北京科技大學(xué)鑄造材料與工藝球磨鑄鐵的生產(chǎn)與控制

1、鑄造材料與工藝課程設(shè)計(jì)球磨鑄鐵的生產(chǎn)與控制學(xué)生姓名： 學(xué)生學(xué)號(hào)： 指導(dǎo)教師：目錄一課程設(shè)計(jì)題目及設(shè)計(jì)思路3二球磨鑄鐵簡(jiǎn)介3三球磨鑄鐵基體的選擇3四球磨鑄鐵化學(xué)成分的設(shè)計(jì)4五鐵液的熔煉、球化及孕育過(guò)程的控制5六熱處理過(guò)程的選擇7七力學(xué)性能檢測(cè)7八結(jié)語(yǔ)7九參考文獻(xiàn)：8一課程設(shè)計(jì)題目及設(shè)計(jì)思路抗拉強(qiáng)度400Mpa，伸長(zhǎng)率不低于80%，-40的標(biāo)準(zhǔn)V型缺口試樣的沖擊吸收功不低于12J的球磨鑄鐵的生產(chǎn)與控制。根據(jù)力學(xué)性能要求，對(duì)于球磨鑄鐵的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)主要分為一下幾個(gè)步驟：（1） 球磨鑄鐵基體的選擇：球磨鑄鐵的力學(xué)性能主要取決于基體組織，從題目中可以看出，產(chǎn)品對(duì)于伸長(zhǎng)率的要求較高，因此在設(shè)計(jì)時(shí)需對(duì)比不同的

2、球磨鑄鐵基體的特點(diǎn)及力學(xué)性能，選擇所要生產(chǎn)的球磨鑄鐵的基體；（2） 球磨鑄鐵化學(xué)成分的設(shè)計(jì)：根據(jù)相應(yīng)的基體，參照抗拉強(qiáng)度與伸長(zhǎng)率均符合要求的QT400-18牌號(hào)球磨鑄鐵的成分，設(shè)計(jì)出初步的元素成分。另外，從題目中可以看出，產(chǎn)品對(duì)低溫韌性要求較高，因此需在初步成分的基礎(chǔ)上，進(jìn)行成分的改進(jìn)，最終使產(chǎn)品的低溫韌性達(dá)到要求。（3） 球化及孕育過(guò)程的控制：球磨鑄鐵的球化過(guò)程和孕育過(guò)程是球鐵生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，決定著最終產(chǎn)品的力學(xué)性能和組織的好壞，因此需要重點(diǎn)控制。（4） 熱處理過(guò)程的選擇：熱處理方法可以改善基體組織，提高力學(xué)性能，對(duì)于最終力學(xué)性能特別是低溫韌性的達(dá)標(biāo)有重要的作用。二球磨鑄鐵簡(jiǎn)介兼具優(yōu)良的綜合

3、機(jī)械性能以及低廉的制造成本，球墨鑄鐵已經(jīng)大量用于制造強(qiáng)度、韌性、耐磨性要求較高的零件。球墨鑄鐵是鐵液凝固時(shí)碳以石墨形式呈球狀析出的鑄鐵。由于石墨以球狀存在，避免因片狀或尖角可能導(dǎo)致的應(yīng)力集中，降低了石墨對(duì)基體的割裂作用，其強(qiáng)度、塑性、初性均顯著優(yōu)于灰鑄鐵。球墨鑄鐵屈強(qiáng)比較高，其強(qiáng)度質(zhì)量比也優(yōu)于鑄鋼。三球磨鑄鐵基體的選擇按照基體的不同，球磨鑄鐵可分為鐵素體球墨鑄鐵、珠光體球磨鑄鐵以及珠光體鐵素體球磨鑄鐵。珠光體基體的球磨鑄鐵抗拉強(qiáng)度高，但是塑性差，其伸長(zhǎng)率很難達(dá)到所要求的18%；而鐵素體基體的塑性最好，能夠滿足要求，雖然其抗拉強(qiáng)度較差，但也能達(dá)到要求的400Mpa，因此選擇鐵素體基體作為設(shè)計(jì)基體

