鐵神一號(hào)凈化劑對(duì)鑄態(tài)球鐵金相組織和力學(xué)性能的影響
蔣祖濱1 劉金海2 曾大本 3 李國(guó)祿2 高頌 2 徐獻(xiàn)義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
采用中頻感應(yīng)電爐熔煉球墨鑄鐵原鐵液，水玻璃砂造型，澆注Y型試塊及熱分析試樣，研究了鐵神一號(hào)凈化劑（下稱凈化劑）對(duì)球墨鑄鐵組織和力學(xué)性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，加入凈化劑可以獲得理想的球化效果,使石墨球數(shù)增加，石墨球直徑減小，改善石墨球分布狀態(tài)；可以降低磷含量，釩鈦含量有所增加；其力學(xué)性能達(dá)到了QT500-7標(biāo)準(zhǔn)。凈化劑對(duì)球墨鑄鐵的共晶過(guò)冷度和白口傾向影響不大。
關(guān)鍵詞：球墨鑄鐵 鐵神一號(hào)凈化劑 金相組織 力學(xué)性能
Effect of Purifying Agent on the Microstructure and Mechanical Properties of Nordular Graphite Cast Iron
Jiang Zubin1 Liu Jinhai2 Zeng Daben3 Li Guolu2 Gao Song2 Xu Xianyi2 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 Y type specimen and thermal analysis sample was poured in sodium silicate bonded sand mould. The effect of purifying agent on the microstructure and the mechanical properties of nodular cast iron specimen was investigated. The result has shown that the addition of purifying agent could increase the number of graphite nodule, decrease the diameter of graphite nodule and improve the distributing of the graphite nodule. In addition, the content of Phosphorus was decreased and the content of Vanadium and Titanium was increased. The mechanical properties of the test nodular cast iron is satisfied with the grade of QT500-7. The effect of addition of purifying agent on the eutectic undercooling and chilling tendency is not obvious.
Key words: Nodular Cast Iron; Purifying Agent; Microstructure; Mechanical Properties
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
“鐵神一號(hào)”凈化劑是四川都江堰市金星鋼鐵助劑研究所發(fā)明的一種具有凈化作用和長(zhǎng)效孕育作用的新型孕育劑，它由許多礦物組成，具有去脫氣、除氧、降低硫磷、清除夾雜、凈化鐵液、細(xì)化晶粒、提高力學(xué)性能的作用。為了進(jìn)一步了解凈化劑在球墨鑄鐵中的作用機(jī)理，本實(shí)驗(yàn)分別使用硅鋇孕育劑和凈化劑在球化處理同時(shí)，對(duì)QT450-10原鐵液進(jìn)行孕育，通過(guò)對(duì)比分析，研究了凈化劑對(duì)球墨鑄鐵金相組織和力學(xué)性能的影響。
二 試驗(yàn)方法
試驗(yàn)用QT450-10球墨鑄鐵鐵液在，30公斤酸性中頻感應(yīng)電爐進(jìn)行熔煉，鐵液球化處理溫度為1520-1550℃，試樣澆鑄溫度為1400-1430℃。球化處理和孕育處理同步完成，球化劑加入量1.5%，凈化劑加入量0.6％。硅鋇孕育劑加入量0.7％。分別將凈化劑、球化劑和硅鋇孕育劑放入球化包內(nèi)，沖入法處理球墨鑄鐵（凈化劑孕育試樣編號(hào)QJ-3，硅鋇孕育劑孕育試樣編號(hào)Q-4）。出鐵完畢后攪拌均勻，扒渣，澆注各種試樣。水玻璃砂造型，澆注試樣為Y型試塊、光譜分析試樣、熱分析試樣、三角試片。爐前使用NSP-1303型熱分析儀測(cè)定凝固曲線，利用光譜分析儀測(cè)定化學(xué)成分，在Y型試塊上取拉伸試棒和沖擊試樣，測(cè)定抗拉強(qiáng)度、延伸率、沖擊韌性、硬度和金相組織。利用XJP-6A金相顯微鏡及其附帶的金相檢驗(yàn)軟件系統(tǒng)對(duì)試樣石墨球的球化率、直徑、球化級(jí)別等進(jìn)行分析，每個(gè)試樣取5個(gè)視場(chǎng)，取其平均值。試驗(yàn)用的球墨鑄鐵化學(xué)成分如表1所示。
三 試驗(yàn)結(jié)果與分析
1 凈化劑對(duì)球墨鑄鐵結(jié)晶過(guò)冷度及白口傾向的影響
