球墨鑄鐵性能及生產(chǎn)工藝.ppt

1、球墨鑄鐵的特性及其應(yīng)用、球墨鑄鐵的概念、球墨鑄鐵的概況球墨鑄鐵是指鐵液在凝固過(guò)程中碳在球墨中析出的鑄鐵。 與灰鑄鐵相比，其金相組織的最大差異在于石墨形狀的變化，避免了灰鑄鐵中尖銳石墨的存在，大大減少了石墨對(duì)金屬基體的切縫作用，基本消除了板狀石墨引起的應(yīng)力集中現(xiàn)象，使金屬基體的強(qiáng)度利用率達(dá)到7090，發(fā)揮了金屬基體的性能。 球墨鑄鐵像鋼一樣，可以通過(guò)熱處理和合金化等措施，進(jìn)一步提高其使用性能。 例如，處理后的球墨鑄鐵可以得到良好的韌性，伸長(zhǎng)率高達(dá)24，抗拉強(qiáng)度高達(dá)1400MPa，幾乎接近鋼材。 球墨鑄鐵與鋼材相比有很多優(yōu)點(diǎn)。 例如鑄造性能好，成本較低。 隨著球墨鑄鐵產(chǎn)量的增加，性能不斷開發(fā)，現(xiàn)已

2、成功取代鍛鋼和鑄鋼的一部分，成為前景廣闊的金屬結(jié)構(gòu)材料。 球墨鑄鐵的金相組織、金相組織與力學(xué)性能的關(guān)系力學(xué)性能與金屬的金相組織密切相關(guān)，哪些金相結(jié)構(gòu)決定著哪些力學(xué)性能。 球墨鑄鐵也不例外，只靠石墨球化就能發(fā)揮金屬基體的作用，大幅提高鑄鐵的力學(xué)性能。 只要石墨球化，進(jìn)一步改變基體的性能就更有意義。 因此，球墨鑄鐵的金相研究是理解球墨鑄鐵，使用球墨鑄鐵的前提條件。 球墨鑄鐵的形成、球墨的形成經(jīng)歷了形核和生長(zhǎng)兩個(gè)階段。 其中的成核是石墨的主要過(guò)程，鐵液在熔煉和其后的球化、培育處理中產(chǎn)生大量的非金屬夾雜物，初生夾雜物非常小，然后在鑄造、充型、凝固過(guò)程中相互碰撞、聚合增大，上浮或下沉，成為石墨析出的核心

3、。 球狀石墨核形成后，碳原子開始堆積在核基板上，石墨最終生成的形狀決定受工藝條件的影響的生長(zhǎng)方式。 因此，石墨生長(zhǎng)過(guò)程的控制是得到球狀石墨的關(guān)鍵。 球狀石墨的形核、單一夾雜物復(fù)合夾雜物球狀石墨的核、石墨形核的條件石墨的形核分均質(zhì)形核和異質(zhì)形核。 均質(zhì)核： c的微原子團(tuán)(C6)n晶胚鐵液過(guò)冷度為200300異質(zhì)核：形核基底的外來(lái)質(zhì)點(diǎn)符合晶格匹配關(guān)系(不匹配度12% )的界面要求外來(lái)質(zhì)點(diǎn)被石墨淋濕，形核物質(zhì)1，石墨：未溶解石墨，添加晶體石墨，非平衡石墨2球墨鑄鐵的培育，球墨球墨鑄鐵培育的不同點(diǎn)提高培育衰退現(xiàn)象培育效果的措施a .強(qiáng)力培育劑b .必要的s的含量c .處理方法d .提高鑄件的冷卻速度，

