1、综合实验论文高碳当量高强度灰铸铁组织性能研究指导老师：王鑫 铸造学生：0803041 雷小波高碳当量高强度灰铸铁组织性能研究雷小波 李沙沙 闫雅雪摘要：灰 铸 铁 良 好 的 铸 造 性 能 、 良 好 的 减 振 性 、 良 好 的 耐 磨 性能 、 良 好 的 切 削 加 工 性 能 、 低 的 缺 口 敏 感 性 ， 在 很 多 领 域 得 到 了很 好 的 应 用 ， 但 由 于 在 很 多 情 况 下 很 难 达 到 高 的 强 度 ， 使 其 应 用受 到 了 很 大 的 限 制 ， 文 章 力 求 在 碳 当 量 CE4.0%情况下，形成石墨形态为 A 型或 D 型的灰铸铁，抗拉
2、强度 b300MPa。但实验结果表明，在这种情况下，获得符合要求的灰铸铁是很难达到的，本实验以失败告终。关键字：高碳当量 高强度 灰铸铁1 前言：灰 铸 铁 良 好 的 铸 造 性 能 、 良 好 的 减 振 性 、 良 好 的 耐 磨 性 能 、良 好 的 切 削 加 工 性 能 、 低 的 缺 口 敏 感 性 。 但 由 于 灰 铸 铁 中 的 片 状石 墨 对 基 体 的 割 裂 严 重 ， 在 石 墨 尖 角 处 易 造 成 应 力 集 中 ， 使 灰 铸铁 的 抗 拉 强 度 、 塑 性 和 韧 性 远 低 于 钢 ， 但 抗 压 强 度 与 钢 相 当 ， 也是 常 用 铸 铁 件
3、 中 力 学 性 能 最 差 的 铸 铁 。 同 时 ， 基 体 组 织 对 灰 铸 铁的 力 学 性 能 也 有 一 定 的 影 响 ， 铁 素 体 基 体 灰 铸 铁 的 石 墨 片 粗 大 ，强 度 和 硬 度 最 低 ， 故 应 用 较 少 ； 珠 光 体 基 体 灰 铸 铁 的 石 墨 片 细 小 ，有 较 高 的 强 度 和 硬 度 ， 主 要 用 来 制 造 较 重 要 铸 件 ； 铁 素 体 一 珠 光体 基 体 灰 铸 铁 的 石 墨 片 较 珠 光 体 灰 铸 铁 稍 粗 大 ， 性 能 不 如 珠 光 体灰 铸 铁 。 故 工 业 上 较 多 使 用 的 是 珠 光 体
4、基 体 的 灰 铸 铁 。 而 灰 铸 铁的 力 学 性 能 与 基 体 的 组 织 和 石 墨 的 形 态 有 非 常 密 切 关 系 ， 在 六 种石 墨 形 态 中 ， 以 D 型 石 墨 的 性 能 最 佳 ， 本 文 在 前 人 的 研 究 基 础 上 ，主 要 通 过 提 高 碳 当 量 ， 添 加 合 金 元 素 来 改 变 基 体 组 织 ， 以 及 石 墨形 态 ， 来 实 现 高 强 度 灰 铸 铁 的 要 求 。2.试 验 方 法2.1 配 料 依 据由于在碳当量不变的条件下，适当提高硅碳比可以使初析奥氏体量增加，有加固基体的作用，同时硅的提高，使铁液的白口倾向有所降低。
5、在高碳当量时，冷却速度一定的情况下，随着碳量的提高，初期奥氏体枝晶得到细化。因此选择高硅高碳，较高的硅碳Si/C=0.7。 由于 D 型石墨性能比较好，但其成分为亚共晶成分，又因碳当量大 于 4.0%，且碳当量小于 4.3%，取碳当量等于 4.0%。又由于CE=C+1/3(Si+P)，又 Si/C=0.75，CE=4.0%，所以 C=3.2%,Si=2.4%。Mn 的确定:课题技术要求 b300MPa，而 Mn 有很好的强化基体的功效，同时由于本实验对 Mn 也有实验性的研究，突破灰铸铁低锰的现实，所以实验选用高锰，Mn=1.5% 。由于本实验室高碳当量，硅碳都很高，对于实现良好性能的 D 型
