元磷共晶存在于晶界,其硬度分別在750~800HV和 900~950HV之間,故磷可以提高灰鑄鐵耐磨性,應用于機床、缸套和閘瓦。但必須避免三元

     

    磷共晶的出現;同時,隨著磷量的提高,力學性能尤其是韌性和致密性降低。磷量高往往是

    鑄件冷裂的原因。  灰鑄鐵件的含磷量一般小于0.20%,有耐磨和高流動性要求的,可至

    0.3%~1.5%,有致密性要求的,含磷量需低于0.06%。  

    2、改變爐料組成  灰鑄鐵的爐料一般由新生鐵、廢鋼、回爐料和鐵合金等組成。加入廢鋼,降低鐵液含碳量,可以提高灰鑄鐵的力學性能,在生不同牌號灰鑄鐵時將加入不同比例的廢鋼作為保證材質性能的一個控制指標。近年來由于工業發達國家廢鋼供應十分充裕,價格也遠較新生鐵便宜,于是發展了不用新生鐵而只用廢鋼和回爐料,用增碳方法調節碳量的合成鑄鐵及其冶煉方法。合成鑄鐵不僅能降低成本,而且在同樣的化學成分下能獲得更好的力學性能。合成鑄鐵的生產需要能將鐵液溫度過熱到1500℃以上的熔煉設備。  

    為節約能量和改善灰鑄鐵的組織與性能,還可在配料中采用合成生鐵代替鑄造生鐵。這是因為高爐生產鑄造生鐵比之生產煉鋼生鐵需要更多的焦耗,并降低生產率。為此可用高碳低硅高爐鐵液,倒進液態硅鐵,制得合成生鐵。用合成生鐵生產的灰鑄鐵其金相組織和力學性能得到了改善。  

    3、鐵液過熱處理  溫度、化學成分、純凈度是鐵液的三項主要冶金指標,而鐵液溫度的高低又直接影響到成分和純凈度。鐵液溫度的提高有利于提高流動性、獲得健全鑄件,降低廢品率,而且在一定范圍內有利于力學性能的改善。  在一定范圍內提高鐵液溫度能使石墨細化、基體組織細密、抗拉強度提高,硬度下降,成熟度、相對硬度和品質系數得到改善,彈性模量有少許提高,泊松比先下降、隨后又提高。 過度過熱不僅浪費能量,對力學性能也無好處,甚至有害。此臨界溫度和爐料組成、熔煉設備、化學成分等因素有關,不同研究者得出不同結論,但過熱至1500℃以前的效果和結論是一致的。工業發達國家的熔煉出鐵溫度則保持1520~1550℃,鐵液保溫爐的溫度為1480~1500℃。  

        隨著過熱溫度的提高,鐵液中含氮量、含氫量略有上升,但1450℃以后的氧含量大幅度下降,鐵液的純凈度有了提高。較高的氮除了易引起針孔缺陷外,對鑄鐵的抗拉強度和硬度有提高作用。  按Si+O2=SiO2的反應計算,鑄鐵中的平衡溶氧量隨溫度的提高而提高。但鑄鐵中碳的存在,在一定的平衡溫度之后,發生了:SiO2+2C→Si+2CO↑的反應,使鑄鐵中溶氧量開始下降。此平衡溫度TG可按鐵液中碳、硅含量計算:lg[Si%/(C%)2]=27486/TG+15.47  對于含碳量3.2%,硅1.6%的鑄鐵,其TG為1415℃。  鐵液溫度低于TG,則氧留于鐵液中,和硅等元素的化合物可作為部分結晶核心。溫度高于TG,則鐵液中的氧以CO形式逸出,減少了鐵液的氧化。平衡溫度TG只是個理論值,實際反應溫度要高于此值。由于CO的放出,鐵液開始沸騰,故實際反應溫度稱為沸騰溫度TH,它可以從下式計算:  TH(℃)=0.7866xTG(℃)+362  對于C3.2%,Si1.6%的鐵液,其TH=1475℃。這也是工業發達國家把鐵液出爐溫度提高至1480℃以上的另一重要原因。  

    4、鐵液孕育處理  孕育處理就是在鐵液進入鑄件型腔前,把孕育劑附加到鐵液中以改變鐵液的冶金狀態,從而改善鑄鐵的顯微組織和性能,而這些性能的改善并不能由于加入孕育劑后鐵液化學成分的變化來解釋。隨著孕育劑、孕育方法的改進,孕育處理已是現代鑄造生產中提高鑄鐵性能的重要手段。  

    (1)孕育目的及其效果的評定

    1)孕育的目的: 促進石墨化,減少白口傾向; 改善斷面均勻性;  控制石墨形態,減少共晶石墨和共生鐵素體的形成,以獲得中等大小的A型石墨; 適當增加共晶團數和促進細片狀珠光體的形成; 改善鑄鐵的力學性能和其它性能。

