《球墨铸铁》PPT课件.ppt

第一节概述第二节 球墨铸铁的金相组织、性能特点、牌号及技术要求第三节 球墨铸铁的结晶特点第四节 球墨铸铁的化学成分及熔制工艺第五节 球墨铸铁的凝固特点、铸造性能及铸造工艺特点第六节 QT常见的铸造缺陷及防止措施第七节 QT的热处理习题与思考题,第三章 球墨铸铁目 录,第一节概述一、QT的概念、特点、发展及应用1、QT的概念及特点2、QT的发展及应用二、QT的分类三、本章的重点知识,第一节概述,一、QT的概念、特点、发展及应用1、QT的概念及特点球墨铸铁是指铁液经过球化处理而使石墨大部或全部呈球状，有时少量为团絮状的铸铁。和灰铸铁相比，由于石墨呈球状，对金属基体的割裂作用大为减小，使金属基体的利用率提高，可达70%90%(而普通灰铸铁仅为30%50%）、基体的塑性和韧性也能得以发挥。球墨铸铁同铸钢相比，它的强度指标接近甚至超过碳钢和一些合金钢，具有铸造性能好，耐磨性和耐腐蚀性能好，生产工艺和设备简单、成本低、应用广泛等特点。,2、QT的发展及应用1947年，英国人H.Morrogh在实验室内采用Ce处理铁液，得到球状石墨，并于1948年在美国铸造工程师协会上宣布，成为球铁的发明者。自1948年美国人以镁作为球化剂加到铁水中，随后用硅铁孕育得到了球墨铸铁以来，球墨铸铁这一新型工程材料从此得以迅速发展，各国竞相采用。1950年，我国王遵明教授在东北应用球铁获得成功，到1951年就将球墨铸铁应用到了生产上。在一些主要工业国家，其产量超过了具有百年历史的铸钢和可锻铸铁，成了仅次于普通灰铸铁的铸造工程材料。球墨铸铁可用来制造各种受力复杂，强度、韧性、耐磨性等要求较高的零件，如曲轴、铸管、齿轮、机床等。据资料介绍，每年这种材料在工程上的应用以15%的速度递增。,二、QT的分类球墨铸铁按其基体和性能特点可以分为：F体（高韧性）球墨铸铁、P体（高强度）球墨铸铁、F体+P体混合基体球墨铸铁、B体（耐磨）球墨铸铁、A体B体（耐磨）球墨铸铁、M体（抗磨）球墨铸铁及A体（耐热、耐蚀）球墨铸铁等；按其所含的合金元素可分为：普通球墨铸铁、合金球墨铸铁（如VTi球墨铸铁等）；按球化剂的类型可分为：镁球墨铸铁、稀土镁球墨铸铁等；按其热处理状态可分为:铸态球墨铸铁、各种热处理状态下的球墨铸铁；按使用条件分为：结构用球墨铸铁、耐热球墨铸铁、抗磨球墨铸铁等。三、本章的重点知识本章主要介绍铁素体、珠光体及贝氏体球墨铸铁的金相组织、性能特点及技术要求，化学成分确定及熔制工艺，球墨铸铁的热处理、铸造性能及铸造工艺特点，常见缺陷及其防止措施等。,第二节 球墨铸铁的金相组织、性能特点、牌号及技术要求一、球墨铸铁的金相组织特点1、石墨2、金相基体二、QT的性能特点1、力学性能2、使用性能3、工艺性能三、球墨铸铁的牌号及技术要求1、球墨铸铁的牌号2、力学性能的检验,第二节 球墨铸铁的金相组织、性能特点、牌号及技术要求,一、球墨铸铁的金相组织特点球墨铸铁的金相组织：G+F体、G+P体、G+F体+P体等，而且直接决定着球墨铸铁的力学性能。1、石墨（1）石墨的形态 石墨形态对球墨铸铁的力学性能影响很大，在球墨铸铁中经常出现以几种石墨形态：1）球状石墨。其外形近似圆球状，在放大100倍的金相显微镜下观察,其周界呈比较圆滑的圆形或椭圆形，如图3-1 a所示。2）团状石墨。外形似团状，周界有明显的凹凸不平，如图3-1b所示。,3）团虫状石墨。外形比团状不规则，边缘明显向外伸长，呈团虫状，如图3-1c指示。图中所示，球状G最好，对基体的割离轻微，故QT的性能最好。GB9441-88QT金相检验标准中按G的形态是球化等级分为六级，作为QT分级的依据，见表3-1和图3-2所示。,（2）G的大小 球状G的大小，在金相显微组织放大100倍后，用测微目镜直接测量。GB9441-88QT金相检验标准G大小分为六级、见表3-2所示。也可对照标准图册进行评定。,G的大小可用单位面积（mm2）上G的数量来表示。一般来说，球径越大，其性能越差。故单位面积上的G数量越多，G越细化，性能越好，如图3-3所示。,2、金相基体金相基体有F、P、A、B、M等，应用比较广泛是F、P。（1）F 体 其影响性能见图3-4所示。按GB9441-88评定其数量、其百分比按大多数视场对照图片来评定。F体多以分散分布块状及网状形式存在。,（2）P体1）P体数量。基体组织中珠光体数量增多，铁素体量减少，可以使球墨铸铁的强度提髙而伸长率下降，如图3-4所示。