二次孕育對(duì)球墨鑄鐵組織的影響

1、金屬鑄鍛焊技術(shù)Casting ·Forging ·Welding 2011年1月二次孕育對(duì)球墨鑄鐵組織的影響楊華1，趙巖2，侯曉霞2（1山東大學(xué)材料液固結(jié)構(gòu)演變與加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南250061；2德州學(xué)院機(jī)電工程系，山東德州253023）摘要：在保持總的碳、硅含量不變的情況下，降低原鐵水含硅量，增加二次孕育硅量，研究了二次孕育對(duì)球墨鑄鐵組織的影響。結(jié)果表明，一次孕育處理易發(fā)生孕育衰退，采用0.1%的硅鐵進(jìn)行二次孕育后，球鐵的石墨組織明顯得到改善，基體中珠光體的含量略有增加，硬度提高。但為了減緩孕育衰退而進(jìn)行大劑量的二次孕育反而容易導(dǎo)致石墨產(chǎn)生畸變，促使碎塊狀石墨

2、和鐵素體基體的形成，硬度急劇下降。關(guān)鍵詞：球墨鑄鐵；二次孕育；碎塊狀石墨中圖分類號(hào)：TG143.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1001-3814(201101-0030-03Effect of Post Inoculation on Microstructure of Ductile IronYANG Hua 1, ZHAO Yan 2, HOU Xiaoxia 2(1.Key Laboratory for Liquid -Solid Structural Evolution and Processing of Materials, Ministry of Education, Shandong

3、University, Ji'nan 250061, China ; 2. Dept. of Mechanical and Electronical Engineering, Dezhou University, Dezhou 253023, China Abstract ：The effects of post inoculation on microstructure of ductile iron were studied by reducing silicon content in base iron, increasing silicon content of post in

4、oculation under keeping no change of total content of carbon and silicon. The results show that first inoculation easily causes inoculation fade, while the graphite structure obviously improves with 0.1%ferrous silicon post inoculation, the pearlite in the matrix slightly increases, the hardness inc

5、reases. But the graphite yields distortion when the post inoculation is done with vast inoculator to slow down inoculation fade, the fragmental graphite and ferritic matrix form, the hardness declines sharply.Key words ：ductile iron; post inoculation; fragmental graphite近年來，我國(guó)鑄件產(chǎn)量已躍居世界第一位，其中綜合性能最好的球

6、墨鑄鐵產(chǎn)量占全部鑄鐵件的二次孕育中，孕育劑加入量的多少是控制孕育效果和鑄件質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。本文在保持總的碳、硅含量不變的情況下，降低原鐵水含硅量，增加二次孕育硅量，從而研究了二次孕育對(duì)球墨鑄鐵組織的影響，并初步探討了二次孕育劑的加入量對(duì)球鐵石墨組織和基體組織的影響機(jī)理。32.1%。孕育是謀求提高鑄件質(zhì)量的冶金技術(shù)的典型工藝之一。孕育這種工藝，原是從密烘鑄鐵的生產(chǎn)工藝導(dǎo)入的，其特點(diǎn)是將過去由沖天爐裝料口加入的原料改為往鐵水包中直接加入，雖然加入量少，卻能有效地防止配加廢鋼而導(dǎo)致的鐵水白口傾向。從醫(yī)學(xué)上移植過來的孕育這一術(shù)語(yǔ)，現(xiàn)在意味著提高鑄鐵質(zhì)量，而在澆鑄前往鐵水中加入微量金屬的一種工藝操作1。

7、和球化衰退一樣，孕育作用也有衰退現(xiàn)象，即孕育效果隨著鐵水停留時(shí)間的增長(zhǎng)而減退。為了縮短孕育處理至凝固完成時(shí)間的間隔，減小孕育衰退，目前在生產(chǎn)中已經(jīng)開始應(yīng)用后孕育，即二次孕育的處理方法2。1材料及實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)采用生鐵與廢鋼15的比例（質(zhì)量比）進(jìn)行配料，原料的主要化學(xué)成分見表1。鐵液在20kg 中頻感應(yīng)電爐中進(jìn)行熔煉，考慮了二次孕育對(duì)成分的影響，通過硅鐵與電極石墨調(diào)節(jié)鐵液中的含硅量與含碳量，保證各試樣的最終碳硅量相同，1550出爐，球化處理采用傳統(tǒng)的沖入法，稀土鎂的加入量表1原料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%Tab.1Chemical composition of raw material (wt%收稿

8、日期：2010-03-12作者簡(jiǎn)介：楊華（1960-），女，山東濟(jì)南人，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事黑色金屬方面的研究；電話成分C Si Mn S P Mg -8.0RE -4.5Ca -2.6Q12生鐵廢鋼稀土鎂E-mail ：yhgg10014.401.100.150.020.050.520.3150.550.0240.021-41.0-30Hot Working Technology 2011, Vol.40,No.1上半月出版為1.1%，壓在包底，用硅鐵覆蓋，球化結(jié)束后扒渣。Casting ·Forging ·Welding 金屬鑄鍛焊技術(shù)

