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影響鑄鐵鑄態組織的因素

日期:2021-11-04    瀏覽次數:    

 鑄鐵的性能特別是力學性能與金相組織直接相關,而共晶凝固的石墨化及共析轉變的珠光體轉變是鑄鐵金相組織關鍵環節。因此通常生產環節中影響鑄鐵凝固過程的工藝因素將直接影響鑄態組織構成進而影響鑄鐵的性能。

       一.  冷卻速度

      當化學成分選定后,改變鑄鐵共晶階段的冷卻速度,可在較大范圍改變鑄鐵鑄態組織(灰口鐵或白口鐵)。如前所述,共析轉變時的冷卻速度將決定鑄態組織的基體可從極細的珠光體、粗片珠光體、珠光體加鐵素體到全部鐵素體,生產中的實際意義是鑄件的壁厚變化與鑄鐵的冷卻速度變化相對應:鑄件越厚,冷卻速度越慢,鑄鐵將在厚壁處出現粗大石墨,共析轉變則有析出鐵素體傾向;鑄件壁厚變薄,冷卻速度增加,易形成細小石墨,共析轉變時多呈現析出珠光體傾向;鑄件變薄到一定程度,鑄鐵冷卻速度過大,會出現過冷石墨(D型石墨),共析轉變時將伴生大量鐵素體出現,造成鑄鐵強度、硬度下降;繼續減薄壁厚,將進入亞穩定系凝固而出現共晶滲碳體,形成白口鑄鐵。

       二.  溫度

      研究表明,鑄鐵鐵液中碳和硅的氧化特性對于鐵液的均勻化、結晶形核條件的控制、元素的氧化燒損以及酸性耐火爐襯的溶蝕等均有決定性意義。鑄鐵鐵液中各合金元素與氧的反應程度與相關氧化反應 自由焓和溫度直接相關,從圖1中可以看出,Mg、Al、Si、Mn、C 對氧的親和力均 比 Fe 大得多。C 氧化反應自由焓與溫度的關系與眾不同,是隨著溫度的提升而減低,導致與其他元素的“自由焓線”相交,此交點即相應元素氧化能力的轉化點,即在此轉化點附近,一個元素的氧化反應由另 一個元素的氧化(自由焓更低者)來替代。

 

      溫度對于鑄鐵液中的碳和硅之間的反應有很重要的影響。圖1給出的自由焓是對純物質而言,考慮到鐵液中合金元素以溶解狀態存在,需要在定量分析中考慮采用活度。即使這樣,在有效的溫度范圍內,碳和硅即使濃度較低,它們對氧的親和力仍然比鐵大得多。對于鑄鐵鐵液而言,理論上的平衡溫度為 1380~1400℃,與z大的含氧量的溫度范圍是 1450~ 1490℃。過熱溫度為 70~90℃。圖2表示在Pco=0.1MPa以及在不同溫度條件下碳和硅的平衡濃度,此與考慮鐵液中相應不同碳、硅活度(濃度)時碳氧化及硅氧化反應“自由焓線”交叉點所得結果相同?,F有的氧化物核心結晶理論指出,石墨的析出尤其需要外來晶核的幫助,當鐵液中含有氧和硅鐵、硅鈣等孕育劑時,可形成外來核心而有利于形成A型細化石墨組織。因此為了獲得良好的鑄鐵組織結構和力學性能,鑄鐵熔煉時將鐵液適當過熱至具有較大的含氧量即過熱約 80℃是特別有利的。但是應該注意的是,過高的過熱溫度有導致含氧量急劇衰減的危險,使育效果減退,白口傾向增大。同時,過熱不僅僅需要考慮溫度的高低,還必須注重考慮過熱時間的長短。

 

       實際經驗數據,熔爐中的過熱溫度和出鐵溫度取決于鑄鐵凝固溫度的范圍??筛鶕煞钟嬎愠鲆合嗑€溫度 TL和固相線溫度 TS的范圍。

普通灰鑄鐵,按如下公式計算:

