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球墨铸铁

时间: 2011-07-24 06:33 来源: 作者: 点击:
球墨铸铁是指铁液经球化处理后,使石墨大部或全部呈球状形态的铸铁。

与灰铸铁比较,球墨铸铁的力学性能有显著提高。因为它的石石墨呈球状,对基体的切割作用最小,可有效地利用基体强度的70%~80%(灰铸铁—般只能利用基体强度的30%)。球墨铸铁还可以通过合金化和热处理,进一步提高强韧性、耐磨性、耐热性和耐蚀性等各项性能。球墨铸铁自1947年问世以来,就获得铸造工作者的青睐,很快地投入了工业性生产。而且,各个时期都有代表性的产品或技术。20世纪50年代的代表产品是发动机的球墨铸铁曲轴,20世纪60年代是球墨铸铁铸管和铸态球墨铸铁,20世纪70年代是奥氏体-贝氏体球墨铸铁,20世纪80年代以来是厚大断面球墨铸铁和薄小断面(轻量化、近终型)球墨铸铁。

如今,球墨铸铁已在汽车、铸管、机床、矿山和核工业等领域获得广泛的应用。据统计,2000年世界的球墨铸铁产量已超过1500万吨。

球墨铸铁的牌号是按力学性能指标划分的,国标GB/T 1348-1988《球墨铸铁件》中单铸试块球墨铸铁牌号,见表1。

表1单铸试块球墨铸铁牌号

球墨铸铁中常见的石墨形态有球状、团状、开花、蠕虫、枝晶等几类。其中,最具代表 性的形态是球状。在光学显微镜下观察球状石墨,低倍时,外形近似圆形;高倍时,为多边形,呈辐射状,结构清晰。经深腐蚀的试样在SEM中观察,球墨表面不光滑,起伏不平,形成一个个泡状物。经热氧腐蚀或离子轰击后的试样在SEM中观察,球墨呈年轮状纹理,且被辐射状条纹划分成多个扇形区域;经应力腐蚀(即向试样加载应力)后观察,呈现年轮状撕 裂和辐射状开裂。球墨是垂直(0001)面向各个方向生长的,从而形成很多个从核心向外辐射的角锥体(二维为扇形区域),(0001)面即呈年轮状排列。在SEM中看到的年轮状及辐射状条纹(或裂纹),就是球墨晶体学特征的反映。

球墨铸铁一般为过共晶成分,因此球状石墨的长大,应包括两个阶段:①先共晶结晶阶段,球墨核心形成后,在铁液及贫碳富铁的奥氏体晕圈中长大。②共晶结晶阶段,球墨周围形成奥氏体外壳,即球墨-奥氏体共晶团。此时,球墨是在奥氏体壳包围下长大的。虽然球墨在共晶阶段的长大速度比在液态阶段迟缓,但球墨的大部分是在共晶阶段长大的。球墨铸铁的共晶团比灰铸铁的共晶团细小,其数量约为灰铸铁的50~200倍。还应说明,球墨铸铁的共晶结晶是一种变态共晶,即球墨和奥氏体均可在单独、互不依存的情况下长大。

为了评价石墨球化的好坏,国标GB/T 9441-1988《球墨铸铁金相检验》将球化等级分为6级,见表2。这是根据观察视场内各种石墨的相对数量及球化率的高低划分的。

表2 球化分级

石墨球的数量是衡量球墨铸铁质量的一项重要指标。某些工厂在检验中,只注意球化率,忽视石墨球数,是不全面的。理由是:①石墨球数增加,球径减小,球墨圆整度提高,分布也趋于均匀。②用石墨球数来评价球墨铸铁的孕育效果,是一种有效、直观的方法。③球墨铸铁中的球数基本上反应了共晶团数。④在薄壁铸件中,铸态是否出现渗碳体,主要取决于石墨球数。美国铸造师协会(AFS)把石墨球数分成7级,见表1-3-3。由表可见,石墨球径和石墨球数之间的对应关系较好,而石墨大小和石墨球数之间的对应关系则较差。

表3 球墨铸铁石墨球数与大小

球化处理是球墨铸铁的关键工序。大致来说,球化处理的历史经历了两个阶段:①20世纪50年代,以纯镁和压入法为主:②20世纪60年代中期开始,以稀土镁合金球化剂和冲入法为主,还相继采用了盖包法、型内法和密流法,20世纪80年代又采用了喂丝法工艺。将纯镁与稀土镁球化剂比较:纯镁的球化能力强,球墨圆整,白口化倾向小,缺点是反应激烈,铁液沸腾,安全性差,还难以避免缩松、夹渣和皮下气孔等铸造缺陷;合金球化剂的稀土,有脱硫去气的作用,能减少缩松、夹渣等铸造缺陷,生产也较安全,但石墨的圆整度往往稍逊于纯镁处理的球墨铸铁,且白口化倾向较大。

孕育处理是球化处理后不可或缺的工序。它能促进石墨化,增加石墨球数,提高石墨圆整度。但加强孕育并不是一味提高孕育量和增加孕育次数。孕育过量,反而会造成孕育缺陷,如缩松、缩孔和石墨漂浮等:孕育剂颗粒大,未曾熔化,残留于铸件内,会成为“硬点”。孕育处理是受多种因素制约的,睹如孕育剂种类,孕育剂粒度、孕育剂数量、孕育方式、铁液温度和孕育位置等等,总之应使处于饱和孕育状态的铁液尽可能接近铁液凝固的瞬间,这样才能以最小的孕育重达到最大的孕育效果。

表3中8个牌号的球墨铸铁,QT900-2一般用热处理制取(例如等温淬火),其余7个牌号分别为珠光体、珠光体+铁素体和铁素体球墨铸铁。在球墨铸铁生产初期,这些牌号都是用正火或退火获得基体组织的,如今都可以由铸态制取了。

生产铸态铁素体球墨铸铁必须注意:①采用低锰w(Mn)<0.03%、低磷w(P)<0.07%、低硫w(S)<0.025%生铁。还应考虑促进碳化物形成元素的影响:碳化物系数CS=Mn+15Cr+20V+30B+10S+7Mo+5Sn+1.5P,其值应取CS<0.8。②控制终硅量,在铁素体达到要求的前提F,尽量降低终硅量。例如,美国某些工厂的终硅量为w(Si)2.2%~2.4%。③降低终硅量又要不出现白口,就应该加强孕育,采用浇口杯孕育、型内孕育等后期孕育工艺,增加石墨球数,这对薄壁铸件尤为重要。④控制残留稀土的w(RE),薄壁铸件为0.015%~0.03%,厚壁铸件为0.02%~0.04%。

生产铸态珠光体球墨铸铁必须注意:①采用低磷低硫生铁,严格控制有害微量元素的含量。②”(Mn)以0.25%~0.50%为宜。⑧为了增加珠光体含量,常用的合金化元素有铜、锡、锑等;若以铜对珠光体的作用为1,则锡、锑的作用分别为10倍和100倍。厚壁铸件宜加入适量的铜。锡易形成晶间碳化物,加入量要控制。④加强孕育,防止出现碳化物。

各种牌号铸态球墨铸铁中珠光体与铁素体的相对数量,与球墨铸铁生产的初期比较,珠光体球墨铸铁中的铁素体量己上升。例如,QT700-2允许铁素体为35%(体积分数),这已趋向于混合基体了。

球墨铸铁的铸造缺陷如缩孔、缩松、夹渣、反白口等,是其他铸铁都有的,有些缺陷如球化不良、球化衰退等,则是球墨铸铁特有的。(end)

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