球墨铸铁性能及生产工艺.ppt

球墨铸铁特性及其应用,球墨铸铁的概念,球墨铸铁的概况 球墨铸铁是指铁液在凝固过程中碳以球型石墨析出的铸铁。与灰铸铁相比，其金相组织的最大不同是石墨形状的改变，避免了灰铸铁中尖锐石墨的存在，使得石墨对金属基体的切口作用大为减少，基本消除了片状石墨引起的应力集中现象，使得金属基体的强度利用率达到7090，从而使金属基体的性能得到很大程度的发挥。,球墨铸铁可以像钢一样，通过热处理和合金化等措施来进一步提高其使用性能。比如，处理过的球墨铸铁可以取得很好的韧性，延伸率高达24；抗拉强度可以高达1400MPa，基本接近钢材。与钢材相比，球墨铸铁还有很多优点。比如铸造性能好，成本相对较低。由于球墨铸铁产量的不断增加，性能不断开发，现已成功部分取代了锻钢和铸钢，成为前景广阔的金属结构材料。,球墨铸铁的金相组织,金相组织与力学性能的关系 力学性能与金属的金相组织密切相关，什么样的金相结构决定了什么样的力学性能。球墨铸铁也不例外，只有石墨球化，才能发挥金属基体的作用，使铸铁的力学性能大幅度提高。也只有石墨球化，进一步改变基体的性能才更有意义。因此，对球墨铸铁的金相研究，是我们了解球墨铸铁，使用球墨铸铁的前提条件。,球墨铸铁的形成,球状石墨的形成经历了形核与生长两个阶段。其中的形核是石墨的首要过程，铁液在熔炼及随后的球化、孕育处理中产生大量的非金属夹杂物，初生的夹杂物非常小，在随后浇铸、充型、凝固过程相互碰撞、聚合变大，上浮或下沉，成为石墨析出的核心。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。,球状石墨的形核,单个夹杂物 复合夹杂物 球状石墨的核心,石墨形核的条件 石墨的形核分均质形核和异质形核。均质形核：C的微观原子团（C6）n 晶胚 铁液过冷度达200300 异质形核：形核基底的外来质点 符合晶格匹配关系（失配度12%)界面能要求外来质点被石墨润湿,形核物质 1、石墨：未溶石墨、添加晶体石墨、非平 衡石墨 2、岩状结构碳化物基底 3、氧化物 4、硫化物/氧化物 5、铋及铋的化合物,球墨铸铁的孕育,球墨铸铁孕育的重要性灰铸铁、球墨铸铁孕育的异同点孕育衰退现象提高孕育效果的措施 a.选择强效孕育剂 b.必要的S的含量 c.改善处理方法 d.提高铸件冷却速度,球状石墨的生长,球状石墨的生长条件 a、极低的硫、氧含量 b、限制反球化元素 c、保证必要的冷却速度 d、添加的球化元素 第一组：镁、钇、铈、钙、镧、镤、钐、镝、镱、钬、铒 第二组：钡、锂、铯、铷、锶、钍、钾、钠 第三组：铝、锌、镉、锡 最佳含量 W(Mg)：(0.04-0.08)%W(Ce):(0.07-0.12)%W(Y):(0.15-0.2)%,石墨球的螺旋生长,石墨球螺旋生长模型a）生长成的球体 b）角锥体单晶 c）锥顶角与的关系,石墨球生长的工艺措施,从生产实践中得知，使石墨按球状生长的工艺措施为改变化学成分和控制冷却速度。化学成分中，对石墨生长有重要影响的是一些能显著改变铁液过冷倾向的元素；而引起铸铁冷却速度产生变化的因素则是铸件壁厚、铸型以及浇铸。这些条件的实质在于改变石墨结晶的冷却状况。,球墨铸铁的金相组织与力学性能的关系,球墨铸铁的力学性能是和它的金相组织密切相关的。保证铸铁中石墨球化良好，是熔制球墨铸铁的第一要求。只有石墨球化，才能充分发挥金属基体的作用，使铸铁的力学性能大幅度提高。也只有石墨球化后，进一步改变基体的性能才更有意义。,1、金相组织 球状石墨外貌接近球形，内部呈放射状，有明显的偏光效应。