铁素体球墨铸铁生产工艺研究要点.doc

沈阳航空航天大学材料科学与工程学院 本科生（综合实验研究）任务书专 业材料成型及其控制工程班 级14110202学 号2011041102060姓 名贾森题 目铁素体球墨铸铁生产工艺研究时 间2014.9.262014.10.24 课题内容及要求1、查阅文献资料，掌握球墨铸铁的成分、组织、生产工艺特点，掌握球墨铸铁的性能特点及其应用情况。2、掌握铁素体球墨铸铁的生产方法，注意合适孕育剂和球化剂的选择。3、完成合金配料、熔炼以及相应的铸造工艺。4、制定相关热处理规范，完成铁素体球墨铸铁的热处理工艺。5、制备金相试样，进行合金的组织观察及分析。6、提倡新思路、新见解以及团结协作精神。7、完成综合实验研究论文。主 要 参 考 资 料1、陆文华 铸造及其熔炼 机械工业出版社 19812、中国机械工程学会铸造专业学会 铸造手册 机械工业出版社 19973、崔忠圻 金属学及热处理 机械工业出版社 2000指导教师刘 红日 期2014.11.9铁素体球墨铸铁生产工艺研究1 摘要：铁素体球墨铸铁是基体为铁素体的球墨铸铁，具有一定强度、良好的冲击韧性和塑性，可由铸态或经退火获得。本次实验内容由Q10生铁、硅铁、45#钢、稀土镁合金配料生产Q400-18牌号的铁素体球墨铸铁。使用中频感应电炉熔炼，使用稀土镁合金为球化剂进行了球化处理，使用75%硅铁为孕育剂进行了孕育处理，浇注了试件且进行了热处理，磨制金相。观察并分析铸态金相组织和热处理后的金相组织。研究结果：热处理对球墨铸铁组织影响很大，高温退火消除渗碳体，低温石墨化退转化珠光体为铁素体，使试件基体全部转变为铁素体。保证了铸件的质量。关键词：球墨铸铁 ， 孕育处理 ， 球化处理 ， 感应熔炼炉Research on Production Technology of Ferrite Nodular IronAbstract: Ferrite nodular cast iron is a substrate for ductile iron ferrite, has certain 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 brand 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, 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 cast 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.Keywords:Nodular cast iron ，Inoculation ，The spheroidizing treatment ， Induction melting furnace目 录第一章 绪论 .11.1 球墨铸铁概况11.2 铁素体球墨铸铁的组织11.3 铁素体球墨铸铁的球化处理21.4 铁素体球墨铸铁的孕育处理31.5 铁素体球墨铸铁的热处理4第二章 实验用原材料，仪器设备及实验方法 .52.1 实验配料52.2 实验设备72.3 实验方法7第三章 实验结果及分析 .93.1 实验结果93.2 组织分析9第四章 结论 .10参考文献 .11第一章 概 述1.1 球墨铸铁概况我国球墨铸铁生产起步很早，1950年就研制成功并投入生产，至今我国球墨铸铁年产量达230万吨，位于美国、日本之后，居世界第三位。适合我国国情的稀土镁球化剂的研制成功，铸态球墨铸铁以及奥氏体-贝氏体球墨铸铁等各个领域的生产技术和研究工作均达到了很高的技术水平。铁素体球墨铸铁指基体中铁素体含量大于80%、余为珠光体 的球墨铸铁，具有良好的塑性和韧性，用于制造受力较大而又承受震动和冲击的零件， 大量用于汽车、农机、船舶、冶金、化工等部门、成为重要的铸铁材料。目前，我国多数厂家均采用将铸态球墨铸铁进行退火热处理的工艺而生产铁素体球墨铸铁。 