4、球墨的生長(zhǎng)球墨的生長(zhǎng)條件a，極低的硫，氧含量b，反球化元素c的限制，必要的冷卻速度d的保證，添加球化元素的第一組：鎂鈰、鈣、鑭、镥、釤、鏑、鐿、鈥、鉺3360 (0. 070.12 ) % w (y ) : (0. 150.2 ) %、石墨球的螺旋生長(zhǎng)、石墨的錐頂角的關(guān)系化學(xué)成分中，對(duì)石墨生長(zhǎng)有重要影響的是，作為使鐵液過(guò)冷傾向顯著變化的元素的鑄鐵冷卻速度變化的主要原因是鑄件的壁厚、鑄模和鑄造。 這些條件的本質(zhì)是改變石墨晶體的冷卻狀況。 球墨鑄鐵的金相組織與力學(xué)性能的關(guān)系、球墨鑄鐵的力學(xué)性能與其金相組織密切相關(guān)。保證鑄鐵中石墨球化良好是熔融制造球墨鑄鐵的第一要求。 只要石墨球化，就能充分發(fā)揮金屬

5、基體的作用，大幅提高鑄鐵的力學(xué)性能。 石墨球化后，只要進(jìn)一步改變基體的性能就更有意義。 1、金相組織球狀石墨外觀接近球形，內(nèi)部呈放射狀，有明顯的偏振效果。 石墨是由多面棱錐體的枝晶組成的多晶體，各枝晶的基底面垂直于球徑，c軸呈放射狀指向球心。 2、球化分級(jí)，GB94411998球墨鑄鐵金相檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)將石墨大小分為六級(jí)。 球墨鑄鐵石墨球的大小對(duì)力學(xué)性能有很大影響，減小石墨球直徑，增加石墨球每單位面積的個(gè)數(shù)，能夠明顯提高球墨鑄鐵的強(qiáng)度、塑性和韌性。 石墨球徑的減少能夠增加單位面積的球墨鑄鐵數(shù)量，提高耐疲勞強(qiáng)度，因此使石墨微細(xì)化也是提高耐疲勞強(qiáng)度的要求之一。 3、石墨尺寸石墨球尺寸分級(jí)(GB9441-

6、1988 )、各種基體與力學(xué)性能的關(guān)系，1、鐵氧體通過(guò)GB9441-1988球墨鑄鐵的金相檢查評(píng)價(jià)鐵氧體數(shù)。 其比例在大部分視野下對(duì)照?qǐng)D像進(jìn)行評(píng)價(jià)。 一般不檢查牛眼鐵素體的數(shù)量，只檢查與其共存的珠光體的數(shù)量，2、珠光體在球墨鑄鐵中，珠光體的形態(tài)一般分為粗狀珠光體、板狀珠光體、細(xì)板狀珠光體3個(gè)階段。 隨著珠光體的微細(xì)化，球墨鑄鐵的強(qiáng)度和硬度提高了。 基體為粒狀珠體，球墨鑄鐵在保持一定強(qiáng)度的同時(shí)，具有更高的塑性。 3、奧氏體、貝氏體、馬氏體是從奧氏體、上貝氏體或下貝氏體通過(guò)等溫淬火加入適當(dāng)元素而得到的。 4 .滲碳體滲碳體多呈針狀、棒狀，球墨鑄鐵容易使基體變脆，應(yīng)避免其出現(xiàn)。 5、磷共晶磷共晶對(duì)球

7、墨鑄鐵性能的危害遠(yuǎn)大于灰鑄鐵中的磷共晶。 沿晶界分布的二元或三元磷共晶強(qiáng)烈降低球墨鑄鐵的韌性、塑性和強(qiáng)度，受到?jīng)_擊時(shí)，裂紋始終沿磷共晶的邊緣開始裂紋。 選擇球墨鑄鐵的化學(xué)成分、合適的化學(xué)成分是保證球墨鑄鐵得到良好的金相組織和高性能的基本條件，化學(xué)成分的選擇必須得到石墨球化和良好的基體，在得到滿意性能的同時(shí)，使球墨鑄鐵具有良好的鑄造性能。 一、五大元素1、碳和硅對(duì)石墨球基體的弱化作用較小，因此碳含量為3.2-3.8%時(shí)，對(duì)力學(xué)性能沒有顯著影響。 決定球墨鑄鐵的碳硅含量，主要是為了保證鑄造性能，選擇碳當(dāng)量為共晶成分左右。 碳含量過(guò)低時(shí)鑄件容易產(chǎn)生松弛或裂紋，碳當(dāng)量過(guò)高時(shí)，容易產(chǎn)生石墨浮游現(xiàn)象，結(jié)果

