冯鑫 西安工业大学 综合实验报告 铸造方向.docx
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冯鑫西安工业大学综合实验报告铸造方向
薄壁灰铸铁组织及性能研究
学校:
西安工业大学
班级:
080303班
学号:
080303103
姓名:
冯鑫
指导老师:
王鑫
时间:
2011-11-24
目录
摘要:
-2-
关键词:
薄壁灰铸铁、金相组织、D型石墨、珠光体、抗拉强度-2-
1引言:
薄壁灰铸铁的发展及应用-2-
1.1国内外的发展状况-2-
1.1.1调节Si/C值-2-
1.1.2调整锰硫磷的值-2-
1.1.3其他合金元素的影响-3-
1.1.4孕育处理-3-
1.1.5灰铸铁的熔炼-3-
1.2高强度灰铸铁应用中存在的问题及研究的意义-3-
2、实验内容及方法-4-
2.1铸造合金的成分选定-4-
2.1.1基本元素及作用-4-
2.1.1.1Si/C的影响-4-
2.1.1.2锰硫磷的影响-4-
2.1.2合金元素及作用-5-
2.1.2.1Cr和Cu作用-5-
2.1.2.2Ti的作用-5-
2.2铸造合金的配料计算-5-
2.3灰铸铁的熔炼要求及炉前处理-7-
2.3.1对熔炼的要求-7-
2.3.2孕育处理-7-
2.4灰铸铁试样的制备-8-
2.5机械性能测定及显微组织分析-8-
2.5.1机械性能的测定-8-
2.5.2金相组织分析-8-
2.6实验结果和讨论-10-
2.7结论和建议-10-
参考文献:
-11-
致谢-12-
摘要:
碳当量w为4.2%时,取较高的Si/C比,获得较多的D型石墨,通过加入Cu以稳定和增加珠光体组织并可以减轻白口倾向,加入Mn以获得稳定珠光体组织,控制浇筑时间、浇注温度和铸件冷却速度,得到珠光体D型灰口铸铁,并对其金相组织和力学性能进行研究,以获得高强度薄壁灰铸铁。
关键词:
薄壁灰铸铁、金相组织、D型石墨、珠光体、抗拉强度
1引言:
薄壁灰铸铁的发展及应用
1.1国内外的发展状况
为了提高灰铸铁的强度,各国进行了大量的研究工作。
美国铸造学会AFS于1997年成立了专门的薄壁铸铁集团(TWIG)来完善高强度铸件及薄壁件的技术;日本面向21世纪高强度灰铸铁技术得到了政府三千万日元的支持;我国在“七五”期间将高强度薄壁灰铸铁技术列为攻关项目,进行了大量的研究,并取得了丰硕的成果。
大量研究表明,开发高强度薄壁灰铸铁首要任务是开发高碳量、高强度、高刚度、低应力的灰铸铁及其强化工艺。
对于如何提高灰铸铁的强度,国内外工作者进行了大量工作,总结提高灰铸铁强度的措施有以下几方面。
1.1.1调节Si/C值
早在上世纪60年代初,Walther-Hiller等人提出了提高灰铸铁的Si/C可以显著提高抗拉强度的观点。
从上世纪80年代开始,调整灰铸铁Si/C的研究受到国内有关方面的广泛重视,并取得了大量的研究成果。
近年来的研究发现:
碳当量为3.8%,Si/C从0.5→0.7→0.9变化时,铸铁的抗拉强度呈抛物线变化,硬度呈下降趋势;在Si/C=0.7时,抗拉强度达最大值,为357.1MPa,硬度HB238,即不进行传统的孕育处理,只调整Si/C,即可容易得到HT250以上的高强度灰铸铁。
还有研究发现当碳当量CE>4.0%时,Si/C增大,对抗拉强度影响很小,而硬度呈下降趋势,此时,无论怎样调整Si/C,强度等性能不可能提高,反而随着超过数值的增大,强度、硬度逐步下降。
也就是说高碳当量的铸铁不适合通过提高Si/C来获得高强度。
1.1.2调整锰硫磷的值
文献指出高硅碳比灰铸铁的碳当量控制在4.0%~4.1%,硅碳比控制在0.75~0.85;当锰量在0.7%~1.7%时,铸铁抗拉强度变化不大。