1.2 铁素体球墨铸铁的组织铁素体球墨铸铁是基体为铁素体的球墨铸铁，具有一定强度、良好的冲击韧性和塑性，可由铸态或经退火获得。铁素体球墨铸铁的经典牌号有QT400-18、QT400-15及QT450-10。其性能特点为塑性和韧性较高，强度较低。这种铸铁用于制造受力较大而又承受震动和冲击的零件，汽车底盘以及农机部件如后桥外壳等。目前在国外一些工厂用离心铸造方法大量生产生产的球墨铸铁管亦是铁素体的，用于输送自来水及煤气，这种铸铁管能经受比灰铸铁管高得多的管道压力，并能承受地基下沉以及轻微的地震造成的管道变形，而且具有比钢管高得多的耐腐蚀性能，因而具有高强度的可靠性及经济性。影响铁素体球墨铸铁塑性的主要因素为化学成分（含硅量）、石墨球的大小及形状、残留的自由渗碳体及夹杂物相、铁素体的晶粒度等。铁素体球墨铸铁主要成分：(1)碳有利于石墨化和球化，提高碳量有利于发挥材料的韧性。(2)硅是强烈促进石墨化的元素，有利于提高韧性，硅的孕育作用能细化共晶团和使磷共晶分散。韧性铁素体球铁的终硅含量一般控制在27%以下，如果生铁含锰量0.5%、磷0.7%，则终硅量可放宽至30%左右。(3)锰阻碍渗碳体和珠光体的分解。球铁的激冷倾向本已相当高，故对铁素体球铁应控制锰含量，一般应低于0.4%。对用退火生产的韧性铁素体球铁，其含锰量允许在0.6%。(4)磷在铸铁中会形成脆相，特别是三元磷共晶或复合磷共晶对韧性危害极大，常采用如下措施以削弱磷的有害作用：提高碳量，采取高碳低硅的成分方案，以阻碍三元磷共晶的析出；强化孕育以细化共晶团，使磷共晶分散；920980摄氏度退火，使三元磷共晶或复合磷共晶转变成二元磷共晶，减少磷共晶的数量，改善球墨形状。采用金属型浇注成麻口，即球墨和莱氏体及渗碳体组织，再经高温退火则可避免产生磷共晶。(5)硫其含量过高会使球化不稳定，而且会产生过多的硫化物夹杂，严重影响韧性，故要求原铁水硫量尽可能低，最好铁水采取脱硫措施。1.3 铁素体球墨铸铁的球化处理加入铁液中能使石墨在结晶生长时长成球状的元素称为球化元素。球化能力强的元素（如镁、铈、钙等）都是很强的脱氧及去硫元素，并且在铁液中不溶解，与铁液中的碳能结合。虽然具有使石墨球化的元素有多种，但在生产条件下，实用的目前是Mg、Ce、（或Ce与La等的混合稀土元素）和Y三种。工业上常用的球化剂即是以这三种元素为基本成分而制成的。我国使用最多的球化剂是稀土镁合金，国外大都采用镁合金和纯镁球化剂。本次试验选择稀土镁合金球化剂。用稀土镁合金的球化剂的处理方法： 冲入法。稀土镁合金密度较大，与铁液反应平稳，因此国内绝大多数工厂皆用此法生产。图1.1是冲入法示意图。处理包一般即为浇包，有堤坝试、凹坑试、复包试等多种形式。 图1.1冲入法示意图 1 - 稀土镁合金 2 - 铁屑 3 - 草灰 4 - 处理包 5 - 铁液流 6 - 出铁槽 型内球化法 型内球化法生产球墨铸铁目前在国外大量生产球墨铸铁的铸造流水线上得到应用（大多数用硅铁镁合金）。它是通过把球化剂及孕育剂放置在浇注系统中特设的一个反应室内，使铁液在流经浇注系统时和反应室内的球化剂作用，而得到球墨铸铁的一种处理方法。 图1.2 型内球化处理工艺本次试验选用冲入法。1.4 铁素体球墨铸铁的孕育处理孕育处理是球墨铸铁生产中一个重要环节，至少有以下几个目的：（1） 消除结晶过冷倾向。（2） 促进石墨化（3） 减少晶间偏析由于孕育效果会极大地影响球墨铸铁力学性能，因此近年来针对球墨铸铁的各种孕育剂及孕育处理方法的研究比灰铸铁进行的更深入。研究和开发工作主要围绕两方面来进行一以为长时间能保持孕育效果的所谓“长效孕育剂”的研究，如今年来发展了各种含钡、锶、锆或锰的硅基孕育剂，但是生产中仍广泛应用含Si75%的硅铁作孕育剂，其主要原因是其来源广泛。另一方面的研究开发工作是在孕育处理方法上，主要朝着迟后孕育方向发展。应该说一种好的实用的孕育方法应该简便易行，能避免孕育衰退和节省孕育剂。