北京科技大学 铸造材料与工艺 球磨铸铁的生产与控制

1、铸造材料与工艺课程设计球磨铸铁的生产与控制学生姓名： 学生学号： 指导教师：目录一课程设计题目及设计思路3二球磨铸铁简介3三球磨铸铁基体的选择3四球磨铸铁化学成分的设计4五铁液的熔炼、球化及孕育过程的控制5六热处理过程的选择7七力学性能检测7八结语7九参考文献：8一课程设计题目及设计思路抗拉强度400Mpa，伸长率不低于80%，-40的标准V型缺口试样的冲击吸收功不低于12J的球磨铸铁的生产与控制。根据力学性能要求，对于球磨铸铁的设计与生产主要分为一下几个步骤：（1） 球磨铸铁基体的选择：球磨铸铁的力学性能主要取决于基体组织，从题目中可以看出，产品对于伸长率的要求较高，因此在设计时需对比不同的

2、球磨铸铁基体的特点及力学性能，选择所要生产的球磨铸铁的基体；（2） 球磨铸铁化学成分的设计：根据相应的基体，参照抗拉强度与伸长率均符合要求的QT400-18牌号球磨铸铁的成分，设计出初步的元素成分。另外，从题目中可以看出，产品对低温韧性要求较高，因此需在初步成分的基础上，进行成分的改进，最终使产品的低温韧性达到要求。（3） 球化及孕育过程的控制：球磨铸铁的球化过程和孕育过程是球铁生产的关键环节，决定着最终产品的力学性能和组织的好坏，因此需要重点控制。（4） 热处理过程的选择：热处理方法可以改善基体组织，提高力学性能，对于最终力学性能特别是低温韧性的达标有重要的作用。二球磨铸铁简介兼具优良的综合

3、机械性能以及低廉的制造成本，球墨铸铁已经大量用于制造强度、韧性、耐磨性要求较高的零件。球墨铸铁是铁液凝固时碳以石墨形式呈球状析出的铸铁。由于石墨以球状存在，避免因片状或尖角可能导致的应力集中，降低了石墨对基体的割裂作用，其强度、塑性、初性均显著优于灰铸铁。球墨铸铁屈强比较高，其强度质量比也优于铸钢。三球磨铸铁基体的选择按照基体的不同，球磨铸铁可分为铁素体球墨铸铁、珠光体球磨铸铁以及珠光体铁素体球磨铸铁。珠光体基体的球磨铸铁抗拉强度高，但是塑性差，其伸长率很难达到所要求的18%；而铁素体基体的塑性最好，能够满足要求，虽然其抗拉强度较差，但也能达到要求的400Mpa，因此选择铁素体基体作为设计基体

4、。铁素体球墨铸铁是一种综合性能良好的高韧性、高强度金属材料。它主要用于制造受力较大而主要又承受变形和冲击的零部件，如汽车的底盘和轮毂等1,2。生产铁素体球墨铸铁通常采用合适的高、低温退火工艺来消除晶界共晶碳化物，分解珠光体以获得80%以上的铁素体基体组织，从而保证铁素体球墨铸铁较高的冲击韧度和一定的强度3。四球磨铸铁化学成分的设计化学成分是保证球磨铸铁力学性能的基础，根据国家标准 GB1348-1988，参照QT400-18牌号的球铁主要化学成分（3.5-3.9%C，2.0-2.1%Si，0.40%Mn，0.05%P，0.03%S）。因为本研究对球铁的低温性能有很高的要求，需结合镍元素对铁素体

