鐵素體球墨鑄鐵生產(chǎn)工藝研究

1、 沈陽航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 本科生（綜合實驗研究）任務(wù)書專 業(yè)材料成型及其控制工程班 級14110202學(xué) 號2011041102060姓 名賈森題 目鐵素體球墨鑄鐵生產(chǎn)工藝研究時 間2014.9.262014.10.24 課題內(nèi)容及要求1、查閱文獻資料，掌握球墨鑄鐵的成分、組織、生產(chǎn)工藝特點，掌握球墨鑄鐵的性能特點及其應(yīng)用情況。2、掌握鐵素體球墨鑄鐵的生產(chǎn)方法，注意合適孕育劑和球化劑的選擇。3、完成合金配料、熔煉以及相應(yīng)的鑄造工藝。4、制定相關(guān)熱處理規(guī)范，完成鐵素體球墨鑄鐵的熱處理工藝。5、制備金相試樣，進行合金的組織觀察及分析。6、提倡新思路、新見解以及團結(jié)協(xié)作精神。7、完成綜合

2、實驗研究論文。主 要 參 考 資 料1、陸文華 鑄造及其熔煉 機械工業(yè)出版社 19812、中國機械工程學(xué)會鑄造專業(yè)學(xué)會 鑄造手冊 機械工業(yè)出版社 19973、崔忠圻 金屬學(xué)及熱處理 機械工業(yè)出版社 2000指導(dǎo)教師劉 紅日 期2014.11.9鐵素體球墨鑄鐵生產(chǎn)工藝研究1 摘要：鐵素體球墨鑄鐵是基體為鐵素體的球墨鑄鐵，具有一定強度、良好的沖擊韌性和塑性，可由鑄態(tài)或經(jīng)退火獲得。本次實驗內(nèi)容由Q10生鐵、硅鐵、45#鋼、稀土鎂合金配料生產(chǎn)Q400-18牌號的鐵素體球墨鑄鐵。使用中頻感應(yīng)電爐熔煉，使用稀土鎂合金為球化劑進行了球化處理，使用75%硅鐵為孕育劑進行了孕育處理，澆注了試件且進行了熱處理，磨

3、制金相。觀察并分析鑄態(tài)金相組織和熱處理后的金相組織。研究結(jié)果：熱處理對球墨鑄鐵組織影響很大，高溫退火消除滲碳體，低溫石墨化退轉(zhuǎn)化珠光體為鐵素體，使試件基體全部轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體。保證了鑄件的質(zhì)量。關(guān)鍵詞：球墨鑄鐵 ， 孕育處理 ， 球化處理 ， 感應(yīng)熔煉爐Research on Production Technology of Ferrite Nodular IronAbstract: Ferrite nodular cast iron is a substrate for ductile iron ferrite, has ce

4、rtain strength, good impact toughness and plasticity, can be obtained by casting orby annealing. The contents of this experiment by Q10 pig iron, ferrosilicon,45# steel, rare earth magnesium alloy ingredient production Q400-18 bra

5、nd of ferritic nodular cast iron. Smelting in medium frequency induction furnace, the use of rare earth magnesium alloy as the nodulizer of spheroidizing treatment,using 75% ferrosilicon as inoculant was inoculated cast specimens,

6、 and theheattreatment, grinding metallographic. Observation and metallographicanalysis of cast and heat treatment State Microstructure after. Results: theheat treatment has great influence on the microstructure of spheroidal graphite c

7、ast iron, high temperature annealing to eliminate low temperature graphitization of cementite, pearlite to ferrite back transformation, so that the specimen was transformed to ferrite matrix. To ensure the quality of castings.Keyw

8、ords:Nodular cast iron ，Inoculation ，The spheroidizing treatment ， Induction melting furnace目 錄第一章 緒論 .11.1 球墨鑄鐵概況11.2 鐵素體球墨鑄鐵的組織11.3 鐵素體球墨鑄鐵的球化處理21.4 鐵素體球墨鑄鐵的孕育處理31.5 鐵素體球墨鑄鐵的熱處理4第二章 實驗用原材料，儀器設(shè)備及實驗方法 .52.1 實驗配料52.2 實驗設(shè)備72.3 實驗方法7第三章 實驗結(jié)果及分析 .93.1 實驗結(jié)果93.2 組織分析9第四章 結(jié)論 .10參考文獻 .11第一章 概 述1.1 球墨鑄鐵概況我國球

