高碳当量高强度灰铸铁设计性实验内容

1绪论灰铸铁通常指断面呈灰色，其中的碳主要以片状石墨形式存在的铸铁。

灰铸铁组织结构可看成是碳钢的基体加片状石墨。

按基体组织的不同灰铸铁分为三类：铁素体基体灰铸铁；铁素体+珠光体基体灰铸铁；珠光体基体灰铸铁。

灰铸铁的力学性能与基体的组织和石墨的形态有关。

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基体的灰铸铁。

灰铸铁其他性能良好的铸造性能、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。

图0-1所示，铁素体灰口铸铁的显微组织，其中石墨呈灰色条片状分布在亮白色的铁素体基体上。

图0-2所示，为铁素体+珠光体灰口铸铁显微组织，其中除灰色条片状石墨外，暗灰色团块状为珠光体，亮白色部分为铁素体。

图0-1铁素体+粗大石墨片图0-2 铁素体+珠光体+粗大石墨片图0-3所示，为珠光体灰口铸铁的显微组织，其中石墨呈灰色条片状，基体为珠光体。

图0-4所示，为孕育灰口铸铁，经孕育处理后，灰色条片状的石墨变得细小而均匀分布（组织未经腐蚀）。

图0-3 珠光体+粗片状石墨图0-4 细小均匀的石墨片1.1研究背景1.1.1高碳当量高强度灰铸铁国内外发展状况随着汽车工业的不断进步，发动机正向着大马力、速度和轻量化方向发展，对发动机上重要的缸体、盖等铸件提出了更高的要求，要求高强度、高致密性、高热疲劳性、低应力、表面光洁、尺寸精确。