石墨是由很多角锥体枝晶组成的多晶体，各枝晶的基面垂直于球径，C轴呈辐射状指向球心。,2、球化分级,GB94411998球墨铸铁金相检验标准将石墨大小分成六级。球墨铸铁石墨球的大小对力学性能的影响很大，减小石墨球径，增加石墨球在单位面积的个数可以明显地提高球墨铸铁的强度、塑性和韧性。石墨球径的减小，使单位面积上球墨铸铁数量增多，可使抗疲劳强度提高，因此，细化石墨也是提高抗疲劳强度的一个要求。,3、石墨大小 石墨球大小分级(GB9441-1988),各种基体与力学性能的关系,1、铁素体 根据GB9441-1988球墨铸铁金相检验评定铁素体数量。其百分比，按大多数视场对照图片评定。一般不检查牛眼铁素体数量，仅检查与其共存的珠光体数量,2、珠光体 在球墨铸铁中，珠光体的形态一般分三级：粗状珠光体、片状珠光体、细片状珠光体。随着珠光体的细化，球墨铸铁的强度和硬度有所提高。若基体为粒状珠光体，则球墨铸铁在保持一定强度的同时，具有更高的塑性。,3、奥氏体、贝氏体、马氏体 由奥氏体、上贝氏体或下贝氏体通过等温淬火，加入适当元素获得。4、渗碳体 渗碳体多呈针状、条状，在球墨铸铁中易使基体变脆，故应避免其出现。5、磷共晶体 磷共晶体在球墨铸铁中对性能的危害比在灰铸铁中大得多。沿晶界分布的二元或三元磷共晶体，强烈降低球墨铸铁的韧性、塑性和强度，受冲击时，裂痕总是沿磷共晶体边缘开始开裂。,球墨铸铁的化学成分,选择适当的化学成分是保证球墨铸铁获得良好的金相组织和高性能的基本条件，化学成分的选择既要利于石墨的球化和获得满意的基体，以期获得满意的性能，又要使球墨铸铁具有良好的铸造性能。,一、五大元素1、碳和硅 由于石墨球对基体的削弱作用很小，所以碳含量在3.2-3.8%时，对力学性能无明显影响。确定球墨铸铁的碳硅含量时，主要从保证铸造性能考虑，将碳当量选择在共晶成分左右。当碳含量过低时，铸件易产生缩松和裂纹；碳当量过高时，易产生石墨漂浮现象，结果使夹杂物增多。硅可以提高石墨球的圆整度，细化石墨，还可以减小结晶过冷和白口倾向。一般认为硅含量大于2.8时，可能降低韧性，使韧性脆性转变温度升高。因此，选择碳硅含量时，应按照高碳低硅的原则，铸件在寒冷地区使用，则含硅量应适当降低。铁素体C：3.6-4.0%Si：2.4-2.8%珠光体C：3.4-3.8%Si：2.2-2.4%,2、锰 球墨铸铁中，由于球化元素具有很强的脱硫能力，不需要锰承担这种功能。锰有严重的正偏析倾向，往往有可能富集于共晶团界处，严重时会促使形成晶间碳化物，显著降低球墨铸铁的韧性。铸态铁素体Mn：0.3-0.4%珠光体球铁Mn：0.4-0.8%,3、磷 磷在球墨铸铁中有很强的偏析倾向，具有增大球铁的缩松倾向，易在晶界处形成磷共晶，严重降低球铁的韧性。对于寒冷地区使用的铸件，易采用磷的下限含量。磷的含量控制在0.04-0.06%以下。,4、硫 球墨铸铁中硫与球化元素的化合能力很强，生成硫化物或硫氧化物，不仅消耗球化剂，造成球化不稳定，衰退速度加快，而且还使夹杂物数量增多，导致铸件产生缺陷。国外一般要求铁液含硫量低于0.02%，我国目前由于焦炭含量较高等熔炼条件的限制，往往达不到这一标准，应进一步改善熔炼条件，有条件可进行炉外脱硫。,二、合金元素 球墨铸铁的合金元素主要有钼、铜、镍、铬、锑、钒、铋等金属。这些元素的主要是起提高铸铁的强度，稳定基体组织的作用。,球墨铸铁的凝固特点,1、球墨铸铁有较宽的共晶温度范围2、球墨铸铁的糊状凝固特性3、球墨铸铁具有较大的共晶膨胀,球墨铸铁的典型缺陷,1、球化不良和球化退化 特征：断口银灰色，分布芝麻状黑斑点。