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讓我們共同學習 共同提升 2012年10月6日 培訓內(nèi)容 球墨鑄鐵件的生產(chǎn)典型缺陷和金相檢驗 主講人 王艷珍 為什么要化驗 化驗分析是冶金工業(yè)的必要組成部分 它對指導生產(chǎn)及調(diào)整配料具有重要意義 例如在原料購進和熔煉過程中 提供正確數(shù)據(jù) 可以保證產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量 節(jié)約材料 更快促進鑄造生產(chǎn)的發(fā)展和鑄造技術水平的提高 并給鑄造技術工作者提供工作上的方便 鑄造學上的產(chǎn)品分類 鑄鋼 灰鑄鐵 球磨鑄鐵 可鍛鑄鐵 耐磨鑄鐵 抗磨鑄鐵 冷硬鑄鐵 耐蝕鑄鐵 耐熱鑄鐵九大類 而現(xiàn)在鑄造車間生產(chǎn)以球磨鑄鐵為主 所有產(chǎn)品都含有碳 硅 錳 磷 硫五大元素 但是標準不同 機械性能也不同 化學成分直接影響著機械性能 什么是球磨鑄鐵 球墨鑄鐵是指鐵液在凝固過程中碳以球型石墨析出的鑄鐵 與灰鑄鐵相比 其金相組織的最大不同是石墨形狀的改變 避免了灰鑄鐵中尖銳石墨的存在 使得石墨對金屬基體的切口作用大為減少 基本消除了片狀石墨引起的應力集中現(xiàn)象 使得金屬基體的強度利用率達到70 90 從而使金屬基體的性能得到很大程度的發(fā)揮 球墨鑄鐵的特性 球墨鑄鐵可以像鋼一樣 通過熱處理和合金等措施來進一步提高其使用性能 比如 處理過的球墨鑄鐵可以取得很好的韌性 延伸率高達24 抗拉強度可以高達1400MPa 基本接近鋼材 與鋼材相比 球墨鑄鐵還有很多優(yōu)點 比如鑄造性能好 成本相對較低 由于球墨鑄鐵產(chǎn)量的不斷增加 性能不斷開發(fā) 現(xiàn)已成功取代了鍛鋼和鑄鋼 成為前景廣闊的金屬結構材料 球墨鑄鐵的金相與力學性能 金相組織與力學性能的關系力學性能與金屬的金相組織密切相關 什么樣的金相結構決定了什么樣的力學性能 球墨鑄鐵也不例外 只有石墨球化 才能發(fā)揮金屬基體的作用 使鑄鐵的力學性能大幅度提高 也只有石墨球化 進一步改變基體的性能才更有意義 因此 對球墨鑄鐵的金相研究 是我們了解球墨鑄鐵 使用球墨鑄鐵的前提條件 球狀石墨的形成 球狀石墨的形成經(jīng)歷了形核與生長兩個階段 其中的形核是石墨的首要過程 鐵液在熔煉及隨后的球化 孕育處理中產(chǎn)生大量的非金屬夾雜物 初生的夾雜物非常小 在隨后澆鑄 充型 凝固過程相互碰撞 聚合變大 上浮或下沉 成為石墨析出的核心 球狀石墨核心形成以后 碳原子開始在核心基底上堆砌 石墨最終生成的形狀決定受工藝條件影響的生長方式 所以 石墨生長過程的控制是獲得球狀石墨的關鍵 球墨鑄鐵孕育的目的 球墨鑄鐵的孕育是指向鐵水中加入一定數(shù)量的球化劑和孕育劑 通過球化及孕育處理使鐵水在凝固時碳以球狀石墨的形式形核和生長 