球鐵的金相組織

1、球墨鑄鐵的生產(chǎn),1. 球鐵牌號(hào)及力學(xué)性能（GB1348-88）,表2-1 單鑄試塊的力學(xué)性能,球鐵力學(xué)性能的驗(yàn)收依據(jù)，主要為抗拉強(qiáng)度（b）和伸長(zhǎng)率（），如用戶有特殊需要，沖擊韌性、屈服點(diǎn)、硬度也可作為附加的驗(yàn)收依據(jù)，必要時(shí)還應(yīng)對(duì)金相組織進(jìn)行檢驗(yàn)。 在特殊情況下，經(jīng)供需雙方同意，允許根據(jù)鑄件本體所測(cè)得的硬度值規(guī)定球鐵的硬度牌號(hào)，見(jiàn)GB1348-88。,2.金相組織,正常組織：細(xì)小圓整的石墨球+金屬基體 鑄態(tài)組織：通?；w為鐵素體與珠光體的混合組織；由于二次結(jié)晶條件的影響，鐵素體通常位于石墨球周圍，形成“牛眼狀組織”。 熱處理組織：通過(guò)不同的熱處理工藝，可以方便的調(diào)整球鐵的基體組織。 高溫退火：全

2、體素體 正 火：全珠光體 調(diào) 質(zhì)：馬氏體 等溫淬火：奧氏體+貝氏體,目前，可以通過(guò)各種工藝手段，在鑄態(tài)獲得鐵素體或幾乎全部為珠光體的球墨鑄鐵，除去了退火或正火處理，縮短生產(chǎn)周期，降低成本。 在通常的生產(chǎn)條件下，由于某些化學(xué)元素的偏析以及球鐵的凝固特性等原因，在共晶團(tuán)界處會(huì)出現(xiàn)一些非正常組織，如滲碳體、磷共晶等雜質(zhì)相，應(yīng)該加以限制。,3.基體組織類型,（1）珠光體球鐵 基體組織：以珠光體為主，余量為鐵素體，一般可在鑄態(tài)獲正火態(tài)獲得。 典型牌號(hào)：QT600-3、QT 700-2、QT800-2 性能特點(diǎn)：抗拉強(qiáng)度b、硬度HB高，延伸率低。 （2）鐵素體球鐵 基體組織：以鐵素體為主，余量為珠光體。

3、典型牌號(hào)：QT400-18、QT 400-15、QT450-10 性能特點(diǎn)：塑性和韌性較高，強(qiáng)度較低。 影響鐵素體球墨鑄鐵塑性和韌性的主要因素為化學(xué)成分（含硅量）、石墨球大小及形狀、殘留的自由滲碳體及夾雜物、鐵素體的晶粒度等。,（3）混合基體球鐵 基體組織：為鐵素體和珠光體混合組織。 典型牌號(hào)：QT500-7 性能特點(diǎn)：較好的強(qiáng)度和韌性配合。 （4）奧氏體-貝氏體球鐵（ADI球鐵） 與普通球鐵相比，具有強(qiáng)度、塑性和韌性都很高的綜合力學(xué)性能，優(yōu)于珠光體球鐵，也優(yōu)于經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理的球鐵。 性能特點(diǎn)：抗拉強(qiáng)度b=9001400MPa 延伸率10% 沖擊韌性、抗疲勞性能、耐磨性都很高。,4.金相組織評(píng)定

4、,按GB9441-88球墨鑄鐵金相，對(duì)球鐵的金相組織進(jìn)行評(píng)定。指標(biāo)有：球化級(jí)別、石墨大小、珠光體粗細(xì)和數(shù)量、分散的鐵素體的數(shù)量、磷共晶和碳化物。 （1）球化級(jí)別16級(jí)，一般要求13級(jí)。 （2）石墨大小38級(jí)，一般要求石墨直徑68級(jí)。 （3）珠光體的粗細(xì)和數(shù)量。 珠光體粗細(xì)度分為：粗片狀珠光體、片狀珠光體、細(xì)片狀珠光體。 一般要求為細(xì)片狀珠光體。 對(duì)于高韌性球鐵，珠光體要少，特別是QT400-18，不允許有珠光體，或其量1%，其余為鐵素體。 （4）高韌性球鐵中不允許出現(xiàn)磷共晶和碳化物。,球墨鑄鐵的生產(chǎn),球墨鑄鐵的生產(chǎn)過(guò)程包含以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：熔煉合格的鐵液，球化處理，孕育處理，爐前檢查，澆注鑄件，清