金相组织分布大量厚片石墨。原因：原铁液含硫高，过量反球化元素。建议选用低硫焦炭，脱硫处理，必要时增加球化剂稀土量，控制冲天炉鼓风强度和料位。,2、缩孔和缩松 特征：缩孔发生于第一次收缩阶段。表面凹陷及局部热节凹陷，含气孔的暗缩孔，内壁粗糙。缩松发生于第二次收缩阶段。被树枝晶分割的溶池处成为真空，凝固后的孔壁粗糙、排满树枝晶的疏松孔为缩松。原因：碳当量低，磷含量高，增加缩孔缩松倾向。措施：提高铸型刚度，如使用树脂砂，提高铁液碳当量。,3、石墨漂浮 特征：冷却过程中的过共晶铁液首先析出石墨球，上浮聚集成石墨漂浮，分布于铸件最后部位的上部的冒口处。微观观察石墨球串接呈开花状。原因：碳当量和稀土残留量高，炉料原始尺寸大、数量多，都可能增加石墨漂浮。措施：建议C4%，控制稀土含量，注意原生铁与其他炉料的搭配。,4、反白口 特征：宏观断面为界限清晰的白亮块，呈方向性白亮针，出现于热节中心。金相观察为过冷密集细针状渗碳体。原因：凝固热节中心偏析富镁、稀土、锰等白口化元素，孕育不足或大件冷却速度快等。措施：保证球化前提下减少残留稀土镁，防止炉料内的强烈白口化元素，强化孕育，提高小件铸件温度。,5、夹渣 特征：浇铸位置上表面或死角处，断面呈暗黑无光泽、深浅不一的夹杂物，金相为可见、块状夹杂物。原因：形成一次夹渣的重要原因是原铁液含硫量高、氧化严重；二次夹渣主要原因是镁残留量过高，提高了氧化膜形成温度。措施：降低原铁液硫、氧含量，保证球化时降低镁残留量，加入适量稀土降低形膜温度。浇铸系统应使充型平稳，夹渣部位设集渣冒口。,7、应力变形和裂纹 特征：收缩应力、相变应力之和超过断面金属抗断裂后形成裂纹，热裂呈暗褐色不平整端口，冷裂形成浅褐色光滑平直断口。原因：碳含量低，碳化物形成元素增加，孕育不足，冷却过快等。措施：适当提高碳当量，降低含磷量，加强孕育等措施。,8、碎块状石墨 特征：出现在Ce等活性元素富集在共晶团边界，促使该区域过饱和析出而形成蠕虫状石墨，其断面形态为碎块状。原因：冷却缓慢，共晶凝固时间过长引起的成分偏析和孕育衰退。措施：选用纯净炉料并限制Ce等元素的含量，控制较低的碳当量，加入Sb、Y、Bi等微量元素。,讨 论,薄壁铸态球墨铸铁 在欧美发达国家的阀门铸造工艺中，日趋使用薄壁铸件，可以节约资源。薄壁铸态球墨铸铁件是壁厚仅为几毫米的铸件。由于薄壁，共晶凝固时冷却速度极快，所以抑制白口组织的出现成为首要问题。,分 析,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。因此，为防止白口，对球墨铸铁的某一冷却速度，存在对应的临界共晶团数，即临界石墨球数。只有石墨球数大于该临界数，才能避免白口出现。当铸件越薄，冷却速度越大时，所需的临界石墨球数越多。研究表明，为增加石墨球数目，添加稀土Bi是十分有效的。,6、皮下气孔 特征：铸件表皮下23mm处均匀或蜂窝状分布的球形、椭圆形或针孔状内壁光滑孔洞，直径0.5-3mm，在热处理和抛丸后暴露，小件中较多。原因：铁液表明形成的氧化膜阻碍气体析出，碳化反应中形成的气体，镁残留量多形成的镁蒸汽，炉料潮湿锈蚀等。措施：球化保证条件下降低镁残留量，铁液平稳浇铸，控制炉料干燥少锈，采用少氮或无氮树脂。,球墨铸铁铸件形式,1、大断面球墨铸铁2、铸态球墨铸铁件3、薄壁球墨铸铁件4、高强度高韧性球铁,球墨铸铁的性能,球墨铸铁的力学性能以抗拉强度和延伸率两个指标作为验收依据。在生产工艺稳定的条件下，也可根据硬度值进行验收。