目前采用的主要有以下一些方法：（1）炉前一次孕育和多次孕育 和灰铸铁的孕育方法相试，所不同的是孕育剂量使用较多。铁素体球墨铸铁需要0.81.4%。为了改善孕育效果，除在炉前进行一次孕育外，在铁液转包时进行一次甚至多次的孕育，这种方法较炉前一次孕育法有较好的效果，而且可减少孕育剂总的加入量。（2） 瞬时孕育 从孕育效果随时间的变化，可看出瞬时孕育的原理及作用。瞬时孕育的种类有：包外孕育、浇口杯孕育、硅铁棒浇包孕育、浮硅孕育、插丝法孕育以及型内孕育等。本次试验选用75%硅铁作为孕育剂，使用二次瞬时孕育方法。1.5 铁素体球墨铸铁的热处理热处理对于球墨铸铁具有特殊的重要作用。由于石墨的有利形状，使得它对基体的破坏作用减到了最低限度，因此通过各种改变基体组织的热处理手段，可大幅度地调整和改善球墨铸铁的性能，满足不同服役条件的要求。（一） 铸铁热处理的特点。1. 从铸铁是Fe-C-Si三元合金，其共析转变有一较宽的温度范围。2. 铸铁组织的最大特点是有高碳相，它在热处理过程中虽无相变，但是却会参与集体组织的变化过程。3. 铸铁中的杂质含量较钢高。（二） 球墨铸铁的退火 退火的目的是去除铸态组织中的自由渗碳体及获得铁素体球墨铸铁。根据铸态组织中有无自由渗碳体，而可分别采取高温石墨化退火和低温石墨化退火的俩种方式。高温石墨化退火是将铸件加热到Ac3以上5060（通常为900950）温度，保温时间依自由渗碳体分解速度而定，通常为24h。高温石墨化退火终了时，铸铁组织由球状石墨和奥氏体组成。为使珠光体分解成为铁素体和石墨，需要进行低温石墨化退火。可采取两种不同的方式；一种为加热到Ac1以上温度获得奥氏体基体后，让铸件缓慢通过共析转变温度区，使奥氏体直接按稳定系进行共析转变，形成铁素体和石墨。另一种为在Ac1温度以下加热并保温，使珠光体分解成铁素体和石墨。硅使Ac1温度提高，因此在选择退火温度时应根据不同的含硅量来确定加热温度。此外，保温时间的长短完全取决于珠光体分解的速度，故当铸件含锰量偏高，且含有如铬、铜、钛、锡等稳定碳化物元素时，退火时间应相应延长。退火完成后，铸件随炉冷至550600后出炉空冷，以避免产生缓冷脆性。已经产生缓冷脆性的铸件可通过在加热到缓冷脆性形成温度以上再速冷的方式消除。本次试验采用先高温石墨化退火后低温石墨化退火的方法。其中高温石墨化退火时将逐渐加热到Ac3以上50100，低温石墨化退火是加热到Ac1温度以下加热并保温， 退火完成后，铸件随炉冷至600后出炉空冷。第二章 实验用原材料、仪器设备及实验方法2.1 实验配料 表2.1 综合实验用炉料化学成分（单位 wt%）品名CSiMnPSQ10生铁4.320.690.040.0330.03045#钢0.450.170.310.50.80.0350.035由于本实验熔炼设备为中频感应电炉，炉料的烧损较少，其中碳和硅的烧损皆为5%，锰的烧损为10%，结合烧损进行计算。 炉料实验室提供Q10生铁，45#钢，75硅铁，稀土镁合金等。 表2.2 综合实验用孕育剂及球化剂化学成分（单位wt%） 品名 RESiCaBaAlMnCrPSMg75硅铁74.10.741.390.410.430.0240.016稀土镁合金6.440.81.41.29.8（1）配比计算过程如下：C炉料%=C铁液%/（1-5%）=3.8%/95%=4.0%；Si炉料%=Si铁液%/（1-5%）=1.3%/95%=1.4%；Mn炉料%=Mn铁液%/（1-10%）=0.4/90%=0.44%；S炉料%<0.02%；P炉料%范围为0.04%0.06%。