5、理及熱處理，鑄件質(zhì)量檢查。 在上述各個(gè)環(huán)節(jié)中，熔煉優(yōu)質(zhì)鐵液和進(jìn)行有效的球化孕育處理是生產(chǎn)的關(guān)鍵。,1. 化學(xué)成分的選定,選擇適當(dāng)化學(xué)成分是保證鑄鐵獲得良好的組織狀態(tài)和高性能的基本條件，化學(xué)成分的選擇既要有利于石墨的球化和獲得滿意的基體，以期獲得所要求的性能，又要使鑄鐵有較好的鑄造性能。,1.1基本元素,(1) 碳和硅 由于球狀石墨對(duì)基體的削弱作用很小，故球墨鑄鐵中石墨數(shù)量多少，對(duì)力學(xué)性能的影響不顯著，當(dāng)含碳量在3.2%3.8%范圍內(nèi)變化時(shí)，實(shí)際上對(duì)球墨鑄鐵的力學(xué)性能無(wú)明顯影響。確定球墨鑄鐵的含碳量時(shí)，主要從保證鑄造性能考慮，為此將碳當(dāng)量選擇在共晶成分左右。 由于球化元素使相圖上共晶點(diǎn)的位置右移

6、，因而使共晶碳當(dāng)量移至4.6%4.7%左右，具有共晶成分的鐵液流動(dòng)性最好，形成集中縮孔傾向大，鑄鐵的組織致密度高。當(dāng)碳當(dāng)量過(guò)低時(shí)，鑄件易產(chǎn)生縮松和裂紋。碳當(dāng)量過(guò)高時(shí)，易產(chǎn)生石墨漂浮現(xiàn)象，其結(jié)果是使鑄鐵中夾雜物數(shù)量增多，降低鑄鐵性能，而且污染工作環(huán)境。,用鎂和鈰處理的鐵液有較大的結(jié)晶過(guò)冷和形成白口的傾向，硅能減小這種傾向。此外，硅還能細(xì)化石墨，提高石墨球的圓整度。 但硅又降低鑄鐵的韌性，并使韌性-脆性轉(zhuǎn)變溫度升高。 因此在選擇碳硅含量時(shí)，應(yīng)按照高碳低硅的原則，一般認(rèn)為Si2.8%時(shí)，會(huì)使球墨鑄鐵的韌性降低，故當(dāng)要求高韌性時(shí)，應(yīng)以此值為限，如鑄件是在寒冷地區(qū)使用，則含硅量應(yīng)適當(dāng)降低。 對(duì)鐵素體球鐵

7、，一般控制碳硅含量為： C3.6%4.0%，Si2.4%2.8%； 對(duì)珠光體球鐵，一般控制碳硅含量為： C3.4%3.8%，Si2.2%2.6%。,(2) 錳,球墨鑄鐵中錳所起的作用與其在灰鑄鐵中所起的作用不同。在灰鑄鐵中，錳除了強(qiáng)化鐵素體和穩(wěn)定珠光體外，還能減小硫的危害作用；在球鐵中，由于球化元素具有很強(qiáng)的脫硫能力，因而錳已不再能起這種有益的作用。而由于錳有嚴(yán)重的正偏析傾向，有可能富集于共晶團(tuán)晶界處，嚴(yán)重時(shí)會(huì)促進(jìn)形成晶間碳化物，因而顯著降低球墨鑄鐵的韌性。 鑄態(tài)鐵素體球鐵，通常控制在Mn0.3%0.4%； 熱處理態(tài)鐵素體球鐵，可控制Mn0.5%； 鑄態(tài)珠光體球鐵，可控制Mn0.4%0.8%；

