灰铸铁白口成因

1、引用的引用的化学元素Ti球墨铸铁张文和，丁俊，聂富荣（铸峰特殊合金有限公司销售公司，南京 210002）摘要：灰铸铁、球墨铸铁铸件生产过程中，往往出现游离渗碳体。本文从铸铁的常规化学成分；反石墨化元素；O N、H气体元素;共晶团数；冷却速度；铸铁的熔炼；炉料遗传性；共晶最后阶段凝固特点等方面，阐述铸铁渗碳体出现的原因，并提出相应的防止措施。关键词：渗碳体；石墨化；白口倾向；共晶团；孕育铸铁凝固时，铁液按稳定系结晶，碳原子以石墨状态析出，铸铁断口呈灰色，得到灰铸铁；铁液按介稳定系结晶，碳原子与铁原子结合成碳化铁， 断口呈白色， 得到白口铸铁； 介于两者之间， 得到麻口铸铁。铸铁中碳原子聚合成石墨

2、的过程，称石墨化。灰铸铁共晶阶段冷却曲线如图 1，TE1 稳定系共晶转变开始温度TE 介稳定系共晶转变开始温度 TETEN 共晶生核开始温度TEU大量形核温度TER共晶回升温度最高值TS 共晶转变终了温度女口果TEU>TE TS>TE则得至U全部灰口组织；如果 TEN<TE< SPAN> TERvTEv SPAN则得至U全部白口组织。若 TEU>TE Ts<TE< SPAN>贝V凝 固后出现游离渗碳体；TS略低于TE时，会在最后凝固区域或共晶团间 出现少量游离渗碳体。 TERvTEv SPAN> TEU<TE< SPAN则

3、出现莱氏体。 铁液中生核能力强，则生核开始温度 TEN高，基晶团数量增加，共晶阶 段冷却曲线上移减少共晶转变过冷度，使TS>TE促进形成灰口组织。因此强化孕育增加生核能力，提高共晶团数量，必然减少白口倾向。影响铸铁共晶阶段冷却曲线的因素有： 是化学元素 （合金元素 ）；冷却速度；结晶核心；生铁的遗传性。例如：石墨化过程在 TE 一 TE共晶区间进行，Cr、V、Ti缩小TE1一 TE共晶区间，石墨尚未析 出就下降到介稳定共晶转变温度 TE以下，碳原子来不及扩散与聚合成 石墨，铸铁凝固成白口或麻口。 铸铁出现渗碳体显然会降低力学性能和 切削性能。灰铸铁碳化物按其在大多数视场中的百分比，分 6

4、 级评定，见表1球墨铸铁渗碳体数量分级有国家标准 (GWl944l 一 1988) ，按数量最多的视场对照图谱或用金相软件评定，见表 2照图谱或用金相软件评定，见表二l 常规化学成分的影响碳和硅：都是强石墨化元素，适当提高碳、硅量对消除碳化物或 渗碳体十分有效。灰铸铁降低碳当量可减少石墨数量、细化石墨、增加 初析奥氏体枝晶数量，从而提高力学性能；但同时降低铸造性能、增大 断面敏感性、增加铸件内应力、增加碳化物量，从而增加机械加工难度 和刀具磨损。降低碳当量会增加白口倾向，常用强化孕育来防止。球墨 铸铁与灰铸铁一样，采用纯净炉料，综合考虑铁液流动性、减少缩孔和 缩松等因素，碳当量应控制在4.6

5、% 4.8 %最好，w(c)绍渗碳体就可以消失， w(Si) 在 2.0 一 3.0 之间，薄壁件取上限，厚壁件取下限。锰和硫：是阻碍石墨化元素，能稳定碳化物，一般灰铸铁含硫 0. 02% 0.15 %、含锰0.4 % 1.2 %，化学反应生成 MnS FeS,熔点大 于1600C，以颗粒状分布于基体中，不会对石墨化产生影响。硫化物 是共晶石墨形核的基底,硫化物热力学稳定性越高,孕育作用越大。为 确保孕育效果灰铸铁含硫量在 0.06%-0.10 %之间为好。2 反石墨化元素的影响V、 zr 、 Nh、 Ti 、 cr 、 Mo、 w、 B、 ce、： Mg、 Te、 H、 N、 Bi 都是 反