磷对孕育处理无显著影响,适量的磷含量可改善铸铁切削加工性,可使铸件粘砂减少,一些氧化性气孔、铁豆孔等缺陷也减少,同时磷能提高铁液的流动性,铸件充填性好,也有利于去渣排气,容易获得健全铸件,对于生产薄壁件特别有利;但磷含量过高会降低铸铁韧性和强度。
因此生产薄壁液压件,磷质量分数以不超过0.15%为宜。
1.1.3其他合金元素的影响
Cu可抵消Cr元素增大白口的不利影响,Cu和Cr在复合加入时的强度优于其单独加入。
Sn的加入对灰铸铁力学性能的改善不太明显;而灰铸铁中加入Sb在可有效地改善壁厚敏感性的同时,还可显著提高各断面的硬度值。
Mo是提高灰铸铁强度最有效的合金元素之一,同时也是较温和的反石墨化元素,具有较温和的碳化物形成作用,对石墨有阻碍作用,可以细化珠光体,亦能细化石墨,从而改善石墨片提高珠光体灰铸铁的强度,在改善石墨片时并不减少石墨片的细小空间。
但是加入合金元素后,生产成本提高,产品在市场中的竞争力就会下降。
1.1.4孕育处理
一汽无锡柴油机厂开发的新型柴油机薄壁缸体铸件,探索在高碳当量(3.9%~4.1%)的条件下,通过加入少量合金元素,采用复合孕育剂及工艺的方法,生产高强度灰铸铁(抗拉强度大于250MPa,铸件硬度大于200HB,差值小于HB35)。
司乃潮等[16]用该厂HT250铁液,在3.80%~4.22%碳当量的范围内,采用Cr和Cu低合金化,并通过60%BaSi+40%75SiFe复合孕育剂孕育处理后,其抗拉强度均超过HT250指标,最高值达到335MPa。
2000年12月江苏省科技厅组织对“新型薄壁柴油机缸体”进行了鉴定,新型薄壁柴油机缸体已在一汽无锡柴油机厂进行了多年的大批量生产。
徐桂芳采用较高碳当量的铁液成分,分别加入几种孕育剂对其进行孕育处理,同时加入合金元素。
试验及实际生产结果表明:
选择60%BaSi+40%SiFe作为高碳灰铸铁件缸体的复合孕育剂并加入合金元素,其抗拉强度能稳定在250MPa以上,并减小白口宽度和断面敏感性,达到了设计要求。
1.1.5灰铸铁的熔炼
国外出铁温度一般在1550℃以上,而国内一般1480℃左右。
其次,要获得高质量的铁液,必须采取适当的工艺措施减少铁液中气体、夹渣等杂质,为此一些新的技术如陶瓷过滤器技术在铸造生产中得到了广泛的应用。
某汽车厂用冲天炉-电炉双联熔炼,用炼钢生铁替代缺货的铸造生铁,虽然铁液成分、熔化工艺、炉前处理不变,但缸体曲轴箱产生裂纹造成大量报废,恢复用铸造生铁后,裂纹缺陷消失。
原因是低硅的炼钢生铁断面有白口,遗传因素导致裂纹。
1.2高强度灰铸铁应用中存在的问题及研究的意义
目前,国内外学者对于低碳当量的高强度灰铸铁已经有了广泛的研究,但是在汽车等工业领域中,缸体、缸盖等薄壁件的生产不仅要求良好的铸造性能而且要求良好的力学性能。
高碳当量铸铁有着良好的铸造性能但其力学性能比较低。
因此如何在保持高碳当量铸铁良好的铸造性能的同时,使其力学性能得到一定程度的提高,在生产中具有非常现实的意义。
从生产成本的角度出发,研究孕育剂在高碳硅铸铁中的作用有着比较实际的意义。
2、实验内容及方法
通过金相组织观察,研究合金化元素对珠光体灰铸铁力学性能的影响。
通过机械性能测试,初步分析合金元素对珠光体灰铸铁抗拉强度的影响规律。
通过对拉伸试棒数值分析,金相组织观察分析铸态条件下球墨铸铁缺陷的形成和防止缺陷的方法。
2.1铸造合金的成分选定
初设各元素参数(表2-1):
元素名称
C
Si
Mn
Cu
Ti
P
S
V
质量分数(%)
3.2%
2.9%
0.85%
1.0%
0.10%
<0.07%
<0.09%
0.30
2.1.1基本元素及作用
2.1.1.1Si/C的影响
当CE=4.0%时
(1)Si/C从0.5—0.7—0.9变化时,铸铁的组织从
P+L+GE—P+GA—P+F+GD。
(2)Si/C从0.5—0.7—0.9变化时,铸铁的拉伸强度呈抛物线变化,硬度呈下降趋势。