今年来，高强度灰铸铁得到很大发展，国外发动机缸体、缸盖的材质牌号都在HT250以上。

此外，高强度灰铸铁还广泛应用于拖拉机、液压件、通用机械、试验仪器、农机等行业。

我国在高强度灰铸铁的研究与生产技术上与国外的主要差距如下：1、强度低。

同样的铁水化学成分生产出来的铸件，强度比国外低1~2牌号。

若想生产相同牌号的灰铸铁就必须降低碳含量。

这将引起白口倾向增大，收缩倾向增大，使薄壁处加工困难，且易出现裂纹及铸造性能变差等问题。

对于发动机上的缸体、缸盖铸件还会使渗漏倾向增大。

2、铸造工艺落后。

铸件壁厚答、重量大，如机床类铸件比国外重10%以上。

发动机缸体比国外重30%以上。

3、耐磨性差、寿命低。

国外汽车第一次大修里程汽油车一般在30万km以上，柴油车在50-80万km，而我国汽油车仅为5-10万km，柴油车也只达10-15万km。

4、断面敏感性大，加工性能差。

出现上述差距的主要原因之一是冲天炉熔炼技术落后，铁水出炉温度较低。

国外冲天炉一般以提高铁水质量为前提，不盲目追求节焦，积极发展高温热风、富氧送风，水冷无炉衬，使用铸造焦炭，连续作业的封闭式冶金冲天炉等，获得良好的经济效果。

冲天炉熔炼技术落后，铁水温度低带来一些列问题。

对于生产缸体、缸盖这样薄壁复杂铸件，从铸造性能考虑，都选择较高的碳当量。

为获得较高的碳当量，按我国现有的熔炼水平，就必须在配料中多加生铁，少加废钢。

而国外由于铁水温度高，使用铸造焦炭，仍可以少加生铁，多加废钢，获得较高的碳当量。

因此，同样的化学成分，国内生产的缸体、缸盖等铸件强度性能就要比国外的低，内在质量差。

国内要达到同样牌号的铁水，就必须降低碳当量，结果又是铸造性能变差，铸件出白口、收缩、加工性能差、渗漏倾向增加。

因此，提高冲天炉熔炼水平，提高铁液熔炼温度是生产高碳当量、高强度灰铸铁的根本出路。

造成与国外差距的第二个因素是孕育技术落后。

国外非常重视孕育剂和孕育方法的研究，孕育品种很多，各有各的用途，针对不同的铸件，不同的生产条件，选择适用的孕育剂。

近年来，国外发展了各种新型孕育剂，即在硅铁的基础上加进一些强化孕育效果的元素，如铝、钙、钡、锶、锆、镁等，而且是实现了孕育剂系列化、标准化、商品化。

而国内前一段时间一直使用75SiFe孕育剂，品种单一，缺乏统一的质量要求，各个厂家生产的75SiFe质量各不相同，尤其对其中的铝、钙含量没有要求，铸件质量差。

1.2提高灰铸铁抗拉强度的途径1.2.1优化铸铁成分与提高冶金质量根据铸件要求从不同的资料中筛选出合理的化学成分。

衡量标准主要有CE、Si/C、Mn%、合金元素。

碳当量：根据各元素对共晶点实际碳量影响，将这些元素的量折算成碳量的增减，谓之碳当量，以CE表示。

CE=C+1/3（Si+P）增加碳量，可改善铸造性能、熔炼容易、吸气少，但会使石墨粗大、数量增多，使机械性能变差。

高的Si/C，即在共晶度一定时，适当降低灰铸铁的碳含量，控制灰铸铁的Si/C，可显著提高铸铁的抗拉强度，使Si/C比在0.6~0.9，再加以适当的孕育和合金化，可获得综合性能良好的高强度灰铸铁。

通过提高锰量来提高强度和硬度（过多会有碳化物），为提高铸造性能，控制碳化物含量，细化珠光体，在碳当量提高的情况下，保证其力学性能。

调整高碳当量灰铸铁中的Si Mn 含量，在w(Mn+Si)=3.2%~4.2%，并控制（Mn%）/（Si%）=1.12~1.23可控制获得较理想的基体组织，是这种灰铸铁既能保证具有高的强度和刚度，又能保证有良好的耐磨性和耐压致密性，且具有良好的加工性能和铸造性能，是一种综合性能良好的高强度灰铸铁。

铁液要有一定的过热温度温度、化学成分、纯净度是铁液的三项冶金指标。

铁液温度的高低又直接影响到铁液的成分及纯净度。

铁液温度的提高有助于柱铸造性能的改善，更主要的是，如果在一定的范围内提高铁液温度，能使石墨细化，基体组织细密，抗拉强度提高。

如图所示1-C2.4% 2-C3.0% 3-C3.6%图1-1过热温度对铸铁力学性能的影响对于孕育铸铁来说，过热铁液的要求着眼于纯化铁液，提高过冷，以期在孕育情况下加入大量人工核心，迫使铸铁在“受控”的条件下进行共晶凝固，从而达到真正的孕育目的。

因此要做好孕育铸铁，要在最大程度上改变它在受控于自身条件的凝固特点，就必须有相当的过热温度（如>1450~1470℃）。

1.2.2孕育对灰铸铁力学性能的影响铁液浇注前，在一定条件下（如一定的过热度、一定的化学成分、合适的加入方法等），向铁液中加入一定量的物质（成为孕育剂）以改变铁液的凝固过程，改善铸态组织，从而达到提高性能为目的的处理方法，谓之孕育处理。

孕育的目的在于促使石墨化，降低白口倾向；降低断面敏感性；控制石墨形态，消除过冷石墨；适当增高共晶团数和促进细片状珠光体的形成，从而达到改善铸铁的强度性能及其它性能（如致密性、耐磨性及切削性能等）地目的。

孕育铸铁的碳、硅量一般较低，另外锰量偏高，因此其基体全是弥散度较高的珠光体或索氏体组织。

共晶团较普通灰铸铁要细得多。

石墨分布均匀、量适中、比较细化，而且变得较厚，而头部变得较钝，因而对金属基体的切割、缩减作用都比灰铸铁中的要小。

它的σb值在250~400MPa范围内波动。

对于碳当量在3.9%~4.15%时采用反石墨化的孕育剂。

孕育剂及孕育方法目前各国使用的商业孕育剂和专业孕育剂品种繁多，归纳起来可分为两大类：石墨化孕育剂和稳定化孕育剂。

石墨化孕育剂具有促进石墨化和改善石墨形态的特性，其中硅铁合金应用最早也最完善，其特点是价格便宜，有一定的石墨化能力，但熔点偏高（约1320℃），孕育衰退快，故不宜用于重要铸件的孕育处理。

