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    含硫量及錳硫比對(duì)灰鑄鐵抗拉強(qiáng)度的影響


     1、化學(xué)成分的選擇  根據(jù)鑄鐵牌號(hào)要求即機(jī)械性能的高低,應(yīng)使鑄件具有相應(yīng)的金相組織。金相組織取決于石墨的結(jié)晶過(guò)程,而共晶和共析轉(zhuǎn)變過(guò)程的石墨化又和鑄鐵的化學(xué)成分及冷卻速度等工藝因素有關(guān)。灰鑄鐵中除C,Si,Mn,S,P五種常規(guī)元素外,還有隨爐料或熔煉過(guò)程進(jìn)入的微量元素和其它夾雜,為了獲取“高強(qiáng)、薄壁"的鑄件,生產(chǎn)廠家加入了一些合金元素如Ni,Cr,Cu,Sn,VMo等。所有這些元素對(duì)鑄鐵的結(jié)晶、組織及性能都有一定的影響和作用。 
     (1)基本化學(xué)成分的選擇

        ①碳含量與CE的選擇:  采用高的碳當(dāng)量,可減小白口傾向及鑄件縮松、滲漏等缺陷,但同時(shí)會(huì)降低鑄件的力學(xué)性能。而對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)箱體這樣薄壁復(fù)雜的鑄件,從鑄造性能考慮,一般都選擇較高的碳當(dāng)量[13]。為使箱體具有良好的鑄造性能與力學(xué)性能,一般選擇C=3.15%~3.3%,CE=3.95%~4.05%。  

        ②硅與Si/C值  國(guó)內(nèi)對(duì)箱體生產(chǎn)中Si/C的控制問(wèn)題爭(zhēng)論較大。陸文華[9]認(rèn)為在CE=4.O~4.2%,Si/C值由O.50增至O.90時(shí),碳當(dāng)量對(duì)%值影響變化不大。劉佑平[14]認(rèn)為碳當(dāng)量對(duì)灰鑄鐵抗拉強(qiáng)度的影響比Si/C值大得多,試驗(yàn)證明隨著Si/C值由O.44增至0.79,在同一范圍的碳當(dāng)量下,06值變化不大。提高碳當(dāng)量,氣箱體的縮孔廢品會(huì)明顯減少;降低碳當(dāng)量,使用鑄造焦與增加廢鋼加入量,灰鐵的抗拉強(qiáng)度會(huì)明顯地提高。過(guò)高的Si/C比會(huì)導(dǎo)致石墨粗化,珠光體片間距增大,鐵素體含量也增加。當(dāng)Si/C>0.55,氣箱體縮孔廢品會(huì)增加,特別

          在低碳當(dāng)量的情況下,縮孔廢品增加得更多。對(duì)于采用較高碳當(dāng)量鐵液的箱體鑄件,采用高Si/C并不能提高力學(xué)性能,而且還可能由于高CE和高的Si/C雙重影響而使石墨粗大和珠光體量下降,從而使抗拉強(qiáng)度下降,其SI/C應(yīng)以0.6"0.7較為合適[15]。

         錳對(duì)灰鑄鐵抗拉強(qiáng)度的影響  錳是可以穩(wěn)定灰鑄鐵中滲碳體,促進(jìn)珠光體化的元素,但它會(huì)與硫形成MnS,促使鑄鐵石墨化。對(duì)于CE為3.95%"--4.15%的灰鑄鐵,其嘰值隨錳量的增加而有所提高,因?yàn)樘籍?dāng)量高,鑄鐵自身的石墨數(shù)多且粗,珠光體數(shù)量少,增加錳含量,石墨形貌變化不大,此時(shí)錳促使灰鑄鐵珠光體化的作用表現(xiàn)較強(qiáng),故吼有所提高。所以,范曉明[l6]等認(rèn)為當(dāng)灰鑄鐵CE>3.95%時(shí),Mn含量應(yīng)在0.6%--一0.8%為宜。