9、墨鑄鐵生產(chǎn)起步很早，1950年就研制成功并投入生產(chǎn)，至今我國球墨鑄鐵年產(chǎn)量達230萬噸，位于美國、日本之后，居世界第三位。適合我國國情的稀土鎂球化劑的研制成功，鑄態(tài)球墨鑄鐵以及奧氏體-貝氏體球墨鑄鐵等各個領(lǐng)域的生產(chǎn)技術(shù)和研究工作均達到了很高的技術(shù)水平。鐵素體球墨鑄鐵指基體中鐵素體含量大于80%、余為珠光體 的球墨鑄鐵，具有良好的塑性和韌性，用于制造受力較大而又承受震動和沖擊的零件， 大量用于汽車、農(nóng)機、船舶、冶金、化工等部門、成為重要的鑄鐵材料。目前，我國多數(shù)廠家均采用將鑄態(tài)球墨鑄鐵進行退火熱處理的工藝而生產(chǎn)鐵素體球墨鑄鐵。 1.2 鐵素體球墨鑄鐵的組織鐵素體球墨鑄鐵是基體為鐵素體的球墨鑄鐵，

10、具有一定強度、良好的沖擊韌性和塑性，可由鑄態(tài)或經(jīng)退火獲得。鐵素體球墨鑄鐵的經(jīng)典牌號有QT400-18、QT400-15及QT450-10。其性能特點為塑性和韌性較高，強度較低。這種鑄鐵用于制造受力較大而又承受震動和沖擊的零件，汽車底盤以及農(nóng)機部件如后橋外殼等。目前在國外一些工廠用離心鑄造方法大量生產(chǎn)生產(chǎn)的球墨鑄鐵管亦是鐵素體的，用于輸送自來水及煤氣，這種鑄鐵管能經(jīng)受比灰鑄鐵管高得多的管道壓力，并能承受地基下沉以及輕微的地震造成的管道變形，而且具有比鋼管高得多的耐腐蝕性能，因而具有高強度的可靠性及經(jīng)濟性。影響鐵素體球墨鑄鐵塑性的主要因素為化學(xué)成分（含硅量）、石墨球的大小及形狀、殘留的自由滲碳體及

11、夾雜物相、鐵素體的晶粒度等。鐵素體球墨鑄鐵主要成分：(1)碳有利于石墨化和球化，提高碳量有利于發(fā)揮材料的韌性。(2)硅是強烈促進石墨化的元素，有利于提高韌性，硅的孕育作用能細化共晶團和使磷共晶分散。韌性鐵素體球鐵的終硅含量一般控制在27%以下，如果生鐵含錳量0.5%、磷0.7%，則終硅量可放寬至30%左右。(3)錳阻礙滲碳體和珠光體的分解。球鐵的激冷傾向本已相當(dāng)高，故對鐵素體球鐵應(yīng)控制錳含量，一般應(yīng)低于0.4%。對用退火生產(chǎn)的韌性鐵素體球鐵，其含錳量允許在0.6%。(4)磷在鑄鐵中會形成脆相，特別是三元磷共晶或復(fù)合磷共晶對韌性危害極大，常采用如下措施以削弱磷的有害作用：提高碳量，采取高碳低硅的

12、成分方案，以阻礙三元磷共晶的析出；強化孕育以細化共晶團，使磷共晶分散；920980攝氏度退火，使三元磷共晶或復(fù)合磷共晶轉(zhuǎn)變成二元磷共晶，減少磷共晶的數(shù)量，改善球墨形狀。采用金屬型澆注成麻口，即球墨和萊氏體及滲碳體組織，再經(jīng)高溫退火則可避免產(chǎn)生磷共晶。(5)硫其含量過高會使球化不穩(wěn)定，而且會產(chǎn)生過多的硫化物夾雜，嚴(yán)重影響韌性，故要求原鐵水硫量盡可能低，最好鐵水采取脫硫措施。1.3 鐵素體球墨鑄鐵的球化處理加入鐵液中能使石墨在結(jié)晶生長時長成球狀的元素稱為球化元素。球化能力強的元素（如鎂、鈰、鈣等）都是很強的脫氧及去硫元素，并且在鐵液中不溶解，與鐵液中的碳能結(jié)合。雖然具有使石墨球化的元素有多種，但在

