蠕墨鑄鐵讀書報告

2016-2017-1學(xué)期南陽理工學(xué)院《鑄造合金及其熔煉》課程報告學(xué)院：機械與汽車工程學(xué)院專業(yè)：材料成型及控制工程學(xué)生：學(xué)號：指導(dǎo)教師：完成日期年12月29日蠕墨鑄鐵及其熔煉摘要：介紹了蠕墨鑄鐵的起源、發(fā)展、性能指標(biāo)及石墨形態(tài)。按照蠕化劑的發(fā)展過程闡述鎂系和稀土系蠕化劑的化學(xué)成分和加入量。簡要介紹蠕墨鑄鐵化學(xué)成分的選擇，各種預(yù)處理、蠕化處理和熱處理工藝，并列舉了蠕墨鑄鐵的應(yīng)用實例，認(rèn)為蠕墨鑄鐵將有巨大的工程應(yīng)用空間。關(guān)鍵詞：蠕墨鑄鐵；應(yīng)用；蠕化劑；成分；蠕化處理;1概述1.1蠕墨鑄鐵的起源和發(fā)展蠕墨鑄鐵作為一種新型鑄鐵材料出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代。我國是研究蠕墨鑄鐵最早的國家之一。1966年山東省機械設(shè)計研究院發(fā)表了稀土高強度灰鑄鐵論文，標(biāo)志了我國蠕墨鑄鐵生產(chǎn)技術(shù)的研制成功。通常蠕墨鑄鐵是鑄造以前加蠕化劑（鎂或稀土）隨后凝固而制得的。迄今為止，國內(nèi)外研究結(jié)果一致認(rèn)為，稀土是制取蠕墨鑄鐵的主導(dǎo)元素。我國稀土資源富有，為發(fā)展我國蠕墨鑄鐵提供了極其有利的條件和物質(zhì)基礎(chǔ)。近年來，蠕化率N80%的蠕墨鑄鐵具有強度高、導(dǎo)熱和耐熱疲勞、加工性等綜合性能好的特點，在發(fā)動機缸體、缸蓋等重要鑄件上應(yīng)用的越來越多，并且獲得很好的技術(shù)經(jīng)濟效益，蠕墨鑄鐵應(yīng)用在發(fā)動機缸體和缸蓋的實例見圖1-1。工業(yè)發(fā)達(dá)國家掀起了一股研究和應(yīng)用蠕墨鑄鐵的熱潮。例如：美國福特公司生產(chǎn)的V6、寶馬（BMW）公司的V8，克萊斯勒汽車公司的12L、8缸，達(dá)夫公司（DAF）的12.6L、390kW、6缸發(fā)動機缸體等都用蠕墨鑄鐵來制造[1]圖1-1發(fā)動機缸體和缸蓋1.2蠕墨鑄鐵的特點蠕墨鑄鐵的性能優(yōu)良，具有灰鑄鐵和球墨鑄鐵的一系列優(yōu)點。蠕墨鑄鐵的力學(xué)性能介于灰鑄鐵和球墨鑄鐵之間，如抗拉強度、伸長率、彎曲疲勞強度優(yōu)于灰鑄鐵，而接近于鐵素體球墨鑄鐵。此外它的耐磨性優(yōu)于孕育鑄鐵和高磷耐磨鑄鐵，它的導(dǎo)熱性和耐熱疲勞性比球墨鑄鐵高得多，這是蠕墨鑄鐵的突出優(yōu)點，而且抗生長性和抗氧化性均較其它鑄鐵都高。蠕墨鑄鐵的減振性能比球墨鑄鐵高，但是不如灰鑄鐵，其切削加工性優(yōu)于球墨鑄鐵，鑄造性能接近灰鑄鐵，其縮孔、縮松傾向小于球墨鑄鐵，故鑄造工藝比較簡單。2蠕墨鑄鐵的組織及性能2.1組織特征蠕蟲狀石墨與片狀石墨相比，具有如下特征：其長度和寬度的比值小于片狀石墨相應(yīng)值。圖2-1中的（a）顯示了蠕蟲狀石墨的立體形態(tài)和結(jié)構(gòu)。從圖2-1中的（b）可見蠕蟲狀石墨和片狀石墨一樣存在著分叉，其側(cè)面不如片狀石墨平滑，端部變圓變鈍；蠕蟲狀石墨和片狀石墨一樣成簇狀存在，這意味著蠕蟲狀石墨對基體的切割作用要比片狀石墨小得多，可使力學(xué)性能提高。球狀石墨、蠕蟲狀石墨、片狀石墨的石墨的結(jié)構(gòu)是完全不同的，球狀石墨是年輪狀結(jié)構(gòu)、片狀石墨是層片狀結(jié)構(gòu)，蠕蟲狀石墨則兼有上述兩種結(jié)構(gòu)，在端部具有年輪狀與球狀石墨類似，在桿部有與片狀石墨相同的層片狀結(jié)構(gòu)。