GB9441-88将珠光体数量分为12级，评定时可对照标准图册进行。,2）珠光体的形态。在QT中，球光体的形态一般分为四种：粗片状珠光体、中片状珠光体、细片状珠光体和粒状珠光体，如图3-5所示。同样都是珠光体，随着珠光体片间在各种石墨形态中，以圆球状石墨较好，它对金属基体的割裂作用最小；而团状和团虫状石墨就比球状石墨差，当团虫状石墨大量出现会使铸铁的力学性能急剧降低。GB9441-88QT金相检验标准中按照石墨的形态将球化等级分为六级，作为球墨铸铁石墨分级的依据，见表3-1和图3-2。,（3）B体贝氏体基体是铸态球墨铸铁经等温淬火后形成的一种组织。具有强度和硬度高、塑性及韧性好的综合力学性能。若在450 350 C等温淬火，则形成羽毛状的上贝氏体组织；若在350 230C等温淬火，则形成交叉分布的细针状的下贝氏体组织。（4）M体及其回火组织马氏体强度硬度髙、耐磨性能好，但塑性、韧性差。为了保持高的硬度和强度，同时又不至于太脆，可将马氏体经低温、中温和高温回火，分别得到回火马氏体、回火托氏体和回火索氏体。,（5）磷共晶磷共晶在球墨铸铁中的危害远比灰铸铁中大，它使铸铁的硬度提高，而塑性和韧性大幅度降低。因此在球墨铸铁中应降低磷共晶体的数量。GB9441-88中将磷共晶体的数量分为五级，检验时可与标准图册对照评定。（6）渗碳体渗碳体在球墨铸铁中常呈针状、条状或以莱氏体存在，易使球墨铸铁变脆，因此生产中应尽量避免其出现。,二、QT的性能特点1、力学性能为了进一步了解QT性能特点，现将QT和其它钢铁材料的性能列于表3-3 中。可以看出，QT的力学性能远超过灰铸铁和孕育铸铁，也比同基体的可锻铸铁好。,（1）静载荷性能（包括强度、硬度、塑性和弹性模量）QT的强度和性能随着基体组织的不同而不同，B下及M回强度最高、其次是B上、S体、P体、F体。QT静载荷性能的一其个突出的特点是屈服点。0.2高，超过正火45钢，比强度0.2/b也高于钢(据测试:QT0.2/b=0.70.8，钢的 0.2/b=0.3-0.57)。QT可以代替钢制造静态承力大、材料强度要求较高的件。QT硬度比同基体的钢和灰铸铁要高，所以耐磨性能好。球墨铸铁的弹性模量在159000172000MPa，而且随球化率的降低而降低。,（2）动载荷的性能（包括冲击韧度、弯曲疲劳强度和多次冲击韧度)冲击韧度仅对高韧性QT而言，而珠光体QT的一次性冲击韧度比45钢低。因此，一些要求承受巨大冲击载荷的零件，珠光体QT的应用就受到了限制。但在实标应用中的许多零件如曲轴、连杆等工作时承受的是小能量多次冲击载荷，见图3-6所示。从图中可见，当冲击吸收功小于2.4J时珠光体QT的小能量多次冲击韧度优于正火45钢。而且实验还证明，珠光体QT的小能量多次冲击韧度也优于铁素体球墨铸铁，但常规的大能量一次冲击韧度则相反。（3）高温和低温力学性能和其它钢铁材料一样，QT的常温力学性能随着温度的升高而下降，伸长率则相反。随着基体组织的不同，他们的强度及塑性韧性各有不同。,图3-6是珠光体QT和正火45钢的冲击吸收功A和冲击次数N曲线,从表3-4可以看出，QT对缺口的敏感性比钢小，在用光滑试样试验时，QT的弯曲-1比钢低，但用带孔带肩的试样时比钢高。故珠光体QT适用于制造各种动力机的曲轴、凸轮轴等轴类零件。,2、使用性能包括耐磨性能、耐蚀性能、耐热性能、减振性能。3、工艺性能（1）切削性能由于QT含有较多的石墨，可以在切削时起润滑作用，使切削的阻力减小，切削速度较高。产生塑性变形使刀具温度升髙，珠光体增多使切削性能下降,贝氏体球墨铸铁的切削性能较差。（2）焊补性能当QT需要焊补时，在焊缝及近缝区，若镁和稀土含量较高时易产生白口或马氏体，形成内应力和裂纹；若镁和稀土不足时焊缝呈现灰铸铁组织，使力学性能降低。因此，球墨铸铁焊补时所用电焊条及气焊丝可按国家标准BG10044-88规定进行。,三、球墨铸铁的牌号及技术要求1、球墨铸铁的牌号QT牌号应符合GB5612-85铸铁牌号表示方法的规定，并分为单铸和附铸试块两类；单铸试块的力学性能分为八个牌号，分别见表3-5和表3-6；附铸试块的力学性能分为五个牌号，分别见表3-7和表3-8。,2、力学性能的检验本技术要求适用于砂型或导热性与砂型相当的铸型中铸造的普通和低合金球墨铸铁件，不适用于球铁管件和连续铸造的QT件。QT的力学性能以抗拉强度及伸长率为验收依据，对于屈服点及硬度有要求时，共需双方协商决定，可作为验收依据。