设Q10生铁的比例为a，45#钢的比例为（1-a）；由综合实验炉料表得到Q10生铁和45#钢含碳量分别为4.32%和0.45%，列出新生铁的配比：4.32%a+0.45%（1-a）=4.0%a=91.7% 则Q10生铁比例为91.7%，45#钢比例为8.3%；品名配比CSiMnSP成分数量成分数量成分数量成分数量成分数量Q10生铁91.74.323.960.690.630.40.370.030.0280.0330.0345#钢8.30.450.0370.240.0240.0650.0540.0350.0030.0350.003合计10040.650.420.0310.033要求成分4<1.2<0.5<0.02<0.04差额00.550.08-0.0110.007表2.3 QT400-18初步配料单化学成分（ 单位wt%）由表可知上述配比可行。之后根据合金差额计算出炉料中或炉前应加入的硅铁含量即可。 本实验的球化剂为稀土镁合金，要求成分均匀，粒度为13mm，球化剂的加入量应为铁液总质量的1.2%。孕育剂为75硅铁，粒度为0.51mm，质量为总质量的1%，采用二次孕育。（2）选料过程计算如下：经选取得到Q10生铁：m1=2725g；45#钢质量；m2=2725*8.3/91.7=247g；总质量：m=m1+m2=2725+247=2972g；球化剂质量：m3=m*1.2%=2972*1.2%36g；孕育剂质量：m4=m*1%=2972*1&%30g； 检验：各种材料总质量M=m+m3+m4=2972+36+30=3038g；对于各种成分进行检验（1）C：Q10生铁中含碳量为2725*4.32%117.7g； 45#钢中含碳量为247*0.45%1.1g； C总量117.7+1.1=118.8g；所占比例为118.8÷30383.9%；（合格）（2）Si：Q10生铁中含硅量为2725*0.69%18.8g； 45#钢中含硅量为247*0.24%0.59g； 75硅铁中含硅量为30*75%=22.5g； Si总量为18.8+0.59+22.5=41.89g； 所占比例为41.89÷30381.4%；（硅含量不足） 此时需要进行补硅至2.4%2.8%； 3038*2.6%79g； 需要补硅量为79-42=37g； 补充硅铁的质量为37÷0.75=50g； 此时所占比例为79÷30882.6%；（合格）（3）Mn： Q10生铁含锰量为2725*0.4%=10.9g； 45#钢含锰量为247*0.65%=1.6g； Mn总量为10.9+1.6=12.5g； 所占比例为12.5÷3038=0.41%；（合格） 此外S，P经检验合格通过我们的计算最终选定了实验原料的具体成分如下表：表2.4实验最终原料（单位g）Q10生铁45#钢75硅铁稀土镁合金2725g247g80g36g2.2 实验设备1、用于熔炼的中频感应炉成套设备；2、造型用砂箱及整套设备；3、台虎钳，砂轮等整套设备；4、金相制作所需的砂纸，抛光机等；5、金相显微镜；6、电阻热处理炉；2.3 实验方法1、 造棒形型腔2、 熔炼和浇注 利用中频感应炉将炉料加热熔化至1470后关掉电源，将稀土镁合金加入金属液中40秒后用铁钳取出盛有金属液的坩埚并倒入另一个盛有75%硅铁的坩埚，然后进 行浇注。待铸件冷却后取出。3、 热处理 本实验使用的方法是高温石墨化退火和低温石墨化退火。其中高温石墨化退火时将逐渐加热到Ac3以上50100，低温石墨化退火是加热到Ac1温度以下加热并保温， 退火完成后，铸件随炉冷至600后出炉空冷。如表2.5所示。表2.5 热处理工艺参数 温度 保温时间 冷却方式9302h7303h炉冷至 600出炉空冷4、金相制作 先用砂轮切割机将铸件切成小段，然后取其平整的一面从240号金相砂纸开始磨制，慢慢过度到480号、600号、800号、1000号金相砂纸。完成磨制后在金相抛光机 上进行抛光直至表面光滑，然后用水冲洗抛光面并吹干，最后用4%的硝酸酒精溶液腐 蚀20秒钟，再次用水冲洗吹干，放在金相显微镜上进行观察。第三章 实验结果及分析 3.1 实验结果铁素体球墨铸铁金相组织在显微镜下观察到的图像如图 3.1、3.2 所示： 图3.1 铸态球墨铸铁组织 图3.2 热处理后的铁素体球墨铸铁组织 图3.1试件基体组织为珠光体和铁素体，石墨以渗碳体和石墨球的形式存在，且石墨球分布不均匀，出现了白口倾向。