         磷含量的選擇  灰鑄鐵件的含磷量一般小于O.20%。當(dāng)P≤0.20%,隨著磷含量的增加,在鑄鐵中可以與Fe形成心P,灰鑄鐵的抗拉強(qiáng)度變化不大,而硬度會(huì)明顯提高而韌性顯著降低。灰鑄鐵中磷含量過(guò)高,不僅鑄件切削加工困難,而且易產(chǎn)生縮松與開(kāi)裂缺陷[14]。  

         含硫量及錳硫比對(duì)灰鑄鐵抗拉強(qiáng)度的影響  硫在鑄鐵中有雙重作用,一方面它是強(qiáng)烈穩(wěn)定鑄鐵滲碳體元素,另一方面S與Mn形成MnS,會(huì)促使鑄鐵石墨化。在不同CE的情況下,以值均隨含硫量的增加而明顯提高,但當(dāng)含硫量超過(guò)某一臨界值時(shí)強(qiáng)度開(kāi)始降低。對(duì)于CE為3.95%的灰鑄鐵,其臨界硫含量為0.14%。如采用電爐熔煉時(shí),鐵水中的含硫量一般較低,高溫使大量石墨結(jié)晶核心燒損[17],為確保常用孕育劑的孕育效果,灰鑄鐵中含硫量一般為0.05%--一0.06%。根據(jù)上述情況,灰鑄鐵的硫含量可為0.06%'-'0.15%。由于錳與硫在鑄鐵中有相互制約的作用,所以在選擇錳含量與硫含量時(shí)必須考慮Mn/S值。生產(chǎn)實(shí)踐表明,當(dāng)灰鑄鐵CE為3.96%,---,4.05%時(shí),Mn/S=5~7,抗拉強(qiáng)度較佳。

         國(guó)內(nèi)部分廠家箱體基本化學(xué)成分的選擇  胡家聰[15]推薦HT250氣箱體化學(xué)成分為(%):C=3.15~3.35,Si=1.8~2.2,Mn=0.6"--0.8,P≤O.15,S=0.06%~0.15%與CE=3.95~4.05。北京吉普汽車(chē)有限公司[18]推薦選取C=3.15%~3.60%,Si=1.8%~2.4%,Mn=0.35~0.90%,S≤O.15%,P≤0.12%.。哈爾濱東安發(fā)動(dòng)機(jī)制造公司[19]選擇成分:C=3.O~3.5%,Si=1.8~2.5%,Mn=0.6%~0.9%,S<0.15%,P<0.15%。      

        合金化元素  隨著汽油機(jī)向高轉(zhuǎn)速大功率方向發(fā)展,箱體的工作情況惡化,機(jī)械負(fù)荷加大,

        因此采用低合金灰鑄鐵制造,以提高箱體鑄件的機(jī)械性能與熱疲勞性能。常用的合金元素為促進(jìn)灰鑄鐵珠光體化元素,這些合金元素對(duì)灰鑄鐵石墨化能力、抗拉強(qiáng)度和硬度的影響見(jiàn)圖1.1,l一2所示。

        圖1.1合金元素對(duì)灰鑄鐵石墨化的影響

    圖1.2合金元素對(duì)灰鑄鐵硬度和%的影響  由圖1.2知,當(dāng)合金元素加入量在1.0%以下時(shí),提高灰鑄鐵抗拉強(qiáng)度的能力,由弱至強(qiáng)的順序排列:Ni,Cu,Cr,Mo,V。釩提高灰鑄鐵06的能力很大,但它能阻礙鑄鐵中C的石墨化,白口傾向很大,所以箱體用灰鑄鐵中一般不加入V。鉬與鎳的價(jià)格昂貴,考慮到成本,一般很少使用。一般用銅代替鎳,普遍加入鉻與銅生產(chǎn)灰鑄鐵箱體。錫、銅與鉻是強(qiáng)烈穩(wěn)定珠光體的元素,但對(duì)細(xì)化珠光體的作用很小。只有當(dāng)銅含量大于0.5%時(shí)灰鑄鐵的抗拉強(qiáng)度才有明顯的提高1141。加入0.2%"--0.3%鉻后,鑄鐵強(qiáng)度提高幅度較大,有利于增加珠光體量和改善石墨形態(tài)。當(dāng)含鉻量大于0.35%時(shí),會(huì)使鑄件滲漏傾向明顯增加;含鉻量大于0.5%時(shí),鑄件中易出現(xiàn)初生碳化物,影響機(jī)加工性能,故加鉻量以不超過(guò)0.35%為宜。實(shí)踐表明,當(dāng)鉻含量大于0.35%時(shí),氣箱蓋螺孔搭子處會(huì)產(chǎn)生縮松,產(chǎn)生漏氣[l5]。兩種以上合金元素配合使用的效果要比用一種合金元素的效果好,如Cu能中和Cr、Mo的白口傾向。  灰鑄鐵中加入Cr,Cu與Mo等少量合金元素,鑄件的強(qiáng)度與熱疲勞性能有所提高,鑄件的壁厚敏感性有所減小,但鑄件的縮孔與縮松傾向增大,因此應(yīng)適當(dāng)提高碳含量與碳當(dāng)量。國(guó)內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)箱體用灰鑄鐵的化學(xué)成分實(shí)例見(jiàn)表1-4。  表1-4國(guó)內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)箱體用灰鑄鐵[14][17][19]

