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改善灰鑄鐵力學性能的途徑

日期:2022-04-06    瀏覽次數:    

.化學成分   

      灰鑄鐵的力學性能是由其化學成分、凝固和冷卻速度及鑄造工藝過程綜合決定的。

      灰鑄鐵抗拉強度既受鑄鐵中的基本元素(C、Si、Mn、P、S)的影響,也受其中的合金和微量元素的化學成分影響。

      通常用碳當量 CE 來表示碳硅作為具有強烈促進石墨化元素對灰鑄鐵金相組織和力學性能的影響。碳當量 4.3% 的鑄鐵為亞共晶鑄鐵,具有較高的強度,其石墨片尺寸和數量隨碳當量而減??;碳當量 >4.3% 的鑄鐵為過共晶鑄鐵,含有粗大石墨,強度較低。圖 1展示了鑄態灰鑄鐵  φ  30mm 試棒抗拉強度與碳當量的典型關系。

       錳、硫、磷在鑄鐵中一定程度地影響抗拉強度。錳、硫本身都是穩定碳化物、阻礙石墨化元素,兩者同時存在于鐵液中會結合成 MnS 及硫鐵化合物,并以顆粒狀分布在基體中,這些化合物的熔點在 1600 以上,可作為有效的石墨化晶核。為保證有足夠的錳與所有的硫結合,通常鑄鐵中錳的質量分數最低應是  w  Mn=1.7  w  S+0.3%0.5%,一般在 0.50%0.70% 之間進行變化。適量的錳能夠細化珠光體,提高硬度和強度,過量的錳和磷均能導致鑄件厚大斷面的內部縮松。除特殊用途的鑄鐵外,生產中

 

 1  φ  30mm 

.合金元素

      加入鑄鐵中的各種元素按其對鑄鐵凝固過程的影響可分為促進石墨化的元素和穩定碳化物的元素兩大類:碳、硅、鋁、鈦、鎳、銅是促進石墨化的元素;錳、鉬、鉻、釩則歸于穩定碳化物元素,由于它們在鑄鐵凝固過程中阻礙石墨析出并有形成碳化物的傾向,要特別限制這類元素在薄斷面灰鑄鐵件中的含量。

      上述合金元素(除碳、硅外)在加入適量時,均傾向于增加鑄鐵的硬度和強度。鎳、銅雖然在凝固過程中起石墨化作用,但也促進基體中形成更細的珠光體,進而提高強度。要注意鈦會降低灰鑄鐵的強度,主要是是鈦會與氮結合生產氮化鈦,結合關系是  w  N=  w  Ti/3.42。圖 2 是鈦的加入量對灰鑄鐵強度的影響。



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      增加石墨化元素只能略微增加鑄鐵強度,而加入穩定碳化物元素,能顯著增加抗拉強度,但卻損失一些可加工性。適量的鉻、釩對于保持較厚鑄件斷面的硬度和強度是非常有效的。鉬對增加抗拉強度特別有效,加入 0.5% 的鉬將使抗拉強度增加 3.55.0MPa,鉬對改善鑄鐵的高溫強度也有很大作用。但是鉬是強偏析元素,厚壁件在加入時要慎重,尤其是主要加入鉬時要控制較低的磷含量,圖 3是灰鑄鐵中鉬加入量與磷的質量分數的關系圖。鎳具有防止薄斷面出現過硬、又能保持較厚斷面硬度和強度的特殊作用。通常鉻、鉬的加入量不超過 0.75%,釩的加入量不超過 0.3%,由于它們都強烈傾向于形成堅硬的塊狀碳化物。復合加入鎳或銅可以平衡鉻、鉬的穩定碳化物作用,對于提高灰鑄鐵強度是十分有效的?;诣T鐵中加入極少量的錫或銻能穩定珠光體,一般加入 <0.1% 的錫或 <0.05% 銻就能得到提高耐磨性的完全珠光體基體,注意,加入量過大或與其他元素聯合作用則可能產生有害影響。

 

 

  



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.微量元素的影響

      鉍、鈣、鈰、鎂、釔、硼、碲都是強烈穩定碳化物的元素,極小的加入量就會對鑄鐵的性能產生顯著影響。0.01% 數量級的鎂、鈰、釔能夠細化灰鑄鐵的石墨結構,含量較大將導致鑄鐵中的石墨球形成。<0.05% 的硼或小于 0.005% 的碲可用來增加鑄鐵的白口傾向。另外,鉛、鉍會產生畸變的石墨造成鑄鐵強度大幅度下降。

      鑄鐵中含氮達到 10ppm 及以上時,由于能促進珠光體中形成較短、較厚和鈍頭的片狀石墨從而提高灰鑄鐵的強度等級。而更多的氮會在鑄鐵中引起針狀氮氣孔。

.孕育處理

      孕育處理是指鑄鐵凝固前,向鐵液態中添加少量合金,促進鑄鐵形核、抑制生長,達到細化晶粒,達到促進石墨化、減少過冷組織、斷面均勻性,提高鑄鐵的力學性能和其他性能(如可加工性)的目的。稀土、鈣、鋁、鋇、鍶常被作為孕育劑中最有效的元素。

生產工藝因素

      灰鑄鐵的性能也受大量工藝因素的影響,如爐料、熔爐、造型材料、鑄鐵過熱溫度、澆注溫度、鐵液保溫時間、鑄件在砂型中保溫時間等生產實踐中均要統計這些因素對鑄鐵性能影響的數據,以控制這些因素并達到控制鑄鐵性能的目的。

      灰鑄鐵的金屬爐料中加入廢鋼,降低鐵液含碳量,可提高灰鑄鐵的力學性能。生產不同牌號的灰鑄鐵時加入不同比例的廢鋼,保證材質的性能指標。為利用廢鋼低成本和提高性能的優勢,工業生產發展了不用生鐵只用廢鋼和回爐料,用增碳的方法調節碳含量的合成鑄鐵的熔煉工藝。合成鑄鐵不僅能降低生產成本,而且在同樣化學成分下能夠獲得更好的力學性能。

      電爐熔煉合成鑄鐵必須根據鑄件性能要求來選擇合適的增碳劑,因不同的增碳劑會影響合成鑄鐵的氮含量,微量的氮能提高力學性能,但過量容易產生氣孔缺陷。

      鐵液過熱處理,化學成分、溫度、純凈度是鑄鐵鐵液的三項主要冶金指標,而鐵液溫度又直接影響到成分和純凈度。

      在一定范圍內提高鐵液溫度能使石墨細化、基體組織細密、抗拉強度提高、硬度下降,品質系數得到改善。

      隨著過熱溫度的提高,鐵液中的氮含量、氫含量略有上升,而 1450 以上氧含量大幅度下降,鐵液的純凈度有了提高,對鑄鐵強度有提高作用。

      過度過熱浪費能量,對力學性能也無好處,甚至有害。研究表明,對于常規格的灰鑄鐵過熱溫度以 14701490 為宜。














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