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优化工艺参数对蠕墨铸铁微观组织和性能的影响

摘要

这篇文章探讨生产蠕墨铸铁（CGI）的各种方法。

对影响CGI的力学性能和微观结构的工艺参数进行了研究。

这些参数包括化学成分、保持时间、温度和铸件的厚度。

结果表明,球化率随着残余Mg的增加而增加,然而还发现增加铜的含量可以增加蠕墨铸铁中珠光体的含量。

减少镁的含量就要延长保温时间,研究发现两者之间的最佳关系是生产铸件中残留镁的含量在0.008%~0.012%时大概需要的保温时间在4分钟。

升高温度造成镁含量的一定损失,增加铸件壁厚造成球化率的下降。

对于机械性能,研究发现抗拉强度和硬度随着残留镁含量和球化率的增加而增大.经验公式可以用来表示球化率,残留镁含量和其他参数之间的关系。

关键词

蠕墨铸铁合金元素机械性能残留镁含量消退时间球化率

1.前言

蠕墨铸铁是与钢相似的,具有短，粗，圆形边缘的紧实形状的基体的一种很有前途的工程材料。

蠕墨铸铁具有介于灰口铸铁和球墨铸铁之间的独特的机械和物理性能。

蠕墨铸铁比传统的灰口铸铁具有至少高70%的抗拉强度、弹性模量高35%,大约两倍的疲劳强度。

因为这些属性及其耐热震性好,蠕墨铸铁已经应用在生产汽车引擎、机器零件和各种卷类零件。

相比之下,灰口铸铁热疲劳导致更短的疲劳寿命和它也可能经历严重的热变形。

为了控制蠕状石墨在蠕墨铸铁中的几何结构,有必要严格控制化学过程和工艺过程，因为这两个环节容易生成球墨铸铁。

一个理想的蠕墨铸铁是一个没有片状石墨的结构和球状石墨的数量小于20%,多余80%的石墨为蠕虫状。

合金元素,如钴、钛、钼、甚至铝,可以用来改变铸态矩阵从铁素体基体向珠光体转变。

石墨结构修改器包括镁和稀土金属（铈、镧、等等）[1,4]。

同时,钛镁的扩展工作范围控制石墨的形状,还可以抑制珠光体的形成（2、3、7）。

其他的影响蠕虫状石墨的形成因素包括液态金属的保持时间,在凝固时的冷却速度、浇注时间和浇注温度（3、5）。

这些因素也彼此互相影响，并且影响矩阵结构。

不考虑使用的合金元素,蠕墨铸铁的高铁素体化倾向应该考虑在内[11]。

合金元素铜在铸铁中促进珠光体的形成[2,6]。

然而,在几项研究中,一个完全珠光体结构是无法获得的甚至在1.7%铜当使用高纯度材料（5,12,13）。

因此,为了生产珠光体材料,可能需要增加比平时更高水平的合金元素或添加两种或者三种合金元素。

例如,被认为是一个强大的珠光体稳定器和锡在一项研究中,一个结构,包含95%得到珠光体0.13%锡[2]

目前进行的研究是为生产蠕墨铸铁提供技术数据以减少在加工蠕墨铸铁成分时缺陷的发生率。

为了在某种程度上成为可能,同时研究了各种影响因素,以检查他们整体对微观结构和力学性能的影响。

2.实验过程

2.1材料

这项工作中所使用的材料是生铁、废钢、碳添加剂,硅铁,纯铜,钛铁和球化剂。

这些材料的化学成分如表1所示。

表1

合金添加物的化学成分

项目

C%

Si%

Ti%

Cu%

Mg%

Mn%

生铁

4.2

0.2

0.002

0.002

0.001

0.1

废铜

0.2

0.2

0.001

0.0001

0.0001

0.01

碳

90

-

-

-

-

-

硅铁

0.5

75

-

-

-

0.2

铜

99.99

-

-

-

-

-

球化剂

0.2

45

-

-

5.5

-

2.2.设备

使用的感应熔化炉Dual-Trak系统炉（模型型号:

VIP–Tri–Trak-100;频率:

500赫兹;功率:

50千瓦;熔化能力:

