提高灰铸铁性能的途径

第1页提高灰铸铁性能的途径为提高灰铸铁的性能，常采取下列几种措施：选择合理的化学成分；改变炉料组成，过热处理铁液；孕育处理；微量或低合金化。采取何种措施取决于所要求的性能及生产条件，往往同时采取两种以上措施。1、化学成分的合理选配（1）碳、硅及硅碳比灰铸铁的含碳量大多在2.6%~3.6%,含硅量在1.2%~3.0%,碳硅都是强烈地促进石墨化的元素,可用碳当量CE来说明它们对灰铸铁金相组织和力学性能的影响.提高碳当量促使石墨化变粗,数量增多,强度和硬度下降.降低碳当量可减少石墨数量,细化石墨,增加初析奥氏体枝晶,从而是提高灰铸铁力学性能时常采取的措施.但降低碳当量会导致铸造性能降低,铸件断面敏感性增大,铸件内应力增加,硬度上升加工困难等问题,因此必须辅以其它的措施.在碳当量保持不变的条件下,适当提高Si/C比(一般由0.5左右提高至0.7左右),在凝固特性,组织结构与材质性能方面有以下变化:a组织中初析奥氏体数量增多,有加固基体的作用;b由于总碳量的降低,石墨量相应减少,减轻了石墨片对基体的切割作用;c固溶于铁素体中的硅量增多,强化了铁素体(包括珠光体中的铁素体);d提高了共析转变温度,珠光体在较高温度下生成,易粗化,会降低强度;e降低了奥氏体的含碳量,使奥氏体在共析转变时易生成铁素体;f硅高碳低情况下,易使铸件表层产生过冷石墨并伴随有大量铁素体,有利于切削加工,但不加工面的性能有所削弱;g提高了液相线凝固温度,降低了共晶温度,扩大了凝固范围,降低了铁液流动性,增大了缩松渗漏倾向.综合以上各种固素的利弊，在碳当量较低时，适当提高Si/C，强度性能会有所提高，切削性能有较大改善，但要注意缩松渗漏倾向的增加和珠光体数量的减少。在较高碳当量时（具体取决于生产条件）提高Si/C反而使抗拉强度下降。此时提高硅碳比仍能有减少白口倾向的优点，适用于性能要求不高的薄壁铸件的铸造。（2）锰和硫锰和硫本身都是稳定碳化物、阻碍石墨化的元素。但两者共同存在时，会结合成MnS及（Fe、Mn）S化合物，以颗粒状分布于基体中。这些化合物的熔点在1600℃以上，不仅无阻碍石墨化的作用，而且还可作为石墨化的非自发性晶核。为中和硫所必需的锰大约为：Mn=1.73SS≤0.2%Mn=3.3SS≥0.2%普通灰铸铁中，硫量一般在0.02%~0.15%，锰量在0.4%~1.2%。故中和以后过高的锰或硫才能单独起作用。实践表明，只要防止铁液氧化、正确使用孕育防白口的能力，锰量增加不仅能增加并细化珠光体，且适当放宽对含硫量的控制并无害处。欧洲许多厂家经常用S0.12%~0.15%的铁液来铸造汽车、拖拉机上HT250以上处牌号的零件。锰在1.5%以上，甚至超过硅量时，灰铸铁已属合金化铸铁，此时具有强度高、硬度高、密度高、致密性高、耐磨的优点，已在机床铸件上得到了应用，但此时Si量也需作相应的提高。为确保常用孕育剂的孕育效果，灰铸铁铁液中的含硫量一般不低于0.05%~0.06%。（3）磷磷使铸铁的共晶点左移，且作用程度和硅相似，故计算碳当量时，应计入磷的含量。磷在铸铁中以低熔点二元或三元磷共晶存在于晶界，其硬度分别在750~800HV和900~950HV之间，故磷可以提高灰铸铁耐磨性，应用于机床、缸套和闸瓦。但必须避免三元第2页磷共晶的出现；同时，随着磷量的提高，力学性能尤其是韧性和致密性降低。磷量高往往是铸件冷裂的原因。灰铸铁件的含磷量一般小于0.20%,有耐磨和高流动性要求的，可至0.3%~1.5%，有致密性要求的，含磷量需低于0.06%。2、改变炉料组成灰铸铁的炉料一般由新生铁、废钢、回炉料和铁合金等组成。