QT检验用试块形状见图3-7所示，尺寸分别见表3-9和表3-10。,浇注单铸试块时应与所测铸件同包铁液在干型或湿型内浇注。若需热处理时，试块应与铸铁同炉热处理。当铸件质量大于2000kg，且壁厚在30200mm时，一般采用附铸试块，热处理后从铸件上切取，其形状及尺寸如图3-8和表3-11所示。,对于上述试样毛坯标准加工成抗拉和冲击试样进行试验，分别见图3-9和图3-10所示。设计者可以根据GB1348-88QT铸件标准规定的力学性能去选择牌号；同时要考虑其使用性能和物理性能，对于要求耐磨性的铸件可选用QT900-2、QT800-2、QT700-2等牌号；若要求有一定的耐蚀性和抗氧化性、抗生长性的铸件可即用单一基体的QT400-18、QT400-15、QT450-10等。,第三节 球墨铸铁的结晶特点一、球墨铸铁的一次结晶特点二、QT的二次结晶特点三、G球形成的条件及立体外貌1、G球形成的条件2、球状石墨的立体外貌,第三节 球墨铸铁的结晶特点,一、球墨铸铁的一次结晶特点由于QT化学成分多为共晶或稍微过共晶，所以QT的一次结晶主要是共晶转变过程。和HT相比，其一次结晶过程有很大的差别，见图3-11。,目前已基本肯定，石墨球可以直接从熔体中析出，这可通过离心浇注时能分离出石墨球，厚大件的顶面有石墨漂浮以及液淬实验等现象得到证实。熔体中析出G球，即：L G球+A 石墨球的长大包括两个阶段：即从熔体中直接长大和在A体壳包围下长大。一般A体外壳一旦形成，因C在A体壳中扩散困难，使石墨的生长速度大为减小。要使结晶继续进行，这就需要不断增大过冷度。而球化处理后再加上孕育处理，更有利于细化共晶团，使球墨铸铁共晶团数目远远大于HT。,二、QT的二次结晶特点QT的二次结晶过程与HT基本相同，铸态组织时在G球的周围多为F体，外环为P体，从而形成QT特有的牛眼状基体组织。若要在铸态组织中获得F体QT，除适当提高含Si量、强化孕育获取细小的G球，还应尽量降低Mn和P的含量；若想在铸态获得P体QT，则需要适当降低含Si量和加入适量的铜和钼等稳定P体的元素。,三、G球形成的条件及立体外貌1、G球形成的条件G球形成的条件：一是铁液在凝固时必须有较大的过冷度T；二是必须使铁液和石墨之间具有较大的界面张力，也就是使铁液中的杂质（表面活性元素如S、O等）含量足够低;三是铁液中还必须有一定的球化元素残留量；四是要有良好的石墨成核条件，即良好的石墨化孕育。只要满足上上几个条件，就能生产出球墨铸铁。球化处理(孕育)的机理:在铁液中加入球化剂，使铁液中的表面活性物质硫和氧降低，铁液中石墨的界面张力增大，同时使铁液过冷度加大，以促使球状石墨的形成。球化处理后再进行炉前孕育处理，使石墨的成核条件得以改善，从而获得量大、形小、外形圆整、成分均匀的球状石墨铸铁。,2、球状石墨的立体外貌球状石墨在低倍显微镜下的外形近似圆球形，当放大倍数较大时，可见其具有多边形的轮廓，内部呈放射状。如图3-12是在扫描电镜中所看到的球状石墨的立体外貌，其表面并不光滑。,第四节 球墨铸铁的化学成分及熔制工艺一、QT化学成分的确定1、确定化学成分的一般原则2、.基本化学成分的确定二、QT的熔制工艺1、QT对熔炼的需求2、球化剂2、稀土元素的化学性质和在铁液中的作用3、球化处理工艺4、孕育剂及孕育处理工艺5、炉前检验与控制,第四节 球墨铸铁的化学成分及熔制工艺,一、QT化学成分的确定1、确定化学成分的一般原则1）首先应按球墨铸铁的牌号和各种性能要求来确定；2）同时要考虑铸件的形状、尺寸、重量及冷却速度；3）结合具体的生产工艺条件（如是否进行热处理，铸型种类，有无冒口铸造，球化及脱硫工艺等）；4）一般采用高碳、低硅、低锰、低硫磷（即一高全低），强化孕育。,2、.基本化学成分的确定（1）碳和硅在球墨铸铁中，碳、硅含量的选择主要是考虑保证球化、改善铸造性能、消除铸造缺陷。1）碳当量CE球墨铸铁的碳当量一般取在共晶或过共晶成分，提高碳当量可以保证球化的需要，改善铸造性能（使铁液的流动性好、形成缩孔、缩松的倾向小）。同时，也可以增加铸态球墨铸铁中的铁素体含量；但碳当量过高则易产生石墨漂浮，使件的性能降低。一般取WCE=4.5%4.7%,厚大件取下限，薄小件取上限。2）碳量当碳当量选定后，一般按上述原则采取高碳低硅加强孕育即可。若碳高，则析出的石墨个数增多，球径小，圆球度好；碳高石墨化膨胀大，在铸型刚度较高的前提下，可减轻或消除缩孔和缩松，得到致密铸件。但碳量过高易产生石墨漂浮，因此含碳量取WC=3.63.9%，厚大件取下限，薄小件取上限。