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改善灰铸铁力学性能的途径

日期:2022-04-06    浏览次数:    

.化学成分   

      灰铸铁的力学性能是由其化学成分、凝固和冷却速度及铸造工艺过程综合决定的。

      灰铸铁抗拉强度既受铸铁中的基本元素(CSiMnPS)的影响,也受其中的合金和微量元素的化学成分影响。

      通常用碳当量 CE 来表示碳硅作为具有强烈促进石墨化元素对灰铸铁金相组织和力学性能的影响。碳当量 4.3% 的铸铁为亚共晶铸铁,具有较高的强度,其石墨片尺寸和数量随碳当量而减小;碳当量 >4.3% 的铸铁为过共晶铸铁,含有粗大石墨,强度较低。图 1展示了铸态灰铸铁  φ  30mm 试棒抗拉强度与碳当量的典型关系。

       锰、硫、磷在铸铁中一定程度地影响抗拉强度。锰、硫本身都是稳定碳化物、阻碍石墨化元素,两者同时存在于铁液中会结合成 MnS 及硫铁化合物,并以颗粒状分布在基体中,这些化合物的熔点在 1600 以上,可作为有效的石墨化晶核。为保证有足够的锰与所有的硫结合,通常铸铁中锰的质量分数最低应是  w  Mn=1.7  w  S+0.3%0.5%,一般在 0.50%0.70% 之间进行变化。适量的锰能够细化珠光体,提高硬度和强度,过量的锰和磷均能导致铸件厚大断面的内部缩松。除特殊用途的铸铁外,生产中

 

 1  φ  30mm 

.合金元素

      加入铸铁中的各种元素按其对铸铁凝固过程的影响可分为促进石墨化的元素和稳定碳化物的元素两大类:碳、硅、铝、钛、镍、铜是促进石墨化的元素;锰、钼、铬、钒则归于稳定碳化物元素,由于它们在铸铁凝固过程中阻碍石墨析出并有形成碳化物的倾向,要特别限制这类元素在薄断面灰铸铁件中的含量。

      上述合金元素(除碳、硅外)在加入适量时,均倾向于增加铸铁的硬度和强度。镍、铜虽然在凝固过程中起石墨化作用,但也促进基体中形成更细的珠光体,进而提高强度。要注意钛会降低灰铸铁的强度,主要是是钛会与氮结合生产氮化钛,结合关系是  w  N=  w  Ti/3.42。图 2 是钛的加入量对灰铸铁强度的影响。



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      增加石墨化元素只能略微增加铸铁强度,而加入稳定碳化物元素,能显著增加抗拉强度,但却损失一些可加工性。适量的铬、钒对于保持较厚铸件断面的硬度和强度是非常有效的。钼对增加抗拉强度特别有效,加入 0.5% 的钼将使抗拉强度增加 3.55.0MPa,钼对改善铸铁的高温强度也有很大作用。但是钼是强偏析元素,厚壁件在加入时要慎重,尤其是主要加入钼时要控制较低的磷含量,图 3是灰铸铁中钼加入量与磷的质量分数的关系图。镍具有防止薄断面出现过硬、又能保持较厚断面硬度和强度的特殊作用。通常铬、钼的加入量不超过 0.75%,钒的加入量不超过 0.3%,由于它们都强烈倾向于形成坚硬的块状碳化物。复合加入镍或铜可以平衡铬、钼的稳定碳化物作用,对于提高灰铸铁强度是十分有效的。灰铸铁中加入极少量的锡或锑能稳定珠光体,一般加入 <0.1% 的锡或 <0.05% 锑就能得到提高耐磨性的完全珠光体基体,注意,加入量过大或与其他元素联合作用则可能产生有害影响

 

 

  



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.微量元素的影响

      铋、钙、铈、镁、钇、硼、碲都是强烈稳定碳化物的元素,极小的加入量就会对铸铁的性能产生显著影响。0.01% 数量级的镁、铈、钇能够细化灰铸铁的石墨结构,含量较大将导致铸铁中的石墨球形成。<0.05% 的硼或小于 0.005% 的碲可用来增加铸铁的白口倾向。另外,铅、铋会产生畸变的石墨造成铸铁强度大幅度下降。

      铸铁中含氮达到 10ppm 及以上时,由于能促进珠光体中形成较短、较厚和钝头的片状石墨从而提高灰铸铁的强度等级。而更多的氮会在铸铁中引起针状氮气孔。

.孕育处理

      孕育处理是指铸铁凝固前,向铁液态中添加少量合金,促进铸铁形核、抑制生长,达到细化晶粒,达到促进石墨化、减少过冷组织、断面均匀性,提高铸铁的力学性能和其他性能(如可加工性)的目的。稀土、钙、铝、钡、锶常被作为孕育剂中最有效的元素。

生产工艺因素

      灰铸铁的性能也受大量工艺因素的影响,如炉料、熔炉、造型材料、铸铁过热温度、浇注温度、铁液保温时间、铸件在砂型中保温时间等生产实践中均要统计这些因素对铸铁性能影响的数据,以控制这些因素并达到控制铸铁性能的目的。

      灰铸铁的金属炉料中加入废钢,降低铁液含碳量,可提高灰铸铁的力学性能。生产不同牌号的灰铸铁时加入不同比例的废钢,保证材质的性能指标。为利用废钢低成本和提高性能的优势,工业生产发展了不用生铁只用废钢和回炉料,用增碳的方法调节碳含量的合成铸铁的熔炼工艺。合成铸铁不仅能降低生产成本,而且在同样化学成分下能够获得更好的力学性能。

      电炉熔炼合成铸铁必须根据铸件性能要求来选择合适的增碳剂,因不同的增碳剂会影响合成铸铁的氮含量,微量的氮能提高力学性能,但过量容易产生气孔缺陷。

      铁液过热处理,化学成分、温度、纯净度是铸铁铁液的三项主要冶金指标,而铁液温度又直接影响到成分和纯净度。

      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,品质系数得到改善。

      随着过热温度的提高,铁液中的氮含量、氢含量略有上升,而 1450 以上氧含量大幅度下降,铁液的纯净度有了提高,对铸铁强度有提高作用。

      过度过热浪费能量,对力学性能也无好处,甚至有害。研究表明,对于常规格的灰铸铁过热温度以 14701490 为宜。














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