在Si/C=0.7时,拉伸强度达最大值,为357.1MPa,硬度为I--IB238。
不进行传统的孕育处理,只调整Si/C,可容易得到HT250以上的高强度灰铸铁。
[2]
2.1.1.2锰硫磷的影响
锰在高强度灰铸铁中是极其重要的元素,它提高灰铸铁强度的机理表现为:
阻碍石墨化,增加凝固过程中奥氏体和珠光体的枝晶含量,同时降低共晶转变温度,促使珠光体片细化,片间距减小;锰可与铁液中的硫生成高熔点MnS,MnS可增加铁液中的形核中心,这样就可细化珠光体的组织,提高灰铸铁的强度。
硫在铸铁中有双重作用,一方面它是强烈稳定铸铁的渗碳体元素,另一方面硫与锰形成MnS,会促进石墨化。
锰和硫本身都是稳定碳化物、阻碍石墨化的元素。
当铁液中硫低时锰易产生负偏析,导致晶界碳化物形成,甚至出现富锰硬化相,使加工性能恶化。
硫低时铁液共晶成核难、长大难,所以容易过冷出现D、E型石墨;但硫高时以自由状态存在阻碍石墨长大,使铁液过冷生成渗碳体。
所以铁液中硫过低(<0.05%)或过(>0.16%)都会导致石墨恶化,使用任何孕育剂都难以奏效灰铸铁中硫和锰的含量对组织及性能的影响很大。
一定的锰、硫配比,可得到较高的强度值,较多的共晶团数,以及较低的白口深度[3]
2.1.2合金元素及作用
2.1.2.1Cr和Cu作用
Cr和Cu都是稳定珠光体的元素,可以起到增加和稳定珠光体量,细化珠光体组织的作用,显然能明显提高灰铸铁的强度。
但Cr的加入必然引起白口倾向的增加,且Cr量达到一定量后,灰铸铁的强度会下降。
Cu也是灰铸铁中最常用的合金元素之一。
Cu可抵消Cr元素增大白口的不利影响,有利于保证铁液的铸造工艺性能。
因此,Cu常和合金元素Cr一起使用。
Cu和Cr在复合加入时的强度优于其单独加入。
2.1.2.2Ti的作用
钛在铸铁中具有石墨化和反石墨化的双重作用,其含量较低时表现为石墨化作用,含量高时则表现为反石墨化作用,由石墨化转变为反石墨化的临界值除与钛含量有关外,还与铸铁成分、铸型冷却能力以及铸件的厚度有关,一般情况下,钛的石墨化作用是使珠光体和共晶团数增力口,奥氏体枝晶减少;反石墨化作用则表现为珠光体和共晶团数减少,奥氏体枝晶增多。
2.2铸造合金的配料计算
(1)计算碳当量:
CE=C+1/3(Si+P)=3.2+2.9×1/3=4.16
1炉料各元素含量:
C%=3.2÷(1-0.03)=3.29
Si%=2.9÷(1-0.05)=3.05
Mn﹪=0.85÷(1-0.08)=0.92
2确定炉料配比:
生铁用量=3.29÷4.13×100%=79.7%
废钢用量=1-%=20.3%
3原材料中合金元素含量:
Si原材料%=1.42×79.7%+0.35×20.3%=1.2
Mn原材料%=0.30×79.7%+0.5×20.3%=0.34
取孕育剂=0.8%
Si孕育剂%=75%×0.8=0.6
4需要补充的量:
Si75硅铁补充%=(3.05-1.2-0.6)/0.75=1.25
Mn补充%=(0.92-0.34)/0.8=0.725
综上计算可得出各部分成分的质量为(总质量M=5Kg):
m生铁=5×79.7%=3985g
m废钢=5000-3985=1015g
m孕育剂=5000×0.8%=40g
m补充孕育剂=5000×1.25%=62.5g
m锰铁=5000×0.725%=36.3g
m铜=5000×1%=50g
m锑=5000×0.012%=0.6g
(2)原材料配比清单(表2-2-1)
炉料名称
配比
C(%)
Si(%)
Mn(%)
原材料
79.7%
3.29%
1.13%
0.23%
废钢
20.3%
0.11%
0.71%
0.1%
孕育75硅铁
0.8%
0.6%
补加75硅铁
1.25%
补加锰铁
0.725%
表(2-2-1)
(3)配制5Kg球墨铸铁使用原材料清单(表2-2-2)
炉料名称
质量
生铁
3985g
废钢
1015g
