蔣祖濱1 劉金海2 曾大本 3 李國(guó)祿2 徐獻(xiàn)義2 高頌 2 邊泊乾2
1. 都江堰市鋼鐵助劑研究所 四川 都江堰 611833
2. 河北工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 天津 300132
3. 清華大學(xué)機(jī)械工程系 北京 100084
摘 要
利用中頻感應(yīng)電爐熔煉灰鑄鐵鐵液，水玻璃砂造型，澆注鑄造階梯試樣、φ30mm試棒以及熱分析試樣，研究了凈化劑對(duì)其結(jié)晶過(guò)冷度、組織和力學(xué)性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，單獨(dú)加入凈化劑可以增加過(guò)冷傾向，細(xì)化石墨，降低斷面敏感性；可以提高灰鑄鐵的抗拉強(qiáng)度和冶金質(zhì)量指標(biāo)；同時(shí)加入凈化劑和硅鋇孕育劑對(duì)灰鑄鐵進(jìn)行復(fù)合孕育，明顯增加了共晶團(tuán)數(shù)量，可以獲得細(xì)小A型石墨，顯著提高灰鑄鐵的力學(xué)性能。
關(guān)鍵詞：灰鑄鐵 凈化劑 金相組織 力學(xué)性能 結(jié)晶過(guò)冷
Effect of Purifying Agent on the Microstructure and Mechanical Properties of Gray Iron
Jiang Zubin1 Liu Jinhai2 Zeng Daben3 Li Guolu2 Xu Xianyi2 Gao Song2 Bian Boqian2
1.Institute of Iron and Steel Purifying Agent, Dujiangyan City, Sichan Province, 611833
2.School of Materials Science and Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin, 200132
3.Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University, Beijing, 100084
Abstract
The liquid iron was melted in middle frequency induction furnace. The ladder specimen， round specimen of diameter 30mm and thermal analysis sample was poured in sodium silicate bonded sand mould. The effect of purifying agent on the solidification undercooling, the microstructure and the mechanical properties of gray cast iron specimen was investigated. The result has shown that the alone additon of purifying agent could increase the undercooling, refine the flake graphite, decrease the sensibility of section and improve the tensile strength and the index of metallurgical quality. In addition, the eutectic cell of grey cast iron can be increased remarkablly by simultaneous addtion of purifying agent and sillican-barium innoculant. The fine and A-type flake graphite can be obtained. The mechanical properties of gray iron could be improved notably.