加入废钢，降低铁液含碳量，可以提高灰铸铁的力学性能，在生不同牌号灰铸铁时将加入不同比例的废钢作为保证材质性能的一个控制指标。近年来由于工业发达国家废钢供应十分充裕，价格也远较新生铁便宜，于是发展了不用新生铁而只用废钢和回炉料，用增碳方法调节碳量的合成铸铁及其冶炼方法。合成铸铁不仅能降低成本，而且在同样的化学成分下能获得更好的力学性能。合成铸铁的生产需要能将铁液温度过热到1500℃以上的熔炼设备。为节约能量和改善灰铸铁的组织与性能，还可在配料中采用合成生铁代替铸造生铁。这是因为高炉生产铸造生铁比之生产炼钢生铁需要更多的焦耗，并降低生产率。为此可用高碳低硅高炉铁液，倒进液态硅铁，制得合成生铁。用合成生铁生产的灰铸铁其金相组织和力学性能得到了改善。3、铁液过热处理温度、化学成分、纯净度是铁液的三项主要冶金指标，而铁液温度的高低又直接影响到成分和纯净度。铁液温度的提高有利于提高流动性、获得健全铸件，降低废品率，而且在一定范围内有利于力学性能的改善。在一定范围内提高铁液温度能使石墨细化、基体组织细密、抗拉强度提高，硬度下降，成熟度、相对硬度和品质系数得到改善，弹性模量有少许提高，泊松比先下降、随后又提高。过度过热不仅浪费能量，对力学性能也无好处，甚至有害。此临界温度和炉料组成、熔炼设备、化学成分等因素有关，不同研究者得出不同结论，但过热至1500℃以前的效果和结论是一致的。工业发达国家的熔炼出铁温度则保持1520~1550℃，铁液保温炉的温度为1480~1500℃。随着过热温度的提高，铁液中含氮量、含氢量略有上升，但1450℃以后的氧含量大幅度下降，铁液的纯净度有了提高。较高的氮除了易引起针孔缺陷外，对铸铁的抗拉强度和硬度有提高作用。按Si+O2=SiO2的反应计算，铸铁中的平衡溶氧量随温度的提高而提高。但铸铁中碳的存在，在一定的平衡温度之后，发生了：SiO2+2C→Si+2CO↑的反应，使铸铁中溶氧量开始下降。此平衡温度TG可按铁液中碳、硅含量计算：lg[Si%/（C%）2]=27486/TG+15.47对于含碳量3.2%，硅1.6%的铸铁，其TG为1415℃。铁液温度低于TG，则氧留于铁液中，和硅等元素的化合物可作为部分结晶核心。温度高于TG，则铁液中的氧以CO形式逸出，减少了铁液的氧化。平衡温度TG只是个理论值，实际反应温度要高于此值。由于CO的放出，铁液开始沸腾，故实际反应温度称为沸腾温度TH，它可以从下式计算：TH（℃）=0.7866xTG(℃)+362对于C3.2%，Si1.6%的铁液，其TH=1475℃。这也是工业发达国家把铁液出炉温度提高至1480℃以上的另一重要原因。4、铁液孕育处理孕育处理就是在铁液进入铸件型腔前，把孕育剂附加到铁液中以改变铁液的冶金状态，从而改善铸铁的显微组织和性能，而这些性能的改善并不能由于加入孕育剂后铁液化学成分的变化来解释。随着孕育剂、孕育方法的改进，孕育处理已是现代铸造生产中提高铸铁性能的重要手段。（1）孕育目的及其效果的评定1）孕育的目的：第3页促进石墨化，减少白口倾向；改善断面均匀性；控制石墨形态，减少共晶石墨和共生铁素体的形成，以获得中等大小的A型石墨；适当增加共晶团数和促进细片状珠光体的形成；改善铸铁的力学性能和其它性能。2）孕育效果的评定：孕育目的不同，评定孕育效果的指标也不同。但常用减少白口倾向、增加共晶团数及减少过冷度来评定。①减少白口倾向，常用三角试样的白口深度或宽度来评定孕育前后的白口倾向。不同铸件可使用不同形式的三角试样。②共晶团数，在试样上测定共晶团数，用以衡量孕育前后成核程度的差别。