球铁铸造实验结果汇报

1、球墨铸铁球墨铸铁实验目的在刘老师的带领下，我们对球墨铸特进行了较为系统的学习，了解到球墨铸铁的良好性能，以及它在铸铁件中占据了越来越重要的比例。但是在铸态条件下金属基体通常是铁素体基体和珠光体基体的混组织，无法满足对其多样化性能的要求，为此需要进行不同手段的热处理以满足各种服役条件。但是热处理过程会使得生产周期延长，成本升高，高耗能，高污染。为此在铸态条件下获得各种性能的铸件是社会生产所急需的。所以我们期望通过此次试验在铸态下获得金属基体为铁素体的QT400-18的铸件，铁素体和珠光体混合基体的QT600-3的铸件以及珠光体基体的QT700-2的铸件。同事也希望通过这次实验加深大家对球铁相关知

2、识的认识以及锻炼大家的创新能力，动手能力，理论联系实际的能力以及团队合作能力等一些综合实践能力。实验过程u化学元素的选取与控制u成分配料u金属熔炼、水玻璃砂造型u球化孕育处理u金相组织检测u金属力学性能检测u实验结果分析u实验总结化学元素的选取与控制由于石墨对机体的削弱作用很小，当含碳量在3.2%3.8%之间变化时对力学性能的影响不显著，但是为了保证铸造性能，碳当量（CE=C+1/3（Si+P）选在共晶成分附近。由于球化元素的使相图上的共晶点右移，因而使共晶点的碳当量移至4.6%4.7%左右，具有共晶成分的铁液流动性最好容易形成集中的缩孔,铸铁的组织致密度高。C:当碳当量过低时,铸件易产生缩松

3、和裂纹。碳当量过高时容易产生石墨漂浮现象，使铸件夹杂增多，影响铸件的力学性能Si: 用镁和铈处理铁液有较大的结晶过冷和形成白口的倾向，硅可以减少这种倾向。因为硅可以使得稳定系和介稳定系共晶温度差别扩大。此外Si还能细化石墨，提高石墨球的圆整度。但是硅又降低铸铁的韧性，并且使得韧脆转变温度升高，而且硅使得共析温度升高，促铁素体。 锰在球墨铸铁中起的作用与灰铸铁不同。灰铸铁中，锰除了强化铁素体和稳定珠光体外，还能减少硫的危害作用。球墨铸铁中，球化元素具有很强的脱硫能力，锰不再具有这种作用。由于锰具有严重的正偏析倾向，往往富集于共晶团晶界处，促使形成晶间碳化物，显著降低球墨铸铁的韧性。对厚大断面球铁

4、来说，锰的偏析倾向 更严重。但是锰含量的提高，基体中的珠光体含量提高，所以提高了强度指标的同时，降低韧性。对于铸态珠光体基体Mn的含量可以适当选高点。Mn： P: 磷在球墨铸铁中有严重的偏析倾向，易在晶界处形成磷共晶，严重降低球墨铸铁的韧性。磷还增大球墨铸铁的缩松倾向。当要求球墨铸铁有高的韧性时，应将磷控制在0.05%以下。S：球墨铸铁中的硫与球化元素有很强的化合能力，生成硫化物和硫氧化物，不仅消耗球化剂，造成球化不稳定，而且还使夹杂物数量增多，球化衰退速度加快。原铁液中S的含量S0.06% ，用ReMg合金球化处理后，一般硫的残留量S0.02% 。 铜具有稳定珠光体的作用，但是铜是正偏析元素

5、以形成晶间碳化物降低韧性，故对于Cu合金的球墨铸铁要求Cu的含量0.6%0.8%之间。 在生产球墨铸铁是球化元素多选用稀土镁合金，镁是主要的球化元素，但是残留一定量的镁的铁液在凝固是具有很大的白口倾向，稀土具有脱硫，中和反球化元素，对Mg具有保护作用，提高铁水的抗衰退能力，而且还可以减少镁的残留量。但是稀土元素是碳化物形成元素，而且稀土容易与氧和硫形成高熔点化合物，并且密度大，不容易从铁水中去除。因此在保证球化良好的情况下尽可能控制稀土的残留量。Re=0.010.04%，Mg=0.030.06%时可以保证球化。Cu: Re和Mg: 元素元素C CSiSiMnMnP PS SMgMg残残CuCu

6、QT400-18 成分范围3.53.72.62.80.30.050.020目标成分3.72.70.20.050.020.040.060QT600-3成分范围3.43.72.02.40.61.00.050.020目标成分3.72.40.60.050.020.040.060QT700-2成分范围3.63.91.82.40.71.00.050.020.60.8目标成分3.82.40.70.050.020.040.060.6化学成分选取球化和孕育处理球化剂使用的是Fe6Mg2Re稀土镁合金，孕育剂使用的是长效硅钡孕育剂球化处理工艺为冲入法，孕育处理工艺使用的是一次孕育。覆盖剂使用的是铁片熔炼设备为30