凝固后鑄鐵的組織中得到球狀石墨的鑄鐵 一般在澆注之前 在鐵液中加入少量球化劑 通常為鎂 稀土鎂合金或含鈰的稀土合金 和孕育劑 通常為硅鐵 使鐵水凝固后形成球狀石墨 球化處理和孕育處理是生產(chǎn)球墨鑄鐵的重要環(huán)節(jié) 球墨鑄鐵進行孕育處理的目的是為消除球墨鑄鐵的白口化傾向 消除過冷石墨 促進石墨化 細化共晶團及減少晶間偏析等 球墨鑄鐵的孕育 球化處理是球鐵生產(chǎn)的基礎 孕育處理是球鐵生產(chǎn)的關鍵 孕育效果決定了石墨球的直徑 石墨球數(shù)和石墨球的圓整度 為了保證孕育效果 孕育處理采用多級孕育處理 孕育處理越接近澆注 孕育效果越好 從孕育到澆注需要一定的時間 該時間越長 孕育衰退就越嚴重 球化衰退防止 球化衰退的原因一方面和Mg RE元素由鐵液中逃逸減少有關 另一方面也和孕育作用不斷衰退有關 為了防止球化衰退 采取以下措施 A 鐵液中應保持有足夠的球化元素含量 B 降低原鐵液的含硫量 并防止鐵液氧化 C 縮短鐵液經(jīng)球化處理后的停留時間 D 鐵液經(jīng)球化處理并扒渣后 為防止Mg RE元素逃逸 可用覆蓋劑將鐵液表面覆蓋嚴 隔絕空氣以減少元素的逃逸 球化分級 球化分級 石墨大小 球墨鑄鐵石墨球的大小對力學性能的影響很大 減小石墨球徑 增加石墨球在單位面積的個數(shù)可以明顯地提高球墨鑄鐵的強度 塑性和韌性 石墨球徑的減小 使單位面積上球墨鑄鐵數(shù)量增多 可使抗疲勞強度提高 因此 細化石墨也是提高抗疲勞強度的一個要求 珠光體的粗細 球墨鑄鐵的化驗成分 選擇適當?shù)幕瘜W成分是保證球墨鑄鐵獲得良好的金相組織和高性能的基本條件 化學成分的選擇既要利于石墨的球化和獲得滿意的基體 以期獲得滿意的性能 又要使球墨鑄鐵具有良好的鑄造性能 球墨鑄鐵的成分一般是指五個元素 碳 硅 錳 磷 硫 化學成分 碳 碳是球墨鑄鐵的基本元素 碳高有助于石墨化 由于石墨呈球狀后石墨對機械性能的影響已減小到最低程度 球墨鑄鐵的含碳量一般較高 在3 5 3 9 之間 碳當量在4 1 4 7 之間 鑄件壁薄 球化元素殘留量大或孕育不充分時取上限 反之 取下限 將碳當量選擇在共晶點附近不僅可以改善鐵液的流動性 對于球墨鑄鐵而言 碳當量的提高還會由于提高了鑄鐵凝固時的石墨化膨脹提高鐵液的自補縮能力 但是 碳含量過高 會引起石墨漂浮 當碳含量過低時 鑄件易產(chǎn)生縮松和裂紋 化學成分 硅 在球墨鑄鐵中 硅是第二個有重要影響的元素 它不僅可以有效地減小白口傾向 增加鐵素體量 而且具有細化共晶團 提高石墨球圓整度的作用 但是 硅提高鑄鐵的韌脆性轉變溫度 降低沖擊韌性 因此硅含量不宜過高 尤其是當鑄鐵中錳和磷含量較高時 更需要嚴格控制硅的含量 一般認為硅含量大于2 8 時 可能降低韌性 使韌性 脆性轉變溫度升高 因此 選擇碳硅含量時 應按照高碳低硅的原則 鑄件在寒冷地區(qū)使用 則含硅量應適當降低 化學成分 錳 