孕育75硅铁
40g
补加75硅铁
62.5g
锰铁
36.3g
铜
50g
钛
5g
2.3灰铸铁的熔炼要求及炉前处理
2.3.1对熔炼的要求
优质的铁液是获得高质量球墨铸铁的关键,适用于灰铸铁生产的优质铁液应该是高温、低硫、磷含量和低的夹杂含量。
由于在灰铸铁孕育处理过程中要加入大量的孕育剂,这使的铁液温度降低50~100℃。
因此,为了保证浇注温度,铁液温度至少应在1450-1470℃以上。
2.3.2孕育处理
孕育处理是提高铸件力学性能、使用性能等的重要途径,其主要作用体现为:
①控制石墨基体组织,获得细小片状A型石墨和珠光体基体;②控制渗碳体,促进石墨化,防止薄壁处硬度过高和出现白口;③改善铸件断面均匀性和降低壁厚敏感性,提高切削性能;④提高试棒和本体的强度,改善力学性能。
各类孕育剂有不同的孕育特征,分别在提高强度,抑制白口能力,改善石墨形态、硬度、组织均匀性以及减小敏感性等方面发挥各自的作用
优良的灰铸铁孕育剂,应具有以下功能:
(1)形核能力强。
数量较少的孕育剂,能形成数量较多的形核基质,在一定冷却速率下能产生较多的石墨球数;
(2)减少白口倾向及不同断面对白口倾向的敏感性;
(3)有脱氧、脱硫能力,利于石墨球化;
(4)抗衰退能力强,能维持较长的有效作用时间;
(5)对基体有强化作用。
铸造硅铁是最为常用的孕育剂,可以占到全部孕育剂的70-80%,根据硅的含量分为三类,即45SiFe、75SiFe、85SiFe,其中应用最多的是75SiFe。
在球墨铸铁球化处理后加入硅铁孕育剂,不但能够增加石墨数量和共晶团数,还可消除游离渗碳体和磷共晶,提高球铁塑韧性等。
研究指出硅铁的孕育作用主要得助于其中所含的钙,铝和其它元素,我国已拟定了作为孕育剂的铸造硅铁标准,含铝0.8-1.6%,钙0.1-1.0%,其中含钙0.5-1.0%的成核能力较强,使用于灰铁,也适用于球墨铸铁;含钙0.1-0.5%的硅铁在铁液中熔化的渣量少,主要应用于球铁和较低铁液温度的灰铁。
[8]
2.4灰铸铁试样的制备
在成分的优化与设计中,实验合金在5kg感应电炉中熔炼,先将生铁和废钢在炉中化清,然后加入合金化元素,调整合金成分,待铁合金化清后,扒掉铁液表面炉渣,最后出炉浇注。
铁水出炉温度在1500℃左右,浇注温度在1450°C左右。
孕育剂为75Si-Fe。
浇铸完成后80分种开箱空冷。
再用切割机切割,砂轮机打磨试样,试样尺寸如图2-4[5]
拉申式样图图2-4
2.5机械性能测定及显微组织分析
2.5.1机械性能的测定
抗拉强度测试方法
为研究球铁的拉伸强度,试样尺寸按照国标GB228-87,尺寸大小见图2-4。
使用万能试验机(最大载荷为300KN)对机加工后的试样进行拉伸试验,直接从试样机上得出抗拉强度σb数据,延伸率δ通过测量标距的绝对伸长量ΔL,除以试样原始标距L0得出。
数据如下表(2-5),拉伸曲线见附表。
试样号(No)
面积(S)
最大载荷(MPa)
抗拉强度(MPa)
1
64
17962.75
280.668
表(2-5)
2.5.2金相组织分析
为了研究和分析铸态珠光体灰铸铁的金相组织,用手锯在铸态拉伸试样上切一小块试样。
对于取下的试样进行修整,用砂轮机侧面磨制,在试样与砂轮接触时,保持磨面与砂轮面平行,用以均匀。
另外,在磨样过程中试样沿着砂轮的径向往复缓慢移动,防止砂轮表面形成凹坑,同时进行水冷,防止磨面组织发生变化,磨面磨平整后并进行倒角,以免划破砂纸和抛光布。
粗磨后进行细磨,分别依次按从砂粒度从大到小的顺序选择0号、01号、03号、04号、05号、06号、07号金相砂纸进行手工磨制,接着进行机械抛光,机械抛光在在抛光机上进行将抛光织物用水浸湿,铺平,用压圈绷紧在抛光盘上。
抛光布用金丝绒布。
抛光盘逆时针转动,将适量抛光液地洒在抛光盘上进心抛光。