     

     

    (3)微量有害元素的控制  在熔煉時(shí),回爐料和生鐵中的廢鋼有時(shí)會(huì)含有Pb,Ti等元素,這些元素的存在會(huì)使鑄件中石墨惡化及產(chǎn)生縮松滲漏缺陷。有資料稱(chēng)[20],含Pb量達(dá)0.0008%,即可造成縮松滲漏,須注意使用的爐料中是否鍍有Pb材料,有須先行除去鍍層。此外,少量的Pb可在灰鑄鐵中出現(xiàn)魏氏組織石墨,嚴(yán)重降低強(qiáng)度。潘亮星等[l8]在4100QB生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)微量元素WTi>0.0435時(shí),出現(xiàn)縮松的箱蓋占生產(chǎn)縮松箱蓋總數(shù)的75%左右,由此判斷Ti對(duì)縮松有較為直接的影響,并推薦使用WTi<0.08%的生鐵。此外影響縮松滲漏的微量元素還有Al,v等,它們都會(huì)增加鐵液的收縮傾向,要嚴(yán)格控制。  

    孕育處理  在高碳當(dāng)量鐵液條件下,為提高灰鑄鐵的性能,控制鐵液質(zhì)量,進(jìn)行合理的孕育處理是必要的措施之一。有資料表明[21],在高碳當(dāng)量條件下,尤其是生產(chǎn)薄壁高強(qiáng)灰鑄鐵件,使用復(fù)合型孕育劑是十分重要的。復(fù)合孕育劑含有相應(yīng)的石墨化元素如Re,A1,Ca,Ti等,以改善石墨形態(tài)、消除白口,增加并細(xì)化奧氏體枝晶。經(jīng)試驗(yàn)表明,在復(fù)合添加Cr等合金元素的同時(shí)添加RE(稀土類(lèi)元素),既能獲得相當(dāng)于蠕墨鑄鐵的抗拉強(qiáng)度,又能抑制激冷的發(fā)生,且也適合批量生產(chǎn) [2] 。孕育也有副作用[23]。細(xì)化共晶團(tuán)的結(jié)果常常導(dǎo)致縮松的增加,由于孕育劑中含有鋁,孕育量過(guò)高也會(huì)目鐵水中含鋁量增加而產(chǎn)生針孔缺陷。孕育提高鑄鐵的成核程度,增加共晶團(tuán)的數(shù)目,導(dǎo)致凝固過(guò)程中作用在鑄型上的膨脹力增大,其結(jié)果可能使鑄件產(chǎn)生縮孔和縮松,因此在箱體生產(chǎn)中特別要注意控制孕育量。吳志忠等[24]試驗(yàn)比較了75SiFe,SiCa和SiCaBa系孕育劑對(duì)灰鑄鐵顯微組織均勻性的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),改善斷面敏感性主要在于解決薄斷面(如壁厚5ram)的石墨化問(wèn)題。含Ca,Ba的孕育劑有良好石墨化能力,可改善斷面敏感性和顯微組織的均勻性。范曉明等[25]試驗(yàn)得經(jīng)稀土復(fù)合孕育劑RCC處理的鐵液(CE=4.00"-'-4.20%,Si/C≈0.75,Cr=0.4%和Mo=O.4%),可穩(wěn)定獲得HT250以上牌號(hào)的灰鑄鐵,且斷面均勻性好,白口傾向低。姜金文[26]以60%75SiFe+40%ReCaBa復(fù)合孕育、低合金化、CE=3.9--..4.1%的試驗(yàn)鑄鐵,獲得了良好的顯微組織。萬(wàn)仁芳認(rèn)為對(duì)于CE=4.0~4.2%的高碳當(dāng)量鐵水,Cr,Mo復(fù)合低合金化加入,用75FeSi孕育,可以獲得HT250鑄鐵,若用復(fù)合孕育劑孕育,可使鐵水穩(wěn)定獲得HT250牌號(hào),且斷面均勻性好,熱沖擊、熱疲勞性能相應(yīng)提高;采用CE=4.1~4.2%的鐵水,以Mn代替部分Cr,Mo合金化,并用復(fù)合孕育劑孕育,同樣可以獲得HT250牌號(hào)鑄鐵。在實(shí)際應(yīng)用中,北京農(nóng)業(yè)工程大學(xué)和北京內(nèi)燃機(jī)總廠采用Re.Ba.Ca孕育處理,第一汽車(chē)制造廠和沈陽(yáng)鑄造所采用cr.Sr.Si.Fe復(fù)合孕育處理,均取得良好效果。