硅钙合金也是早期孕育剂，由于钙含量较高，已形成高熔点熔渣，阻碍熔解而影响孕育效果，现被性能好的孕育剂取代。

稳定化孕育剂的主要作用是强化基体，提高强度、硬度，用于白口铁的孕育处理可提高硬度的同时改善材料的韧性。

孕育剂的加入量依孕育的方法和孕育的种类而定。

硅铁孕育剂浇包孕育一般加入量0.4%~0.8%，其它孕育剂0.2%~0.3%，粒度 1.5~3.5mm，最佳孕育温度1380~1420℃。

瞬时孕育方法：随流孕育、孕育丝孕育、孕育块孕育。

1.2.3合金化对灰铸铁力学性能的影响向一定成分的普通灰铸铁中加入少量的合金元素，是提高灰铸铁力学性能的另一个有力手段。

常在炉前进行孕育处理而加以配合。

由于加入量少，因而在组织上仍然没有脱离灰铸铁的范畴。

所不同的是由于图1-2 合金加入对石墨的影响对比合金的作用，常使石墨有一定程度的细化；铁素体量减少甚至消失；珠光体则有一定程度的细化，而且其中的铁素体由于溶有一定量的合金元素而得到固溶强化。

因此能有效的提高灰铸铁的强度和硬度。

Sn锡为增加珠光体而加入，一般用量在<0.1%可提高铸铁强度，>0.1%时有可能使铸铁出现脆性。

Sb强烈促进形成珠光体，灰铸铁中加入量为<0.02%Zn 1.灰铸铁中加入0.3%能去氧，使氧量降低到原有量的1/3.2.能细化石墨，增加化合碳量，白口倾向有所增加，强度、硬度有提高的趋势，加入量可在0.1%~0.3%3.可能生成Fe3ZnC复合碳化物V钒1.强烈形成碳化物能形成VC V2C V4C3等2.能细化石墨有促使形成珠光体的作用3.亦有增加珠光体高温稳定性的作用Ti钛1.亦能形成碳化物，与碳氮亲和力极强2.V和Ti的碳化物都有极高的硬度3.其碳化物氮化物常以细颗粒（方形多边形）存在于铸铁中，可提高耐磨性4.有强化铁素体效果Cu铜1.降低奥氏体转变临界温度，细化并增加珠光体2.有弱的细化石墨作用3.常用量<1.0%2 实验方案及实验方法2.1 化学成分的确定2.1.1碳量硅量的确定的确定综上所述，初步确定设计合金的成分：Si/C比确定为0.7C:3.25%、Si:2.275%、Mn:1.2%2.1.2其他元素量的确定P:0.1%、S:0.05%、Cu:0.5%、Cr:0.5%、Mo0.4%CE=3.25+1/3×（2.275+0.1）=4.042.2配料计算烧损率：生铁C按0.005%计算各材料含量生铁 C 4.29% Si 0.92% Mn 0.89%废钢 C 0.45%Si-Fe Si 75%Mn-Fe Mn 80%Cu 100%稀土100%Sb 100%Mo- Fe 28%V-Fe 40%Cr- Fe 40%Ti- Fe 28%计算各物质的质量，首先称得生铁4500g，3.25/（1-0.005）=3.232 3.232/4.04=0.8 总重量4500/0.8=5625g废钢质量为5625-4500=1125gMn-Fe质量为4500×0.89%×0.8%=32.04g 5625×1.2%=67.5g67.5-32.04=35.46gSi-Fe质量为4500×0.92%×0.75%=115.4gCu质量为5625×0.5%=28.125gCr质量为5625×0.3%/40%=42.1875gMo质量为5625×0.4%/0.28%=80.357gTi质量为5625×0.65%/0.28%=10.045g稀土质量为5625×4%=22.5gSb质量为5625×0.04%=2.25g2.3砂型制造2.3.1砂型制造制造砂型的基本原材料是铸造砂和型砂粘结剂。