5、球磨铸铁低温韧性的提高，对产品的化学成分设计如下：（1）碳当量碳促进石墨化，减少白口，但含量过高，易引起石墨漂浮；过低，铸件收缩增大，易形成缩孔、缩松等缺陷。硅也能促进石墨化，以孕育剂的方式添加，其效果更佳。Si通常有双重作用：一方面使渗碳体、珠光体、三元磷共晶减少，增加铁素体量，改善塑性；另一方面却强化铁素体，脆性作用较明显，因此为获得18%的伸长率，应尽量降低Si含量4。选择碳当量为4.1%-4.4%，其中碳含量3.5%-3.9%，硅含量2.0%-2.1%。（2）锰锰是形成碳化物能力较强的元素，容易附集到共晶团边界而形成珠光体或碳化物，严重时形成网状碳化物,影响力学性能，一般控制猛含量小于

6、0.2%。（3）磷磷在球铁中溶解度很低，当磷超过某一含量时，易偏析于共晶团边界形成磷共晶，降低铸件的塑性、韧性和强度，并且使铸件产生泠裂，因此控制磷含量<0.05%。（4）硫硫与镁、稀土亲和力很强，消耗铁液中的球化元素，形成MgS、RES渣，降低球化率。硫越高，消耗球化剂越多，因此铁液含硫量高是造成球化元素残留量少而导致球化不良的主要原因。另外，含硫量高还容易产生夹渣、皮下气孔等缺陷，所以在球铁的生产中含硫量多少对稳定生产、提高质量极为关键。应该硫含量应严格控制<0.025%5。（5）稀土和镁残留量稀土起辅助球化作用，RE残过高时，会恶化石墨形状。因此在保证球化良好的前提下，稀土和

7、镁的残留量尽可能降低。控制RE残的含量0.03%-0.04%，Mg残的含量0.04%-0.05%。（6）镍Ni 熔于铁熔体中，碳的溶解度随铁水中镍的增加而逐渐降低。镍对石墨化会产生一定的影响，在铸铁共晶凝固期间，镍对石墨化的影响能力约为硅的三分之一，因此，在铸铁中加入1镍，则可降低铸铁中的含硅量约0.3，而不会增加析出自由渗碳体的危险。 镍对基体组织也会有很大影响，镍降低奥氏体转变的临界温度，扩大奥氏体区，增加到12-14时，奥氏体组织在室温时仍是稳定的。镍一方面降低奥氏体转变成珠光体的温度，同时亦降低共析点的含碳量，每增加1降低共析点碳量 0.04。因此，镍的加入可以显著提升球磨铸铁的低温韧

8、性，从而改善QT400-18在低温韧性上的不足，使产品在-40的低温下，V型缺口试样的冲击吸收功不低于12J，故确定含镍量为0.1%-1.0%6。五铁液的熔炼、球化及孕育过程的控制铁液采用冲天炉与电炉双联的熔炼工艺熔炼，并进行两次脱硫。当冲天炉铁液冲入铁液包时，采用1.0%的脱硫剂，其化学成分及粒度如表1所示，进行一次脱硫，在感应电炉炉内用0.5%脱硫剂进行二次脱硫。铁液出炉温度变化范围小，为1450-14707，使生铁中的石墨充分扩散到铁液中，保证铁液凝固时重新结晶析出细小石墨，增加共晶团数，保证铁液有足够的石墨化膨胀，降低了缩松倾向并消除了石墨粗大遗传，保证了生产的质量稳定。表1脱硫剂化学

9、成分及粒度化学成分（质量分数，%）粒度/mm<2CaO40-60CaC230CaF25-10球化剂是指在铸铁中加入的某些元素或合金，这些元素使铸铁中的石墨在结晶时以球状析出，同时在铁液中有很强的脱氧和脱硫作用，并且在铁液中不溶解，与铁液中的碳能够结合。由于球化剂的球化作用，使石墨呈球状析出，缓和了石墨对金属基体的破坏，从而很大程度上提高了金属的强度和韧度。球化处理时，采用冲入法，为提高镁的吸收率和净化环境，采用盖包处理。选用FeSiMg8RE3低稀土镁硅合金作为球化剂8，其化学成分如表2所示。对球化剂块度大小也有一定要求9，粒度过大，容易引起早爆和漂浮，粒度过小，在铁液温度不足时容易结死