因硬度与强度的对应关系建立在球化合格，化学成分、孕育稳定，铸造工艺合理的基础上，为保证性能，规定按硬度验收时，必须检验金相组织，其球化率不得低于4级。即使硬度和球化合格，由于基体其中存在渗碳体、磷共晶、高硅固溶强化等，可能使强度和韧性达不到要求。所以不具备生产工艺稳定的条件下，不能根据硬度值验收。,GB规定的球墨铸铁牌号,一、球墨铸铁的力学性能,1、净荷载性能（1）硬度 球墨铸铁的硬度主要取决于基体组织，而且与抗拉强度、延伸率等净荷载性能有相应的关系。（2）强度和塑性 球墨铸铁的强度和塑性主要取决于基体组织，下贝氏体或回火马氏体强度最高，其次是上贝氏体、索氏体、珠光体。随着铁素体增多，强度下降，延伸率增加。奥氏体或铁素体强度较低，塑性较好。,2、动荷载性能（1）冲击韧度：铁素体球墨铸铁由于含硅量变化，贝氏体球墨铸铁由于 上、下贝氏体及奥氏体数量变化，冲击韧度的变化范围较大。,J,铁素体球墨铸铁试样冲击吸收功温度曲线,各种基体组织球墨铸铁常温冲击韧度,（2）疲劳强度 某些球墨铸铁具有很高的疲劳强度，相当于45号正火钢，如珠光体球铁。,各种基体组织球墨铸铁的弯曲疲劳强度,3、高温性能（1）硬度 各种球墨铸铁低温下有很好的硬度，但在540时开始粒状化，高于650 开始分解，硬度开始下降并逐渐接近铁素体球墨铸铁的硬度。,（2）高温短时力学 性能 图中表明球墨铸铁抗拉强度随温度升高而降低。延伸率中，铁素体先显著降低再急剧升高，珠光体缓慢下降，然后显著增加。,（3）高温蠕变和持久强度,(4)抗疲劳强度,4、低温性能 随温度降低，球墨铸铁逐渐发生由韧性向脆性的转变，尤其在脆性转变温度以下，冲击值急剧下降。同时，屈服强度提高，延伸率下降，对应力集中的敏感性明显增加，表现为屈服以后变形量较小即断裂。对于常温下塑韧性较好的铁素体球墨铸铁，低温下抗拉强度提高。,铁素体和珠光体的低温拉伸性能Si：2.1%；P：0.09%,二、球墨铸铁的物理性能,1、密度（1）球墨铸铁的常温密度,（2）熔融状态镁球墨铸铁的密度,备注（1）C:3.44%，Si:2.56%，Mn:0.22%，P:0.11%（2）C:3.33.6%，Si:1.6-2.6%，Mn:0.4-0.5%，,2、线膨胀系数 随着温度升高，线膨胀系数缓慢增加，600以后显著增加。,（3）热导率 热导率取决于成分、组织、石墨形态和温度。石墨比基体组织的导热性好，石墨沿基面又比沿C轴的导热性好。含碳量越高，导热性越好；球化率越低，导热性越好；温度越低，导热性越好。球墨铸铁热导性高于钢，但低于灰铸铁。,三、球墨铸铁的其他性能,1、减震性 球墨铸铁的减震性优于钢，劣于灰铸铁。球化率越高，减震性越差。温度上升，灰铸铁的减震性下降，但是对球墨铸铁的影响很小。球墨铸铁的弹性模量高于灰铸铁，因此其声波传播速度，固有频率都高于灰铸铁。利用声学的差别，可检验球化率等级。,2、切削性能 球墨铸铁含有较多的石墨，起到切削润滑作用。因此球墨铸铁的切削阻力小于钢，切削速度较高。珠光体增多使球墨铸铁的切削性能下降，贝氏体球墨铸铁切削性能较差。所以，阀门中使用球墨铸铁时，都是采用铁素体珠光体的基体类型。,3、焊补性 球墨铸铁不能焊接，只能焊补。当球墨铸铁中稀土镁合金含量较高时，在焊缝和近焊缝区易产生白口或马氏体组织，形成内应力和裂纹。为此，国家标准GB/T100441988规定了适用于球墨铸铁焊补用的焊条，按照要求，可获得高强度珠光体基体球墨铸铁的焊缝。,4、耐热性 球墨铸铁中的石墨彼此分离，与灰铸铁相比，可阻碍高温下氧的扩散。