4、。鐵素體球墨鑄鐵是一種綜合性能良好的高韌性、高強(qiáng)度金屬材料。它主要用于制造受力較大而主要又承受變形和沖擊的零部件，如汽車的底盤和輪轂等1,2。生產(chǎn)鐵素體球墨鑄鐵通常采用合適的高、低溫退火工藝來(lái)消除晶界共晶碳化物，分解珠光體以獲得80%以上的鐵素體基體組織，從而保證鐵素體球墨鑄鐵較高的沖擊韌度和一定的強(qiáng)度3。四球磨鑄鐵化學(xué)成分的設(shè)計(jì)化學(xué)成分是保證球磨鑄鐵力學(xué)性能的基礎(chǔ)，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB1348-1988，參照QT400-18牌號(hào)的球鐵主要化學(xué)成分（3.5-3.9%C，2.0-2.1%Si，0.40%Mn，0.05%P，0.03%S）。因?yàn)楸狙芯繉?duì)球鐵的低溫性能有很高的要求，需結(jié)合鎳元素對(duì)鐵素體

5、球磨鑄鐵低溫韌性的提高，對(duì)產(chǎn)品的化學(xué)成分設(shè)計(jì)如下：（1）碳當(dāng)量碳促進(jìn)石墨化，減少白口，但含量過(guò)高，易引起石墨漂?。贿^(guò)低，鑄件收縮增大，易形成縮孔、縮松等缺陷。硅也能促進(jìn)石墨化，以孕育劑的方式添加，其效果更佳。Si通常有雙重作用：一方面使?jié)B碳體、珠光體、三元磷共晶減少，增加鐵素體量，改善塑性；另一方面卻強(qiáng)化鐵素體，脆性作用較明顯，因此為獲得18%的伸長(zhǎng)率，應(yīng)盡量降低Si含量4。選擇碳當(dāng)量為4.1%-4.4%，其中碳含量3.5%-3.9%，硅含量2.0%-2.1%。（2）錳錳是形成碳化物能力較強(qiáng)的元素，容易附集到共晶團(tuán)邊界而形成珠光體或碳化物，嚴(yán)重時(shí)形成網(wǎng)狀碳化物,影響力學(xué)性能，一般控制猛含量小于

6、0.2%。（3）磷磷在球鐵中溶解度很低，當(dāng)磷超過(guò)某一含量時(shí)，易偏析于共晶團(tuán)邊界形成磷共晶，降低鑄件的塑性、韌性和強(qiáng)度，并且使鑄件產(chǎn)生泠裂，因此控制磷含量<0.05%。（4）硫硫與鎂、稀土親和力很強(qiáng)，消耗鐵液中的球化元素，形成MgS、RES渣，降低球化率。硫越高，消耗球化劑越多，因此鐵液含硫量高是造成球化元素殘留量少而導(dǎo)致球化不良的主要原因。另外，含硫量高還容易產(chǎn)生夾渣、皮下氣孔等缺陷，所以在球鐵的生產(chǎn)中含硫量多少對(duì)穩(wěn)定生產(chǎn)、提高質(zhì)量極為關(guān)鍵。應(yīng)該硫含量應(yīng)嚴(yán)格控制<0.025%5。（5）稀土和鎂殘留量稀土起輔助球化作用，RE殘過(guò)高時(shí)，會(huì)惡化石墨形狀。因此在保證球化良好的前提下，稀土和