Key words: gray iron; Purifying Agent; Microstructure; Mechanical Properties; Solidification undercooling
作者簡(jiǎn)介：蔣祖濱（1944— ）四川省都江堰市人，都江堰市金星鋼鐵助劑研究所所長(zhǎng)。2003年發(fā)明鐵神一號(hào)凈化劑，2005年提出鐵水凈化理論。研究方向：鋼（鐵）液凈化。
一 前言
我國(guó)鑄件的產(chǎn)量已經(jīng)連續(xù)幾年世界第一［1］，2003年達(dá)到1814萬(wàn)噸，2004年，達(dá)到1978萬(wàn)噸[2]，其中，鑄鐵件占70－80％。在鑄鐵件產(chǎn)量中，普通灰鑄鐵約占70－80％�？梢哉f(shuō)中國(guó)是一個(gè)鑄造大國(guó)，但不是鑄造強(qiáng)國(guó)。與世界先進(jìn)國(guó)家相比，我國(guó)的灰鑄鐵件廢品率高；在同碳當(dāng)量條件下，我國(guó)的灰鑄鐵件力學(xué)性能低1－2個(gè)牌號(hào)；另外，機(jī)加工性能差［3］。因此，如何提高我國(guó)灰鑄鐵件的冶金質(zhì)量，始終是一個(gè)值得研究的課題。
根據(jù)兩年來(lái)用戶實(shí)際使用情況，發(fā)現(xiàn)鐵神一號(hào)凈化劑具有凈化鐵液、細(xì)化晶粒、延緩衰退、降低磷硫、提高力學(xué)性能的作用。為了進(jìn)一步搞清鐵神一號(hào)凈化劑的作用機(jī)理，本文主要研究了“鐵神一號(hào)”對(duì)灰鑄鐵組織與力學(xué)性能的影響，以便進(jìn)一步認(rèn)識(shí)“鐵神一號(hào)”凈化劑。加快“鐵神一號(hào)”凈化劑的市場(chǎng)推廣。
二 試驗(yàn)方法
試驗(yàn)用的灰鑄鐵試樣按照HT200的化學(xué)成分進(jìn)行配料。鐵液用30公斤酸性中頻感應(yīng)電爐進(jìn)行熔煉，鐵液出爐溫度為1500-1520℃，試樣澆鑄溫度為1380-1400℃。根據(jù)鐵神一號(hào)凈化劑的使用要求，凈化劑加入量0.6％，將凈化劑放入澆注包內(nèi)，出鐵液沖入。另外，硅鋇孕育劑加入量0.7％，加入澆注包內(nèi)沖入鐵液。出鐵完畢后攪拌均勻，扒渣，澆注各種試樣。試樣為水玻璃砂造型，澆注試樣為三角試片、熱分析試樣、階梯試塊、直徑為30mm的立澆試棒。
爐前用NSP-1303型熱分析儀測(cè)定凝固冷卻曲線，測(cè)試試樣的抗拉強(qiáng)度、硬度、金相組織和共晶團(tuán)數(shù)。共晶團(tuán)測(cè)試選取5個(gè)視場(chǎng)，取其平均值。
試驗(yàn)用的灰鑄鐵化學(xué)成分如表2所示。
三 試驗(yàn)結(jié)果與分析
1凈化劑對(duì)灰鑄鐵結(jié)晶過(guò)冷度與白口傾向的影響
圖1為利用熱分析儀測(cè)定的冷卻曲線，由圖可以可獲得凝固冷卻曲線中的某些特征值，如表3所示。由此可見(jiàn)，凈化劑對(duì)灰鑄鐵初生奧氏體化溫度影響不大，大約為1215-1219℃，但對(duì)共晶過(guò)冷度的影響較大。僅僅加入凈化劑的灰鑄鐵的共晶過(guò)冷度為26.03℃；當(dāng)凈化劑和硅鋇孕育劑一同加入時(shí)，共晶過(guò)冷度減小為18.25℃；當(dāng)不加凈化劑，只加硅鋇孕育劑時(shí)，共晶過(guò)冷度降低到16.58℃。另外，加入凈化劑后，灰鑄鐵的共晶溫度回升比較高；當(dāng)僅僅加入硅鋇孕育劑時(shí)，共晶溫度回升比較小。
圖1 凝固冷卻曲線
Fig. 1 Cooling Curve of Solidification
表2凝固冷卻曲特征值（℃）
Table 2 Characteristic numberi of Cooling Curve
