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影响铸铁铸态组织的因素

日期:2021-11-04    浏览次数:    

 铸铁的性能特别是力学性能与金相组织直接相关,而共晶凝固的石墨化及共析转变的珠光体转变是铸铁金相组织关键环节。因此通常生产环节中影响铸铁凝固过程的工艺因素将直接影响铸态组织构成进而影响铸铁的性能。

       一.  冷却速度

      当化学成分选定后,改变铸铁共晶阶段的冷却速度,可在较大范围改变铸铁铸态组织(灰口铁或白口铁)。如前所述,共析转变时的冷却速度将决定铸态组织的基体可从极细的珠光体、粗片珠光体、珠光体加铁素体到全部铁素体,生产中的实际意义是铸件的壁厚变化与铸铁的冷却速度变化相对应:铸件越厚,冷却速度越慢,铸铁将在厚壁处出现粗大石墨,共析转变则有析出铁素体倾向;铸件壁厚变薄,冷却速度增加,易形成细小石墨,共析转变时多呈现析出珠光体倾向;铸件变薄到一定程度,铸铁冷却速度过大,会出现过冷石墨(D型石墨),共析转变时将伴生大量铁素体出现,造成铸铁强度、硬度下降;继续减薄壁厚,将进入亚稳定系凝固而出现共晶渗碳体,形成白口铸铁。

       二.  温度

      研究表明,铸铁铁液中碳和硅的氧化特性对于铁液的均匀化、结晶形核条件的控制、元素的氧化烧损以及酸性耐火炉衬的溶蚀等均有决定性意义。铸铁铁液中各合金元素与氧的反应程度与相关氧化反应 自由焓和温度直接相关,从图1中可以看出,Mg、Al、Si、Mn、C 对氧的亲和力均 比 Fe 大得多。C 氧化反应自由焓与温度的关系与众不同,是随着温度的提升而减低,导致与其他元素的“自由焓线”相交,此交点即相应元素氧化能力的转化点,即在此转化点附近,一个元素的氧化反应由另 一个元素的氧化(自由焓更低者)来替代。

 

      温度对于铸铁液中的碳和硅之间的反应有很重要的影响。图1给出的自由焓是对纯物质而言,考虑到铁液中合金元素以溶解状态存在,需要在定量分析中考虑采用活度。即使这样,在有效的温度范围内,碳和硅即使浓度较低,它们对氧的亲和力仍然比铁大得多。对于铸铁铁液而言,理论上的平衡温度为 1380~1400℃,与z大的含氧量的温度范围是 1450~ 1490℃。过热温度为 70~90℃。图2表示在Pco=0.1MPa以及在不同温度条件下碳和硅的平衡浓度,此与考虑铁液中相应不同碳、硅活度(浓度)时碳氧化及硅氧化反应“自由焓线”交叉点所得结果相同。现有的氧化物核心结晶理论指出,石墨的析出尤其需要外来晶核的帮助,当铁液中含有氧和硅铁、硅钙等孕育剂时,可形成外来核心而有利于形成A型细化石墨组织。因此为了获得良好的铸铁组织结构和力学性能,铸铁熔炼时将铁液适当过热至具有较大的含氧量即过热约 80℃是特别有利的。但是应该注意的是,过高的过热温度有导致含氧量急剧衰减的危险,使育效果减退,白口倾向增大。同时,过热不仅仅需要考虑温度的高低,还必须注重考虑过热时间的长短。

 

       实际经验数据,熔炉中的过热温度和出铁温度取决于铸铁凝固温度的范围。可根据成分计算出液相线温度 TL和固相线温度 TS的范围。

普通灰铸铁,按如下公式计算:

 

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) 

对于低合金灰铸铁,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) 

建议炉内较高过热温度大约比 T,温度高 125~175℃,出铁温度比 T温度高100~150℃。根据铸件壁厚、形状和造型材料,常见的灰铁件出铁温度在 1360-1480℃之间。

        三.  化学成分

        1.总则

       通常标准中对铸铁的成分没有具体规定。铸造厂会根据铸件壁厚和指定的力学性能选择化学成分,力学性能由石墨形态(形状、大小和分布)和基体结构决定。石墨形态在凝固阶段就固定下来,且不能再改变。热处理可以改变基体和碳化物。但是,热处理会使生产周期变长,提高成本价格。因此,应尽可能地避免使用热处理。

        2.具有负面影响的元素

所有对石墨形成有负面影响的元素都必须加以控制。

      (1)元素铅、锑、铋、硼、碲、砷和钛对石墨形状具有负面影响以上元素中的一些,例如钛,会通过废钢进到铁液中。建议较大含量如下:

        铝    0.03%    锑    0.02%    砷   0.05% 

        铋    0.02%    硼    0.01%    铅   0.005% 

        硒    0.03%    碲   0.003%   钛   0.15% 

       (2)镁的残余量非常重要 旦残余镁元素的质量分数高于 0.01%,就会出现任意形状和尺寸的球墨结晶。

        3.常规元素

      碳是对石墨析出和金相组织都有影响的重要元素。

      (1)碳化物(铁、锰、钼碳化物等碳化物)的影响碳化物的形成对铸件延孕展性、疲劳强度、可铸性以及体积收缩具有非常大的负面影响。必须把碳化物控制在较低水平。必须使碳化物的含量适合于壁厚、指定的强度和碳化物促成元素的含量。必须平衡分析,碳化物z高含量为5%。5%的碳化物会占去铁液中 0.33%的碳。在凝固时,碳含量的降低会导致较大的体积收缩,并使出现孔隙缺陷的可能性增大。石墨(游离石墨)含量应在 8%~12%之间。

     (2)硅元素对基体组织的影响随着硅含量增高,在“铸态”条件下铁素体的量也会增加。并且碳和硅一同对炉内的铁液性能有很重要的影响。它很大程度上决定了炉渣的量以及性质(见图1)。通常硅和碳的组合如下:

    抗拉强度/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)锰元素的影响锰是珠光体促成元素,它还有促成碳化物的趋势。但是,这些碳化物通常不会引起什么实际的问题。锰元素在游离硫结合中起着重要的作用。那就是为什么必须按下列公式来决定硫含量,锰的质量分数在 0.50%~0.70%之间进行变化。如果高于1.0%,并且使用了湿砂,就会有形成针孔的危险。

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

(3-5) 式中,a 的值在 0.3~0.5之间,a=0.3 时,生产出的铸铁硬度和抗拉强度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%

       如果铸件耐压,则铸铁磷含量必须小于 0.01%。

       (5)磷可以提高铁液的流动性磷形成的共晶(有较高硬度的化合物)高铸件的耐磨性。因此,在汽缸衬、汽缸垫等用于柴油机的将采用质量分数为0.5%~ 0.7%的磷。但是,要严格控制磷和钼共用,这种组合会导致额外的孔隙。孔隙的大小会随铸件的壁厚增加而增加。

       4.合金元素

       为了得到完全的珠光体(较高的强度和硬度)结构,甚至是在厚壁铸件中我们必须使用合金元素。常用的元素有钼、铜、镍、锡和铬。还必须提到的是氮元素在灰铁中起着非常重要的作用。

        这些元素对珠光体的形成所起的作用如下:

        元素            锡      钼       磷        铜      钛        锰      镍/铬      

    作用系数       39.0    7.90   5.60     4.90     4.40    0.44     0.37

                          

       (1)   锡   添加质量分数<0.10%的锡作用z大,它提高了促成珠光体形成的可能,但不会促成碳化物的形成。

       (2)   钼   是珠光体促成元素,但也有温和促进碳化物生成的趋势,且碳化物较难避免和去除。从0.20%开始它就起作用了,通常其添加量在 0.35%~0.55%之间。

       钼提高了强度、高温下的弹性系数和抗蠕变力。它提高了延展性(仍然还非常低)和可淬性,并且降低了壁厚敏感度。

       如果使用了钼,磷含量必须非常低(w(P)<0.10%),因为会形成复杂的化合物,这种化合物很坚硬,并会增强引起孔隙缺陷的趋势

        (3)   铜   增强了片状石墨的析出,并且降低了碳化物的形成。通常与锡和镍一起添加。研究表明,似乎铜与锡结合使用会产生良好的结果,也就是说,不会形成碳化物,并且厚断面在铸态条件下会得到珠光体结构。一般采用下列组合:

 Cu     1.5%    1.0%     0.5%    0.25%    0.0%

 Sn     0.0%   0.03%   0.07%   0.15%   0.24%

     

        (4)   钛  的添加量通常在0.15~0.20%之间。它提高了碳化物的形成和 D型石墨。如果Ceq<3.9%,抗拉强度就会降低;如果 Ceq>3.9%,抗拉强度就会升高。

         (5)   铬  含量通常控制在0.10%以内,因为它通过强的碳化物促成作用对可切削性产生负面影响。如果要求在厚壁断面处要求高的硬度,则可采用 0.20%~0.35%的量。

         (6) 钒 元素加入通常控制在 0.05%~0.15%之间。钒的加入会形成少量碳化物,并对抗蠕变力(长时间处于高温下)起着积极的作用。

         (7)   氮  对灰铁有特殊的作用。它对强度起作用,并且还可能导致气泡的产生。它能改善游离石墨的形态。需要根据壁厚找出较佳水平(通常在 60~90ppm之间)。下列准则对于壁厚在 50mm 以内有效:

       N>50ppm        否则会损失大量的强度 

       N<130ppm      否则就有形成气孔的风险 

       N<200ppm      用于所有可能的壁厚 

通常,合金元素的质量分数应满足:

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 总结了主要合金元素对铸铁各种性能的影响:

 

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