6、石墨非常不利，因此，本实验主要通过添加合金元素使石墨为 D 型而不是 A 型，以珠光体为基体的灰铸铁。其他元素的确定：Sb:强烈促进珠光体的形成，其在灰铸铁的加入量为0.02%，选取为 0.018%。Ti：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。一般情况下，钛的石墨化作用是使珠光体和共晶团数增加，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。 【1】同时 Ti 可以细化枝晶，强化基体，因此 Ti 不宜加得过多，通常用量为 0.17%。Cu：铜 (0 一 l%)对基体组织和石墨形态的影响，铜促进珠光体转变、提高
7、并稳定珠光体量、细化珠光体;促进产生 A 型石墨并改善石墨形态和使石墨变粗变短。 【2】而且 Cu 促进共晶阶段的石墨化，降低奥氏体转变的临界温度，细化并增加珠光体，取 0.8%。Ni：扩大奥氏体区，共晶期间促进石墨化，降低奥氏体转变温度，细化并增加珠光体，其用量 Ni3%,选用 2%。2.2 配料计算生铁：C=4.29% Si=0.89% Mn=0.15% ,P S 不计。硅铁：Si=75% 锰铁：Mn=80% 钛铁:Ti=40%纯铜，纯镍，75Si-Fe=0.5%成分：C=3.2%,Si=2.4%,Ti=0.17%,Cu=0.8%,Ni=2%,Sb=0.018%熔炼质量 5kg。公式：C%
8、=3.2%=4.29% m1/m 总 得 p1=m1/m 总 =0.764Si%=2.4%=75%m2/m 总 得 p2=m2/m 总 =0.032Mn%=1.5%=80%m3/m 总 得 p3=m3/m 总 =0.019Ti%=0.17%=40%m4/m 总 得 p4=m4/m 总 =0.004Ni%=2%=m5/m 总 得 p5=m5/m 总 =0.02Cu%=0.8%=m6/m 总 得 p6=m6/m 总 =0.008由上式得：p 总 =p1+p2+p3+p4+p5+p6=0.829m1%=p1/p 总 =90% 得 m1= 4500 gm2%=p2/p 总 =3.86% 得 m2= 1
9、93 gm3%=p3/p 总 =2.29% 得 m3= 114.5 gm4%=p4/p 总 =0.48% 得 m4= 24 gm5%=p5/p 总 =2.41% 得 m5= 120.5 gm6%=p6/p 总 =0.96% 得 m6= 48 g即，生铁：4500g，硅铁：193g，锰铁：114.5g，钛铁：24g,镍：120.5g,铜：48g。2.3 造型由于受实验室条件的影响，并本着便于操作的原则，本实验采用砂型铸造。由于灰铸铁熔炼温度较高，加上过热的要求，温度可达到 14501470 摄氏度，因此采用黑土砂，选用标准拉伸试棒铸型进行造型。2.4 熔炼及浇注根据实验室条件，本实验采用电弧炉进
10、行加热，操作方便且可以减少氧化。浇注时，有两个同学协作完成，一个人负责将金属也从炉子内往外倒，另一个负责在外面接住金属液，并完成最后的浇铸。此过程一气呵成，但由于金属液的飞溅需要我们做好防护。2.5 实验处理浇注完后，我们对铸件进行了清理，我们之浇铸成功了一个试棒，而且试棒表面粗糙。随后我们将其切割成标准试棒，并利用浇不足的试棒制作了一个做金相的试样。随后我们进行了拉伸和金相试验。2.6 实验结果261 金相图片图片 1 20 倍图片 2 5 0 倍图片 3 20 倍图片 4 50 倍图片 5 10 倍图片 6 50 倍2.6.2 拉伸试验灰铸铁拉伸试验 表 2-1截面积 最大载荷 N 抗拉强