球墨鑄鐵中錳的作用就主要表現(xiàn)在增加珠光體的穩(wěn)定性 幫助形成碳化錳 碳化鐵 錳有嚴重的正偏析傾向 往往有可能富集于共晶團界處 嚴重時會促使形成晶間碳化物 顯著降低球墨鑄鐵的韌性 錳也會提高鐵素體球墨鑄鐵的韌脆性轉變溫度 錳含量每增加0 1 脆性轉變溫度提高10 12 球墨鑄鐵中 由于球化元素具有很強的脫硫能力 不需要錳承擔這種功能 因此 球墨鑄鐵中錳含量一般是愈低愈好 即使珠光體球墨鑄鐵 錳含量也不宜超過0 4 0 6 一般都是遵循這一規(guī)律的 化學成分 磷 磷是一種有害元素 它在鑄鐵中溶解度極低 當其含量小于0 05 時 固溶于基體中 對力學性能幾乎沒有影響 當含量大于0 05 時 磷在球墨鑄鐵中有很強的偏析傾向 具有增大球鐵的縮松傾向 極易偏析于共晶團邊界 形成二元 三元或復合磷共晶 降低鑄鐵的韌性 當含磷量增加時 韌脆性轉變溫度就會提高 對于寒冷地區(qū)使用的鑄件 易采用磷的下限含量 磷的含量控制在0 04 0 06 以下 化學成分 硫 球墨鑄鐵中硫與球化元素的化合能力很強 生成硫化物或硫氧化物 不僅消耗球化劑 造成球化不穩(wěn)定 衰退速度加快 而且還使夾雜物數(shù)量增多 導致夾渣 氣孔等鑄造缺陷 國外一般要求鐵液含硫量低于0 02 我國目前由于焦炭含量較高等熔煉條件的限制 往往達不到這一標準 應進一步改善熔煉條件 有條件可進行爐外脫硫 一般要求小于0 06 典型缺陷 球化不良 球化不良和球化退化特征 斷口銀灰色 分布芝麻狀黑斑點 金相組織分布大量厚片石墨 原因 原鐵液含硫高 過量反球化元素 建議選用低硫焦炭 脫硫處理 必要時增加球化劑稀土量 控制沖天爐鼓風強度和料位 典型缺陷 縮孔和縮松 縮孔和縮松特征 縮孔發(fā)生于第一次收縮階段 表面凹陷及局部熱節(jié)凹陷 含氣孔的暗縮孔 內(nèi)壁粗糙 縮松發(fā)生于第二次收縮階段 被樹枝晶分割的溶池處成為真空 凝固后的孔壁粗糙 排滿樹枝晶的疏松孔為縮松 原因 碳含量低 磷含量高 增加縮孔縮松傾向 措施 提高鑄型剛度 如使用樹脂砂 提高鐵液碳當量 典型缺陷 石墨漂浮 石墨漂浮特征 冷卻過程中的過共晶鐵液首先析出石墨球 上浮聚集成石墨漂浮 分布于鑄件最后部位的上部的冒口處 微觀觀察石墨球串接呈開花狀 原因 碳當量和稀土殘留量高 爐料原始尺寸大 數(shù)量多 都可能增加石墨漂浮 措施 建議C 4 控制稀土含量 注意原生鐵與其他爐料的搭配 典型缺陷 反白口 反白口特征 宏觀斷面為界限清晰的白亮塊 呈方向性白亮針 出現(xiàn)于熱節(jié)中心 金相觀察為過冷密集細針狀滲碳體 原因 凝固熱節(jié)中心偏析富鎂 稀土 錳等白口化元素 孕育不足或大件冷卻速度快等 措施 保證球化前提下減少殘留稀土鎂 防止爐料內(nèi)的強烈白口化元素 強化孕育 提高小件鑄件溫度 典型缺陷 夾渣 夾渣特征 澆鑄位置上表面或死角處 斷面呈暗黑無光澤 深淺不一的夾雜物 金相為可見 塊狀夾雜物 原因 形成一次夾渣的重要原因是原鐵液含硫量高 