7、鎂的殘留量盡可能降低?？刂芌E殘的含量0.03%-0.04%，Mg殘的含量0.04%-0.05%。（6）鎳Ni 熔于鐵熔體中，碳的溶解度隨鐵水中鎳的增加而逐漸降低。鎳對(duì)石墨化會(huì)產(chǎn)生一定的影響，在鑄鐵共晶凝固期間，鎳對(duì)石墨化的影響能力約為硅的三分之一，因此，在鑄鐵中加入1鎳，則可降低鑄鐵中的含硅量約0.3，而不會(huì)增加析出自由滲碳體的危險(xiǎn)。 鎳對(duì)基體組織也會(huì)有很大影響，鎳降低奧氏體轉(zhuǎn)變的臨界溫度，擴(kuò)大奧氏體區(qū)，增加到12-14時(shí)，奧氏體組織在室溫時(shí)仍是穩(wěn)定的。鎳一方面降低奧氏體轉(zhuǎn)變成珠光體的溫度，同時(shí)亦降低共析點(diǎn)的含碳量，每增加1降低共析點(diǎn)碳量 0.04。因此，鎳的加入可以顯著提升球磨鑄鐵的低溫韌

8、性，從而改善QT400-18在低溫韌性上的不足，使產(chǎn)品在-40的低溫下，V型缺口試樣的沖擊吸收功不低于12J，故確定含鎳量為0.1%-1.0%6。五鐵液的熔煉、球化及孕育過(guò)程的控制鐵液采用沖天爐與電爐雙聯(lián)的熔煉工藝熔煉，并進(jìn)行兩次脫硫。當(dāng)沖天爐鐵液沖入鐵液包時(shí)，采用1.0%的脫硫劑，其化學(xué)成分及粒度如表1所示，進(jìn)行一次脫硫，在感應(yīng)電爐爐內(nèi)用0.5%脫硫劑進(jìn)行二次脫硫。鐵液出爐溫度變化范圍小，為1450-14707，使生鐵中的石墨充分?jǐn)U散到鐵液中，保證鐵液凝固時(shí)重新結(jié)晶析出細(xì)小石墨，增加共晶團(tuán)數(shù)，保證鐵液有足夠的石墨化膨脹，降低了縮松傾向并消除了石墨粗大遺傳，保證了生產(chǎn)的質(zhì)量穩(wěn)定。表1脫硫劑化學(xué)

9、成分及粒度化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）粒度/mm<2CaO40-60CaC230CaF25-10球化劑是指在鑄鐵中加入的某些元素或合金，這些元素使鑄鐵中的石墨在結(jié)晶時(shí)以球狀析出，同時(shí)在鐵液中有很強(qiáng)的脫氧和脫硫作用，并且在鐵液中不溶解，與鐵液中的碳能夠結(jié)合。由于球化劑的球化作用，使石墨呈球狀析出，緩和了石墨對(duì)金屬基體的破壞，從而很大程度上提高了金屬的強(qiáng)度和韌度。球化處理時(shí)，采用沖入法，為提高鎂的吸收率和凈化環(huán)境，采用蓋包處理。選用FeSiMg8RE3低稀土鎂硅合金作為球化劑8，其化學(xué)成分如表2所示。對(duì)球化劑塊度大小也有一定要求9，粒度過(guò)大，容易引起早爆和漂浮，粒度過(guò)小，在鐵液溫度不足時(shí)容易結(jié)死

10、包底。表2 球化劑的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）MgReCaMgOSiFe7.5-8.52.5-3.52.5<1.040-45余量孕育處理是球墨鑄鐵生產(chǎn)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，鐵液經(jīng)球化處理后，硫氧含量明顯降低，純凈度顯著提高，導(dǎo)致形核核心減少。此外鐵液中存在的殘余鎂使過(guò)冷度增大。所以只球化不孕育的球墨鑄鐵熔液，石墨核心數(shù)少，白口傾向嚴(yán)重，力學(xué)性能不好，加工困難，因此球化處理后必須對(duì)球墨鑄鐵進(jìn)行孕育處理。孕育處理還可以提高石墨球的圓整度，改善球化率，輔助石墨呈球狀。孕育處理是使石墨球數(shù)量明顯增加的重要手段，是改善球墨鑄鐵品質(zhì)的首選方法。孕育處理時(shí)選用75SiFe作為孕育劑，并多次孕育10。（1） 包