,3)硅量提高球墨铸铁的含硅量，可使铸态铁素体量增加，珠光体量减少，过高则会使铸件脆性增加。因此，在满足石墨化要求的前提下，尽量降低终硅量。一般厚大件硅量应低些，以防产生石墨漂浮；薄小件其硅量可高些，以防止产生大量的白口组织渗碳体；对于铁素体球墨铸铁终硅量可控制在WSi=2.4%2.9%；对于珠光体基体的球墨铸铁终硅量可控制在WSi=2.0%2.6%。由于球化和孕育处理时要带入一定量的硅，所以要求原铁液中的硅量要低（对于铁素体球墨铸铁硅取WSi=1.6%1.9%，对于珠光体球墨铸铁硅取WSi=1.0%1.4%),孕育方法采用高效强化孕育工艺（型内孕育,、瞬时孕育等）加入铁液，可使球铁的性能（铸造性能、力学性能）、石墨球的圆整度得到较大的改善。,（2）锰锰在球墨铸铁中主要起合金化作用。通常将含锰量控制在WMn0.4%。锰是阻碍石墨化元素，可稳定和细化P体。但锰在球墨铸铁中易产生偏析，降低铸件的塑性和韧性。所以各种牌号的球墨铸铁希望含锰量低，特别是铸态球墨铸铁件和厚大断面球铁件更是如此。（4）磷磷在球墨铸铁中极易发生偏析，在晶界上形成磷共晶组织，严重降低球墨铸铁的塑性和韧性。对于铁素体球墨铸铁，磷的危害尤为严重，不仅使常温冲击韧度降低，同时使脆性转变温度急剧提高，造成低温脆性，故WP0.08%为好；但磷量要求过低，对原材料的限制较大。因此，对于一般条件下工作的球墨铸铁件，含磷量可适当放宽到WP0.1%0.12%。磷还可提高硬度，改善耐磨性能，但也易使铸件的缩孔、缩松及开裂倾向增加。,（5）硫硫在球墨铸铁中硫也是有害元素。硫高必然消耗较多的球化剂，严重影响球化效果，同时还易引起球化衰退、球化不良、缩孔和缩松以及皮下气孔等铸造缺陷的产生。因此在球铁中含硫量愈低愈好，要求冲天炉熔炼铁液含硫量WS0.06%0.1%，电炉熔炼WS0.04%（国外强调WS0.04%)，对于含硫量较高或有特殊要求的铸件在球化处理之前应采取必要的脱硫措施，脱硫后原铁液中含硫量降至WS0.02%。（6）镁和稀土镁和稀土元素都是球化元素，同时又是脱硫、脱氧十分强烈的反石墨化元素。因此，铁水中镁量和稀土量不能过低，也不能过髙。若残余量过低，易使球化不良，产生球化衰退。过高虽能保证球化,但基体组织中易产生大量的渗碳体，而且伴随许多铸造缺陷(夹渣、皮下气孔,、缩松及白口等)产生，使石墨球形状恶化，性能降低。所以，一般控制残余镁量为WMg残=0.040.06%，残余稀土量为WRE残=0.03%0.05%为宜。表3-12为常用球墨铸铁的化学成分范围（仅供参考）。,二、QT的熔制工艺1、QT对熔炼的需求QT生产时要经过球化、孕育处理，降温幅度较大，一般使铁液降温50100 C。一般要求有较高的出铁温度，一般1420 1460C。因为高温铁液不仅可以减轻因脱硫、球化、孕育所损失的热量，而且还可以提高球墨铸铁的内在质量。由于铁液的化学成分要达到碳高，硅、锰、硫、磷全低的要求，因此对原材料的要求较高，特别是所用原生铁质量（含硫、磷量）对球墨铸铁质量影响较大。本溪生铁杂质少,是生产球墨铸铁较理想的生铁，但其价格较高，且产量有限；所以国内许多厂家多用地方生铁来生产球墨铸铁（如河北的邯郸生铁、河南的安阳铁、江苏徐州生铁、陕西宝鸡的红光生铁等）。球墨铸铁熔炼财要求铁液温度和成分稳定，波动范围小，避免铁液严重氧化（因铁液氧化可使化学元素的烧损加大，白口倾向大，铸造性能差，消耗大量的球化剂，易产生球化不良、夹渣等缺陷）。熔炼可用冲天炉、电炉，或冲天炉电炉双联熔炼。,2、球化剂（1）球化剂的种类凡加入到铁液中能使石墨结晶成球状的物质称之为球化剂。最早发现的球化剂是铈,以后又发现镁、钙、锂、钡、钇、钠、铍等有强或弱的球化作用，见表3-13 所示。但在生产上有实用价值的不多，目前国内外常用的球化剂主要是镁和稀土系列。,（2）球化元素的性质和在铁液中的作用1)镁的化学性质和作用镁在元素周期表中第三周期第二主族，系碱土金属，具有银白色光泽，密度小(1.74g/Cm3),熔点低(651 C），沸点也低（1105 C)。镁的化学性质极为活泼，易氧化，与硫和氧的亲和能力很强，加入铁液后首先起脱硫、脱氧去气的作用，所生成的硫化物和氧化物的稳定性高，熔点高、密度小、易上浮随渣去除。镁的球化能力最强，当铁液含硫量降至WS=0.01%0.02%(原铁液硫量为WS 0.07%)，铁液中残留镁WMg残0.04时就可使石墨完全球化。