10、包底。表2 球化剂的化学成分（质量分数%）MgReCaMgOSiFe7.5-8.52.5-3.52.5<1.040-45余量孕育处理是球墨铸铁生产中的一个重要环节，铁液经球化处理后，硫氧含量明显降低，纯净度显著提高，导致形核核心减少。此外铁液中存在的残余镁使过冷度增大。所以只球化不孕育的球墨铸铁熔液，石墨核心数少，白口倾向严重，力学性能不好，加工困难，因此球化处理后必须对球墨铸铁进行孕育处理。孕育处理还可以提高石墨球的圆整度，改善球化率，辅助石墨呈球状。孕育处理是使石墨球数量明显增加的重要手段，是改善球墨铸铁品质的首选方法。孕育处理时选用75SiFe作为孕育剂，并多次孕育10。（1） 包

11、内孕育：球化剂加入包内后，在其表面覆盖粒度为5-10 mm孕育剂，加入量为0.6%，第一次出铁2/3；（2） 出铁槽孕育：第二次出铁时，在出铁槽随流加入粒度5-10 mm孕育剂，加入量为0.3%；（3） 浮硅孕育：铁液处理完毕后,在等待浇注的静置时间内,加入块度为80-100 mm，孕育剂加入量为0.2%；（4） 瞬时孕育：浇注铸件时加入粒度0.2-0.5 mm，孕育剂加入量为0.1%。六热处理过程的选择由于担心冲击韧性不能达到要求，应提高铸态基体中铁素体的含量，减少组织中存在的降低冲击韧度的碳化物及其它组织，故需采用退火处理，具体的工艺为900-950保温2.5h，炉冷至700-760保温3

12、h，再炉冷至室温11，其热处理工艺如图1。图1 球磨铸铁退火工艺七力学性能检测在热处理结束后，需对对产品的力学性能进行检测，检测抗拉强度，伸长率，以及-40低温韧性能否达标。抗拉强度的测试采用SHT4605型微机控制电液伺服万能试验机，在室温条件下进行；延伸率的测试在拉伸试验结束后进行，采用 检测抗拉强度时的数据，对延伸率进行记录、计算；冲击韧性测试在 JBH-300 型示波冲击试验机上进行。八结语根据伸长率的要求，确定球磨铸铁的基体为铁素体组织；参照QT400-18力学性能中低温韧性的不足，在其原有元素含量的基础上，改进添加0.1-1.0%的Ni，从而大大改善其低温韧性；在成分与基体确定的基

13、础上，选定合适的铁水熔炼、球化及孕育的工艺，保证产品的生产；最后再选择900-950保温2.5h，炉冷至700-760保温3h，再炉冷至室温的退火工艺，进一步均匀组织，细化晶粒，并通过性能检测，最终保证其力学性能。九参考文献：1 陆文华. 铸造合金及熔炼U. 北京：机械工业出版社，2000.2 曹 健，高文理，岑 鸽，等. Ni、Si、Sb及浇注温度对厚大断面低温铁素体球墨铸铁性能的影响J. 铸造技术，2010，31(12)：1537-1542.3 夏鹏举，陆文华. 金属型铸造铸态铁素体球墨铸铁的实验研究J. 铸造技术，2002，23(4)：213-216.4 周惦武，赖海萍，胡彦军，等. 工艺因素对铸态高韧性球铁伸长率的影响J.现代铸铁，2004(1)：13-16.5 李 蒙，白 玲. 铸态QT400-18球铁的生产J. 金属铸锻焊技术，2009，38(11)：150-151.6 路 焱，刘向东，李 勇，等. 含镍量对QT400-18L低温冲击韧度的影响J. 铸造技术，2006,27(12)：1342-1344. 7 赵金锋，穆富超. QT400-18高韧性球墨铸铁的生产