11、內(nèi)孕育：球化劑加入包內(nèi)后，在其表面覆蓋粒度為5-10 mm孕育劑，加入量為0.6%，第一次出鐵2/3；（2） 出鐵槽孕育：第二次出鐵時(shí)，在出鐵槽隨流加入粒度5-10 mm孕育劑，加入量為0.3%；（3） 浮硅孕育：鐵液處理完畢后,在等待澆注的靜置時(shí)間內(nèi),加入塊度為80-100 mm，孕育劑加入量為0.2%；（4） 瞬時(shí)孕育：澆注鑄件時(shí)加入粒度0.2-0.5 mm，孕育劑加入量為0.1%。六熱處理過(guò)程的選擇由于擔(dān)心沖擊韌性不能達(dá)到要求，應(yīng)提高鑄態(tài)基體中鐵素體的含量，減少組織中存在的降低沖擊韌度的碳化物及其它組織，故需采用退火處理，具體的工藝為900-950保溫2.5h，爐冷至700-760保溫3

12、h，再爐冷至室溫11，其熱處理工藝如圖1。圖1 球磨鑄鐵退火工藝七力學(xué)性能檢測(cè)在熱處理結(jié)束后，需對(duì)對(duì)產(chǎn)品的力學(xué)性能進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)抗拉強(qiáng)度，伸長(zhǎng)率，以及-40低溫韌性能否達(dá)標(biāo)?？估瓘?qiáng)度的測(cè)試采用SHT4605型微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，在室溫條件下進(jìn)行；延伸率的測(cè)試在拉伸試驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行，采用 檢測(cè)抗拉強(qiáng)度時(shí)的數(shù)據(jù)，對(duì)延伸率進(jìn)行記錄、計(jì)算；沖擊韌性測(cè)試在 JBH-300 型示波沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。八結(jié)語(yǔ)根據(jù)伸長(zhǎng)率的要求，確定球磨鑄鐵的基體為鐵素體組織；參照QT400-18力學(xué)性能中低溫韌性的不足，在其原有元素含量的基礎(chǔ)上，改進(jìn)添加0.1-1.0%的Ni，從而大大改善其低溫韌性；在成分與基體確定的基

13、礎(chǔ)上，選定合適的鐵水熔煉、球化及孕育的工藝，保證產(chǎn)品的生產(chǎn)；最后再選擇900-950保溫2.5h，爐冷至700-760保溫3h，再爐冷至室溫的退火工藝，進(jìn)一步均勻組織，細(xì)化晶粒，并通過(guò)性能檢測(cè)，最終保證其力學(xué)性能。九參考文獻(xiàn)：1 陸文華. 鑄造合金及熔煉U. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.2 曹 健，高文理，岑 鴿，等. Ni、Si、Sb及澆注溫度對(duì)厚大斷面低溫鐵素體球墨鑄鐵性能的影響J. 鑄造技術(shù)，2010，31(12)：1537-1542.3 夏鵬舉，陸文華. 金屬型鑄造鑄態(tài)鐵素體球墨鑄鐵的實(shí)驗(yàn)研究J. 鑄造技術(shù)，2002，23(4)：213-216.4 周惦武，賴海萍，胡彥軍，等. 工藝因素對(duì)鑄態(tài)高韌性球鐵伸長(zhǎng)率的影響J.現(xiàn)代鑄鐵，2004(1)：13-16.5 李 蒙，白 玲. 鑄態(tài)QT400-18球鐵的生產(chǎn)J. 金屬鑄鍛焊技術(shù)，2009，38(11)：150-151.6 路 焱，劉向東，李 勇，等. 含鎳量對(duì)QT400-18L低溫沖擊韌度的影響J. 鑄造技術(shù)，2006,27(12)：1342-1344. 7 趙金鋒，穆富超. QT400-18高韌性球墨鑄鐵的生產(chǎn)