10公斤）。

它配备一个氧化铝坩埚。

感应场能很好的搅拌熔融金属进而获得一个均质核化。

碳当量分析仪（QC记录器CompNakayama有限公司、日本）被用来确定研究中检测样本的碳当量（C%和Si%）。

2.3.程序

重约4公斤的生铁和废钢加进高频感应坩埚炉,并完全融化。

用一个相同的流量来去除炉渣。

熔化的铸铁在高温中保持,将一些融化物浇进与碳当量分析仪相连接的容器中。

此后,使用碳当量分析仪来调整和检查化学成分。

一旦主要合金添加剂完成后,在添加球化剂之前,使那些从每一份做化学分析的融化物中收集来的试样变冷。

用一种铁-硅-镁球化剂进行液态处理时,直接将球化剂加入到浇包中的熔融金属中或者先将球化剂放在浇包底部,然后将熔融金属浇到浇包中。

出渣温度在1350℃到1450℃。

熔融金属浇到碳当量分析仪坩埚中测量CE,之后添加球化剂。

理想的保温时间之后,液态金属被浇到冷的型腔中来生产一个做化学分析的样本,并且砂型梯度如图1。

模具梯度允许有不同的壁厚（冷却速度）和不同的有效浇注时间来检查。

一旦凝固并冷却到室温,样本就要从砂型中取出,并且切割开来做金相分析和力学测试。

微观结构包括石墨的形状（球化）和铸件中珠光体的比例在估计分析仪使用阶段。

标本切割为了进行机械测试。

测试进行了包括抗拉强度、磨损阻力和硬度。

图1.铸件和模具原理图

3.结果与讨论

3.1.残余镁（Mg%）的影响

残余镁被发现对球化率有强烈的影响。

残余镁含量对在不同截面厚度时对球化率的影响如图2所示。

可以看出，球化率近似线性增加随着残余镁含量的增加,但随着截面厚度的增加而减少。

此外,对剩余Mg含量的敏感性随着截面厚度的增加而降低。

对于一个给定的残余镁含量,球化率随着截面壁厚而下降是由截面部分的凝固速率下降而造成的。

合金生产中,球化百分率与厚度（10-50mm）之间的关系可以表示为以下经验公式:

球化率%=3091.4（Mg%）+50.0（Mg%）（x−30.0）−9.5

且0

其中Mg是残余镁含量百分比，x是铸件的厚度，单位是毫米

图2.残留镁含量和壁厚对蠕墨铸铁的球化率的影响

3.2.衰退时间的影响

在1400◦C（定义为当球化剂添加到熔融金属中和当铸件浇注完成的时候）时保温时间对残留镁含量的影响如图3所示。

它可以看到有一个总体趋势残留镁含量（或衰落的残留镁含量）随着保温时间的增加而下降。

到大约3分钟时衰减速度相对较低。

3~7分钟之间衰减率出现了增加，在这段时间里融化物中有不到0.001%的残留镁。

从这个图，保温时间在4-5分钟时生产的铸件残留镁含量从0.01到0.012。

据推测，衰退速率的变化是由于最初加入了与Fe-Si-Mg球化剂相关联的镁,补偿了镁的损失。

基于图3呈现的数据，,残留镁和衰退时间之间的关系由以下经验公式给出:

