球墨铸铁性能及生产工艺

球墨铸铁特性及其应用佛山市南海永兴阀门制造有限公司球墨铸铁的概念球墨铸铁的概况球墨铸铁是指铁液在凝固过程中碳以球型石墨析出的铸铁。与灰铸铁相比，其金相组织的最大不同是石墨形状的改变，避免了灰铸铁中尖锐石墨的存在，使得石墨对金属基体的切口作用大为减少，基本消除了片状石墨引起的应力集中现象，使得金属基体的强度利用率达到70－90％，从而使金属基体的性能得到很大程度的发挥。球墨铸铁可以像钢一样，通过热处理和合金化等措施来进一步提高其使用性能。比如，处理过的球墨铸铁可以取得很好的韧性，延伸率高达24％；抗拉强度可以高达1400MPa，基本接近钢材。与钢材相比，球墨铸铁还有很多优点。比如铸造性能好，成本相对较低。由于球墨铸铁产量的不断增加，性能不断开发，现已成功部分取代了锻钢和铸钢，成为前景广阔的金属结构材料。球墨铸铁的金相组织金相组织与力学性能的关系力学性能与金属的金相组织密切相关，什么样的金相结构决定了什么样的力学性能。球墨铸铁也不例外，只有石墨球化，才能发挥金属基体的作用，使铸铁的力学性能大幅度提高。也只有石墨球化，进一步改变基体的性能才更有意义。因此，对球墨铸铁的金相研究，是我们了解球墨铸铁，使用球墨铸铁的前提条件。球墨铸铁的形成球状石墨的形成经历了形核与生长两个阶段。其中的形核是石墨的首要过程，铁液在熔炼及随后的球化、孕育处理中产生大量的非金属夹杂物，初生的夹杂物非常小，在随后浇铸、充型、凝固过程相互碰撞、聚合变大，上浮或下沉，成为石墨析出的核心。球状石墨核心形成以后，碳原子开始在核心基底上堆砌，石墨最终生成的形状决定受工艺条件影响的生长方式。所以，石墨生长过程的控制是获得球状石墨的关键。球状石墨的形核单个夹杂物复合夹杂物球状石墨的核心石墨形核的条件石墨的形核分均质形核和异质形核。均质形核：C的微观原子团（C6）n——晶胚铁液过冷度达200－300℃异质形核：形核基底的外来质点符合晶格匹配关系（失配度δ12%)界面能要求——外来质点被石墨润湿形核物质1、石墨：未溶石墨、添加晶体石墨、非平衡石墨2、岩状结构碳化物基底3、氧化物4、硫化物/氧化物5、铋及铋的化合物球墨铸铁的孕育球墨铸铁孕育的重要性灰铸铁、球墨铸铁孕育的异同点孕育衰退现象提高孕育效果的措施a.选择强效孕育剂b.必要的S的含量c.改善处理方法d.提高铸件冷却速度球状石墨的生长球状石墨的生长条件a、极低的硫、氧含量b、限制反球化元素c、保证必要的冷却速度d、添加的球化元素第一组：镁、钇、铈、钙、镧、镤、钐、镝、镱、钬、铒第二组：钡、锂、铯、铷、锶、钍、钾、钠第三组：铝、锌、镉、锡最佳含量W(Mg)：(0.04-0.08)%W(Ce):(0.07-0.12)%W(Y):(0.15-0.2)%石墨球的螺旋生长石墨球螺旋生长模型a）生长成的球体b）角锥体单晶c）锥顶角Φ与θ的关系石墨球生长的工艺措施从生产实践中得知，使石墨按球状生长的工艺措施为改变化学成分和控制冷却速度。化学成分中，对石墨生长有重要影响的是一些能显著改变铁液过冷倾向的元素；而引起铸铁冷却速度产生变化的因素则是铸件壁厚、铸型以及浇铸。这些条件的实质在于改变石墨结晶的冷却状况。球墨铸铁的金相组织与力学性能的关系球墨铸铁的力学性能是和它的金相组织密切相关的。保证铸铁中石墨球化良好，是熔制球墨铸铁的第一要求。只有石墨球化，才能充分发挥金属基体的作用，使铸铁的力学性能大幅度提高。也只有石墨球化后，进一步改变基体的性能才更有意义。1、金相组织球状石墨外貌接近球形，内部呈放射状，有明显的偏光效应。石墨是由很多角锥体枝晶组成的多晶体，各枝晶的基面垂直于球径，C轴呈辐射状指向球心。2、球化分级球化级别说明球化率（％）1级石墨呈球状，少量团絮，允许极少量团絮状≥952级石墨大部分呈球状，余为团状和极少量团絮状90－953级石墨大部分呈团状，余为团絮状，允许有极少量蠕虫状80－904级石墨呈分散分布的蠕虫状、球状、团状、团絮状70－805级石墨呈聚集分布的蠕虫状、片状及球状、团状、团絮状60－70GB9441－1998球墨铸铁金相检验标准将石墨大小分成六级。