影響材料性能的因素

1、1.0影響材料性能的因素2.1 1.1碳當(dāng)量對(duì)材料性能的影響字串9決定灰鑄鐵性能的主要因素為石墨形態(tài)和金屬基體的性能。當(dāng)碳當(dāng)量（） 較高時(shí)，石墨的數(shù)量增加，在孕育條件不好或有微量有害元素時(shí)，石墨形狀惡 化。這樣的石墨使金屬基體能夠承受負(fù)荷的有效面積減少，而且在承受負(fù)荷時(shí) 產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，使金屬基體的強(qiáng)度不能正常發(fā)揮，從而降低鑄鐵的強(qiáng)度。 在材料中珠光體具有好的強(qiáng)度、硬度，而鐵素體則質(zhì)底較軟而且強(qiáng)度較低。當(dāng) 隨著C、Si的量提高，會(huì)使珠光體量減少，鐵素體量增加。因此，碳當(dāng)量的提高 將在石墨形狀和基體組織兩方面影響鑄鐵鑄件的抗拉強(qiáng)度和鑄件實(shí)體的硬度。 在熔煉過程控制中，碳當(dāng)量的控制是解決材料性能

2、的一個(gè)很重要的因素。2.2 合金元素對(duì)材料性能的影響在灰鑄鐵中的合金元素主要是指 Mn、Cr、Cu> Srr Mo等促進(jìn)珠光體生成 元素，這些元素含量會(huì)直接影響珠光體的含量，同時(shí)由于合金元素的加入，在 一定程度上細(xì)化了石墨，使基體中鐵素體的量減少甚至消失，珠光體則在一定 的程度上得到細(xì)化，而且其中的鐵素體由于有一定量的合金元素而得到固溶強(qiáng) 化，使鑄鐵總有較高的強(qiáng)度性能。在熔煉過程控制中，對(duì)合金的控制同樣是重 要的手段。2.3 爐料配比對(duì)材料的影響字串4過去我們一直堅(jiān)持只要化學(xué)成分符合規(guī)范要求就應(yīng)該能夠獲得符合標(biāo)準(zhǔn)機(jī) 械性能材料的觀點(diǎn)，而實(shí)際上這種觀點(diǎn)所看到的只是常規(guī)化學(xué)成分，而忽略了 一

3、些合金元素和有害元素在其中所起的作用。如生鐵是Ti的主要來源，因此生鐵使用量的多少會(huì)直接影響材料中 Ti的含量，對(duì)材料機(jī)械性能產(chǎn)生很大的影 響。同樣廢鋼是許多合金元素的來源，因此廢鋼用量對(duì)鑄鐵的機(jī)械性能的影響 是非常直接的。在電爐投入使用的初期，我們一直沿用了沖天爐的爐料配比（生鐵：2535%廢鋼：3035%）結(jié)果材料的機(jī)械性能（抗拉強(qiáng)度）很低，當(dāng) 我們意識(shí)到廢鋼的使用量會(huì)對(duì)鑄鐵的性能有影響時(shí)及時(shí)調(diào)整了廢鋼的用量之 后，問題很快得到了解決，因此廢鋼在熔化控制過程中是一項(xiàng)非常重要的控制參數(shù)。因此爐料配比對(duì)鑄鐵材料的機(jī)械性能有著直接的影響，是熔煉控制的重 點(diǎn)。2.4 微量元素對(duì)材料性能的影響以往我

4、們?cè)谌蹮掃^程中只注意常規(guī)五大元素對(duì)鑄鐵材質(zhì)的影響，而對(duì)其它 一些微量元素的作用僅僅只是一個(gè)定性的認(rèn)識(shí)，卻很少對(duì)他們進(jìn)行定量的分析 討論，近年來，由于鑄造技術(shù)的進(jìn)步，熔煉設(shè)備也在不斷的更新，沖天爐已逐 漸被電爐所代替。電爐熔煉固然有其沖天爐不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，但電爐熔煉也喪 失了沖天爐熔煉的一些優(yōu)點(diǎn)，這樣一些微量元素對(duì)鑄鐵的影響也就反映出來。 由于沖天爐內(nèi)的冶金反應(yīng)非常強(qiáng)烈，爐料是處于氧化性很強(qiáng)的氣氛中，絕大部 分都被氧化，隨爐渣一起排出，只有一少部分會(huì)殘留在鐵水中，因此一些對(duì)鑄 件有不利影響的微量元素通過沖天爐的冶金過程，一般不會(huì)對(duì)鑄鐵形成不利影 響。在沖天爐的熔煉過程中，焦炭中的氮和空氣中的氮?dú)?/p>