镁又是一个强烈的碳化物稳定元素，尽管球墨铸铁的含碳量比灰铸铁髙，但其白口倾向仍比灰铸铁大。同时镁的球化作用受某些微量元素（也叫反球化元索或干扰元素）的影响较大，这些元索有：钛、铅、铋、锑、锡、砷等。由于镁的密度小，沸点低，在球墨铸铁处理时产生激烈的沸腾作用，使铁液飞溅，并有强烈的白光和浓烟，球化处理效果易衰退，恶化了劳动条件，铸造性能变差，易产生夹渣、缩松和皮下气孔等缺陷。,2）稀土元素的化学性质和在铁液中的作用稀土元素主要包括第六周期第三副族的镧系元素（原子序数为5771）和与它性能相近的钪和钇共17个。稀土元素的密度较大（69 g/Cm3)，熔点高（一般在800 15000 C），沸点高（除铈为1238 C外，一般都在1600 C 以上），球化处理时无沸腾现象，反应平稳、操作安全。稀土元素的化学性质很活泼，可与硫、氧、氮等形成化合物。它有比镁更强的脱硫、脱氧作用（约为镁的四倍)，和镁配合使用可除去密度较大的氧化夹渣，净化铁液，提高铁液的流动性，有利于减少铸造缺陷（如冷隔、夹渣、缩松和皮下气孔等）的形成。稀土元素能和反球化元素组成高熔点化合物，故能消除其反球化元素的干扰作用，以保证石墨球化，从而可以扩大原生铁的来源。用钇等重稀土元素做复合球化剂还具有很强的抗衰退能力。稀土元素在铁液中具有细化石墨、强化基体提高球墨铸铁的力学性能及耐磨、耐热和耐腐蚀性能的作用。其缺点是：稀土元素是一种辅助球化剂，与镁QT相比，G不够圆整，稀土残留过多，会引起G球形恶化，白口倾向加大，易功生“G漂浮”。,（3）常用球化剂的选用由于球化剂的种类较多，见表3-14所示。其中我国使用最多的是稀土硅铁镁合金球化剂，见表3-15所示。少数工厂选用纯镁，以提高G的圆整度。,（4）球化剂的选用对于球化剂的选用应从以下几个方面考虑：1）注意金属炉料中的干扰元素含量。2)注意原铁液中的含硫量及铁液温度 对于低硫高温铁液应选用低稀土低镁含量的稀土 硅铁镁合金球化剂;对于冲天炉熔炼，铁液温度在14001450 C，含硫量在WS=0.050.2%范围时，可选用FeSiMg8RE7、FeSiMg8RE5球化剂；对于电炉熔炼，铁液温度在14601520 C，含硫量在WS=0.020.04%时，可选用FeSiMg6RE4、FeSiMg8RE7球化剂；对于铁液温度在1460 1520 C，含硫量较高，经脱硫处理后WS 0.02%时，可选用FeSiMg5RE1、FeSiMg6RE2球化剂。,3）根据不同的生产工艺要求和所生产的球墨铸铁牌号来选用。若生产高韧性球铁时，宜选用镁球化剂；若生产的是铸态铁素体球铁，则选用低稀土球化剂；若生产铸态珠光体球铁，可选用含铜或镍的球化剂；对于金属型、离心铸管等可选用低稀土或纯镁球化剂；对于大型厚大断面球铁件，可选用钇基重稀土镁硅铁球化剂。,3、球化处理工艺（1）球化剂加入量的确定在球化处理时，加人到铁液中的球化剂的主要去向以镁为例见图3-13。从图可见，球化剂的烧损量较大，其次是脱硫、去气，仅有少量用于球化剂。在保证石墨球化的前提下，应尽量减少球化剂的加入量。,镁的吸收率和球化剂的加入量取决于铁液的化学成分（主要是铁液中的含硫量）、铸件壁厚（冷却速度）、铁液温度、所用球化剂的种类及球化处理方法等因素，参考数据见表3-16。其中最主要的因素是原铁液中的含硫量。如生产中常用的稀土硅铁镁合球化剂，采用冲入法处理工艺，原铁液含硫量与球化剂的加入量关系见表3-17。,（2）球化处理方法球化处理的方法较多，根据不同的球铁件工艺要求，选择不同的球化剂就对应有不同的处理方法。各种处理方法的特点及适用范围见表3-18。,生产中常用的几种球化处理方法简介如下：1）冲入法此法主要用于密度大，与铁液反应平稳的稀土硅铁镁球化剂处理。生产中为了提高球化处理效果，防止球化剂过早反应或上浮烧损多采用专用浇包。球化处理包深度H与内径D之比H/D=1.51.8，常用堤坝式包底（或其它形式）见图3-14。堤坝内面积占包底2/51/2，高度以能容纳球化剂和覆盖熔剂为宜。,球化处理前先将处理包预热600 800 C(暗红色），再将破碎成一定粒度的（1530mm）的球化剂装入堤坝内（若是平底包可放入一侧）紧实，上面覆盖硅铁粒（粒度等于或小于球化剂）,然后再覆盖草木灰、珍珠岩等集渣剂。若出铁温度高时，有的工厂还在硅铁粒上盖一薄铁板，以控制球化时间和反应速度，球化剂加人量（质量分数）为1.3%1.8%。