        優(yōu)質(zhì)鐵液的獲得  保證高強(qiáng)度灰鑄鐵材質(zhì)性能的前提條件是獲得高溫優(yōu)質(zhì)鐵液[27]。建議使用沖天爐和工頻電爐雙聯(lián)熔煉,以獲得理想的鐵液質(zhì)量[28]。我國(guó)沖天爐很少有廠家采取高溫?zé)犸L(fēng)、富氧送風(fēng)等措施,對(duì)焦炭質(zhì)量不夠重視,灰分大,強(qiáng)度低,很少使用鑄造焦炭,只注重節(jié)焦,忽略熔煉溫度,較好的沖天爐鐵水出爐溫度只有1450℃左右,鐵水成分波動(dòng)范圍大。由于熔煉溫度低,很難消除生鐵中粗大石墨的遺傳性[29]。當(dāng)熔煉溫度在1450"-"1500℃時(shí),Si02+2C斗Si+2CO個(gè)反應(yīng)才能進(jìn)行。可促使鐵水中非金屬夾雜物排出,鐵水得到凈化,含氧量降低,使孕育劑中的活性元素鈣、鋁等充分發(fā)揮成核作用。同時(shí)高溫澆注雖然能夠延緩鑄件凝固,促進(jìn)石墨化,并使型腔中的氣體和雜質(zhì)在凝固前上浮,但高溫促使石墨長(zhǎng)粗,粗大石墨加劇對(duì)基體切割作用而使性能降低。此外鐵水收縮增加,促使鑄件內(nèi)部產(chǎn)生縮孔與縮松。因此出爐溫度應(yīng)在1480℃以上。BCIRA[23J認(rèn)為,對(duì)大多數(shù)箱體來(lái)說(shuō),最適宜的澆注溫度為1390"-"1420℃。  此外爐料配比對(duì)鐵水的冶金特性也具有一定的影響。對(duì)合成鑄鐵的研究表明,合成鑄鐵由于提高了廢鋼的加入量,鐵水的冶金特性改善,從而能更好地發(fā)揮孕育處理的效果[30]。但是,文獻(xiàn)[3l]則認(rèn)為,提高爐料中生鐵的加入量,可以顯著地降低材料的硬度和收縮,從而避免縮孔等缺陷,改善切削加工性能。認(rèn)為爐料配比沒(méi)影響的觀點(diǎn)也有。如有報(bào)導(dǎo)[32]認(rèn)為,在電爐保溫條件下,廢鋼加入量

       對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響不明顯,抗拉強(qiáng)度僅取決于CE的變化,而且爐料配比對(duì)灰鑄鐵的組織也沒(méi)有什么影響。


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