7、Kg的酸性中频感应电炉球化孕育工艺 操作 在球化剂、孕育剂及复盖剂使用以前，应预热到300一400， 然后放到处理包的凹槽底部内。处理包使用前也要经过充分预热。预热的目的是减少铁水热损失，并且也能防止覆盖剂下 桩实较紧的合金粘结在包底。在球化剂上面加入适量的孕育剂，在孕育剂上面再加入适量的覆盖剂，覆盖剂为铁屑。为了防止合金过早上浮，可在复盖剂上再放置少量铸铁块或 铸铁板。球化剂的粒度不宣过大、使用 10一30mm左右的块子较好。处理铁水量较大时，块度可增大。 球化剂，孕育剂应适当桩紧。块体间隙大会使铁水容易流入，球化反应时间 提前，降低镁吸收率球化孕育处理数据球化剂量球化剂量孕育剂量孕育剂量球

8、化时间球化时间（S S）出炉温度出炉温度（）覆盖剂量覆盖剂量QT400-181.5%0.4%2915471%QT600-31.5%0.4%3615411%QT700-21.5%0.4%3015401%熔炼、炉前检验以及浇注严格按球铁配料单上料。一般按照低熔点的现加，高熔点的中间加，易氧化的后加的加料顺序。加料时，不要过急，应缓慢地加入炉内；在熔化期，严禁将水和潮湿物品仍入炉内，防止爆炸。 往炉内加入硅铁、锰铁等铁合金时，要从侧面加入，防止喷火伤人。 凡伸入炉内的工具和材料必须干燥，防止爆炸。在铁液全部融化之后需要用热电偶(铂铑铂微型快速热电偶)进行不断地测温，控制出铁温度。在达到出铁温度以前要

9、进行热分析，测定铁液的含碳量、含硅量。出铁水要迅速，避免小流倒出，以免热量损耗过多致使球化剂、孕育剂粘附在炉底，造成球化不良。球化反应完成后迅速取样，浇注。实验浇注的铸型为U型试块采用以上的的处理工艺生产的铸件，分别对其化学成分，力学性能以及金相组织进行了观察和测定。所使用的设备为：华银布氏硬度计（HB-3000）、电子光学显微镜（ Nikon eclipse MA 100 ）、摆锤式冲击试验机(JB-300B)、电液伺服万能拉力机，光谱仪、游标卡尺，中频感应电炉，热分析仪金相检测实验步骤（1）磨光：采用手工磨光，是将砂纸平铺在玻璃板上（或平的瓷砖上），左手伸开压住砂纸，右手握住试样使磨面朝下

10、，且整个磨面必须和砂纸接触，然后轻轻向前推行进行磨削，提起使样返回，再重复上述操作。如果是耐水砂纸，按400、600、800、1000、1200、1500的顺序，干砂纸为1、2、3、4、5、6号的顺序。每磨一道砂纸，试样的划痕均匀且方向一致，磨下一道砂纸时，试样、手、砂纸和玻璃必须用水冲洗干净，磨削方向与上一道砂纸所磨划痕方向垂直。（2）抛光： 采用机械抛光，抛光时先将抛光织物长毛绒或丝绒用水浸湿，然后平整地装在抛光机的抛光盘上。将配好的抛光液（AL2O3或Cr2O3或MgO溶液）倒在抛光盘上（以在试样上形成的水膜510秒钟干为宜），打开电源，手握试样试磨面朝下，轻轻地放在抛光盘的2/3半径处

11、，使细磨的划痕方向与抛光盘的旋转方向垂直，且沿与抛光盘旋转方向相反旋转，直至磨面光亮无痕为止，一般为35分钟。抛光时宜选用润滑性良好的煤油作润滑剂，这样不但容易得到光亮无痕的金相磨面，而且还能清晰、真实地显示出石墨球的光学性能。（3）显示： 石墨的观察和检验时，不须腐蚀，只有观察和检验基体时才腐蚀，可采用化学腐蚀法，是将已抛光好的试样用水冲洗干净或用酒精擦掉表面残留的脏物，在试样磨面用滴管滴一些酒精，用电吹风吹干，然后将试样磨面浸入腐蚀剂中（浸蚀）或用棉球蘸取腐蚀剂在试样磨面上擦拭（擦蚀）或用滴管直接将腐蚀剂滴在磨面上（滴蚀），待磨面发暗时，立即用水冲洗干净，再用滴管滴一些酒精，用电吹风吹干，