13、生產(chǎn)條件下，實用的目前是Mg、Ce、（或Ce與La等的混合稀土元素）和Y三種。工業(yè)上常用的球化劑即是以這三種元素為基本成分而制成的。我國使用最多的球化劑是稀土鎂合金，國外大都采用鎂合金和純鎂球化劑。本次試驗選擇稀土鎂合金球化劑。用稀土鎂合金的球化劑的處理方法：1 沖入法。稀土鎂合金密度較大，與鐵液反應(yīng)平穩(wěn)，因此國內(nèi)絕大多數(shù)工廠皆用此法生產(chǎn)。圖1.1是沖入法示意圖。處理包一般即為澆包，有堤壩試、凹坑試、復(fù)包試等多種形式。 圖1.1沖入法示意圖 1 - 稀土鎂合金 2 - 鐵屑 3 - 草灰 4 - 處理包 5 - 鐵液流 6 - 出鐵槽 2 型內(nèi)球化法 型內(nèi)球化法生產(chǎn)球墨鑄鐵目前在國外大量生產(chǎn)球

14、墨鑄鐵的鑄造流水線上得到應(yīng)用（大多數(shù)用硅鐵鎂合金）。它是通過把球化劑及孕育劑放置在澆注系統(tǒng)中特設(shè)的一個反應(yīng)室內(nèi)，使鐵液在流經(jīng)澆注系統(tǒng)時和反應(yīng)室內(nèi)的球化劑作用，而得到球墨鑄鐵的一種處理方法。 圖1.2 型內(nèi)球化處理工藝本次試驗選用沖入法。1.4 鐵素體球墨鑄鐵的孕育處理孕育處理是球墨鑄鐵生產(chǎn)中一個重要環(huán)節(jié)，至少有以下幾個目的：（1） 消除結(jié)晶過冷傾向。（2） 促進石墨化（3） 減少晶間偏析由于孕育效果會極大地影響球墨鑄鐵力學(xué)性能，因此近年來針對球墨鑄鐵的各種孕育劑及孕育處理方法的研究比灰鑄鐵進行的更深入。研究和開發(fā)工作主要圍繞兩方面來進行一以為長時間能保持孕育效果的所謂“長效孕育劑”的研究，如今

15、年來發(fā)展了各種含鋇、鍶、鋯或錳的硅基孕育劑，但是生產(chǎn)中仍廣泛應(yīng)用含Si75%的硅鐵作孕育劑，其主要原因是其來源廣泛。另一方面的研究開發(fā)工作是在孕育處理方法上，主要朝著遲后孕育方向發(fā)展。應(yīng)該說一種好的實用的孕育方法應(yīng)該簡便易行，能避免孕育衰退和節(jié)省孕育劑。目前采用的主要有以下一些方法：（1）爐前一次孕育和多次孕育 和灰鑄鐵的孕育方法相試，所不同的是孕育劑量使用較多。鐵素體球墨鑄鐵需要0.81.4%。為了改善孕育效果，除在爐前進行一次孕育外，在鐵液轉(zhuǎn)包時進行一次甚至多次的孕育，這種方法較爐前一次孕育法有較好的效果，而且可減少孕育劑總的加入量。（2） 瞬時孕育 從孕育效果隨時間的變化，可看出瞬時孕育

16、的原理及作用。瞬時孕育的種類有：包外孕育、澆口杯孕育、硅鐵棒澆包孕育、浮硅孕育、插絲法孕育以及型內(nèi)孕育等。本次試驗選用75%硅鐵作為孕育劑，使用二次瞬時孕育方法。1.5 鐵素體球墨鑄鐵的熱處理熱處理對于球墨鑄鐵具有特殊的重要作用。由于石墨的有利形狀，使得它對基體的破壞作用減到了最低限度，因此通過各種改變基體組織的熱處理手段，可大幅度地調(diào)整和改善球墨鑄鐵的性能，滿足不同服役條件的要求。（1） 鑄鐵熱處理的特點。1. 從鑄鐵是Fe-C-Si三元合金，其共析轉(zhuǎn)變有一較寬的溫度范圍。2. 鑄鐵組織的最大特點是有高碳相，它在熱處理過程中雖無相變，但是卻會參與集體組織的變化過程。3. 鑄鐵中的雜質(zhì)含量較鋼