出铁液时不能正对球化剂，冲入2/31/2包铁液时即停止出铁，让铁液充分沸腾反应约13min钟后扒渣，再补入其余的1/31/2铁液，同时在出铁槽内进行孕育，在补加铁液时若液面逸出镁光及白黄火焰，表示球化正常。处理完毕，加集渣剂经搅拌、扒渣、炉前检验合格后即可浇注。采用冲入法时镁的吸收率低，处理时的烟尘及镁闪光大，劳动条件较差，为此不少工厂采用了密封流动法。,2）密封流动法此法是将反应器置于出铁槽和浇包之间，在反应器内加入球化剂（如FeSiMg8RE5等)约1.0%1.1%(质量分数)，铁液在密封条件下流过反应室并吸收球化元素，其处理温度为1450 C，可保证球化。处理后反应室内不得有残留铁液及球化剂。密封流动法的原理与型内球化相同，可以改善劳动环境，提高镁的吸收率（约60%70%），节约球化剂，其工艺如图3-15所示。,3）压力加镁法其原理是利用镁的沸点低，随压力增大而沸点提高（若铁液表面上有68个大气压，则镁的沸点增大为1350 1400 C的特点，在密封的压力加镁于铁液包中，如图3-16所示，将装有镁的钟罩压人铁液中，镁在高温下产生大量的蒸气，使包内的压力升高，可以有效地控制沸腾，劳动条件好，镁吸收率也高（50%80%)。压力加镁用的铁液包必须密封、坚固、安全可靠，处理包的耐压能力应大于1MPa，处理时放入工作坑中，密封后进行球化处理，人员必须撤离到安全区，在钟罩压杆停止振动前不得开启包盖，以防稀土合金粉末飞溅伤人。处理温度在13501400 C，处理时间约4 6min，镁的加人量与铁液的含硫量有关，见表3-19。,4）转动包法此法目前在国内外均有应用，其结构见图3-17。可以有效地控制镁球化剂的沸腾反应，有利于脱硫、脱氧和镁的吸收率挺高（约达到60%70），且石墨粘土制的反应室使用寿命长（约300350次），反应时间短（约80S），可以处理含硫较高的铁液（WS0.25%）。镁的加入量和压力加镁法相似，原铁液含硫量愈高，加镁量也愈多。若原铁液含硫量如WS=0.06%，则镁的加入量为0.14%0.2%。此法操作简便，劳动条件好，降温也少。此外，还有型内球化处。,4、孕育剂及孕育处理工艺（1）孕育剂1）孕育处理的主要目的其主要目的是:消除球化元素所造成的白口倾向，获得铸态无自由渗碳体铸件；增加石墨球数量，使石墨球径变小，分布均匀，形状圆整，提高球化等级;进一步细化共晶团，减少偏析，提高球墨铸铁的力学性能。2）对孕育剂的要求较强的孕育能力，并能维持尽可能长的有效作用时间;要求易被铁液吸收，铁液降温少，不引起缺陷和其它副作用的产生；来源广泛，价格便家，孕育处理操作简便。,3）常用孕育刑。在我国，普遍应用硅铁合金作为孕育剂，它具有孕育效果好，来源广泛，价格便宜。其最大缺点是孕育效果的衰退较快。生产中还发现，以硅铁为.主，加人少量其它元素组成的复合孕育剂，可进一步延长孕育时间,改善孕育的效果。如硅铁硅钙、硅铁铝（WAl2%）、硅铁硅钙锰铁、硅铁锰铁、硅铁硼等。常用孕育剂的具体成分见表3-20所示。,（2）孕育处理工艺1）孕育加入量的确定实践证明，加大孕育剂量可使石墨球更细、更圆整，力学性能显著提髙，其前提是原铁液含硅量应愈低愈好。否则总硅量过高，力学性能恶化。孕育剂的加入量要根据铸件的壁厚、性能要求、孕育剂类型、孕育处理方法及所需用的球化剂等来确定。为了防止带入气体和水分，孕育剂用前应预热。并将孕育剂破碎成一定的粒度。,2）孕育处理方法 炉前一次孕育法。当球化处理后，扒除表面渣子，在补如剩余铁液时将孕育剂撒入出铁槽冲入包内；密封流动法球化时孕育剂随反应器出铁口冲入包内,粒度大小由浇包的容量选定，一般5001000Kg、粒度为510mm。此法简便易行，但孕育效果易衰退，孕育剂加人量大。一般生产珠光体球铁所需FeSi75约占铁液量的0.4%0.6%，若要生产的是铸态高韧性球铁时，加入量为0.8%1.2%。,倒包孕育法（也叫二次或多欢孕育法）。为了改善孕育效果，将一次孕育剂分成二次或多次，在倒包时随流或加入包底,也可以加在表面并搅拌。加入量约0.1%0.3%，其孕育效果优于炉前一次孕育法，而适用于各种铸件，但操作相对较为麻烦。瞬时孕育法。在铁液浇入铸型前的瞬间进行孕育，使进人型腔的铁液都处于充分孕育状态，完全避免了孕育衰退，孕育效果好。此方法与前面介绍的孕育铸铁处理工艺相同；分别见图3-18、图3-19、图3-20。,此外还有内孕育法、浮硅孕育法、孕育丝法、液体孕育法等。经球化和孕育处理后，进行炉前检验。取样后在铁液表面立刻覆盖上草木灰，以减少铁液与空气的接触。