12、即可放在显微镜下观察，照相，分析。布氏硬度实验原理及方法图1 布氏硬度实验原理图在直径为 10（mm）的淬火钢球上施加规定的载荷 30(KN)，压入试样表面如图1，保持一定时间（30s）后，卸除载荷。用显微镜观察压痕直径，对照硬度表查出相应的硬度值。222PPPHBFDhDDDd（）实验步骤：在U型试块上切取一个上底为25mm，下底为35mm，高为50mm，厚度为20mm的梯形试块。在试块伤感选取一个平面，在砂纸上磨光滑不要有划痕，否则影响观察。将试块放在不是硬度试验台上，选取合适的载荷和加载时间，在试块上选取3点压出压痕。用显微镜观察压痕直径记录相关数据。实验注意事项压痕直径d必须在0.25

13、D0.6D范围内，否则试验无效，应另选规范再行试验。试验时为防止压痕周围因塑性变形产生形变硬化而影响实验结果，一般规定压痕中心距试样边缘距离应不小于压痕直径的2.5倍，相邻两压痕中心的距离应不小于压痕直径的4倍。对硬度低的材料此距离还应增大。为使压痕清晰以保证测量精确，试样表面应尽可能光洁，试样表面的压痕直径用读数显微镜测量，应从相互垂直的方向各测一次，取其算数平均值。冲击韧性实验实验原理和方法将加工好的试样放在试验机的支座上，再将具有一定重量 m 的摆锤举至一定的高度 H1，使其获得一定的位能mgH1，再将其释放，冲断试样。摆锤的剩余能量为 mgH2。摆锤冲断试样所失去的能量（ mgH1-

14、mgH2 ），此即冲击负荷使试样破断所作的功，称冲击功，单位为J, 以 Ak表示。则有 Ak= （mgH1- mgH2 ）。 冲击试验示意图由于铸铁的韧性值比较低，可采用任何缺口的形式试样，对于球墨铸铁往往采用的是无缺口的冲击试样。在每个牌号的U型试块的相同位置分别上切取3个10mm 10mm 55mm的试块，按照上述实验原理和方法，进行冲击实验，并记录相关数据。抗拉强度和延伸率试验抗拉强度b将试样加载至断裂，在测力度盘或拉伸线上可读出试样拉断前的最大载荷Pb，而Pb所对应之应力即为抗拉强度b。 伸长率伸长率为试样拉断后标距长度的增量与原标距长度的百分比=000LLlu取三个牌号试块各1个，并

15、将他们分别加工成常用的d=14 0.1mm，L0=5d的球墨铸铁抗拉强度测试试棒。u用游标卡尺分别测量三个试棒的L0以及拉断之后的u分别记录L0和u将拉力试验机调到试验所需要的状态，将试棒放上，缓慢的加上载荷，直至拉断。记录相关数据0l0l实验结果数据以及分析元素元素C CSiSiMnMnP PS SMgMg残残CuCuQT400-183.352.710.2960.02690.0190.05230.0224QT600-33.432.410.6980.02560.01690.060.0254QT700-23.352.40.8020.02780.01450.0540.0675通过光谱成分的比较发现

16、，C的含量偏低，明显低于预定的成分范围。可能是由于配料过程中出现了错误，也可能是由于C的烧损。对于球墨铸铁来说C含量在3.23.8之间不会对力学性能造成太大的影响，但是C含量过低会使得碳当量偏移共晶点较多，会使得铁液的流动性降低，使得铸件产生缩孔和缩松的倾向增大。而且C低会使得Mg的吸收率下降，不利于石墨的球化。金相检测结果球化等级球化等级石墨大小石墨大小( (个个/ /平方毫米平方毫米) )铁素体含量铁素体含量珠光体含量珠光体含量QT400-1849053%其它QT600-3311048%其它QT700-24844%其它QT400-18 x100石墨形态QT600-3 x100石墨形态QT7

17、00-2 x100石墨形态QT400-18 x100 4%硝酸酒精腐蚀QT600-3 x100 4%硝酸酒精腐蚀QT700-2 x100 4%硝酸酒精腐蚀从金相检测结果可以看出，石墨球数不是很多，圆整度不高，有大量的碎块状以及不规则的异型石墨。对于QT400-18的基体组织珠光体较多。且QT700-2，QT600-3, QT400-18的珠光体含量是逐渐减少的。由于Si使碳在铁液铁中的溶解度降低，提高了碳的活度，有助于碳的析出,而且Si能固溶于铁中，阻碍铁原子与碳原子的化合，它有力地促进石墨的析出。 而C元素促石墨化的能力比Si强 ，因为碳增多时其本身按石墨析出的能力就强。所以碳当量影响石墨球