因此球墨铸铁的抗氧化性和抗生长性均优于灰铸铁，也优于可锻铸铁。铁素体球墨铸铁的高温抗生长性优于珠光体球墨铸铁。提高硅含量或铝含量可改善球墨铸铁的抗氧化性及耐热性。,5、耐腐蚀性 在大气中球墨铸铁耐蚀性优于钢，与灰铸铁、可锻铸铁相近。球墨铸铁在土壤的耐蚀性优于钢，与灰铸铁相近。球墨铸铁抗点蚀能力略强，但球墨铸铁管经腐蚀后的强度损失则小于灰铸铁管。球墨铸铁在室温，0.5%的硫酸溶液的耐蚀性与灰铸铁大体相同，开始阶段球墨铸铁的腐蚀率低于灰铸铁，但在灰铸铁表面形成石墨化层后腐蚀速度下降，球墨铸铁则无下降倾向，而在后期高于灰铸铁。球墨铸铁和灰铸铁在碱溶液中的耐蚀性良好，与钢相近。球墨铸铁对有机物、硫化物、熔融金属（低熔点）的耐蚀性与灰铸铁相近。,6、耐磨性 球墨铸铁是良好的耐磨和减磨材料，耐磨性优于同样基体的灰铸铁、碳钢以致低合金钢。（1）润滑耐磨 球墨铸铁的耐磨性优于灰铸铁。（2）磨料磨损 球墨铸铁在磨料磨损条件下也有一定应用。但与白口铸铁、低合金钢相比，普通球墨铸铁的耐磨性并不太好，只有合金球墨铸铁或合金贝氏球墨铸铁有良好的耐磨性。,球墨铸铁的应用,铁素体球墨铸铁的性能及应用 铁素体球墨铸铁是基体组织中，铁素体占到80以上，余量为珠光体的球墨铸铁，典型牌号为QT400-15，QT40018，QT40010。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振动和冲击的零件。目前在国外一些用离心铸造方法大量生产的球墨铸铁铁管也是铁素体，并能承受地基下沉以及轻微地震所造成的管道变形，而且具有比钢高得多的耐腐蚀性，因而具有高的可靠性及经济性。,混合基体球墨铸铁的性能及应用 QT500-7，QT600-3属铁素体和珠光体混合基体的球墨铸铁，这种铸铁由于有较好的强度和韧性的配合，多用于机械、冶金设备的一些部件中。通过铸态控制或热处理手段可调整和改善组织中珠光体和铁素体的相对数量及形态分布，从而在一定范围内改善和调整和韧性的配合，以满足各类部件的要求。,珠光体球墨铸铁的性能及应用 珠光体球墨铸铁是基体组织中，珠光体占80以上，余量为铁素体的球墨铸铁，QT7002和QT800-2，可以采用正火处理获得。珠光体球墨铸铁的性能特点为强度和硬度较高，具有一定的韧性，而且具有比45号锻钢较优良的屈强比、低的缺口敏感性。,奥氏体贝氏体球墨铸铁的性能及应用,奥氏体贝氏体球墨铸铁开发于上世纪70年代后期，与普通球墨铸铁相比，具有高强度、高塑性、高韧性的综合特点。奥氏体贝氏体的抗拉强度高达9001400MPa，如果降低抗拉强度，延伸率可高达10。奥氏体贝氏体具有的高冲击韧性和抗点蚀疲劳能力，尤其具有高抗弯曲疲劳性能和耐磨性，可用于代替某些锻钢或普通球墨铸铁不能胜任的部件，为此收到广泛重视，视为铸铁冶金领域的重大突破。,球墨铸铁的检测,力学拉伸机强度试验,试件保存,钻样分析,化学成分分析,球墨铸铁鉴别的方法,金相观察及理化实验法,球墨铸铁 灰铸铁,步骤：1、观察金相，评定球 化率等级。2、化学实验，测知C、Si、Mn、P、S等 主要元素的含量。3、力学实验，测知材 质的抗拉强度及延 伸率。,表观观察法,1、钻样取屑法 一件合格的墨铸铁产品，它在机械加工切削过程中，其切屑显片状或条状，而灰铸铁在加工切削中，其切屑是显粉状。,2、敲击法 可以将阀体吊起，借助工具敲击。球化率越好的球铁，球墨铸铁的质量越好，材质越是均一，声音呈现简谐振动波，声响听着越是洪亮悦耳。灰铸铁只能发出沉闷的“咚咚”声，灰铸铁的质量越差，声响越是不和谐。,