球墨铸铁石墨球的大小对力学性能的影响很大，减小石墨球径，增加石墨球在单位面积的个数可以明显地提高球墨铸铁的强度、塑性和韧性。石墨球径的减小，使单位面积上球墨铸铁数量增多，可使抗疲劳强度提高，因此，细化石墨也是提高抗疲劳强度的一个要求。级别3级4级5级6级7级8级石墨直径（100×）mm25－5012-256-123-61.5-3≤1.53、石墨大小石墨球大小分级(GB9441-1988)各种基体与力学性能的关系1、铁素体根据GB9441-1988球墨铸铁金相检验评定铁素体数量。其百分比，按大多数视场对照图片评定。一般不检查牛眼铁素体数量，仅检查与其共存的珠光体数量2、珠光体在球墨铸铁中，珠光体的形态一般分三级：粗状珠光体、片状珠光体、细片状珠光体。随着珠光体的细化，球墨铸铁的强度和硬度有所提高。若基体为粒状珠光体，则球墨铸铁在保持一定强度的同时，具有更高的塑性。3、奥氏体、贝氏体、马氏体由奥氏体、上贝氏体或下贝氏体通过等温淬火，加入适当元素获得。4、渗碳体渗碳体多呈针状、条状，在球墨铸铁中易使基体变脆，故应避免其出现。5、磷共晶体磷共晶体在球墨铸铁中对性能的危害比在灰铸铁中大得多。沿晶界分布的二元或三元磷共晶体，强烈降低球墨铸铁的韧性、塑性和强度，受冲击时，裂痕总是沿磷共晶体边缘开始开裂。球墨铸铁的化学成分选择适当的化学成分是保证球墨铸铁获得良好的金相组织和高性能的基本条件，化学成分的选择既要利于石墨的球化和获得满意的基体，以期获得满意的性能，又要使球墨铸铁具有良好的铸造性能。一、五大元素1、碳和硅由于石墨球对基体的削弱作用很小，所以碳含量在3.2-3.8%时，对力学性能无明显影响。确定球墨铸铁的碳硅含量时，主要从保证铸造性能考虑，将碳当量选择在共晶成分左右。当碳含量过低时，铸件易产生缩松和裂纹；碳当量过高时，易产生石墨漂浮现象，结果使夹杂物增多。硅可以提高石墨球的圆整度，细化石墨，还可以减小结晶过冷和白口倾向。一般认为硅含量大于2.8％时，可能降低韧性，使韧性－脆性转变温度升高。因此，选择碳硅含量时，应按照高碳低硅的原则，铸件在寒冷地区使用，则含硅量应适当降低。铁素体C：3.6-4.0%Si：2.4-2.8%珠光体C：3.4-3.8%Si：2.2-2.4%2、锰球墨铸铁中，由于球化元素具有很强的脱硫能力，不需要锰承担这种功能。锰有严重的正偏析倾向，往往有可能富集于共晶团界处，严重时会促使形成晶间碳化物，显著降低球墨铸铁的韧性。铸态铁素体Mn：0.3-0.4%珠光体球铁Mn：0.4-0.8%3、磷磷在球墨铸铁中有很强的偏析倾向，具有增大球铁的缩松倾向，易在晶界处形成磷共晶，严重降低球铁的韧性。对于寒冷地区使用的铸件，易采用磷的下限含量。磷的含量控制在0.04-0.06%以下。4、硫球墨铸铁中硫与球化元素的化合能力很强，生成硫化物或硫氧化物，不仅消耗球化剂，造成球化不稳定，衰退速度加快，而且还使夹杂物数量增多，导致铸件产生缺陷。国外一般要求铁液含硫量低于0.02%，我国目前由于焦炭含量较高等熔炼条件的限制，往往达不到这一标准，应进一步改善熔炼条件，有条件可进行炉外脱硫。二、合金元素球墨铸铁的合金元素主要有钼、铜、镍、铬、锑、钒、铋等金属。这些元素的主要是起提高铸铁的强度，稳定基体组织的作用。球墨铸铁的凝固特点1、球墨铸铁有较宽的共晶温度范围2、球墨铸铁的糊状凝固特性3、球墨铸铁具有较大的共晶膨胀球墨铸铁的典型缺陷1、球化不良和球化退化特征：断口银灰色，分布芝麻状黑斑点。金相组织分布大量厚片石墨。原因：原铁液含硫高，过量反球化元素。建议选用低硫焦炭，脱硫处理，必要时增加球化剂稀土量，控制冲天炉鼓风强度和料位。2、缩孔和缩松特征：缩孔发生于第一次收缩阶段。表面凹陷及局部热节凹陷，含气孔的暗缩孔，内壁粗糙。缩松发生于第二次收缩阶段。被树枝晶分割的溶池处成为真空，凝固后的孔壁粗糙、排满树枝晶的疏松孔为缩松。