氧化嚴重 二次夾渣主要原因是鎂殘留量過高 提高了氧化膜形成溫度 措施 降低原鐵液硫含量 保證球化時降低鎂殘留量 加入適量稀土降低形膜溫度 澆鑄系統(tǒng)應使充型平穩(wěn) 夾渣部位設集渣冒口 典型缺陷 應力變形和裂紋 應力變形和裂紋特征 收縮應力 相變應力之和超過斷面金屬抗斷裂后形成裂紋 熱裂呈暗褐色不平整端口 冷裂形成淺褐色光滑平直斷口 原因 碳含量低 碳化物形成元素增加 孕育不足 冷卻過快等 措施 適當提高碳當量 降低含磷量 加強孕育等措施 典型缺陷 皮下氣孔 皮下氣孔特征 鑄件表皮下2 3mm處均勻或蜂窩狀分布的球形 橢圓形或針孔狀內(nèi)壁光滑孔洞 直徑0 5 3mm 在熱處理和拋丸后暴露 小件中較多 原因 鐵液表明形成的氧化膜阻礙氣體析出 碳化反應中形成的氣體 鎂殘留量多形成的鎂蒸汽 爐料潮濕銹蝕等 措施 球化保證條件下降低鎂殘留量 鐵液平穩(wěn)澆鑄 控制爐料干燥少銹 采用少氮或無氮樹脂 薄壁鑄件的凝固 在鑄鐵凝固時 存在石墨共晶與滲碳體共晶兩種形式 在平衡狀態(tài)圖中 前者的溫度比后者高 為了要避免白口的產(chǎn)生 應使石墨共晶凝固過程在溫度達到滲碳體共晶以前完成 這就需要提高石墨共晶的凝固速率 而在一定的冷卻速度下 球鐵共晶團的生長速度是一定的 因此提高石墨共晶的凝固速度 就必須增加共晶團數(shù)量 因此 為防止白口 對球墨鑄鐵的某一冷卻速度 存在對應的臨界共晶團數(shù) 即臨界石墨球數(shù) 只有石墨球數(shù)大于該臨界數(shù) 才能避免白口出現(xiàn) 當鑄件越薄 冷卻速度越大時 所需的臨界石墨球數(shù)越多 研究表明 為增加石墨球數(shù)目 添加稀土Bi是十分有效的 球鐵的力度性能 球墨鑄鐵的力學性能以抗拉強度和延伸率兩個指標作為驗收依據(jù) 在生產(chǎn)工藝穩(wěn)定的條件下 也可根據(jù)硬度值進行驗收 因硬度與強度的對應關系建立在球化合格 化學成分 孕育穩(wěn)定 鑄造工藝合理的基礎上 為保證性能 規(guī)定按硬度驗收時 必須檢驗金相組織 其球化率不得低于4級 即使硬度和球化合格 由于基體其中存在滲碳體 磷共晶 高硅固溶強化等 可能使強度和韌性達不到要求 所以不具備生產(chǎn)工藝穩(wěn)定的條件下 不能根據(jù)硬度值驗收 力學值 各種牌號的力學和硬度 性能特性 1 硬度球墨鑄鐵的硬度主要取決于基體組織 而且與抗拉強度 延伸率等凈荷載性能有相應的關系 2 強度和塑性球墨鑄鐵的強度和塑性主要取決于基體組織 下貝氏體或回火馬氏體強度最高 其次是上貝氏體 索氏體 珠光體 隨著鐵素體增多 強度下降 延伸率增加 奧氏體或鐵素體強度較低 塑性較好 減震性和切削性 球墨鑄鐵的減震性優(yōu)于鋼 劣于灰鑄鐵 球化率越高 減震性越差 溫度上升 灰鑄鐵的減震性下降 但是對球墨鑄鐵的影響很小 球墨鑄鐵的彈性模量高于灰鑄鐵 因此其聲波傳播速度 固有頻率都高于灰鑄鐵 利用聲學的差別 