6、石墨化元素。压、 Ti、 B、 ce、 N、 cr 、 Bi 等元素含量极低时,有促 进石墨化的作用, 然而超过一定量就是强烈反石墨化元素。 由于珠光体 是过冷奥氏体在共析温度时形成的机械混合物, 是铁素体和渗碳体按层 片状交替排列的层状组织。 加人少量合金元素可以促进、 稳定和细化珠 光体,提高力学性能和使用性能, 过量合金元素肯定会使铸铁渗碳体增 加。用于合金化处理的原铁液应有较高的碳当量,使其白口倾向小、铸 造性能好,不易产生缩孔和缩松。 碳当量高应使含碳量较高含硅量较低, 防止硅增加铁素体、粗化珠光体、抵消合金元素作用等有害倾向。提高铸件强度和断面均匀性。 反石墨化元素的最高加入量见表

7、 3资料介绍：金属间化合物形式的原子集团，可以改变遗传效果， 因此稀土孕育剂的应用可以明显消除反石墨化元素造成的白口倾向。 北 京工业大学和北京第一机床厂在北京市科技委组织下， 开展对高强度灰 铸铁新型孕育剂的研究。 在高强度灰铸铁中采用稀土孕育剂， 降低铸铁 的过冷度及形成白口的倾向， 降低硬度及形成气孔的倾向性， 提高铸铁 的抗拉强度。这一成果具有降低生产成本，熔炼工艺简单，提高强度明 显等优点，值得广大生产灰铸铁的厂家推广应用。3 0、N、H气体元素的影响氮、氢、氧是溶解在铁液中并对铸铁组织和性能有重要影响的气 体元素。熔炼过程中，处于空气影响下由铁液吸附、溶解氧气直到饱和 为止。铁液中

8、的溶解氧化合成氧化物，例如孕育剂中 Si+20=Si02 作 为石墨结晶非均质晶核时， 溶解氧起到促进石墨化作用； 溶解氧未化合， 则阻碍石墨化增加白口倾向。 铁液过热， 溶解氧量增大， 白口倾向增大。浇注过程中铁液与铸型中的水分化学反应是铁液中氢的来源。 铁液中的氢具有类似于 s、 se、 Te 等元素的作用，表现为减少硫对石墨 的吸附作用，促使铁液凝固为白口组织。实验表明： Al 、 B、 c 、 si 、 c d、 cu、 Ge、 P、 s、 sn 等元素，不同程度的降低氢在铸铁中的溶解度， ca、cr 、 Mn、 Ni 等元素的加入会提高氢在铁液中的溶解度。铸铁溶解 氢量增大，共晶温度

9、降低，过冷效应产生的白口倾向就严重。随着氢含 量的增加。均匀分布的片状石墨先转变成枝晶石墨， 再转变成异形石墨， 最后转变成紧密状石墨并伴有渗碳体。溶解氮是阻碍石墨化元素，硅量的增加能抵消这方面的作用。铸铁含硅量超过 2 0一 25以后，溶解氮不再增加，氮的阻碍石墨 化作用， 主要体现为易于获得珠光体和改善灰铸铁片状石墨的形态。 因 此铸铁含氮量增加抗拉强度能增加 6080MPa。4 冷却速度的影响铸件壁厚不均匀或边缘部位，平板铸件某些部位产生局部白口， 都是该部位冷却速度太快， 使铸铁按介稳定系结晶而析出渗碳体。 其他 条件相同，冷却速度越大共晶转变的过冷度越大，白口倾向越大。凝固过程温度的