图3.2试件基体组织全部转化为铁素体，石墨以石墨球的形式存在。3.1 组织分析 本次试验的铁液含3.9%C是过共晶成分，球墨铸铁在发生共晶转变之前就有球状石墨直接从铁液中析出，由于加入了球化元素，球墨铸铁共晶反应过冷度显著增加。组成共晶的石墨和奥氏体含量差别悬殊，形核和生长方式也不同，导致两相都在共晶区以外开始结晶，空间和时间上都是分开的。也就是说球墨铸铁共晶结晶按离异共晶转变方式进行的。石墨的形成过程符合一般晶体结晶规律，要经过了形核和生长两个阶段。铁水中的某些杂质微粒都可能成为石墨的形核基质。当铁水的碳活度达到一定程度时，碳原子移向形核基质，并在其上沉积，形成石墨微晶。这种微晶以及铁液中残留的未溶石墨微粒达到一定尺寸后，都能成为有效的石墨结晶核心。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。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。因为球化剂中的镁和稀土皆是阻碍石墨化、强烈脱氧去硫、增大铸铁过冷倾向的元素，促进形成渗碳体组织，为了得到正常的球状石墨和基体组织，必须对铁液进行孕育处理。硅可以置换铁原子，是强烈促进石墨化而抑制渗碳体形成的元素，随着含硅量的增加，铁液依照稳定系统结晶出（ 奥氏体+石墨）的共晶温度高出依照介稳定系统结晶出（ 奥氏体+渗碳体）的共晶温度越多，因此，铁液在冷却过程中就能在较高的温度下开始（ 奥氏体+石墨）的共晶结晶，而不至于过冷结晶出现白口组织。当向铁液中加入75%硅铁孕育剂后，由于这些质点溶解吸热，故在铁液中形成许多温度降低的小区域。同时，由于孕育剂质点在高温铁液中溶解并扩散，使质点周围形成硅元素富集区，此区内碳当量增加。这两种起伏在铁液中形成许多叠加区，在叠加区中由于强烈促进石墨化的硅浓度高，加之温度较低，先达到共晶温度，碳当量一旦达到共晶成分，石墨就会析出。由于此区内同时存在球化元素，可以去除表面活性元素硫、氧，而使石墨顺利地析出并长成球状。高温石墨化退火是将铸件加热到Ac3以上5060（通常为900950）温度，保温时间，渗碳体分解。低温石墨化退火是在Ac1温度以下加热并保温，使珠光体分解成铁素体和石墨。第四章 结论1.本次实验使用Q10生铁、45#钢、75%硅铁配料，使用中频感应电炉熔炼，使用36g稀土镁合金为球化剂进行了球化处理，使用30g75%硅铁为孕育剂进行了孕育处理，浇注了试件且进行了热处理，磨制金相。2.球化孕育后的试件基体组织为珠光体和铁素体，石墨以渗碳体和石墨球的形式存在，且石墨球分布不均匀，出现了白口倾向。3.先进行高温石墨化退火后进行低温石墨化退火。其中高温石墨化退火时将逐渐加热到Ac3以上50100，低温石墨化退火是加热到Ac1温度以下加热并保温， 退火完成后，铸件随炉冷至600后出炉空冷。热处理后的铸件组织基体全部转化为铁素体，石墨以石墨球的形式存在。4.这次试验体现出了热处理对球墨铸铁组织的影响，通过高温退火消除渗碳体，低温石墨化退火转化珠光体为铁素体，使试件基体全部转变为铁素体。保证了铸件的质量。参考文献 1 全国铸造学会. 2004年全球铸件生产统计报告J. 铸造， 2006，5 5（3）：321- 322. 2 陆文华，李隆盛，黄良余.铸造合金及熔炼M. 北京：机械工业出版社，2004. 3 中国机械工程学会铸造分会.铸造手册M.北京：机械工业出版社，2006. 4 中村幸吉，藤川贵朗，木口昭二，等. 铸铁科学M. 东京：社法人日本铸物 工业会， 2005. 5 陆文华，李隆盛，黄良余.铸造合金及熔炼M. 北京：机械工业出版社，2010. 6 张博，明智清明， 健三. 球状黑铅铸铁M. 株式会社，1983. 7 黄良余等.铸造有色合金及其熔炼M.北京：国防工业出版社，1980 8 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