可檢驗球化率等級 球墨鑄鐵含有較多的石墨 起到切削潤滑作用 因此球墨鑄鐵的切削阻力小于鋼 切削速度較高 珠光體增多使球墨鑄鐵的切削性能下降 貝氏體球墨鑄鐵切削性能較差 所以 閥門中使用球墨鑄鐵時 都是采用鐵素體 珠光體的基體類型 焊補性球墨鑄鐵不能焊接 只能焊補 當球墨鑄鐵中稀土鎂合金含量較高時 在焊縫和近焊縫區(qū)易產(chǎn)生白口或馬氏體組織 形成內(nèi)應力和裂紋 為此 國家標準GB T10044 1988規(guī)定了適用于球墨鑄鐵焊補用的焊條 按照要求 可獲得高強度珠光體基體球墨鑄鐵的焊縫 耐熱性球墨鑄鐵中的石墨彼此分離 與灰鑄鐵相比 可阻礙高溫下氧的擴散 因此球墨鑄鐵的抗氧化性和抗生長性均優(yōu)于灰鑄鐵 也優(yōu)于可鍛鑄鐵 鐵素體球墨鑄鐵的高溫抗生長性優(yōu)于珠光體球墨鑄鐵 提高硅含量或鋁含量可改善球墨鑄鐵的抗氧化性及耐熱性 耐腐蝕性在大氣中球墨鑄鐵耐蝕性優(yōu)于鋼 與灰鑄鐵 可鍛鑄鐵相近 球墨鑄鐵在土壤的耐蝕性優(yōu)于鋼 與灰鑄鐵相近 球墨鑄鐵抗蝕能力略強 但球墨鑄鐵管經(jīng)腐蝕后的強度損失則小于灰鑄鐵管 球墨鑄鐵在室溫 0 5 的硫酸溶液的耐蝕性與灰鑄鐵大體相同 開始階段球墨鑄鐵的腐蝕率低于灰鑄鐵 但在灰鑄鐵表面形成石墨化層后腐蝕速度下降 球墨鑄鐵則無下降傾向 而在后期高于灰鑄鐵 球墨鑄鐵和灰鑄鐵在堿溶液中的耐蝕性良好 與與鋼相近 球墨鑄鐵對有機物 硫化物 融金屬 低熔點 的耐蝕性與灰鑄鐵相近 耐磨性球墨鑄鐵是良好的耐磨和減磨材料 耐磨性優(yōu)于同樣基體的灰鑄鐵 碳鋼以致低合金鋼 1 潤滑耐磨球墨鑄鐵的耐磨性優(yōu)于灰鑄鐵 2 磨料磨損球墨鑄鐵在磨料磨損條件下也有一定應用 但與白口鑄鐵 低合金鋼相比 普通球墨鑄鐵的耐磨性并不太好 只有合金球墨鑄鐵或合金貝氏球墨鑄鐵有良好的耐磨性 混合基體球墨鑄鐵的性能及應用QT500 7 QT600 3屬于鐵素體和珠光體混合基體的球墨鑄鐵 這種鑄鐵由于有較好的強度和韌性的配合 多用于機械 冶金設備的一些部件中 通過鑄態(tài)控制或熱處理手段可調(diào)整和改善組織中珠光體和鐵素體的相對數(shù)量及形態(tài)分布 從而在一定范圍內(nèi)改善調(diào)整和韌性的配合 以滿足各類部件的要求 檢驗 步驟 1 觀察金相 評定球化率等級 2 化學實驗 測知C Si Mn P S等主要元素的含量 3 力學實驗 測知材質(zhì)的抗拉強度及延伸率 存樣 靜觀 1 鉆樣取屑法一件合格的墨鑄鐵產(chǎn)品 它在機械加工切削過程中 其切屑顯片狀或條狀 而灰鑄鐵在加工切削中 其切屑是顯粉狀 表觀觀察法 表觀 敲擊法可以將閥體吊起 借助工具敲擊 球化率越好的球鐵 球墨鑄鐵的質(zhì)量越好 材質(zhì)越是均一 聲音呈現(xiàn)簡諧振動波 聲響聽著越是洪亮悅耳 灰鑄鐵只能發(fā)出沉悶的 咚咚 聲 灰鑄鐵的質(zhì)量越差 聲響越是不和諧 培訓到此結束歡迎批評指導 謝謝