17、高。（2） 球墨鑄鐵的退火 退火的目的是去除鑄態(tài)組織中的自由滲碳體及獲得鐵素體球墨鑄鐵。根據(jù)鑄態(tài)組織中有無自由滲碳體，而可分別采取高溫石墨化退火和低溫石墨化退火的倆種方式。高溫石墨化退火是將鑄件加熱到Ac3以上5060（通常為900950）溫度，保溫時間依自由滲碳體分解速度而定，通常為24h。高溫石墨化退火終了時，鑄鐵組織由球狀石墨和奧氏體組成。為使珠光體分解成為鐵素體和石墨，需要進行低溫石墨化退火?？刹扇煞N不同的方式；一種為加熱到Ac1以上溫度獲得奧氏體基體后，讓鑄件緩慢通過共析轉(zhuǎn)變溫度區(qū)，使奧氏體直接按穩(wěn)定系進行共析轉(zhuǎn)變，形成鐵素體和石墨。另一種為在Ac1溫度以下加熱并保溫，使珠光體分解

18、成鐵素體和石墨。硅使Ac1溫度提高，因此在選擇退火溫度時應(yīng)根據(jù)不同的含硅量來確定加熱溫度。此外，保溫時間的長短完全取決于珠光體分解的速度，故當(dāng)鑄件含錳量偏高，且含有如鉻、銅、鈦、錫等穩(wěn)定碳化物元素時，退火時間應(yīng)相應(yīng)延長。退火完成后，鑄件隨爐冷至550600后出爐空冷，以避免產(chǎn)生緩冷脆性。已經(jīng)產(chǎn)生緩冷脆性的鑄件可通過在加熱到緩冷脆性形成溫度以上再速冷的方式消除。本次試驗采用先高溫石墨化退火后低溫石墨化退火的方法。其中高溫石墨化退火時將逐漸加熱到Ac3以上50100，低溫石墨化退火是加熱到Ac1溫度以下加熱并保溫， 退火完成后，鑄件隨爐冷至600后出爐空冷。第二章 實驗用原材料、儀器設(shè)備及實驗方法

19、2.1 實驗配料 表2.1 綜合實驗用爐料化學(xué)成分（單位 wt%）品名CSiMnPSQ10生鐵4.320.690.040.0330.03045#鋼0.450.170.310.50.80.0350.035由于本實驗熔煉設(shè)備為中頻感應(yīng)電爐，爐料的燒損較少，其中碳和硅的燒損皆為5%，錳的燒損為10%，結(jié)合燒損進行計算。 爐料實驗室提供Q10生鐵，45#鋼，75硅鐵，稀土鎂合金等。 表2.2 綜合實驗用孕育劑及球化劑化學(xué)成分（單位wt%） 品名 RESiCaBaAlMnCrPSMg75硅鐵74.10.741.390.410.430.0240.016稀土鎂合金6.440.81.41.29.8（1）配比計

20、算過程如下：C爐料%=C鐵液%/（1-5%）=3.8%/95%=4.0%；Si爐料%=Si鐵液%/（1-5%）=1.3%/95%=1.4%；Mn爐料%=Mn鐵液%/（1-10%）=0.4/90%=0.44%；S爐料%<0.02%；P爐料%范圍為0.04%0.06%。設(shè)Q10生鐵的比例為a，45#鋼的比例為（1-a）；由綜合實驗爐料表得到Q10生鐵和45#鋼含碳量分別為4.32%和0.45%，列出新生鐵的配比：4.32%a+0.45%（1-a）=4.0%a=91.7% 則Q10生鐵比例為91.7%，45#鋼比例為8.3%；品名配比CSiMnSP成分數(shù)量成分數(shù)量成分數(shù)量成分數(shù)量成分數(shù)量Q10