8、 其中鑄態(tài)珠光體球鐵錳含量可適當(dāng)高些，但通常推薦用銅來(lái)穩(wěn)定珠光體。 在球鐵中，錳的偏析程度實(shí)際上受石墨球數(shù)量及大小的支配，如能把石墨球數(shù)量控制的較多，則可適當(dāng)放寬對(duì)錳量的限制。,(3) 磷,磷在球墨鑄鐵中有嚴(yán)重的偏析傾向，易在晶界處形成磷共晶，嚴(yán)重降低球墨鑄鐵的韌性。 磷還增大球墨鑄鐵的縮松傾向。 當(dāng)要求球墨鑄鐵有高韌性時(shí)，應(yīng)將含磷量控制0.04%0.06%以下，對(duì)于寒冷地區(qū)使用的鑄件，宜采用下限的含磷量。 如球墨鑄鐵中有鉬存在時(shí)，更應(yīng)注意控制磷的含量，因此時(shí)易在晶界處形成脆性的磷鉬四元化合物。,(4) 硫,球墨鑄鐵中的硫與球化元素有很強(qiáng)的化合能力，生產(chǎn)硫化物或硫氧化物，不僅消耗球化劑，造成球

9、化不穩(wěn)定，而且還使夾雜物數(shù)量增多，導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生缺陷。此外，還會(huì)使球化衰退速度加快，故在球化處理前應(yīng)對(duì)原鐵液的含硫量加以控制。 國(guó)外一般要求原鐵液中硫的含量低于0.02%，我國(guó)目前由于焦炭含硫量較高等熔煉條件的原因，原鐵液含硫量往往達(dá)不到這一標(biāo)準(zhǔn)，因此應(yīng)進(jìn)一步改善熔煉條件，有條件時(shí)可進(jìn)行爐前脫硫，力求降低含硫量。,1.2 合金元素,球鐵中加入合金元素的作用是控制基體，提高力學(xué)性能和獲得某些特殊的性能，如耐磨、耐熱、耐蝕性能等。 球鐵中應(yīng)用的合金元素主要有鉬、銅、鎳、鉻和銻。這些元素的應(yīng)用場(chǎng)合、作用及適宜含量如下。,(1) 鉬,在生產(chǎn)高強(qiáng)度球鐵時(shí)，不少工廠往往使用鉬以提高鑄鐵的強(qiáng)度，其用量一般在0

10、.25%左右。 在生產(chǎn)貝氏體球鐵或奧氏體-貝氏體球鐵時(shí)，往往亦加入一些鉬，使鑄鐵的奧氏體等溫分解曲線(即C曲線)右移，提高淬透性。為了將奧氏體的等溫分解溫度降低至200400范圍，須使鑄鐵的含鉬量為0.6%0.8%左右(對(duì)于厚壁鑄件，含鉬量應(yīng)選擇高些)。 但在鑄鐵的結(jié)晶過(guò)程中，鉬在共晶團(tuán)內(nèi)有較大的正偏析傾向，當(dāng)含鉬量達(dá)到0.8%1.0%時(shí)，容易促使在共晶團(tuán)邊界形成富鉬的四元磷共晶或鉬的碳化物等脆性相。 此外，鉬的價(jià)格貴，應(yīng)注意控制使用。,(2) 銅,銅具有穩(wěn)定珠光體的作用。國(guó)內(nèi)外有的工廠用含銅為0.4%0.8%的球鐵制造汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸，有時(shí)常和0.25%左右的鉬配合使用。 在貝氏體球墨鑄鐵中