圖1分別為加入凈化劑和不加入凈化劑處理的球墨鑄鐵冷卻曲線。由圖可見(jiàn)，加入凈化劑的球墨鑄鐵在冷卻過(guò)程中，大約于1230℃左右出現(xiàn)拐點(diǎn)，說(shuō)明此時(shí)析出初生奧氏體，但是與普通灰鑄鐵相比，析出初生奧氏體的拐點(diǎn)不是很明顯，說(shuō)明初生奧氏體析出量較少。隨著鐵水溫度繼續(xù)下降，奧氏體繼續(xù)析出。大約在1156℃時(shí)，發(fā)生共晶反應(yīng)，但是共晶溫度回升不明顯。加入硅鋇孕育劑的球墨鑄鐵共晶開(kāi)始溫度為1156.67℃，由于結(jié)晶潛熱的釋放，共晶溫度回升為1159.44℃，大約回升2.77℃。與灰鑄鐵的共晶凝固相比，球墨鑄鐵的共晶溫度回升比較小，這是由于球墨鑄鐵共晶時(shí)，奧氏體殼包圍在石墨球的周圍，使碳原子向石墨的擴(kuò)散速度慢得多，共晶結(jié)晶速度降低，共晶時(shí)間延長(zhǎng)，放出的結(jié)晶潛熱速度降低，以至于回升溫度較小。
爐前為了快速檢查球化處理鐵液的球化狀態(tài)和白口傾向，澆鑄了三角試片，其斷口如圖2所示。由圖可見(jiàn)，三角試片的斷口為略灰的銀灰色，尖端處幾乎無(wú)白口，QJ-3中心有縮松，三角形兩腰有內(nèi)凹，此為球化良好的特征；Q-4中心也有微量縮松，兩腰微有內(nèi)凹，但不如QJ-3明顯。由此可以得出：使用凈化劑對(duì)球墨鑄鐵進(jìn)行凈化和孕育處理，可以降低球墨鑄鐵的白口傾向，可以獲得良好的球化效果。
表2為凈化劑對(duì)球墨鑄鐵含磷量和微量元素的影響。由表2可以看出，加凈化劑處理后，球墨鑄鐵試樣中磷的含量較對(duì)比樣低43.4%，釩和鈦的含量有所增加。磷是鑄鐵中非常容易偏析的有害元素。鑄鐵中含磷達(dá)到0.05％時(shí)，便有可能在鑄鐵中形成磷共晶組織。磷共晶常以不連續(xù)網(wǎng)狀或孤島狀的形式分布于原共晶團(tuán)間。磷共晶增加鑄件的脆性，降低塑性，因此在成分設(shè)計(jì)中，應(yīng)限制含磷含量。由于磷的偏析形成的二元和三元磷共晶，硬度非常高，且硬、而脆，容易從基體上剝落下來(lái)，成為磨料，使得磨損更加嚴(yán)重。實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出：凈化劑對(duì)球墨鑄鐵磷含量有一定降低作用。
另外，經(jīng)電子探針能譜分析表明，加入凈化劑對(duì)球墨鑄鐵合金元素的偏析影響不大。值得注意的是，用凈化劑處理后的球鐵鐵液析出物很少，表面比較干凈，氧化膜較少，實(shí)為凈化劑對(duì)鐵水凈化作用所致。
3 凈化劑對(duì)球墨鑄鐵石墨球數(shù)、直徑、球化率、分布的影響
檢測(cè)得出，試樣的球化率、球化分級(jí)、球徑、球數(shù)和石墨大小級(jí)別如表3所示。由表3可見(jiàn)，兩種處理方式的球墨鑄鐵石墨球化級(jí)別均為2級(jí)，球化率分別為91.6%、 94.1%；凈化劑孕育的球墨鑄鐵石墨球數(shù)為308個(gè)／mm2，直徑較小,平均直徑為1.28μm，石墨大小級(jí)別為8級(jí)；硅鋇孕育劑孕育的球墨鑄鐵石墨球個(gè)數(shù)為295個(gè)／mm2，球徑較大，平均直徑為2.14μm，石墨大小級(jí)別為7級(jí)。由此可以得出：使用凈化劑處理球墨鑄鐵，具有良好的孕育作用，可以增加石墨球數(shù)量，減小石墨球直徑，獲得細(xì)小園整的球狀石墨，得到良好的球化效果。
4 凈化劑對(duì)球墨鑄鐵金相組織及力學(xué)性能的影響
圖3為球墨鑄鐵的鑄態(tài)基體組織。由圖3可見(jiàn)，加入凈化劑和未加入凈化劑的球墨鑄鐵基體組織均為鐵素體。
力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果如表4所示。由表4可知，加入凈化劑的球墨鑄鐵試樣抗拉強(qiáng)度為506Mpa，延伸率為19.86%，硬度為HB177，沖擊韌性為86.51 J/cm2；硅鋇孕育劑孕育的球墨鑄鐵試樣抗拉強(qiáng)度為512Mpa，延伸率為19.75%，硬度為HB158，沖擊韌性為99.67 J/cm2。由此可以得出，凈化劑和硅鋇孕育劑對(duì)球墨鑄鐵的抗拉強(qiáng)度、延伸率、沖擊韌性均有積極影響，可以明顯提高球墨鑄鐵的抗拉強(qiáng)度和延伸率，使其達(dá)到了QT500-7標(biāo)準(zhǔn)；凈化劑孕育的球墨鑄鐵的硬度提高，比單獨(dú)硅鋇孕育劑孕育的球墨鑄鐵大約提高12％。由于QJ-3與Q-4的基體均是鐵素體，其硬度主要取決于石墨的形態(tài)與大小。凈化劑孕育的QJ-3球墨鑄鐵試樣石墨球細(xì)小，對(duì)基體的割裂作用小，所以硬度較高；另外，凈化劑是由多種元素的化合物組成，這些元素固溶到基體中，從而強(qiáng)化了基體，提高了球鐵的硬度。
四 結(jié)論
1 使用凈化劑孕育球墨鑄鐵，可以使石墨球數(shù)增加，石墨球直徑減小，獲得細(xì)小園整的球狀石墨，改善石墨球的分布情況，提高球化率，獲得良好的球化效果。
2 使用凈化劑孕育球墨鑄鐵，可以降低磷含量，釩鈦含量有所增加，對(duì)鐵液具有凈化作用。
3 凈化劑對(duì)球墨鑄鐵共晶結(jié)晶過(guò)冷度影響不大，但是可以降低球墨鑄鐵的白口傾向。
4 添加凈化劑凈化、孕育QT450-10球墨鑄鐵，其力學(xué)性能可以達(dá)到QT500-7的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)硬度有所提高。
參考文獻(xiàn)
1 徐建林 蘇義祥 路陽(yáng) 王治平 球墨鑄鐵常見(jiàn)缺陷的分析與對(duì)策鑄造 2001（4）：225－228
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