应指出，共晶团灵敏的比较必须在相似条件下进行，因炉料、熔化条件、过热处理、孕育剂、孕育方法等都会引起共晶团数的改变；有些孕育剂，例含锶孕育剂，并不过多增加共晶团数，却有很强的降低白口倾向的作用。③共晶过冷度，铁液孕育后，结晶核心大量增多，使共晶大量生核温度提前开始，也提前结束，绝对过冷度均相应减小，因此可用孕育前后过冷度的变化来检测孕育效果。实际生产不能追求量大的孕育效果。为防止疏松等缺陷出现，不少企业规定相对过冷度小于4℃为孕育过度，而力求孕育后获得6~8℃的相对过冷度。孕育剂的作用有效性均随时间而衰退，因此在筛选孕育剂时也常把孕育效果保持长短作为一个评定指标。（2）一定条件下，每种孕育剂都有其最佳加入量，过多地使用孕育剂不会带来更大的孕育效果，反而浪费孕育剂、降低铁液温度、增加铸件的缺陷和成本。一般建议，孕育剂带进铁液的硅量不大于0.3%、碳量不大于0.1%，国内熔化的铁液氧化程度较大、故使用孕育剂量大都超过此值。至今国内外大部分铸工车间使用的孕育剂仍然是FeSi75。其原因除便宜易得外，主要是它在孕育后的短时间内（约5~6min）有良好的孕育效果。（3）孕育方法1）、包内孕育：包内冲入法：孕育剂加入包中，然后冲入铁液；方法最简单，但孕育剂易氧化，烧损大；在包内易浮起和渣混在一起，不起孕育作用；孕育剂用量多；孕育至浇注的间隔最长、衰退最严重；出铁槽孕育：出铁时，用手工、孕育剂料斗或振动给料器把孕育剂加到出铁槽的铁液流中。或转包时，加到转包铁液流中；孕育剂氧化减轻；孕育剂浪费少，但用量仍偏多；浇注前停留时间长，衰退严重；2）、迟后孕育：浇杯孕育：把孕育剂（粒或成型块）放入浇杯中，铁液进入浇杯，使孕育剂熔解后进入铸型；增加造型工作量；孕育剂颗粒易浮起，浪费；孕育后铁液立即进入铸型，基本无衰退；孕育剂用量比包内孕育法少；硅铁棒孕育：浇注时，通过铁液流对包嘴处硅铁棒来达到孕育；衰退少；孕育剂用量比包内法少；硅铁棒制造麻烦；孕育剂用量不易控制；对浇注工艺要求高；大块浮硅孕育：将大块硅孕育剂放包底，冲入铁液使孕育剂块边熔边浮，铁液表面仍有1/4~1/5的硅铁块，或包内冲入法后在液面撒一层硅铁；铁液面处富硅，浇注的铁液似刚孕育，衰退小；操作简单；减少破碎工作量；但块度要和温度、包容量相配；孕育剂耗量大；孕育丝孕育：把孕育剂包在空心金属丝中，采用改进的焊丝给料机，均匀送入直浇道或浇杯的铁液中；孕育剂用量可减少至0.08%以下；孕育丝能自动均匀地进入铁液；无衰退；孕育丝供应成本高；都为定点使用；要求控制系统可靠；第4页铁液流孕育：把孕育剂用重力或气力加到进入铸型的铁液流中；孕育剂量能减至0.1%；孕育剂粒能均匀进入铁液流；无衰退，效果比包内孕育法要好，最好定点使用，控制系统要可靠；3）、型内孕育：全部孕育：把孕育块（一定块度或成型块）放在浇注系统内（过滤芯上、直浇道底部或横浇道内）铁液进入就被孕育；孕育均匀，无衰退，孕育剂量可降至0.05%~0.10%；要求孕育块能连续均匀熔化；易生渣孔；要修改浇注系统、降低成品率。一般作辅助孕育剂用，已有成型块供应；局部孕育：在铸型局部放小孕育块或孕育剂粉；能明显减少铸件局部产生白口，作辅助孕育用。5、低合金化灰铸铁的合金化是提高其力学性能和使用性能、节省材料的重要途径。在生产实践中，也常常采用在炉前添加少量合金元素与孕育技术相配合的措施，使同一基铁（原铁液）生产出不同成分的铁液，以满足不同牌号或同一牌号不同壁厚铸件的要求。大部分常用合金能在合适的加入量范围内，促进珠光体生成部分能细化珠光体、强化铁素体，从而提高灰铸铁的抗拉强度和硬度。但各元素的作用程度有别，在灰铸铁中加入一种以上合金时，它们对抗拉强度的总影响可以来估算。。。