試樣編號(hào) 初生奧氏化溫度 理論共晶溫度 共晶最低溫度 共晶回升溫度 共晶過(guò)冷度 共晶溫度回升
HJ-4 1217.78 1168.25 1142.22 1150.56 26.03 8.34
HYJ-5 1219.00 1168.25 1150.00 1152.78 18.25 2.78
HY-6 1215.00 1168.25 1151.67 1155.00 16.58 3.33
為了進(jìn)一步說(shuō)明凈化劑對(duì)灰鑄鐵白口傾向的影響，同時(shí)澆注了爐前三角試片，其斷口如圖2所示。由圖可見(jiàn)，僅僅加入凈化劑的HJ號(hào)試樣白口寬度最大，約為6mm，同時(shí)加入凈化劑和硅鋇孕育劑的三角試片斷口白口寬度約為2mm，單獨(dú)加入硅鋇孕育劑的三角試樣斷口尖端處幾乎沒(méi)有白口。這個(gè)試驗(yàn)結(jié)果與上述熱分析曲線得到的過(guò)冷度是一致的。
圖2 三角試片斷口
Fig. 2 Fracture of Triangular Specimen
2凈化劑對(duì)灰鑄鐵石墨類型與分布的影響
圖3為不同試驗(yàn)方案灰鑄鐵的片狀石墨形態(tài)與分布（φ30mm試棒）。
由圖3可見(jiàn)，加入凈化劑后，除了A型石墨外，鑄鐵中出現(xiàn)大量的過(guò)冷石墨，即D、E型石墨。僅加入硅鋇孕育劑的鑄鐵，石墨主要為A型石墨。同時(shí)加入凈化劑和硅鋇孕育劑的鑄鐵，石墨類型也主要為細(xì)小A型石墨。
(a) HJ－4試樣（過(guò)冷石墨＋A型石墨）
(b) HY－6試樣（A型石墨）
(c) HYJ－5試樣（細(xì)小A型石墨）
圖3 石墨形態(tài)與分布 100×
Fig.3 Morpholorgy and Distribution of Flake Graphite
3凈化劑對(duì)灰鑄鐵共晶團(tuán)數(shù)量的影響
表3為不同試驗(yàn)方案的共晶團(tuán)數(shù)量檢測(cè)結(jié)果。由表4可見(jiàn)，僅僅加入凈化劑的鑄鐵，共晶團(tuán)數(shù)為223個(gè)／cm2；僅加入Si-Ba孕育劑的灰鑄鐵共晶團(tuán)數(shù)居中，為367個(gè)／cm2；同時(shí)加入凈化劑和硅鋇孕育劑的鑄鐵共晶團(tuán)數(shù)量最高，達(dá)到441個(gè)／cm2，以上試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，對(duì)于灰鑄鐵，僅僅加入凈化劑時(shí)，共晶結(jié)晶過(guò)冷度增大；僅僅加入硅鋇孕育劑時(shí)，結(jié)晶的過(guò)冷度相對(duì)較��；同時(shí)加入凈化劑和硅鋇孕育劑對(duì)鐵液進(jìn)行復(fù)核孕育時(shí)，提供了大量的石墨結(jié)晶核心，顯著
提高了共晶團(tuán)數(shù)量，結(jié)晶過(guò)冷度較大。
4凈化劑對(duì)灰鑄鐵組織斷面敏感性的影響
為了研究?jī)艋瘎⿲?duì)灰鑄鐵組織斷面敏感性的影響，測(cè)定了階梯試塊的硬度和組織。圖4為壁厚對(duì)灰鑄鐵布氏硬度的影響。由圖4可見(jiàn)，隨著試樣壁厚的增加，硬度逐漸降低。
眾所周知，灰鑄鐵的硬度是由基體和石墨形態(tài)所決定的。經(jīng)過(guò)金相組織觀察表明，階梯試塊在7－45mm范圍內(nèi)，基體組織皆為珠光體，不同的是由于冷卻速度的差別，導(dǎo)致不同壁厚斷面的奧氏體枝晶形態(tài)和石墨形態(tài)不同。當(dāng)壁厚較小時(shí)，結(jié)晶冷卻速度較快，奧氏體枝晶發(fā)達(dá)，大部分石墨為D、E型過(guò)冷石墨；另外，奧氏體共析組織轉(zhuǎn)變時(shí)過(guò)冷度較大，珠光體片間距較細(xì)，因此，階梯試塊的壁厚較小時(shí)，硬度較高。隨著壁厚的增加，冷卻速度降低，奧氏體枝晶變得不發(fā)達(dá)，并且粗化；同時(shí)，共晶時(shí)的結(jié)晶過(guò)冷度逐漸變小，共晶晶粒粗化，石墨片長(zhǎng)度逐漸增長(zhǎng)，共析轉(zhuǎn)變時(shí)珠光體片間距變得越來(lái)越大，所以，隨著階梯試塊壁厚的增加，硬度逐漸降低。