這樣的組織決定了蠕墨鑄鐵的性能介于球墨鑄鐵和灰口鑄鐵的性能之間⑵（a） （b）2.2蠕墨鑄鐵的牌號和性能蠕墨鑄鐵的牌號為：RuT+數(shù)字。牌號中，“RuT”是“蠕鐵”二字漢語拼音的大寫字頭，為蠕墨鑄鐵的代號，后面的數(shù)字表示最低抗拉強度。例如：牌號RuT300表示最低抗拉強度為300MPa的蠕墨鑄鐵。蠕墨鑄鐵是金屬基體和游離的蠕蟲狀石墨組成的機械混合物，包括鐵素體、珠光體（粗片狀、中等片狀、細(xì)片狀、索氏體）、馬氏體、下貝氏體、上貝氏體、奧氏體、少量滲碳體及磷共晶。滲碳體、磷共晶是基體中的有害組分，馬氏體、下貝氏體、上貝氏體、奧氏體必須通過熱處理才能獲得。世界各國均已制定了相的標(biāo)準(zhǔn)，基本性能也已取得共識。我國機械部標(biāo)準(zhǔn)1999年第2次修定，目前正在執(zhí)行（見表2-1）[2]表2-1蠕墨鑄鐵的牌號牌號抗拉強暖<MPh）屈服強度<JWP4）伸長率硬度宜堅化率WG瀕>主要基體組圾不小于RuTfl204203SS0.75200-2S0珠光體3800-751S3-274珠光悻RvT340枷270L0170-24950珠光棒+秩縻障RuT擁。2401.5140-217跌素停+葬光體RuTE^O2601953121—15?快素體3蠕化劑的發(fā)展到目前為止，國內(nèi)外都是利用向一定成分的鐵水中通過一定形式加入適量變質(zhì)元素一一蠕化劑來獲得蠕鐵的。蠕化處理方式與球化處理類似，但遠(yuǎn)比球化處理難以控制，這主要是由于鐵水中合適的蠕化元素殘留量范圍很窄造成的。因此，各國鑄造工作者對蠕鐵的開發(fā)與研究主要集中在蠕化作用范圍較寬的蠕化劑的研制上。目前，國際上應(yīng)用的蠕化劑主要有兩大類:一類是英、美等國采用的以Mg為主加干擾元素Ti等并配以微量Ce制得的蠕化劑；另一類是德國等國采用的稀土混合金屬以及原蘇聯(lián)和我國采用的稀土合金。3.1鎂系蠕化劑由于用球化劑制取蠕墨鑄鐵時會伴有蠕蟲狀石墨出現(xiàn)，且采用Mg處理鑄鐵工藝較簡單，因此開展了用Mg做蠕化劑的研究。開始時用鎳鎂合金做蠕化劑，但獲得蠕墨鑄鐵3(Mg殘)量范圍非常窄，僅在0.015%?0.020%之間，很難實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。為了擴大制取蠕墨鑄鐵時3(Mg殘)量范圍，研究用球化元素與反球化元素配成合金作為蠕化劑使用，取得了很大的突破，其合金成分為：3(Mg)4.5%?5.5%、3(Ti)8.5%?10.5%、3(Ce)0.25%?0.35%、3(Ca)4.0%?5.5%、3(Al)1.0%?1.5%、3(Si)48.0%?52.0%。3.2稀土系蠕化劑以稀土為主的蠕化劑大致可分 4類:混合稀土金屬、RE-Si-Fe合金、RE-Ca-Si-Fe合金和RE-Mg-Si-Fe合金。這里只簡單介紹一下混合稀土金屬和RE-Si-Fe合金。在混合稀土金屬中分低鈰混合稀土和高鈰混合稀土金屬，目前，大多采用低Ce混合稀土，其3(RE)>99%、3(Ce)約50%?；旌舷⊥良尤肓颗c鐵液中的3(S)量有關(guān)，3(S)量升高，混合稀土加入量加大，但只要3(RE殘)>0.02%即可獲得蠕墨鑄鐵。但因混合稀土價格較貴，只有在鐵液中3(S)量很低時使用才合理。稀土硅鐵合金是原蘇聯(lián)和我國經(jīng)常采用的蠕化劑，這種合金通常含有稀土元素20%?30%、40%?50%Si、余為Fe。