5、（N2）在高溫下，一部分分解會(huì)以原子的形式溶入鐵水中，使得鐵水中的氮含量相對(duì)很高。據(jù)統(tǒng)計(jì)自電爐投產(chǎn)以來，由于鉛含量高造成的廢品和因含鉛量太高無法調(diào) 整而報(bào)廢的鐵水不下百噸，而因含氮量不足造成的不合格品數(shù)量也相當(dāng)高，給 公司造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。在我們多年的電爐熔煉經(jīng)驗(yàn)和理論基礎(chǔ)上，我認(rèn)為在電爐熔煉過程中重點(diǎn) 微量元素主要有N、Pb、Ti,這些元素對(duì)灰鑄鐵的影響主要有以下幾方面：字串8鉛當(dāng)鐵水中的鉛含量較高時(shí)（20PPnj）,尤其是與較高的含氫量相 互作用，在厚大斷面的鑄件很容易形成魏氏石墨，這是因?yàn)闃渲暗谋匦阅?好，鐵水在鑄型中冷卻較慢，（對(duì)厚大斷面這種傾向更為明顯，）鐵水處于液 態(tài)保溫時(shí)間

6、較長(zhǎng)，由于鉛和氫的作用使鐵水凝固比較接近于平衡狀態(tài)下的凝固 條件。當(dāng)這類鑄件凝固完畢，繼續(xù)冷卻時(shí)，奧氏體中的碳要析出，成為固態(tài)下 的二次石墨。在正常情況下，二次石墨僅使共晶石墨片增厚，這對(duì)力學(xué)性能不 會(huì)產(chǎn)生很大影響。但含氮和氫量高時(shí)，會(huì)使奧氏體同一定晶面上石墨表面能降 低，使二次石墨沿著奧氏體一定晶面長(zhǎng)大，伸入金屬基體中，在顯微鏡下觀 察，在片狀石墨片的側(cè)面長(zhǎng)出許多象毛刺一樣的小石墨片，俗稱石墨長(zhǎng)毛，這 就是魏氏石墨及形成原因。在鑄鐵中的鋁能促使鐵液吸氫，而增加其氫含量， 因此鋁對(duì)魏氏石墨的形成，也有間接的影響。當(dāng)鑄鐵中出現(xiàn)魏氏石墨時(shí)，對(duì)其力學(xué)性能影響很大，尤其是強(qiáng)度、硬度， 嚴(yán)重時(shí)可降低50

7、%左右。xx石墨有以下xx相特征：1）在100倍的顯微照片上，粗大的石墨片上附著許多刺狀小石墨片，即為 魏氏石墨。2）同共晶片狀石墨關(guān)系是相互連接的。3）常溫下成為魏氏石墨網(wǎng)絡(luò)延伸入基體中，就成為基體脆弱面，會(huì)顯著降 低灰鑄鐵的力學(xué)性能。但從斷面看，斷裂裂紋仍是沿共晶片狀石墨擴(kuò)展的。氮 適量的氮能促進(jìn)石墨形核，穩(wěn)定珠光體，改善灰鑄鐵組織，提高灰鑄鐵的性 能。氮對(duì)灰鑄鐵的影響主要有兩方面，一是對(duì)石墨形態(tài)的影響，另一方面是對(duì) 基體組織的影響。氮對(duì)石墨形態(tài)的作用是一個(gè)非常復(fù)雜的過程。主要表現(xiàn)在：石墨表面吸附層的影響和共晶團(tuán)尺寸大小的影響。由于氮在石墨中幾乎不 溶解，因此，在共晶凝固過程中氮不斷吸附在

8、石墨生長(zhǎng)的前沿和石墨兩側(cè)，導(dǎo) 致石墨在析出過程中，其周圍濃度增高，尤其在石墨伸向鐵水中的尖端時(shí)，影 響液一固界面上的石墨生長(zhǎng)。氮在共晶生長(zhǎng)過程中石墨片尖端和兩側(cè)氮的濃度 分布存在明顯的差別。由于氮原子在石墨表面上的吸附層能夠阻礙碳原子向石 墨表面的擴(kuò)散。石墨前沿的氮濃度比兩側(cè)高時(shí)，石墨長(zhǎng)度方向的生長(zhǎng)速度降 低，相比之下，側(cè)向生長(zhǎng)就變得容易些，其結(jié)果使石墨變短、變粗。同時(shí)由于 石墨生長(zhǎng)過程中總會(huì)存在缺陷，氮原子的一部分被吸附在缺陷位置而不能擴(kuò) 散，將會(huì)在石墨長(zhǎng)大的前沿上局部非對(duì)稱傾斜晶界，其余部分仍按原方向長(zhǎng) 大，從而石墨產(chǎn)生分枝，石墨分枝的增加，是石墨變短的另一個(gè)原因。這樣以 來，由于石墨組織