检验合格后即迅速浇注，以避免球化和孕育的衰退。一般要求在处理后20 30min内浇注完毕。,5、炉前检验与控制经球化和孕育后的铁液必须进行炉前检验，合格后方能浇注，否则应采取相应的措施进行补救，确保铸件的质量，避免造成废品。生产中常用如下方法：（1）炉前三角试片检验从处理好的铁液中取样，浇入炉前三角试片砂型中，待试样冷至暗红色，底面向下淬入水中冷却，然后打断试样，观察其断口来判断球化是否良好。若三角试片断口晶粒较细，有银白色光泽，尖角白口清晰，侧面有明显的缩陷，中心有缩松（见图3-21），敲击时声音清脆近似钢,遇水有电石臭味，表明球化良好。否则球化不良。若断口呈麻口白口，且有放射状结构，则认为球化可以而孕育差，应补加孕育剂。此外还有采用1530mm的圆棒试样、矩形试样等。,若三角试片断口晶粒较细，有银白色光泽，尖角白口清晰，侧面有明显的缩陷，中心有缩松（见图3-21），敲击时声音清脆近似钢,遇水有电石臭味，表明球化良好。否则球化不良。,（2）火苗判断法经球化处理的铁液，在补加铁液孕育或倒包时，可以看到铁液表面会冒亮白色时火苗，生产中根据火苗的特征可以判断球化情况和控制补加铁液量。火苗多而有力，说明球化良好；火苗少而无力，则可能球化不良。（3）炉前快速金相法此法准确可靠，但需要一套金相试验设备和熟练的操作人员，一般在炉前23min内完成磨片抛光制样，然后在显微镜下直接观察球化情况。但应注意，由于试样尺寸小，其球化情况比铸件实际要好，评定时试样要求应高于铸件。（4）音频法根据球化程度不同，铸件的固有频率也不相同的原理，对于固定形状、尺寸和基体组织相同的铸件，敲击后用音频计测定其音频以数字显示。球化等级高，音频就愈髙。若测定的音频数字高于合格的频率值则合格。此外还有热分析法（测定经球化处理后铁液的凝固曲线，并加以分析）、超声波法（利用超声波在铸铁中的传播速度随球化程度的不同而不同来判断球化等级）、比电阻法（利用金属在凝固过程中，其比电阻发生变化这一特点来判断球化等级）等。,第五节 球墨铸铁的凝固特点、铸造性能及铸造工艺特点一、QT的疑固特点1、共晶转变在更大的过冷度下进行2、共晶转变温度范围宽3、共晶转变的时间长4、共晶团的数量比灰铸铁多二、QT的铸造性能特点1、流动性2、收缩性3、铸造应力4、气体和夹杂物三、QT铸造工艺的特点,第五节 球墨铸铁的凝固特点、铸造性能及铸造工艺特点,在QT的生产中，只有根据铸铁的凝固特点、铸造性能特点制定合理的铸造工艺，才能保证减少废品，获得健全的铸件。一、QT的疑固特点和灰铸铁相比，球墨铸铁具有过冷度大，共晶转变温度范围宽，完全凝固所需时间长(呈糊状凝固)，共晶团数量多等特点。1、共晶转变在更大的过冷度下进行由于球化元素镁和稀土都是强烈的脱硫、脱氧、去气和去除杂质的元素，经球化处理后，净化了铁液，减少了结晶时的异质核心，因此使共晶转变在较大的过冷度下进行。,2、共晶转变温度范围宽在球墨铸铁中，认为石墨早期在直接和铁液接触下长大到一定的尺寸，而没有奥氏体外壳包围，但到中后期，就被奥氏体外壳包围上，这样随奧氏体外壳的增厚，液体中碳原子向石墨上扩散就很困难。因此必须依靠降低温度，不断形成新的石墨核心，从而使共晶转变在一个很宽的温度范围内进行。有实验测定，在一定的条件下球墨铸铁的共晶转变温度范围为46 C，而灰铸铁仅为16 C。3、共晶转变的时间长由于QT的共晶转变是在一个较大的温度范围内完成，浇注后表面完全凝固的凝固层增长速度缓慢、时间长；仅相当于灰铸铁同期的1/6左右。如图3-22所示为用倾出法对HT和QT凝固过程的比较。当浇注后60S时，灰铸铁已全都凝固，而球墨铸铁表层凝固壳尚未完全形成。,如图3-22所示为用倾出法对HT和QT凝固过程的比较。,这要是因为灰铸铁,转变温度范围较窄，固液两相区的范围小，随着凝固过程的进行,固相区逐渐增厚，近似逐层凝固。而球墨铸铁则相反，当铸件表面尚未形成完整的外壳时，中心就已开始共晶转变。使铸件在很大断面上呈现为固液共存,称之为糊状凝固，见图3-23。4、共晶团的数量比灰铸铁多由于孕育处理的结果，大大增强了石墨结晶核心，使共晶团的数量增多，约为HT的50200倍。,二、QT的铸造性能特点1、流动性经球化处理后的铁液，由于脱硫、去气和去除非金属夹杂物，使铁液净化，其流动性优于HT。但球化处理时镁使铁液表面形成氧化膜，流动性变差，氧化膜越厚，其流动性就愈差；再加上经球化处理和孕育处理降温多，铁液表面张力比灰铸铁大，流动性差。