階梯試塊最小壁厚與最大壁厚的硬度差值可作為衡量灰鑄鐵斷面敏感性的指標(biāo)。根據(jù)分析可知，僅僅加入凈化劑的HJ號(hào)灰鑄鐵階梯試塊，7mm與45mm壁厚的硬度差值為△HB35；僅加入硅鋇孕育劑的HY號(hào)試塊的硬度差值為△HB46；同時(shí)加入凈化劑和硅鋇孕育劑的HYJ號(hào)階梯試塊，其最小壁厚與最大壁厚的硬度差值為△HB37。這說(shuō)明，加入凈化劑降低了灰鑄鐵的斷面敏感性。
5凈化劑對(duì)灰鑄鐵抗拉強(qiáng)度的影響
凈化劑對(duì)灰鑄鐵抗拉強(qiáng)度的影響如表4所示。由表4可見(jiàn)，僅加入凈化劑的灰鑄鐵抗拉強(qiáng)度為261Mpa；僅加入硅鋇孕育劑的抗拉強(qiáng)度為252Mpa；同時(shí)加入凈化劑和硅鋇孕育劑的灰鑄鐵抗拉強(qiáng)度最高，可達(dá)282Mpa。本次試驗(yàn)的試棒為HT200，試驗(yàn)結(jié)果表明，單獨(dú)使用凈化劑或Si-Ba孕育劑和凈化劑相比，都可以提高灰鑄鐵的抗拉強(qiáng)度，達(dá)到HT250的標(biāo)準(zhǔn)；同時(shí)使用凈化劑和孕育劑對(duì)灰鑄鐵進(jìn)行凈化、孕育，處理效果更好，可以大幅度提高灰鑄鐵的抗拉強(qiáng)度。
圖5為抗拉試棒的金相組織。由圖5可見(jiàn)，加入凈化劑的灰鑄鐵基體組織為珠光體，而不加凈化劑的灰鑄鐵拉伸試棒的基體組織中除珠光體外，有少量的鐵素體。這說(shuō)明加入凈化劑后，由于微合金化的作用，促進(jìn)了珠光體組織的形成，有利于提高灰鑄鐵的抗拉強(qiáng)度。石墨片是以共晶團(tuán)為單位互相隔離的，共晶團(tuán)越細(xì)小，石墨對(duì)受力面的消弱越小，共晶團(tuán)細(xì)化后，晶界面積增加，則共晶團(tuán)邊界上那些又硬又脆的低熔點(diǎn)夾雜物相對(duì)減小，脆化的影響也較小。所以，灰鑄鐵經(jīng)過(guò)凈化劑處理后，共晶團(tuán)變得細(xì)小，鑄鐵的抗拉強(qiáng)度提高。
6凈化劑對(duì)灰鑄鐵冶金質(zhì)量指標(biāo)的影響
實(shí)踐表明，對(duì)同一成分的鐵液經(jīng)不同的處理，便能獲得不同性能的鑄鐵，為衡量不同試驗(yàn)方案灰鑄鐵的冶金質(zhì)量，測(cè)試了灰鑄鐵冶金質(zhì)量指標(biāo)，如表5所示。
由表5可見(jiàn)：加入凈化劑的HJ號(hào)灰鑄鐵試棒的品質(zhì)系數(shù)Qi值為1.128，同時(shí)加入凈化劑和硅鋇孕育劑的灰鑄鐵品質(zhì)系數(shù)Qi為1.218，與僅僅加入硅鋇孕育劑的灰鑄鐵的品質(zhì)系數(shù)(1.257)相當(dāng)。僅加入凈化劑的灰鑄鐵的相對(duì)強(qiáng)度和硬化度較高，說(shuō)明加入凈化劑后，硬度提高，這對(duì)于改善較厚大斷面的鑄鐵件硬度是有利的。當(dāng)使用凈化劑和硅鋇孕育劑復(fù)合處理時(shí)，可以獲得較好的綜合性能指標(biāo)。
四 結(jié)論
1、 在實(shí)驗(yàn)條件下，與單獨(dú)加入凈化劑或單獨(dú)加入Bi—Ba孕育劑相比，同時(shí)加入凈化劑和硅鋇孕育劑對(duì)灰鑄鐵進(jìn)行復(fù)合孕育，孕育效果最好，共晶團(tuán)數(shù)量大大提高，能獲得細(xì)小A型石墨，有利于提高灰鑄鐵的力學(xué)性能。
2、 加入凈化劑，有利于提高灰鑄鐵的抗拉強(qiáng)度和硬度，灰鑄鐵斷面敏感性降低，并提高灰鑄鐵的冶金質(zhì)量指標(biāo)，品質(zhì)系數(shù)達(dá)到1.218。
3、 凈化劑對(duì)灰鑄鐵共晶過(guò)冷度影響較大，加入凈化劑的灰鑄鐵共晶過(guò)冷度增大，有利于細(xì)化石墨。
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