8、夾雜物變多。 硅能提高石墨球的圓整度，使石墨微細(xì)化，減小晶體過(guò)冷和白口傾向。 一般認(rèn)為硅含量超過(guò)2.8時(shí)，韌性降低，韌性脆性轉(zhuǎn)變溫度有可能上升。 因此，選擇碳硅含量時(shí)，遵循高碳低硅原則，鑄件在寒冷地區(qū)使用時(shí)，硅含量應(yīng)適當(dāng)降低。 在鐵素體C:3.6-4.0% Si:2.4-2.8%珠光體C:3.4-3.8% Si:2.2-2.4%、2、錳球墨鑄鐵中，由于球化元素而具有較強(qiáng)脫硫能力的錳有嚴(yán)重的正偏析傾向，可能豐富地存在于共晶團(tuán)界，在嚴(yán)重的情況下鑄態(tài)鐵素體Mn:0.3-0.4%珠光體球鐵Mn:0.4-0.8%、3、磷在球墨鑄鐵中有較強(qiáng)的偏析傾向，增大球鐵的縮松傾向，容易在晶界形成磷共晶，顯著降低球鐵

9、的韌性。 在寒冷地區(qū)使用的鑄件，容易采用磷的下限含量。 磷含量控制在0.04-0.06%以下。 4、硫球墨鑄鐵硫與球化元素的化合能力強(qiáng)，生成硫化物或硫氧化物，消耗球化劑，球化不穩(wěn)定，衰退速度快，且夾雜物數(shù)量多，鑄件產(chǎn)生缺陷。國(guó)外一般要求鐵液的硫含量低于0.02%，但由于目前焦炭含量高等溶解條件的限制，很多情況下不能達(dá)到該標(biāo)準(zhǔn)，需要進(jìn)一步改善溶解條件，有條件可以進(jìn)行爐外脫硫。 二、合金元素球墨鑄鐵的合金元素主要有鉬、銅、鎳、鉻、銻、釩、鉍等金屬。 這些元素主要起到提高鑄鐵強(qiáng)度，穩(wěn)定基體組織的作用。 球墨鑄鐵的凝固特點(diǎn)1、球墨鑄鐵的共晶溫度范圍寬2、球墨鑄鐵的膏狀凝固特性3、球墨鑄鐵的共晶膨脹大、

10、球墨鑄鐵的典型缺陷1、球化不良和球化退化特征：斷口銀灰色、分布芝麻狀黑點(diǎn)。 金相組織中分布著很多厚石墨。 原因：原鐵液硫含量高，是過(guò)剩的反球化元素。 推薦低硫焦、脫硫處理，必要時(shí)增加球化劑稀土量，控制真空爐送風(fēng)強(qiáng)度和材料位置。 2、收縮孔和收縮特征：收縮孔發(fā)生在最初的收縮階段。 表面凹陷及局部熱節(jié)凹陷，含氣孔的暗收縮孔，內(nèi)壁粗糙度。 縮徑發(fā)生在第二次收縮階段。 被枝晶分割的熔池變?yōu)檎婵眨毯蟮目妆诖植?，被枝晶充滿的疏孔縮徑。 原因：碳當(dāng)量低，磷含量高，收縮孔收縮趨勢(shì)增加。 對(duì)策：提高鑄模剛性，如使用樹脂砂，提高鐵液的碳當(dāng)量。 3、石墨懸浮特征：冷卻過(guò)程中的過(guò)共晶鐵液首先析出石墨球，懸浮聚集于