 

TL=1650℃-124.5W(C)-26.7w(Si)+2.45w(P)                     (3-1) 

TS=1104℃+9.8W(C)-12.1w(Si)+2.45w(P)                       (3-2) 

對于低合金灰鑄鐵,通常采用下列公式:

TL=1599℃-107w(C)-26.6w(Si)-61.4w(P)-

21.7w(Cr)+9.7w(Mn)+7.6w(S)+0.5w(Ni)                          (3-3) 

Ceq=w(C)+0.31w(Si)+0.33w(P)+0.047w(Ni)+0.40w(S)-

0.015w(Mo)-0.063w(Cr)-0.135w(V)                                  (3-4) 

建議爐內較高過熱溫度大約比 T,溫度高 125~175℃,出鐵溫度比 T溫度高100~150℃。根據鑄件壁厚、形狀和造型材料,常見的灰鐵件出鐵溫度在 1360-1480℃之間。

        三.  化學成分

        1.總則

       通常標準中對鑄鐵的成分沒有具體規定。鑄造廠會根據鑄件壁厚和指定的力學性能選擇化學成分,力學性能由石墨形態(形狀、大小和分布)和基體結構決定。石墨形態在凝固階段就固定下來,且不能再改變。熱處理可以改變基體和碳化物。但是,熱處理會使生產周期變長,提高成本價格。因此,應盡可能地避免使用熱處理。

        2.具有負面影響的元素

所有對石墨形成有負面影響的元素都必須加以控制。

      (1)元素鉛、銻、鉍、硼、碲、砷和鈦對石墨形狀具有負面影響以上元素中的一些,例如鈦,會通過廢鋼進到鐵液中。建議較大含量如下:

        鋁    0.03%    銻    0.02%    砷   0.05% 

        鉍    0.02%    硼    0.01%    鉛   0.005% 

        硒    0.03%    碲   0.003%   鈦   0.15% 

       (2)鎂的殘余量非常重要 旦殘余鎂元素的質量分數高于 0.01%,就會出現任意形狀和尺寸的球墨結晶。

        3.常規元素

      碳是對石墨析出和金相組織都有影響的重要元素。

      (1)碳化物(鐵、錳、鉬碳化物等碳化物)的影響碳化物的形成對鑄件延孕展性、疲勞強度、可鑄性以及體積收縮具有非常大的負面影響。必須把碳化物控制在較低水平。必須使碳化物的含量適合于壁厚、指定的強度和碳化物促成元素的含量。必須平衡分析,碳化物z高含量為5%。5%的碳化物會占去鐵液中 0.33%的碳。在凝固時,碳含量的降低會導致較大的體積收縮,并使出現孔隙缺陷的可能性增大。石墨(游離石墨)含量應在 8%~12%之間。

     (2)硅元素對基體組織的影響隨著硅含量增高,在“鑄態”條件下鐵素體的量也會增加。并且碳和硅一同對爐內的鐵液性能有很重要的影響。它很大程度上決定了爐渣的量以及性質(見圖1)。通常硅和碳的組合如下:

    抗拉強度/MPa   w(C)(%)           w(Si)(%) 

              150       3.40~3.60         2.30~2.50 

              210       3.10~3.30         2.10~2.30 

              275       2.95~3.15         1.70~2.00 

              350       2.70~3.00         1.70~2.00 

              400       2.50~2.85         1.90~2.10 

     (3)錳元素的影響錳是珠光體促成元素,它還有促成碳化物的趨勢。但是,這些碳化物通常不會引起什么實際的問題。錳元素在游離硫結合中起著重要的作用。那就是為什么必須按下列公式來決定硫含量,錳的質量分數在 0.50%~0.70%之間進行變化。如果高于1.0%,并且使用了濕砂,就會有形成針孔的危險。

          w(Mn)>1.7w(S)+a%                                   

(3-5) 式中,a 的值在 0.3~0.5之間,a=0.3 時,生產出的鑄鐵硬度和抗拉強度z高。

      (4)硫元素和磷元素的含量通常如下: 