18、数。因此铸件的球化率以及石墨球数偏少，可能是由于C元素含量偏低造成的，另外孕育不好，凝固时间过长也会造成石墨球数不高或者粗大。不规则石墨是由于局部晶体的生长模式和生长速度偏离了正常的生长规律和生长速度。产生这种情况的原因主要是球化元素Mg的含量没有在应有的范围之内，过高或者是过低都会有助于不规则石墨的产生，另外孕育处理的质量不高以及孕育衰退，影响石墨的结晶条件，都会有助于产生不规则的石墨。对于以上三种牌号的球墨铸铁珠光体含量有比较明显的差别，主要是由于化学元素的差别造成的，其中Si和Mn和Cu是主要的影响元素。因为硅元素一个促铁素体的元素，而锰是一个促珠光体的元素，而Cu具有稳定珠光体的作用。

19、所以以上三种元素的含量不同造成了珠光体的含量的不同。但是对于QT400-18的珠光退的含量明显偏离了理论上的珠光体的含量，可能的原因是当时在共析温度以上就打箱了，相当于对铸件进行了正火处理，所以珠光体的含量偏多。压痕直径压痕直径(cm)(cm)布氏硬度值布氏硬度值硬度平均值硬度平均值(HBW)(HBW)参考值参考值(HBW)(HBW)QT400-184.451831791301754.441844.60170QT600-34.012282261902704.022264.07225QT700-23.722662612253053.82553.74263硬度是将球墨铸铁作为具有切削性、耐磨性等机

20、械部件应用时的重要特性之一。另一方面，一般地硬度与拉伸性能有良好的相关性，将简单的硬度试验方法作为一种非破杯性检查手段，可用于推断抗拉强度和延伸率。而且球墨铸铁的硬度受到石墨的尺寸，形状，数量和分布特征的影响但是主要受到珠光体含量的影响。各种基体组织球墨铸铁的硬度由以上数据可知：三个牌号的硬度值逐渐的变大，主要是由于珠光体的含量逐渐增多。其中QT600-3和QT700-2的硬度值在参考值范围之内，满足对其硬度的性能要求。但是QT400-18铸件的硬度超过了理论的硬度值，主要是由于其珠光体的含量超过了铁素体基体的正常范围，所以其硬度值过高。由硬度和抗拉强度的关系，按照大塚昭夫的总结的公式推测 Q

21、T400-18，QT600-3和QT700-2的铸件硬度分别为537MPa,678MPa和783MPa左右。长(CM)宽(CM)高(CM) 测量值（J）修正值(J) 平均值(J)QT400-18759.910.17878 81739.89.67873 73.59.89.89692 QT600-3729.89.86159 54 699.89.85856 719.99.94948 QT700-2709.79.71817 19 73.59.89.82322 7210.19.81919 由冲击韧性的实验数据可以看出三个牌号的冲击韧性值有所不同。影响球铁冲击韧性的主要因素是球铁基体组织、化学成分和实验温

22、度。温度对冲击值的影响十分明显，低温冲击值反映脆性材料的 特性，高温冲击值与低温冲击值相差悬殊，反映了断裂性质的变化。由图可以看出来在相同的温度下不通的基体组织冲击韧性的差别很大，其中铁素体基体的冲击韧性最大。下所以在相同温度铸件中铁素体含量多的多少直接决定了铸件的冲击值的大小。由晶相检测的结果可以知道QT400-18的铁素体含量最高，QT600-3次之，QT700-2的铁素体含量最少。所以冲击值QT400-18最大，QT700-2的冲击值最小。一次冲击值反映的是单位面积上大能量一次撕裂功在铸件实际的应用中都是小能量的多次重复的冲击载荷。所以不可以一律的用一次冲击值衡量材料或者零件的冲击载荷抗

23、力。抗拉强度和延伸率实验数据抗拉强度抗拉强度屈服强度屈服强度断前标距断前标距断后标距断后标距延伸率延伸率平均值平均值QT400-18555.8358.769.481.0217.017.0169.581.0216.8369.381.0217.2QT700-2772.2469.169.472.153.964.1669.672.684.4369.372.144.10影响抗拉强度和延伸率的因素主要有化学成分，珠光体的含量和球化率。化学元素的影响终归影响的是珠光体的含量和球化率。一般随着珠光体的面积的增多，抗拉强度增加。在一定范围延伸率下随着珠光体面积的增加而急剧降低，随后减小速度变缓 。由金相观测可以得出： 从表中的数据可以带出QT700-2的珠光体的含量最多，QT400-18的珠光体的含量最小。对应的QT700-2 球化等级球化等级石墨大小石墨大小( (个个/ /平方毫米平方毫米) )铁素体含量铁素体含量珠光体含量珠光体含量QT400-1849053%其它QT600-3311048%其它QT700-24844%其它的抗拉强度最大，QT400-18的抗拉强度最小。在室温下球化率主要影响的是延伸率，对抗拉强度的影响较小。球化率的影响因基体的延性不同而异。对延性好的铁素体球铁来说其影响小，但对延性差的珠光体来