残留镁含量=t2−0.0004+0.0004+0.0179，

0

（2）

t为时间，单位是分钟。

图3.保温时间对残留镁含量的影响

3.3.浇注温度的影响

经研究，温度对残留镁含量的影响是两个不同的保温时间,使用逐渐格式步骤温度范围从1350~1450℃，结果如图4所示。

从这个图中,可以看出残留镁含量随温度增加而降低。

大概的,温度增加导致镁从熔融金属中蒸发快进而导致镁消退的速率增加。

从加工的角度来看,熔体温度的控制显然是控制残留镁含量和在一定程度上控制石墨形态的关键。

图4.在1400℃时不同的保温时间对残留镁含量的影响

3.4.添加球化剂的方法

向熔体中添加镁的方法也是检查使用铸造格式。

图5显示的结果表明通过挤的方法添加球化剂比通过注射方法会导致整体更高的残留镁含量，然而这两种添加方法的衰退速度是相同。

当使用挤的添加方法时,可以观察到有Fe-Si-Mg合金在燃烧。

图5.保温时间对不同的添加方法的残留镁含量的影响

3.5.铜的影响

使用铸件梯度来研究铜和板厚度（冷却速度）对珠光体数量的影响。

如图6所示，在板厚度一定时，铜在0%-1.0%范围内增加了珠光体的百分含量。

板厚度的影响是减少珠光体的百分含量。

铜含量从0%增加到1%导致珠光体增加大约30%到80%。

在10毫米厚部分和增加大约20%到65%。

基于在图6中呈现的数据，珠光体的数量与铜含量百分比有以下关系：

珠光体%=1/4（192立方铜−x+122）,

0%<铜<1%和10毫米

X表示铸件厚度，单位是mm。

图6.铜对不同壁厚部分中珠光体含量的影响

3.6.生产的蠕墨铸铁的显微结构

图7显示了化学成分为3.5%C，2.5%Si，0.39%Mn，0.009%Mg和碳当量为4.33的蠕墨铸铁样本的SEM显微结构。

一种包含有少于5%的球装石墨的理想的蠕墨铸铁的结构见图7a和b，这是宽长比率在2:

5和2:

10之间的一种背散射扫描电镜显微结构，其在文献【5】中证明了报道价值。

图8显示了使用高倍显微镜获得的一系列显微照片。

图8a和b显示了获得了典型的微观结构从30mm厚度且合金含有0.008%镁和0.001%的铜。

图8a所示可以看出标本展览一个球化率少于5%的好的均匀石墨结构。

图8b显示了显微照片展示了应用硝酸浸蚀液（3%硝酸溶液甲醇分解）腐蚀3分钟得到的矩阵结构。

从显微照片可以看出CGI存在于一个铁素体-珠光体矩阵大约有75%的铁素体和25%的珠光体。

图8c和d显示了从30毫米截面厚度合金含有0.011%的镁和0.6%的铜获得的显微结构。

从这些显微图，它可以观察到球化率随着镁含量的增加可以增加到15%。

珠光体的数量也随着铜含量的增加而增加到52%。

图7.化学成分为3.5%C,2.5%Si,00.39%Mn,0.009Mg和CE为4.33的CGI合金的SEM微观组织.（a）为X500的SEM宏观图（b）为X500的背散射扫描图

图8.不同含量的珠光体和铜的蠕墨铸铁的微观图

3.7.蠕墨铸铁的机械性能

残余镁含量对UTS和样品厚度为10，30，50mm的硬度影响如图9和10。

图9表明,对所有尺寸的极限抗拉强度随残留镁含量的增加而增加，因为球化率的增加。

对于同样的镁含量,UTS随断面尺寸增加而降低。

这减少是由于冷却速度下降。

因为液体需要更长的时间来凝固，镁通过蒸发的损失大和球化率的降低。

从图10可以看出，硬度随着残留镁和球化率的增加而增大，因为浇注后,不可以继续蒸发。

与UTS相似，壁厚减小是增大了硬度，因为它可能有更好的机械性能，来自于具有高冷却速率的薄壁部分比厚壁部分具有更细的结构。

图9.残留镁含量对不同尺寸的抗拉强度的影响

图10残留镁含量对不同尺寸的硬度的影响

4.结论

本研究进行了蠕墨铸铁生产中影响参数的检测。

主要的结论如下:

（1）球化率，残留镁含量和铸件厚度之间的关系可以表示为一个经验公式来估算在不同残留镁含量和厚度下的球化率。

（2）最佳化学成分是CE（4.2--4.5%）,C（3.3-3.7%），Si（2.1-2.7%），铜（0-0.6%），残留镁含量在0.008-0.015%之间。

（3）研究发现残留镁含量的减少要增加保温时间。

（4）提高处理温度引起的镁的衰退速度的增加。

（5）用挤的方法添加镁更有效。

（6）珠光体的数量的增加与铜浓度增加与冷却速率增加（减少部分厚度）。

（7）抗拉强度和硬度随着残留镁含量和球化率增加而增加，发现随着冷却速率的增加，两者都增加。

特别感谢

这项工作得到了南韩全州市全北国立大学的博士后项目（2006）和海外研究项目（2007）的赞助和支持。

参考文献

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