9、的細(xì)化，減小了其對(duì)基體組織的割裂作用，有利于鑄鐵性能 的提高。氮對(duì)基體組織的影響作用，一是由于它是珠光體穩(wěn)定元素，氮含量的增 加，使鑄鐵共析轉(zhuǎn)變溫度降低。因此，當(dāng)灰鑄鐵中含有一定量的氮時(shí)，能使共 析轉(zhuǎn)變過冷度增加，從而細(xì)化珠光體。另一方面是由于氮的原子半徑比碳和鐵都小，可以作為間隙原子固溶于鐵素體和滲碳體中，使其晶格產(chǎn)生畸變。由于 上述兩方面的原因，氮能對(duì)基體產(chǎn)生強(qiáng)化作用。雖然氮可以提高灰鑄鐵的性能，但是，當(dāng)其超過一定量時(shí)，會(huì)產(chǎn)生氮?dú)饪?和顯微裂紋如圖2所示，所以對(duì)氮的控制應(yīng)是在一定范圍內(nèi)的控制。一般為 70-120PPm,當(dāng)超過180Ppm時(shí)鑄鐵的性能將會(huì)急劇下降。Ti在鑄鐵中是屬于一種有害

10、元素，究其原因是鈦與氮的親和力較強(qiáng)，當(dāng)灰 鑄鐵中的鈦含量較高時(shí)無益于氮的強(qiáng)化作用，首先與氮形成 TiN化合物，這就 減少了固溶于鑄鐵中的自由氮，事實(shí)上正是由于這種自由氮對(duì)灰鑄鐵起著固溶 強(qiáng)化的作用。因此鈦含量的高低間接的影響著灰鑄鐵的性能。2.0熔煉控制技術(shù)2.1 材料化學(xué)成分的選擇通過上述分析，對(duì)化學(xué)成分的控制是熔煉技術(shù)中非常重要的，它是熔煉控 制的基礎(chǔ)。所以合理的化學(xué)成分，是保證材料性能的基礎(chǔ)。通常對(duì)于高強(qiáng)度鑄 鐵（抗拉強(qiáng)度300N/mm2的成分控制主要有等。C、Sk Mn、P、S、Cu Cr、Pb、N2.2 爐料配比的確定字串62.3 微量元素的控制技術(shù)實(shí)際過程控制中，根據(jù)對(duì)爐料的分析，

11、確認(rèn)鉛的來源主要是廢鋼，所以對(duì) 原材料中鉛的控制主要是要對(duì)廢鋼中 Pb夾物的控制，通常鉛含量控制在15Ppm 以下。如果當(dāng)原鐵水中含鉛量 20Ppm時(shí)，在進(jìn)行孕育處理時(shí)進(jìn)行特殊變質(zhì)處 理。由于Ti主要來源于生鐵，所以對(duì) Ti的控制主要是控制生鐵，這樣一方面是 在采購時(shí)要對(duì)生鐵中的Ti含量提出嚴(yán)格要求，通常要求生鐵含鈦量為：Ti0.8%另一方面是要根據(jù)生鐵的含鈦量及時(shí)調(diào)整使用量 .主要來源于增碳材料 和廢鋼中，因此對(duì)N的控制主要是控制增碳材料和廢鋼，但是正象上面所述過低 過高對(duì)灰鑄鐵的性能都有不利的一面，因此對(duì)N的含量控制范圍一般為：70720Ppm，但是N的含量還要和Ti含量有一個(gè)合理的匹配，通常 N與Ti的關(guān) 系為：N: Ti=1:3.42 即0.01%的Ti可吸收30Ppm的氮，生產(chǎn)時(shí)一般建議氮量為：N=0.0060.01+Ti/3.42。圖3為在灰鑄鐵中鈦與氮的關(guān)系。2.4熔煉工藝的控制技術(shù)1）孕育技術(shù)孕育處理目的在于促進(jìn)石墨化，降低白口傾向，降低端面敏感性；控制石 墨形態(tài)，消除過冷石墨；適當(dāng)增加共晶團(tuán)數(shù)和促進(jìn)細(xì)片狀珠光體的形成，從而 達(dá)到改善鑄鐵的強(qiáng)度性能和其它性能的目的。鐵液溫度對(duì)孕育的影響及控制鐵液溫度對(duì)孕育的影響顯著。在一定的范圍 內(nèi)提高