10、变化受共晶团生长速度的影响。凝固过程过冷度 大则共晶团生长速度快。 孕育剂的加入使共晶团数量迅速增多， 同时减 少过冷度。因此孕育后力求获得 68C的相对过冷度，相对过冷度小 于4C则孕育过度。孕育使石墨和共晶团细化，使 D、E型枝晶石墨转 变成细小均匀分布的 A 型石墨。生产实践中， 硅钡孕育剂能有效改善铸 件断面均匀性， 防止铸件局部白口。 改变浇口位臵可以改变铸件温度场 分布，有利于局部白口的改善。铸铁件断面外部呈灰口，而内部出现局部白口，称为反白口。一 般认为： 铸件已凝固部位使中心厚大部位迅速冷却， 落入介稳定系结晶 范畴而致。有时型砂水分高， 浇注温度低，也会出现反白口倾向。 另外

11、铸 铁的成分偏析、孕育衰退、铁液含氢量高，均易产生反白口。防止方法 仍然应从铸件化学成分、反石墨化元素、强化孕育、提高熔炼及浇注温 度、控制型砂水分、减少球化剂稀土含量、保证球化前提下减少残镁、 残稀土量人手。5 铸铁熔炼的影响同一炉料用冲天炉和感应电炉熔化，结果不一样。相比冲天炉， 电炉熔炼易于产生过冷石墨，使铸铁的强度、硬度较高。电炉熔炼使铁 液过热白口倾向增大，主要原因是： 铁液过热含氮量增加； 铁液长 时间加热，生成的co挥发导致贫氧，孕育效果差形核率低，石墨化能 力减弱。废钢、锰铁、铬铁、增碳剂、涂料、树脂都会增加含氮量。冲 天炉炉料锈蚀或熔炼过程铁液氧化严重，增硫、脱碳反应剧烈进行

12、：10FeO+SO3 FeS+3Fe3O4FeO+C Fe+CO硫是强阻碍石墨化元素，脱碳是削减石墨化元素，二者叠加促进白口倾向。6 炉料的遗传性铸造生产中，炉料的微观组织和结构，由于铁碳平衡图 D'=4OOOC , C'=11470 C，铸铁共晶熔点以及过热温度远远低于使铁液结构无 序化的温度， 由此铁碳合金的近程有序结构产生遗传效应， 强烈影响到 后续生产铸铁的组织和结构。 铸铁熔融状态下， 存在未溶解的石墨分子 蔟和渗碳体分子簇。 在炉料铁液一铸件的过程中， 炉料含废钢、 白口铁、 低硅生铁较多时， 未被溶解的渗碳体簇作为形成渗碳体核心在熔炼后被 保留于铸件，其中强碳化物

13、元素促使铸件收缩、裂纹、白口倾向增大。 同样，炉料中生铁石墨粗大，在未被溶解的碳原子簇影响下，灰铸铁凝 固时会有粗大石墨或 D、E 型石墨保留遗传。 这时应考虑提高熔炼温度， 减少孕育前铁液含硅量， 保证灰铸铁 O.O6 一 O.1 的含硫量， 以加强 孕育效果。废钢、生铁、回炉料、添加合金中微量元素Ti 、 Pb、sb、 Bi 、As 及合金元素 v、Ti 、cr 、No、Cu、Ni 都会在重熔时产生累积效应，增加铸件白口倾向7 灰铸铁晶间碳化物共晶结晶末期，铸件内部已经形成的奥氏体枝晶与共晶团边界之 间存在尚未凝固的残余铁液 由于奥氏体和共晶团形成， 必然向晶界析 出合金元素。因此，当正偏

14、析元素（如Cr、v、Ti）富集，缩小稳定系共 晶转变开始温度与介稳定系共晶转变开始温度的距离， 容易促进晶界碳 化物生成。壁厚引起的慢冷加重偏析，不含 cr 、 V、 Ti 的厚壁铸件不会 有晶问碳化物产生。 如果冷却速度加快， 凝固终了温度降到介稳定系共 晶转变开始温度以下，将促使碳化物形成。碳当量低、正偏析元素高的铁液容易在最后凝固区域生成共晶碳 化物。当合金含量大时 共晶团内凝固较晚存有残余铁液的蜂窝结构中 也会出现碳化物。如果碳化物形成元素被推移到铸件中心部位，分布于奥氏体枝晶 间，会生成莱氏体形成白口凝固，常称为反白口现象。由此推论，这种 反白口现象的防止， 应该从铁液的冶金指标及合