11、石墨懸浮，分布于鑄件最后部位上部的冒口處。 從微觀上觀察了石墨球的連接呈開花狀。 原因：碳當(dāng)量和稀土殘留量高，爐料原始尺寸大，數(shù)量大，可能增加石墨懸浮。 措施：提出C4%，控制稀土含量，注意原生鐵和其他爐材的組合。 4、翻轉(zhuǎn)口的特點(diǎn)：宏觀斷面是邊界清晰的白亮塊，呈方向性白亮針，出現(xiàn)在熱節(jié)中心。 金相觀察為過(guò)冷卻密集細(xì)針狀滲碳體。 原因：凝固熱節(jié)中心偏析鎂、稀土、錳等白口化元素，培育不足和粗大冷卻速度快等。 措施：在保證球化的基礎(chǔ)上減少殘留稀土鎂，防止?fàn)t料內(nèi)強(qiáng)白口化元素，加強(qiáng)培育，提高小件鑄件的溫度。 5、焊劑的特點(diǎn)：在鑄造位置的上面或死角，截面呈黑暗無(wú)光澤、深度不同的夾雜物，可見金相，是塊狀?yuàn)A

12、雜物。 原因：形成一次通量的重要原因是原鐵液的硫含量高，氧化嚴(yán)重，二次通量的主要原因是鎂殘留量過(guò)高，氧化膜形成溫度升高。 對(duì)策：降低原鐵液的硫、氧含量，保證球化時(shí)鎂殘留量下降，加入適量稀土降低成膜溫度。 鑄造系統(tǒng)應(yīng)穩(wěn)定充型，在夾渣部位設(shè)置集渣冒口。 7、應(yīng)力變形和裂縫的特點(diǎn)：收縮應(yīng)力、相變應(yīng)力之和超過(guò)截面金屬的斷裂阻力形成裂縫，熱裂呈暗褐色的不平整路口，冷裂形成淡褐色的光滑平整的斷口。 原因：碳含量低、碳化物形成元素增加、生長(zhǎng)不足、冷卻過(guò)快等。 措施：適當(dāng)提高碳當(dāng)量、降低磷含量、加強(qiáng)培養(yǎng)等措施。 8、破碎塊狀石墨的特征： Ce等活性元素豐富地存在于共晶團(tuán)邊界，在該區(qū)域中促進(jìn)過(guò)飽和析出形成蠕蟲狀

13、石墨，截面形態(tài)為破碎塊狀。 原因：冷卻慢，共晶凝固時(shí)間過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致的成分偏析和培育衰退。 對(duì)策：選用純爐料，限制Ce等元素含量，控制低碳當(dāng)量，添加Sb、y、Bi等微量元素。 探討了薄壁鑄件球墨鑄鐵在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的氣門鑄造技術(shù)中可以使用薄壁鑄件節(jié)約資源。 薄壁鑄片球墨鑄鐵材料是壁厚數(shù)毫米的鑄件。 因?yàn)槭潜”?，共晶凝固時(shí)的冷卻速度極快，所以抑制白口組織的出現(xiàn)成為第一個(gè)問(wèn)題。 分析了鑄鐵凝固時(shí)存在石墨共晶和滲碳體共晶兩種形式。 在平衡狀態(tài)圖中，前者的溫度比后者的高。為了避免白口的產(chǎn)生，應(yīng)該在溫度達(dá)到滲碳體共晶之前完成石墨共晶凝固過(guò)程，這就需要提高石墨共晶的凝固速度，由于球鐵共晶團(tuán)在一定的冷卻速度下的生長(zhǎng)

14、速度是一定的，所以要提高石墨共晶的凝固速度就必須增加共晶團(tuán)數(shù)。 因此，為了防止白口，對(duì)于球墨鑄鐵的某種冷卻速度，存在對(duì)應(yīng)的臨界共晶團(tuán)數(shù)，即臨界石墨球數(shù)。 只有石墨球的數(shù)量大于該臨界數(shù)，才能避免白口的出現(xiàn)。 鑄件越薄，冷卻速度越大，需要的臨界石墨球數(shù)越多。 研究發(fā)現(xiàn)，為了增加石墨球的數(shù)量，添加稀土類Bi十分有效。 6、皮下氣孔特點(diǎn)：鑄件表皮下23mm均勻或蜂窩狀分布的球形、橢圓形或針孔狀內(nèi)壁為光滑氣孔，直徑0.5-3mm，熱處理和拋光后露出，多在小件中。 原因：鐵液表示形成的氧化膜阻礙氣體的析出，碳化反應(yīng)形成的氣體、鎂殘留量多形成的鎂蒸氣、爐材的濕銹等。 對(duì)策：在球化保證條件下降低鎂殘留量，流暢