原因：碳当量低，磷含量高，增加缩孔缩松倾向。措施：提高铸型刚度，如使用树脂砂，提高铁液碳当量。3、石墨漂浮特征：冷却过程中的过共晶铁液首先析出石墨球，上浮聚集成石墨漂浮，分布于铸件最后部位的上部的冒口处。微观观察石墨球串接呈开花状。原因：碳当量和稀土残留量高，炉料原始尺寸大、数量多，都可能增加石墨漂浮。措施：建议C4%，控制稀土含量，注意原生铁与其他炉料的搭配。4、反白口特征：宏观断面为界限清晰的白亮块，呈方向性白亮针，出现于热节中心。金相观察为过冷密集细针状渗碳体。原因：凝固热节中心偏析富镁、稀土、锰等白口化元素，孕育不足或大件冷却速度快等。措施：保证球化前提下减少残留稀土镁，防止炉料内的强烈白口化元素，强化孕育，提高小件铸件温度。5、夹渣特征：浇铸位置上表面或死角处，断面呈暗黑无光泽、深浅不一的夹杂物，金相为可见、块状夹杂物。原因：形成一次夹渣的重要原因是原铁液含硫量高、氧化严重；二次夹渣主要原因是镁残留量过高，提高了氧化膜形成温度。措施：降低原铁液硫、氧含量，保证球化时降低镁残留量，加入适量稀土降低形膜温度。浇铸系统应使充型平稳，夹渣部位设集渣冒口。7、应力变形和裂纹特征：收缩应力、相变应力之和超过断面金属抗断裂后形成裂纹，热裂呈暗褐色不平整端口，冷裂形成浅褐色光滑平直断口。原因：碳含量低，碳化物形成元素增加，孕育不足，冷却过快等。措施：适当提高碳当量，降低含磷量，加强孕育等措施。8、碎块状石墨特征：出现在Ce等活性元素富集在共晶团边界，促使该区域过饱和析出而形成蠕虫状石墨，其断面形态为碎块状。原因：冷却缓慢，共晶凝固时间过长引起的成分偏析和孕育衰退。措施：选用纯净炉料并限制Ce等元素的含量，控制较低的碳当量，加入Sb、Y、Bi等微量元素。讨论薄壁铸态球墨铸铁在欧美发达国家的阀门铸造工艺中，日趋使用薄壁铸件，可以节约资源。薄壁铸态球墨铸铁件是壁厚仅为几毫米的铸件。由于薄壁，共晶凝固时冷却速度极快，所以抑制白口组织的出现成为首要问题。0100200300400500600700012510152025冷却速度R（摄氏度/秒）白口临界球数(个/平方毫米)冷却速度与临界球数的关系分析在铸铁凝固时，存在石墨共晶与渗碳体共晶两种形式。在平衡状态图中，前者的温度比后者高。为了要避免白口的产生，应使石墨共晶凝固过程在温度达到渗碳体共晶以前完成，这就需要提高石墨共晶的凝固速率，而在一定的冷却速度下，球铁共晶团的生长速度是一定的，因此提高石墨共晶的凝固速度，就必须增加共晶团数量。因此，为防止白口，对球墨铸铁的某一冷却速度，存在对应的临界共晶团数，即临界石墨球数。只有石墨球数大于该临界数，才能避免白口出现。当铸件越薄，冷却速度越大时，所需的临界石墨球数越多。研究表明，为增加石墨球数目，添加稀土Bi是十分有效的。6、皮下气孔特征：铸件表皮下2－3mm处均匀或蜂窝状分布的球形、椭圆形或针孔状内壁光滑孔洞，直径0.5-3mm，在热处理和抛丸后暴露，小件中较多。原因：铁液表明形成的氧化膜阻碍气体析出，碳化反应中形成的气体，镁残留量多形成的镁蒸汽，炉料潮湿锈蚀等。措施：球化保证条件下降低镁残留量，铁液平稳浇铸，控制炉料干燥少锈，采用少氮或无氮树脂。球墨铸铁铸件形式1、大断面球墨铸铁2、铸态球墨铸铁件3、薄壁球墨铸铁件4、高强度高韧性球铁球墨铸铁的性能球墨铸铁的力学性能以抗拉强度和延伸率两个指标作为验收依据。在生产工艺稳定的条件下，也可根据硬度值进行验收。因硬度与强度的对应关系建立在球化合格，化学成分、孕育稳定，铸造工艺合理的基础上，为保证性能，规定按硬度验收时，必须检验金相组织，其球化率不得低于4级。即使硬度和球化合格，由于基体其中存在渗碳体、磷共晶、高硅固溶强化等，可能使强度和韧性达不到要求。所以不具备生产工艺稳定的条件下，不能根据硬度值验收。GB规定的球墨铸铁牌号序号牌号最小值布氏硬度主要金相组织抗拉强度σb（MPa）屈服强度σ0.2（MPa）延伸率（％