       S    0.05%~0.15% 

       P    0.02%~0.10%

       如果鑄件耐壓,則鑄鐵磷含量必須小于 0.01%。

       (5)磷可以提高鐵液的流動性磷形成的共晶(有較高硬度的化合物)高鑄件的耐磨性。因此,在汽缸襯、汽缸墊等用于柴油機的將采用質量分數為0.5%~ 0.7%的磷。但是,要嚴格控制磷和鉬共用,這種組合會導致額外的孔隙??紫兜拇笮S鑄件的壁厚增加而增加。

       4.合金元素

       為了得到完全的珠光體(較高的強度和硬度)結構,甚至是在厚壁鑄件中我們必須使用合金元素。常用的元素有鉬、銅、鎳、錫和鉻。還必須提到的是氮元素在灰鐵中起著非常重要的作用。

        這些元素對珠光體的形成所起的作用如下:

        元素            錫      鉬       磷        銅      鈦        錳      鎳/鉻      

    作用系數       39.0    7.90   5.60     4.90     4.40    0.44     0.37

                          

       (1)   錫   添加質量分數<0.10%的錫作用z大,它提高了促成珠光體形成的可能,但不會促成碳化物的形成。

       (2)   鉬   是珠光體促成元素,但也有溫和促進碳化物生成的趨勢,且碳化物較難避免和去除。從0.20%開始它就起作用了,通常其添加量在 0.35%~0.55%之間。

       鉬提高了強度、高溫下的彈性系數和抗蠕變力。它提高了延展性(仍然還非常低)和可淬性,并且降低了壁厚敏感度。

       如果使用了鉬,磷含量必須非常低(w(P)<0.10%),因為會形成復雜的化合物,這種化合物很堅硬,并會增強引起孔隙缺陷的趨勢

        (3)   銅   增強了片狀石墨的析出,并且降低了碳化物的形成。通常與錫和鎳一起添加。研究表明,似乎銅與錫結合使用會產生良好的結果,也就是說,不會形成碳化物,并且厚斷面在鑄態條件下會得到珠光體結構。一般采用下列組合:

 Cu     1.5%    1.0%     0.5%    0.25%    0.0%

 Sn     0.0%   0.03%   0.07%   0.15%   0.24%

     

        (4)   鈦  的添加量通常在0.15~0.20%之間。它提高了碳化物的形成和 D型石墨。如果Ceq<3.9%,抗拉強度就會降低;如果 Ceq>3.9%,抗拉強度就會升高。

         (5)   鉻  含量通??刂圃?.10%以內,因為它通過強的碳化物促成作用對可切削性產生負面影響。如果要求在厚壁斷面處要求高的硬度,則可采用 0.20%~0.35%的量。

         (6) 釩 元素加入通??刂圃?0.05%~0.15%之間。釩的加入會形成少量碳化物,并對抗蠕變力(長時間處于高溫下)起著積極的作用。

         (7)   氮  對灰鐵有特殊的作用。它對強度起作用,并且還可能導致氣泡的產生。它能改善游離石墨的形態。需要根據壁厚找出較佳水平(通常在 60~90ppm之間)。下列準則對于壁厚在 50mm 以內有效:

       N>50ppm        否則會損失大量的強度 

       N<130ppm      否則就有形成氣孔的風險 

       N<200ppm      用于所有可能的壁厚 

通常,合金元素的質量分數應滿足:

w(Mo)<0.55%  w(Cu)<0.75%   w(Cr)<0.75% 

w(Ni)<0.75%    w(V)<0.20%     w(Sn)<0.15%

                表 3 總結了主要合金元素對鑄鐵各種性能的影響:

 

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