15、金元素的含量与冷却速 度人手。 一般孕育剂难以改变反白口现象， 但是最近推出的硅镧孕育剂 对反白口有较好的效果， 因为单一稀土元素镧， 可以有效促进最后凝固区域铁液的石墨化。8 薄壁球墨铸铁晶间碳化物球墨铸铁凝固终了，奥氏体枝晶和共晶团析出后，残留在枝晶与 共晶团边界问最后凝固的铁液迅速冷却， 会形成晶问碳化物。 铸态产生： 铁素体 +碳化物，珠光体 +碳化物，混合基体 +碳化物组织。综合分析可 以采取下列措施：采用Q12 Q14 Q16等Si N.1 %，低Ti球生铁。 选择纯净的不含反石墨化元素的炉料。 薄壁铸件应提高碳硅当量 （CE =4.6 %一 4.8 %）,熔炼时预加SiC或75S

16、iFe增Si ;选用低镁低稀土 球化剂，降低残镁量至w（Mg残）=0.03 %-0.045 %、降低残留稀土量至 w（RE残）=0.01 % -0.02 %;熔化温度控制在1480C -1520 C之间， 加强孕育，采用高效、长效孕育剂，采用二次孕育。提高单位面积石墨 球数。其中增加石墨球数是消除薄壁球墨铸铁出现碳化物的最有效的方 法。因为。随球数增加早期凝固的体积分数加大， 晶间的残余铁液减少， 提前结束共晶凝固， 从而防止碳化物的产生。 密布细小的石墨球缩短碳 原子扩散距离，加速固相转化时 Fe3C+3Fe的相变。9 结论总之，灰口铸铁、球墨铸铁产生白口的原因比较复杂，有时是几 种因素叠加

17、的结果。 目前工厂尚难于检测铸件中的气体元素和微量元素准确数据，但总体的防止方法是不变的1）严格控制铸铁的常规化学成分和合金元素成分，化学成分控制精度含碳量 ±0.05 ，含硅量 ±0.1 ，除微量元素外的其他元素控制在 0.02 以内。2）提高铁液的冶金质量，熔炼温度1480C 1520C ,炉料配比合理，采用纯净炉料减少有害元素影响，减少生铁不良因素遗传。3）采用孕育效果好、抗衰退的高效和长效孕育剂强化孕育，铁素体球墨铸铁采用二次孕育。4）控制好铸件的冷却速度，控制打箱时间，尤其是薄壁铸件的打箱时间。5）灰铸铁应采购Z20以上牌号的生铁；球墨铸铁应采购Q12以上牌号的球

18、生铁。铸铁是含碳量大于2.11 % （般为2.54%）的铁碳合金。它是以铁、碳、硅为主要组成元素并比碳钢含有较多的锰、硫、磷等杂质的多元合金。有时为了提高（附录）各种灰铸铁的化学成分（质量分数）资讯来源：环球铸造网发布时间：2009-02-02 11:52:32序号CSiPSMnCrNiMoV其余0.110.113.301.40601.470.120.110.123.301.90601.430.350.120.133.152.054120.600.060.110.142.972.3106160.920.060.110.153.421.9006001.470.120.110.063.132.29

19、6151.900.080.173.002.000.1501.250.10.4083.002.000.1501.25Ti93.152.050.120.10.60-4120.120.10.05103.102.250600.65Sn0.120.10.10113.102.250600.65-Sn0.210.00.01123.191.706970.760.0330.210.0133.221.732890.750.030.470.180.00.00Trac143.201.767540.645e0.48-0.110.0153.222.024670.660.021.210.520.110.0163.212.2

20、40.670.200.060.52-4710.150.0173.361.968700.740.350.520.470.1183.212.010.1501.530.400.130.1193.202.000.1501.250.400.05203.102.090.150.101.460.44-0.14-0.095B0.100.0213.222.108880.680.970.400.100.0223.202.158930.701.000.410.090.00.05233.192.552900.710.9640.160.090.00.060.08243.172.204920.660.95910.090.00.07253.192.202920.680.9350.270.080.0263.171.900940.650.730.190