稀土元素加入鐵水后，脫S、O凈化鐵水后，殘余的稀土元素才起蠕化作用。因此,稀土硅鐵合金作為蠕化劑的加入量必須達(dá)一定量，這一數(shù)值稱之為臨界加入量(見表3-1)。由于稀土元素沸點遠(yuǎn)高于鐵水溫度，處理時無煙氣和鐵水飛濺,較安全。正是由于不產(chǎn)生沸騰作用，加之稀土元素又屬于重原子金屬，原子半徑大，在鐵水中的自擴散能力弱,所以處理時必須充分?jǐn)嚢瑁偈钩煞志鶆?。目前無強有力的攪拌鐵水的手段，使其應(yīng)用受到限制⑷。表3-1稀土硅鐵合金臨界加入量(%)原鐵水S含量計算的純稀土加入量含稀土21.5%的稀土合金加入量0.030.1760.820.040.2100.980.050.2461.140.060.2801.300.070.3151.470.080.3501.63

4蠕墨鑄鐵的熔煉生產(chǎn)工藝4.1化學(xué)成分蠕墨鑄鐵的化學(xué)成分和球墨鑄鐵基本相同，蠕墨鑄鐵生產(chǎn)中采用共晶附近的成分以有利于改善鑄造性能，其化學(xué)成分表見表4-1。一般含3c=3.0%?4.0%,薄件取上限值，以免出現(xiàn)白口，厚件取下限值以免產(chǎn)生石墨飄浮。含3&=1.4%?2.4%,主要用來防止白口，控制基體。隨含硅量增加，基體中珠光體量相對減少，鐵素體量增加，同時硅有強化鐵素體的作用。錳在蠕墨鑄鐵中起穩(wěn)定珠光體的作用，生產(chǎn)混合基體的蠕墨鑄鐵可對錳進行調(diào)整，如要求獲得韌性好的鐵素體基體蠕墨鑄鐵，則錳3疽0.4%；如希望獲得強度、硬度較高的珠光體蠕墨鑄鐵，則需將錳提高至3皿=2.5%左右。磷一般控制在3「0.08%，對于耐磨零件可將磷提高到3「0.2%?0.35%。硫和蠕化元素的親和力較強，會削弱蠕化劑的作用，因此要求硫含量3S<0.03%。表4-1蠕墨鑄鐵化學(xué)成分表CSiCSiMn原鐵水3.4?3.81.5?1.80.4?0.6RuT3.4?3.81.4?2.4〃PSTi<0.070.05?0.08/〃?0.020.01?0.024.2鐵液的預(yù)處理為了保證得到好的蠕化處理效果，當(dāng)蠕鐵的原鐵液中3(S)量大于0.03%時應(yīng)進行預(yù)脫硫處理。預(yù)脫硫時應(yīng)注意:脫硫產(chǎn)物要清除干凈;處理時煙氣要少；工藝簡便，脫硫劑供應(yīng)充足；脫硫裝置維修方便。脫硫劑主要是蘇打粉(Na2CO3)和碳化鈣(CaC2)。以下幾種方法在預(yù)處理時都有應(yīng)用。包內(nèi)沖入法，把蘇打粉(Na2CO3)置于澆包底部或沖天爐的出鐵槽，然后沖入鐵液。Ca2CO3分解時產(chǎn)生CO2使鐵液翻騰，加速了脫硫反應(yīng)的進行，Na2S的密度小于鐵液的密度，很快浮入渣中可予以排除，從而達(dá)到脫硫的目的。蘇打粉的加入量一般為0.3%?0.5%。此法脫硫效率較低，一般僅為20%?30%，最高為50%，且只有鐵液中3(S)量大于0.1%時效果較好。此法脫硫時煙霧較大，蘇打?qū)舶那治g嚴(yán)重，目前應(yīng)用已不多。機械攪拌法，將一個空心?！毙湍突鸩牧瞎懿迦腓F液，用電機使其轉(zhuǎn)動，利用虹吸原理使鐵液不斷從底部吸入，從“T”型耐火材料管上部兩端排出，使鐵液和CaC充分接觸，達(dá)到脫硫目的“T”型耐火材料管轉(zhuǎn)速為70rad/min，用0.5%?0.7%的CaC，在4min內(nèi)，3(S)量可從0.070%脫至0.005%。圖4-1是機械攪拌法裝置示意圖，此法也是用稀土合金制取蠕墨鑄鐵的重要方法之一。