抛光后对试样进行水洗,在经无水乙醇冲洗吹干,吹干后用显微镜检查磨面是否有道痕、水迹等。
经检查确保试样磨面无划痕,水迹后再进行化学浸蚀,浸蚀剂选择4%硝酸酒精溶液,浸蚀2秒后用流动水冲洗后在浸蚀面上喷适量无水乙醇,迅速用吹风机吹干,完成制样过程。
对试样金相观察用NEOPHOT—30大型金相显微镜。
目镜用CFWN10×,照明用高亮度汞灯。
先用物镜5×选择合适的清晰的区域,再换用50×物镜观察,拍摄的相片如图2-5-1,接着换用100×的物镜观察,移动视场,拍摄相片如图2-5-2。
导致铸铁白口倾向的因素:
a.冷却速率很高。
发生共晶反应以前,铁水就冷却到铁-渗碳体共晶温度以下。
b.铸铁的碳当量太低。
凝固过程中析出的初生奥氏体枝晶多,剩下的共晶成分的液相不多,发生共晶反应时,释放的热量不足以使温度升高到铁-渗碳体温度以上。
c.合金元素的影响,大多数合金元素都会影响共晶碳含量,使碳当量改变,从而促成白口。
图2-5-1
图2-5-2
2.6实验结果和讨论
1)力学性能
延伸率δ通过测量标距的绝对伸长量ΔL,除以试样原始标距Lo得出。
从试样机上得出抗拉强度σb=280.668Mpa。
Lo=45,L=47.6。
则可以计算出延伸率δ=(L-Lo)/Lo=5%。
2)金相组织
从图2-5-1和图2-5-2可以看出,在50倍和1000倍不同放大倍数下观察,铸态珠光体灰铸铁的珠光体含量达到了85%以上。
通过金相组织可以看到灰铸铁组织是金属基体加片状石墨,金属基体是铁素体和珠光体的混合物,石墨片成菊花状分布,为A、D型石墨的混合组织。
由于在铸件冷却过程中开始的过冷度较大,先析出D型石墨,后期放出凝固潜热,过冷度减小,析出A型石墨。
本实验中冷却时间较长,即采用过冷度较小的方法,得到较多的片状A型石墨。
过冷度大时还会使铸件白口倾向较大。
为获得组织是D石墨加珠光体的灰口铸铁,实验时应控制过冷度的影响,采用开始过冷度较大,后期经行长期保温,以获得较多的D型石墨。
2.7结论和建议
本次试验通过对铸造合金成分的设计,熔炼,造型并浇注成型。
通过力学性能的测定以及金相的观察,并分析了基本元素碳、锰、硅三种元素的基本作用,并初步分析了铜、钛等元素对珠光体的作用以及影响,初步得出以下结论:
(1)铸态珠光体灰铸铁的碳含量不宜过高,过高会导致石墨化严重。
(2)锰的主要作用是获得细化珠光体,挺高力学性能,单是会抑制石墨的析出。
(3)过冷度的大小影响铸件的白口倾向和石墨形态。
(4)铜较强的促进珠光体形成元素。
加入适量的铜便能使珠光体含量达到80%左右,是较强的促进珠光体形成元素。
能显著提高力学性能。
提高抗拉强度和延伸率。
(5)稀土元素虽然有脱硫、去气、净化铁液等有利作用,但是偏析严重,稀土量过高会恶化石墨形状。
针对以上的结论可以提出以下几点建议:
(1)选择合适的碳含量,硅碳比控制在0.75~0.85。
(2)在进行铸态珠光体灰铸铁生产生产时应该对锰的加入量进行控制。
一般在0.4%-0.8%之间。
(3)对铸件冷却速度经行控制。
开始使用较大的过冷度,后期采用保温减小过冷度。
(4)Cu和Cr在复合加入时的强度优于其单独加入。
(5)开发新的变质处理技术,用GF350变质剂进行处理,由于碳硅量较高。
而合金量并没有增加,所以铁液白口和收缩倾向不大。
这就很好地解决了强度和收缩的矛盾。
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致谢
本文的写作是在王鑫老师的悉心指导和帮助下完成的,在金相组织制备和抗拉强度测试中刘春霞、杨通、刘建康三位老师给我们也予极大的帮助支持,在此感谢各位老师的帮助!
感谢赵升同学和在实验过程中提出了宝贵意见,在实验期间以及论文写作阶段给予极大的帮助!
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