在球墨铸铁中加人少量的稀土元素，可以降低铁液表面氧化膜的结膜温度，更好地进行脱硫、去气和夹杂物，使流动性提高。,2、收缩性由于QT的凝固特点，收缩率受合金本身的性质影响外，还和铸型因素有着密切的关系。（1）线收缩由图3-24可以看出，球墨铸铁和灰铸铁的收缩过程基本相同，而两者的最大区别在于球墨铸铁的缩前膨胀比灰铸铁大得多。因此，球墨铸铁总的线收缩值比铸铁小，如表3-21所示。实际生产中，QT与HT的收缩率线=1%。（2）体收缩由于球墨铸铁的碳当量高，析出的石墨数量多、共晶膨胀量大。据实验测定，QT在凝固时，产生的石墨化膨胀完全可以抵消液态和凝固时期的收缩量，因而使体收缩很小。但球墨铸铁生成缩孔、缩松的倾向比较大。图3-25为两种铸铁凝固时的体积变化和内部致密度的关系。图3-26为形成缩松示意图。,图3-24可以看出，球墨铸铁和灰铸铁的收缩过程基本相同，而两者的最大区别在于球墨铸铁的缩前膨胀比灰铸铁大的多。,图3-25为两种铸铁凝固时的体积变化和内部致密度的关系。图3-26为形成缩松示意图。,3、铸造应力QT的弹性模量（E=160000180000MPa）,比灰铸铁（E=70000108000 MPa)大，而热导率又比灰铸铁低，约是灰铸铁的20%40%。因此，球墨铸铁的铸造应力比灰铁大23倍，而接近钢。这就使其变形、开裂倾向大于灰铸鉄。生产中通过改善铸件结构，合理制定铸造工艺，提高C、Si含量而降低含P量，采取退火处理等措施减小内应力、防止开裂。4、气体和夹杂物由于球化理产生的净化作用，QT中的含气量只有灰铸铁中的50%。在灰铸铁中常见的杂质如SiO2、Al2O3等在QT中也大大减少，而代一些新的夹杂物如MgS、MgO等，但其危害比在HT中大。,三、QT铸造工艺的特点由于QT与HT有显著不同的铸造性能和凝固特点，只有根据这些特点来制订QT的铸造工艺，才能获得健全铸件。（1）合理使用冒口和冷铁，可以有效地减少缩孔缩松缺陷的产生。（2）提高铸型刚度和采用均衡凝固工艺方案，可以实现球墨铸铁的无冒口铸造，减少缩孔和缩松；但必须注意铸型的排气，控制型砂中的水分,防业浇注时产生“呛火“。（3）浇注系统设计应能保证铁液的平稳充型，并且有良好的挡渣作用，以防QT夹渣和皮下气孔缺陷的产生。球铁的浇注温一般较灰铸铁低,为防止冷隔和浇不足，必须采用较快的浇注速度，浇注系统截面比例应保证有一定的缓冲作用，国内外多采用F横F直F内或F横F内F直的半封闭式浇注系统，不易出现喷射、飞溅。,第六节 QT常见的铸造缺陷及防止措施一、球化不良和球化衰退1、球化不良2、球化衰退二、石墨漂浮三、缩孔与缩松四、皮下气孔五、夹渣,第六节 QT常见的铸造缺陷及防止措施,在球墨铸铁生产中，除了产生一般缺陷外，还会产生一些特有的缺陷，常见的有球化不良和球化衰退、石墨飘浮、缩松、皮下气孔、夹渣等。一、球化不良和球化衰退1、球化不良指球化处理未能达到球化等级要求。（1）特征在银白色的断口上，分布有肉眼可见的黑点。且黑点多、直径大，表明球化不良的程度比较严重。在观察显微组织时，除了球状石墨外，还存在大量的厚片状石墨。由此造成力学性能达不到牌号所规定的指标而使铸件报废。,（2）产生的原因主要是因为原铁液中的含硫量过高或铁液严重氧化；球化元素残留量不足（球化剂加入量不足，球化剂中的镁含量不够或发生严重偏析，铁液温度过高，处理时球化剂烧损量较大;或处理温度低，球化剂粘结在包底等）；铁液中有干扰元素存在等。（3）防止措施可以采取对应的防止措施,若炉前检査发现，若炉前检查球化不良后，应及时向处理包内补加适当的球化剂。,2、球化衰退指浇注后期球化元素残留量过低,而引起铸件不合格。（1）特征同球化不良相同。在球墨铸铁中，有时会遇到这种情况，经球化处理的同一包铁液，先浇注的铸件球化良好，而后浇注的球化不良;或炉前检验的球化良好，但铸件上出现球化不良。这说明处理后的铁液，在停留一定时间后，球化效果会消失；而且当原铁液中含硫量愈高，残留镁量愈低，包内铁液量愈少时，其球化衰退现象就愈严重。（2）产生的原因主要是铁液中的残留镁和稀土量随时间的延长而逐渐减少,当减少到不足以保证球化时，石墨便由球状过渡到团片状、厚片状，严重时会变成片状。扒渣不充分，铁液覆盖不好，铁液的运输、搅拌、倒包过程中球化元素镁聚集上浮逸出被氧化等。（3）防止措施应尽量降低原铁液的含硫、氧量，适当控制温度，注意扒净渣后加草木灰、冰晶石粉等覆盖好铁液表面,以隔离空气。加快浇注速度，尽量减少倒包、运输及停留时间。最好