搖包脫硫法，偏心轉(zhuǎn)盤以一定的時間(15s)間隔正逆變換轉(zhuǎn)動，鐵液液面上的CaC在搖包正逆變換轉(zhuǎn)動時，與鐵液充分接觸，達(dá)到脫硫目的。用1.0%的CaC，在2min內(nèi)，3(S)量從0.11%脫至0.008%。圖4-2是搖包脫硫法裝置示意圖。此法降溫約100°C，只有當(dāng)鐵液溫度高于1450°C，鐵液質(zhì)量大于1t時適用。圖4-1機械攪拌法裝置示意圖圖4-2搖包脫硫法裝置示意圖4.3蠕化處理在選擇了蠕化劑和原鐵液成分后，需要根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場情況確定合適的蠕化設(shè)備及蠕化工藝。各國先后用過沖入法、鐘罩壓入法、密封包蓋包壓入法、出鐵槽撒入法、密流法、型內(nèi)處理法、噴吹法、喂絲法、中間包處理法、混合器處理法、定量包處理法、電子秤稱量處理法等，目前常用的有以下幾種：沖入法。分簡單沖入(或開包法)法和夾心法。夾心法是在蠕化劑置于澆包底部后，在其上方覆蓋孕育劑后，再覆蓋無銹鋼屑或球鐵或薄的低碳鋼板，然后沖入鐵液，此法又稱“三明治”法。多孔(透氣)塞法。這種方法的優(yōu)點是脫硫、蠕化、孕育在同一裝置中進行，低鎂高稀土或無鎂稀土合金更適用此法。（3）型內(nèi)處理法。是一種先進的處理工藝，適用于流水生產(chǎn)。處理時將合金置于反應(yīng)室內(nèi)，當(dāng)鐵液流經(jīng)反應(yīng)室時即完成了蠕化處理，用此法處理時，鐵液流量與反應(yīng)室斷面面積有關(guān)。用這一工藝可獲得優(yōu)良的蠕鐵，處理時煙霧較少，合金吸收率提高，球化蠕化與孕育可同時完成，處理過程溫降小，并可取消處理包沒有蠕化、孕育衰退現(xiàn)象。但處理時對鐵液溫度、流速和合金尺寸要求較高。原鐵液3（S）量應(yīng)小于0.01%，最好采用壓力式澆注系統(tǒng)。4.4奧貝蠕鐵的熱處理熱處理是提高蠕墨鑄鐵性能的重要工藝措施，它能改變鑄鐵的基體，改善鑄鐵的組織，提高鑄鐵的性能。熱處理方法包括有：退火、正火、淬火、回火、調(diào)質(zhì)處理、等溫淬火和表面淬火熱處理。這些工藝都適用于蠕鐵生產(chǎn)。蠕墨鑄鐵成分：3（C）3.32%，3（Si）3.04%，3（Mn）0.26%，3（P）0.48%，3（S）0.012%，3（RE）0.052%。奧氏體化溫度為920°C，保溫時間90?120min，鹽浴液淬溫度為280C，獲下貝氏體奧貝蠕墨鑄鐵；鹽浴液淬溫度為335?420C，獲上貝氏體奧貝蠕墨鑄鐵；當(dāng)鹽浴液淬溫度為380C，保溫時間90min，組織為25%?30%上貝氏體+奧氏體[5]5蠕墨鑄鐵的應(yīng)用由于蠕墨鑄鐵兼有球墨鑄鐵和灰鑄鐵的性能，因此，它具有獨特的用途，在鋼錠模、汽車發(fā)動機、排氣管、玻璃模具、柴油機缸蓋、制動零件等方面的應(yīng)用均取得了良好的效果。特別是我國第二汽車廠蠕墨鑄鐵排氣管流水線的投產(chǎn)，標(biāo)志著我國蠕墨鑄鐵生產(chǎn)已達(dá)到高水平。我國在蠕墨鑄鐵的形成機制的研究方面處于領(lǐng)先地位。另外在蠕墨鑄鐵的處理工藝、鐵液熔煉及爐前質(zhì)量控制、蠕墨鑄鐵常溫和高溫性能方面均進行了廣泛、深入的研究。特別要指出的是，在我國沖天爐條件下，不少工廠能穩(wěn)定地生產(chǎn)蠕墨鑄鐵，取得了顯著的經(jīng)濟效益。可以預(yù)期，利用蠕墨鑄鐵具有的良好的綜合性能、力學(xué)性能較高，在高溫下有較高的強度，氧化生長較小、組織致密、熱導(dǎo)率高以及斷面敏感性小等特點，取代一部分高