11、度 MPa 断裂强度 MPa 断裂伸长50.26544 7164.25 142.582 4.896 10.81拉伸曲线图片黏贴拉伸曲线 图 2-13.实验结果分析3.1 图片分析由图片 1，这是在 20 倍的放大倍数下的图片，我们可以清楚地看到均匀分布的石墨片，初步判断，其为 A 型石墨。有图片2，他是在 50 倍的视野下的图片，我们可以看到大的石墨片，同时在石墨片的周围，我们还可以看到铁素体以及细片状和粒状的珠光体，可以确定，其为 A 型石墨。由图片 3，是在 20 倍放大倍数下的图片，我们可以看到带尖角块、粗大片状初生石墨，这跟 C 型石墨非常相似，由图片 4，在 50 倍下，我们可以清晰
12、的看到带尖角的石墨片，这对抗拉强度的影响很大，是典型的 C 型石墨。由图片 5，它是在 10 倍的放大倍数下图片，由于试样腐蚀过重，很难辨别基体组织，但从宏观上我们可以依稀看到星状的石墨，这与 F 型石墨大体相符，由图片 6，在 50 倍放大倍数下，我们可以清晰的看到星状石墨，可以判断其是 F 型石墨。3.2 抗拉结果分析由抗拉结果可以知道，显然我们的实验很不成功，远远没能达到实验要求。其客观原因：一是，本实验由于采用的是高碳当量，而且力求添加合金元素，是材料到实验要求的强度，因此合金元素添加较多，尤其是 Ni，达到了 2.0%,似的金属液的流动性非常差，因此在浇注时出现了严重的浇不足，成功的
13、试样只有一件，这使得在做拉伸试验时，是能做一做试验，其结果的偶然性难以避免，其实验结果很难说明问题。二是，在浇注的时候，由于操作上的不熟练，在浇注前停留的时间稍微有些长，这一方面降低了金属液的流动性，另一方面，使得金属液的氧化变得严重，似的凝固后的金属也中有一些氧化夹杂，这对拉伸强度都有一定的影响。三是，在实验过程中，由于实验条件的限制，使得我们在铸型后不得不拆箱，使得在浇注时，受金属液的冲击，砂型发生了一些错动，使得浇注后的试棒上下没有很好地对齐，这对拉伸结果有一定的影响。主观原因主要有以下方面，由于本试验主要是通过添加合金元素使基体向珠光体转变，形成 A 或 D 型石墨。但由于没有综合考虑
14、各个元素的综合作用，使得实验结果与预期相差很大。一是，从图片的分析可以知道，其组织很不均匀，既有 A 型石墨，C 型石墨，还有 F 型石墨，这主要是由于合金元素添加过多，使合金的流动性变得很差，其在凝固过程中，合金也不能很好的扩散，各部分组织成分很不均匀。二是，合金元素的加入，使得共晶点左移，这就造成在碳当量为 4.0%时，也会发生过共晶，这就导致一次渗碳体的形成，这就解释了 C 型石墨，A 型石墨的形成。同时由于在室温下冷却，而且没有保温，在过共晶时，快冷条件下，这就可以形成 F 型石墨。4.综述由于合金元素添加过多，致使没有达到所要求的 D 型石墨，即使有少量的 A 型石墨的形成。【1】 Ti 在高碳当量灰铸铁中的石墨化和反石墨化作用熊仲明 张卫善张丽娟( 北京科技大学北京 100083)【2】 铜对灰铸铁性能和组织的作用中国农机研究院工艺材料所洛阳第一拖拉机厂张伯明胡家聪关洪国吴英考（执笔)刘瑞芳陈鹤涛刘景陶李树达。