21、生鐵91.74.323.960.690.630.40.370.030.0280.0330.0345#鋼8.30.450.0370.240.0240.0650.0540.0350.0030.0350.003合計10040.650.420.0310.033要求成分4<1.2<0.5<0.02<0.04差額00.550.08-0.0110.007表2.3 QT400-18初步配料單化學(xué)成分（ 單位wt%）由表可知上述配比可行。之后根據(jù)合金差額計算出爐料中或爐前應(yīng)加入的硅鐵含量即可。 本實驗的球化劑為稀土鎂合金，要求成分均勻，粒度為13mm，球化劑的加入量應(yīng)為鐵液總質(zhì)量的1.2

22、%。孕育劑為75硅鐵，粒度為0.51mm，質(zhì)量為總質(zhì)量的1%，采用二次孕育。（2）選料過程計算如下：經(jīng)選取得到Q10生鐵：m1=2725g；45#鋼質(zhì)量；m2=2725*8.3/91.7=247g；總質(zhì)量：m=m1+m2=2725+247=2972g；球化劑質(zhì)量：m3=m*1.2%=2972*1.2%36g；孕育劑質(zhì)量：m4=m*1%=2972*1&%30g； 檢驗：各種材料總質(zhì)量M=m+m3+m4=2972+36+30=3038g；對于各種成分進行檢驗（1）C：Q10生鐵中含碳量為2725*4.32%117.7g； 45#鋼中含碳量為247*0.45%1.1g； C總量117.7+1

23、.1=118.8g；所占比例為118.8÷30383.9%；（合格）（2）Si：Q10生鐵中含硅量為2725*0.69%18.8g； 45#鋼中含硅量為247*0.24%0.59g； 75硅鐵中含硅量為30*75%=22.5g； Si總量為18.8+0.59+22.5=41.89g； 所占比例為41.89÷30381.4%；（硅含量不足） 此時需要進行補硅至2.4%2.8%； 3038*2.6%79g； 需要補硅量為79-42=37g； 補充硅鐵的質(zhì)量為37÷0.75=50g； 此時所占比例為79÷30882.6%；（合格）（3）Mn： Q10生鐵含錳量

24、為2725*0.4%=10.9g； 45#鋼含錳量為247*0.65%=1.6g； Mn總量為10.9+1.6=12.5g； 所占比例為12.5÷3038=0.41%；（合格） 此外S，P經(jīng)檢驗合格通過我們的計算最終選定了實驗原料的具體成分如下表：表2.4實驗最終原料（單位g）Q10生鐵45#鋼75硅鐵稀土鎂合金2725g247g80g36g2.2 實驗設(shè)備1、用于熔煉的中頻感應(yīng)爐成套設(shè)備；2、造型用砂箱及整套設(shè)備；3、臺虎鉗，砂輪等整套設(shè)備；4、金相制作所需的砂紙，拋光機等；5、金相顯微鏡；6、電阻熱處理爐；2.3 實驗方法1、 造棒形型腔2、 熔煉和澆注 利用中頻感應(yīng)爐將爐料加熱

25、熔化至1470后關(guān)掉電源，將稀土鎂合金加入金屬液中40秒后用鐵鉗取出盛有金屬液的坩堝并倒入另一個盛有75%硅鐵的坩堝，然后進 行澆注。待鑄件冷卻后取出。3、 熱處理 本實驗使用的方法是高溫石墨化退火和低溫石墨化退火。其中高溫石墨化退火時將逐漸加熱到Ac3以上50100，低溫石墨化退火是加熱到Ac1溫度以下加熱并保溫， 退火完成后，鑄件隨爐冷至600后出爐空冷。如表2.5所示。表2.5 熱處理工藝參數(shù) 溫度 保溫時間 冷卻方式9302h7303h爐冷至 600出爐空冷4、金相制作 先用砂輪切割機將鑄件切成小段，然后取其平整的一面從240號金相砂紙開始磨制，慢慢過度到480號、600號、800號、