    2)孕育效果的評定:  孕育目的不同,評定孕育效果的指標也不同。但常用減少白口傾向、增加共晶團數及減少過冷度來評定。  

    ①減少白口傾向,常用三角試樣的白口深度或寬度來評定孕育前后的白口傾向。不同鑄件可使用不同形式的三角試樣。  

    ②共晶團數,在試樣上測定共晶團數,用以衡量孕育前后成核程度的差別。應指出,共晶團靈敏的比較必須在相似條件下進行,因爐料、熔化條件、過熱處理、孕育劑、孕育方法等都會引起共晶團數的改變;有些孕育劑,例含鍶孕育劑,并不過多增加共晶團數,卻有很強的降低白口傾向的作用。  

    ③共晶過冷度,鐵液孕育后,結晶核心大量增多,使共晶大量生核溫度提前開始,也提前結束,絕對過冷度均相應減小,因此可用孕育前后過冷度的變化來檢測孕育效果。

    實際生產不能追求量大的孕育效果。為防止疏松等缺陷出現,不少企業規定相對過冷度小于4℃為孕育過度,而力求孕育后獲得6~8℃的相對過冷度。  孕育劑的作用有效性均隨時間而衰退,因此在篩選孕育劑時也常把孕育效果保持長短作為一個評定指標。  

       (2)一定條件下,每種孕育劑都有其最佳加入量,

    過多地使用孕育劑不會帶來更大的孕育效果,反而浪費孕育劑、降低鐵液溫度、增加鑄件的缺陷和成本。一般建議,孕育劑帶進鐵液的硅量不大于0.3%、碳量不大于0.1%,國內熔化的鐵液氧化程度較大、故使用孕育劑量大都超過此值。  至今國內外大部分鑄工車間使用的孕育劑仍然是FeSi75。其原因除便宜易得外,主要是它在孕育后的短時間內(約5~6min)有良好的孕育效果。

    (3)孕育方法

        1)、包內孕育:包內沖入法:孕育劑加入包中,然后沖入鐵液;方法最簡單,但孕育劑易氧化,燒損大;在包內易浮起和渣混在一起,不起孕育作用;孕育劑用量多;孕育至澆注的間隔最長、衰退最嚴重;  出鐵槽孕育:出鐵時,用手工、孕育劑料斗或振動給料器把孕育劑加到出鐵槽的鐵液流中;蜣D包時,加到轉包鐵液流中;孕育劑氧化減輕;孕育劑浪費少,但用量仍偏多;澆注前停留時間長,衰退嚴重;  

    2)、遲后孕育:  澆杯孕育:把孕育劑(;虺尚蛪K)放入澆杯中,鐵液進入澆杯,使孕育劑熔解后進入鑄型;增加造型工作量;孕育劑顆粒易浮起,浪費;孕育后鐵液立即進入鑄型,基本無衰退;孕育劑用量比包內孕育法少;  硅鐵棒孕育:澆注時,通過鐵液流對包嘴處硅鐵棒來達到孕育;衰退少;孕育劑用量比包內法少;硅鐵棒制造麻煩;孕育劑用量不易控制;對澆注工藝要求高;大塊浮硅孕育:將大塊硅孕育劑放包底,沖入鐵液使孕育劑塊邊熔邊浮,鐵液表面仍有1/4~1/5的硅鐵塊,或包內沖入法后在液面撒一層硅鐵;鐵液面處富硅,澆注的鐵液似剛孕育,衰退;操作簡單;減少破碎工作量;但塊度要和溫度、包容量相配;孕育劑耗量大;  孕育絲孕育:把孕育劑包在空心金屬絲中,采用改進的焊絲給料機,均勻送入直澆道或澆杯的鐵液中;孕育劑用量可減少至0.08%以下;孕育絲能自動均勻地進入鐵液;無衰退;孕育絲供應成本高;都為定點使用;要求控制系統可靠;

          鐵液流孕育:把孕育劑用重力或氣力加到進入鑄型的鐵液流中;孕育劑量能減至0.1%

    ;孕育劑粒能均勻進入鐵液流;無衰退,效果比包內孕育法要好,最好定點使用,控制系統要可靠;  

        3)、型內孕育:

        全部孕育:把孕育塊(一定塊度或成型塊)放在澆注系統內(過濾芯上、直澆道底部或橫澆道內)鐵液進入就被孕育;孕育均勻,無衰退,孕育劑量可降至0.05%~0.10%;要求孕育塊能連續均勻熔化;易生渣孔;要修改澆注系統、降低成品率。一般作輔助孕育劑用,已有成型塊供應;

        局部孕育:在鑄型局部放小孕育塊或孕育劑粉;能明顯減少鑄件局部產生白口,作輔助

    孕育用。  

        5、低合金化  灰鑄鐵的合金化是提高其力學性能和使用性能、節省材料的重要途徑。在生產實踐中,也常常采用在爐前添加少量合金元素與孕育技術相配合的措施,使同一基鐵(原鐵液)生產出不同成分的鐵液,以滿足不同牌號或同一牌號不同壁厚鑄件的要求。  大部分常用合金能在合適的加入量范圍內,促進珠光體生成部分能細化珠光體、強化鐵素體,從而提高灰鑄鐵的抗拉強度和硬度。但各元素的作用程度有別,在灰鑄鐵中加入一種以上合金時,它們對抗拉強度的總影響可以來估算。。。


    【上一個】 解決壓鑄件縮孔縮松缺陷的唯一途徑 【下一個】 合金鋼與碳鋼相比含有較多其他元素

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