15、鑄造鐵液，抑制爐料干燥少銹，采用少氮或無(wú)氮樹脂。 球墨鑄鐵鑄件形式、1、大截面球墨鑄鐵2、鑄件球墨鑄鐵材料3、薄壁球墨鑄鐵材料4、高強(qiáng)度高韌性球鐵、球墨鑄鐵的性能、球墨鑄鐵的力學(xué)性能以拉伸強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率兩個(gè)指標(biāo)為檢驗(yàn)依據(jù)。 在生產(chǎn)工藝穩(wěn)定的條件下，也可以根據(jù)硬度值進(jìn)行檢查。 硬度與強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系考慮到球化合格、化學(xué)成分、培養(yǎng)穩(wěn)定、鑄造工藝合理，為了保證性能，用硬度檢驗(yàn)時(shí)必須檢驗(yàn)金相組織，其球化率不能低于4級(jí)。 即使通過(guò)硬度和球狀化，由于基體中存在滲碳體、磷共晶、高硅固溶強(qiáng)化等，因此可能不要求強(qiáng)度和韌性。 因此，在生產(chǎn)過(guò)程不穩(wěn)定的條件下，不能根據(jù)硬度值進(jìn)行檢查。 GB規(guī)定的球墨鑄鐵牌號(hào)，一、球墨鑄

16、鐵的力學(xué)性能，一、凈荷載性能(一)硬度球墨鑄鐵的硬度主要取決于基體組織，并且與抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率等凈荷載性能有相應(yīng)的關(guān)系。 (2)強(qiáng)度和塑性球墨鑄鐵的強(qiáng)度和塑性主要取決于基體組織，下貝氏體或淬火馬氏體的強(qiáng)度最高，其次為上貝氏體、皂石、珠光體。 強(qiáng)度隨鐵素體增多而降低，伸長(zhǎng)率增加。 奧氏體和鐵素體強(qiáng)度低，塑性好。 2、動(dòng)負(fù)荷性能(1)沖擊韌性：鐵氧體球墨鑄鐵由于硅含量的變化，貝氏體球墨鑄鐵由于上、下貝氏體及奧氏體數(shù)的變化，沖擊韌性的變化范圍寬。 j、鐵氧體球墨鑄鐵試樣的沖擊吸收功溫度曲線、各種基體組織球墨鑄鐵的常溫沖擊韌性、(2)疲勞強(qiáng)度部分球墨鑄鐵具有高疲勞強(qiáng)度，相當(dāng)于45號(hào)正火鋼，例如珠光體球

17、鐵。 各種基體組織的球墨鑄鐵的彎曲疲勞強(qiáng)度，3，高溫性能(1)硬度各種球墨鑄鐵在低溫下有良好的硬度，但540時(shí)開始粒化，開始分解高于650，硬度開始下降，逐漸接近鐵氧體球墨鑄鐵的硬度。 (2)高溫短時(shí)間力學(xué)性能圖顯示球墨鑄鐵的抗拉強(qiáng)度隨溫度上升而降低。 在伸長(zhǎng)率中，鐵氧體先顯著下降后急劇上升，珠光體逐漸下降，然后顯著增加。 (3)高溫蠕變和耐久強(qiáng)度；(4)疲勞強(qiáng)度；(4)低溫性能隨溫度下降，球墨鑄鐵從韌性向脆性的轉(zhuǎn)變逐漸發(fā)生，特別是在脆性轉(zhuǎn)變溫度以下，沖擊值急劇下降。 同時(shí)，屈服強(qiáng)度提高，伸長(zhǎng)率降低，對(duì)應(yīng)力集中的感受性顯著增加，屈服后的變形量小即顯示斷裂。 常溫下塑性韌性優(yōu)異的鐵氧體球墨鑄鐵，低溫下的抗拉強(qiáng)度提高。鐵素體和珍珠巖的低溫拉伸性能Si:2