11、，常將銅和鉬按Mo0.2%0.4%，Cu0.6%0.8%的比例配合使用，這種成分的球墨鑄鐵經(jīng)過(guò)等溫淬火處理，能穩(wěn)定地獲得高的貝氏體百分率的組織。,(3) 鎳,鎳常作為強(qiáng)化元素使用，其作用和銅相似。在國(guó)內(nèi)由于其價(jià)格較貴，因而用得較少。 鎳還可用于生產(chǎn)奧氏體球墨鑄鐵，并與鉬相配合，在奧氏體-貝氏體球鐵中應(yīng)用，如Ni1.3%1.8%，Mo0.3%0.8%的球墨鑄鐵，與等溫淬火相配合，可穩(wěn)定得到所要求的奧氏體-貝氏體基體組織。 與鉬相比，鎳作為合金元素的優(yōu)點(diǎn)，是其在共晶團(tuán)內(nèi)部分布比較均勻，不會(huì)因偏析而使共晶團(tuán)邊界脆化。鉬和鎳都是較貴重的金屬，在奧氏體-貝氏體球墨鑄鐵中要有條件地選用，一般用在厚壁而重要

12、的零件上。,(4) 鉻 鉻用于珠光體球鐵，在鑄件中加入量為0.2%0.3%時(shí)，即可起到顯著的穩(wěn)定珠光體及強(qiáng)化力學(xué)性能的作用，但由于易形成鐵鉻碳化物，故應(yīng)用時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎。 (5) 銻 銻是強(qiáng)烈穩(wěn)定珠光體元素，當(dāng)其含量在0.006%0.008%時(shí)，就能有效的提高球鐵基體中珠光體的百分率。 在生產(chǎn)鑄態(tài)珠光體球鐵時(shí)，用微量銻代替銅，在經(jīng)濟(jì)上更為合理。 但銻有干擾石墨球化的作用，當(dāng)Sb0.01%時(shí)，即會(huì)明顯地使石墨形狀惡化，故對(duì)球墨鑄鐵的含銻量應(yīng)嚴(yán)格控制在0.006%0.008%以下，使用時(shí)還應(yīng)注意積累問(wèn)題。,1.3 微量元素（干擾元素）,球鐵中常存在一些非特意加入的微量元素，如Ti、As、Pb、Al、Cr

13、、Sn、Sb等。在大多數(shù)情況下，這些元素對(duì)鑄鐵的性能起不良影響；或是干擾石墨球化，或是促使在共晶團(tuán)邊界上析出脆性相，或是在鐵素體球鐵中阻礙基體的鐵素體化過(guò)程，即使含量很低，也防礙球化，導(dǎo)致力學(xué)性能下降，特別是塑性和韌性急劇下降。 稀土元素如鈰、鑭、釷、釔等皆有不同程度的中和干擾球化元素的作用，加入RE0.01%0.02%即能中和這些元素的有害作用。稀土元素的存在可放寬反球化元素的最大允許量。 采用地方生鐵，應(yīng)該了解其原生礦中微量元素的含量，因從供貨廠家所提供的化學(xué)成分中往往看不出微量元素的存在，如果微量元素含量超標(biāo)，將會(huì)影響球化效果。一些采用廢鋼和廢機(jī)鐵熔煉的生鐵，也會(huì)出現(xiàn)微量干擾元素超標(biāo)的問(wèn)

14、題。,1.4 各種基體組織球墨鑄鐵的化學(xué)成分,1.4.1鐵素體球墨鑄鐵 表中列出各類鐵素體球墨鑄鐵推薦的化學(xué)成分。其中低溫用鐵素體球墨鑄鐵是指在40仍保持足夠沖擊韌度的球墨鑄鐵。 表 各類鐵素體球墨鑄鐵的推薦化學(xué)成分（%）,對(duì)于退火鐵素體球鐵，允許的Si、Mn含量范圍較寬，Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可從2.0%到2.7%，對(duì)原材料的純凈度(干擾球化元素含量)要求可適當(dāng)放寬。 對(duì)于鑄態(tài)鐵素體球鐵，允許硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可提高至2.5%3.0%(應(yīng)力求采用下限含硅量)，必須使用低錳生鐵(錳含量越低越好)，還要求生鐵中的含磷量低、形成珠光體的元素(Cu、Cr、Sn、Sb等)含量要盡量降低，生鐵的純凈度(干擾元素含量)