26、1000號金相砂紙。完成磨制后在金相拋光機 上進行拋光直至表面光滑，然后用水沖洗拋光面并吹干，最后用4%的硝酸酒精溶液腐 蝕20秒鐘，再次用水沖洗吹干，放在金相顯微鏡上進行觀察。第三章 實驗結(jié)果及分析 3.1 實驗結(jié)果鐵素體球墨鑄鐵金相組織在顯微鏡下觀察到的圖像如圖 3.1、3.2 所示： 圖3.1 鑄態(tài)球墨鑄鐵組織 圖3.2 熱處理后的鐵素體球墨鑄鐵組織 圖3.1試件基體組織為珠光體和鐵素體，石墨以滲碳體和石墨球的形式存在，且石墨球分布不均勻，出現(xiàn)了白口傾向。圖3.2試件基體組織全部轉(zhuǎn)化為鐵素體，石墨以石墨球的形式存在。3.1 組織分析 本次試驗的鐵液含3.9%C是過共晶成分，球墨鑄鐵在發(fā)生

27、共晶轉(zhuǎn)變之前就有球狀石墨直接從鐵液中析出，由于加入了球化元素，球墨鑄鐵共晶反應(yīng)過冷度顯著增加。組成共晶的石墨和奧氏體含量差別懸殊，形核和生長方式也不同，導(dǎo)致兩相都在共晶區(qū)以外開始結(jié)晶，空間和時間上都是分開的。也就是說球墨鑄鐵共晶結(jié)晶按離異共晶轉(zhuǎn)變方式進行的。石墨的形成過程符合一般晶體結(jié)晶規(guī)律，要經(jīng)過了形核和生長兩個階段。鐵水中的某些雜質(zhì)微粒都可能成為石墨的形核基質(zhì)。當(dāng)鐵水的碳活度達到一定程度時，碳原子移向形核基質(zhì)，并在其上沉積，形成石墨微晶。這種微晶以及鐵液中殘留的未溶石墨微粒達到一定尺寸后，都能成為有效的石墨結(jié)晶核心。球狀石墨核心形成以后，碳原子開始在核心基底上堆砌，石墨最終生成的形狀決定受

28、工藝條件影響的生長方式。所以，石墨生長過程的控制是獲得球狀石墨的關(guān)鍵。在鑄鐵凝固時，存在石墨共晶與滲碳體共晶兩種形式。在平衡狀態(tài)圖中，前者的溫度比后者高。為了要避免白口的產(chǎn)生，應(yīng)使石墨共晶凝固過程在溫度達到滲碳體共晶以前完成，這就需要提高石墨共晶的凝固速率，而在一定的冷卻速度下，球鐵共晶團的生長速度是一定的，因此提高石墨共晶的凝固速度，就必須增加共晶團數(shù)量。因為球化劑中的鎂和稀土皆是阻礙石墨化、強烈脫氧去硫、增大鑄鐵過冷傾向的元素，促進形成滲碳體組織，為了得到正常的球狀石墨和基體組織，必須對鐵液進行孕育處理。硅可以置換鐵原子，是強烈促進石墨化而抑制滲碳體形成的元素，隨著含硅量的增加，鐵液依照穩(wěn)定系統(tǒng)結(jié)晶出（ 奧氏體+石墨）的共晶溫度高出依照介穩(wěn)定系統(tǒng)結(jié)晶出（ 奧氏體+滲碳體）的共晶溫度越多，因此，鐵液在冷卻過程中就能在較高的溫度下開始（ 奧氏體+石墨）的共晶結(jié)晶，而不至于過冷結(jié)晶出現(xiàn)白口組織。當(dāng)向鐵液中加入75%硅鐵孕育劑后，由于這些質(zhì)點溶解吸熱，故在鐵液中形成許多溫度降低的小區(qū)域。同時，由于孕育劑質(zhì)點在高溫鐵液中溶解并擴散，使質(zhì)點周圍形成硅元素富集區(qū)，此區(qū)內(nèi)碳當(dāng)量增加。這兩種起伏在鐵液中形成許多疊加區(qū)，在疊加區(qū)中由于強烈促進石墨化的硅濃度高，加之溫度較低，先達到共晶溫度，碳當(dāng)量一旦達到共晶成分，石墨就會析出。由于此區(qū)內(nèi)同時存在球化元素，可以去除表面活