15、和廢鋼的純凈度都有很高的要求，采取強(qiáng)化孕育措施，如型內(nèi)孕育、澆口杯孕育等遲后孕育工藝，采用高效孕育劑以及增加冷卻速度等，以增加石墨球數(shù)。在保證球化前提下，降低殘余Mg和RE量。 對(duì)于低溫用鐵素體球墨鑄鐵，除了必須采取上述適用于鑄態(tài)鐵素體球墨鑄鐵的措施外，還必須嚴(yán)格限制Si、Mn、P的上限。,1.4.2 珠光體球墨鑄鐵,表 珠光體球鐵推薦化學(xué)成分（%）,對(duì)于硅含量，小件取上限，大件取下限，只要不出現(xiàn)游離滲碳體，含硅量盡量低。 由于錳易呈正偏析和形成碳化物，故不宜通過(guò)添加錳獲得珠光體組織，尤其是對(duì)于厚大斷面、或是薄壁小鑄件 ，含錳量應(yīng)按下限控制。 對(duì)于韌性要求較低的鑄件，可放寬含磷量：w(P)0.

16、1%。 對(duì)于厚大斷面鑄件，應(yīng)添加銅或同時(shí)添加銅和鉬。也可以添加：鎳w (Ni)2%、釩w (V)0.3%或錫w (Sn)0.05%0.08%等，以穩(wěn)定珠光體。,生產(chǎn)鑄態(tài)珠光體球鐵要遵循以下原則： (1) 嚴(yán)格控制爐料(生鐵與廢鋼)，避免含有強(qiáng)烈形成碳化物元素如Cr、V、Mo、Te等，含錳量取下限，以防止鑄態(tài)下形成游離滲碳體。 (2) 適量孕育，一方面防止形成碳化物，另一方面還要防止因強(qiáng)化孕育導(dǎo)致出現(xiàn)大量的鐵素體。 (3) 根據(jù)鑄件壁厚的性能要求，添加穩(wěn)定珠光體，但又不形成碳化物的元素如Cu、Ni、Sn等，其中，添加銅的效果顯著，成本較低(與添加鎳相比)，而且也無(wú)副作用(與添加錫相比)。 在生產(chǎn)

17、高強(qiáng)度珠光體球墨鑄鐵（抗拉強(qiáng)度要求超過(guò)700MPa）時(shí)，應(yīng)采用純凈爐料、嚴(yán)格控制形成碳化物元素、干擾元素以及P、S等有害雜質(zhì)元素的含量，必要時(shí)，還應(yīng)添加適量的銅和鉬。,1.4.3 鐵素體-珠光體球墨鑄鐵,生產(chǎn)牌號(hào)QT500-7這種鐵素體和珠光體混合基體的球鐵時(shí)，可參考鐵素體、珠光體球鐵生產(chǎn)所必須遵循的原則。 (1) 采用熱處理生產(chǎn)鐵素體-珠光體球鐵時(shí)，參考生產(chǎn)退火鐵素體球鐵所要求的化學(xué)成分，此時(shí)，可不必添加銅，只是在石墨化退火第二階段，縮短保溫時(shí)間，令其中的部分珠光體轉(zhuǎn)變成鐵素體，其余部分則保留下來(lái)，組成混合基體。視所要求的鐵素體與珠光體的相對(duì)含量，決定縮短第二階段的保溫時(shí)間，要求的鐵素體越多，則要縮短的保溫時(shí)間就越短。 (2) 采用鑄態(tài)生產(chǎn)鐵素體-珠光體球鐵時(shí)，參考生產(chǎn)鑄態(tài)鐵素體球鐵要遵循的原則。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)控制添加銅的數(shù)量，以獲得鐵素體與珠光體的混合基體，隨加銅量的增多，珠光體量增加。,1.4.4 貝氏體球墨鑄鐵,貝氏體球鐵是指基體組織以貝氏體為主的球鐵。 一般是經(jīng)奧氏體化（850950保溫)處理后，以較快的速度在鹽浴中進(jìn)行貝氏體轉(zhuǎn)變。 國(guó)際上稱之為ADI(Austempering ductile Iron)，即奧氏體等溫淬火球墨鑄鐵。 此外，在添加足夠量的Cu、Ni、Mo元素的情況下，也可在連續(xù)冷卻條件下獲得貝氏體球墨鑄鐵。,