9、果，在終硅量不變的情況下，對(duì)2#4#試樣進(jìn)行了二次孕育處理，其結(jié)果見圖1(b(d。當(dāng)加入0.1%的硅鐵進(jìn)行二次隨流孕育時(shí)，如圖1(b所示，球鐵的石墨組織明顯得到改善，石墨球數(shù)量增多，球徑減小，球化率提高。但當(dāng)采用0.2%和0.3%的硅鐵進(jìn)行二次隨流孕育時(shí)，如圖1(c、(d所示，石墨組織的形態(tài)發(fā)生畸變，呈現(xiàn)碎塊狀分布。石墨-奧氏體共晶在形成及長(zhǎng)大過程中應(yīng)力是不可避免的，因此，奧氏體殼受力情況是石墨是否發(fā)生畸變的主要原因。當(dāng)所受到來自石墨球的徑向膨脹力小于其強(qiáng)度極限時(shí)，奧氏體殼不會(huì)破裂而緊緊包裹著石墨球，石墨球外圍一旦形成一個(gè)完整的奧氏體殼，碳原子越過奧氏體擴(kuò)散并向石墨球聚集就十分困難，因此石墨球

10、一般不會(huì)長(zhǎng)大，也不會(huì)發(fā)生畸變。但若其膨脹力超過奧氏體的強(qiáng)度極限，奧氏體殼破裂，破裂處形成液體通道，碳原子迅速沿通道向石墨球擴(kuò)散并沿通道向外生長(zhǎng)，從而使石墨球發(fā)生畸變。一方面，硅是強(qiáng)烈促進(jìn)石墨化的元素，能夠加速石墨球的擴(kuò)散，提高石墨球的長(zhǎng)大速度，使石墨球-奧氏體應(yīng)力加大，促使奧氏體殼的破裂；另一方面，二次隨流孕育時(shí)的硅提供了豐富的石墨核心，造成瞬間形成大量薄殼石墨-奧氏體共晶團(tuán)，奧氏體殼的破裂使石墨球碎成許多小塊，這些小塊石墨表面積大，立刻成為剩余液體中石墨的形核基底，形成碎塊狀石墨5。某些石墨的碎塊達(dá)到枝晶間位置的邊緣，并作為在殘余熔體中塊狀石墨形核的場(chǎng)所，最終形成了蠕蟲狀石墨，一般出現(xiàn)在塊狀

11、石墨區(qū)的邊緣6，如圖1(d所示。綜上所述，只進(jìn)行一次孕育處理易發(fā)生孕育衰退，石墨球數(shù)量少且球化率低。采用0.1%的硅鐵進(jìn)行二次隨流孕育時(shí)，球鐵的石墨組織明顯得到改善，(c(d1#方案球化后直接澆注，2#、3#、4#方案分別加入0.1%、0.2%、0.3%的75硅鐵進(jìn)行隨流孕育澆注，樹脂砂造型，試樣尺寸準(zhǔn)40mm ×150mm 。采用光學(xué)顯微鏡、KH-2200高倍視頻顯微鏡、專業(yè)光學(xué)金相攝像顯微鏡對(duì)試樣進(jìn)行組織觀察，硬度試驗(yàn)在HBE-3000A 型電子布氏硬度計(jì)上進(jìn)行，測(cè)量5個(gè)點(diǎn)硬度，取平均值。2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析2.1二次孕育對(duì)球墨鑄鐵石墨組織的影響球鐵生產(chǎn)所用球化劑中的鎂和稀土皆是阻礙

12、石墨化，增加鑄鐵過冷傾向的元素，促進(jìn)形成滲碳體。為了得到正常的球狀石墨和基體組織，必須對(duì)鐵水進(jìn)行孕育處理3。鐵水中加入孕育劑以后，可產(chǎn)生很多硅原子富集區(qū)，一方面，硅有排碳作用，增加了碳的濃度起伏，促進(jìn)了石墨的析出；另一方面，由于孕育劑的加入，熔化地區(qū)需要吸收熱量而使該地區(qū)的溫度下降，造成了鐵水的溫度起伏，有利于石墨的析出。孕育處理增加了濃度起伏和溫度起伏，使得石墨球數(shù)量增加，球徑減小4。圖1(a為一次孕育球墨鑄鐵的石墨組織，可以看出，石墨有相當(dāng)一部分呈蠕蟲狀存在，球化率較低，球化效果不理想。其主要原因是鐵水孕育后，濃度起伏和溫度起伏隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸消失，即產(chǎn)生了“孕育衰退”現(xiàn)象。這時(shí)，已形

13、成的碳原子集團(tuán)或部分石墨核心易被熱運(yùn)動(dòng)的原子所沖散或重新熔解而減小，其結(jié)果是石墨球數(shù)量減少，形態(tài)變差。孕育最好的時(shí)間是孕育劑加入鐵水后11.5min 內(nèi)，時(shí)間再長(zhǎng)，則孕育作用會(huì)逐漸衰退。為了強(qiáng)化孕育效(a(b200m 200m 200m 200m(a1#一次孕育；(b2#一次孕育+0.1%的硅鐵二次孕育；(c3#一次孕育+0.2%的硅鐵二次孕育；(d4#一次孕育+0.3%的硅鐵二次孕育圖1各試樣的石墨組織Fig.1The graphite microstructures of different samples熱加工工藝2011年第40卷第1期31金屬鑄鍛焊技術(shù)Casting ·Fo

14、rging ·Welding石墨球數(shù)量增多，球徑減小，球化率提高。但為了擔(dān)心孕育衰退而進(jìn)行大劑量（0.2%和0.3%的硅鐵）的二次孕育反而容易導(dǎo)致石墨產(chǎn)生畸變，促使碎塊狀石墨的形成。2011年1月二次隨流孕育時(shí)，基體中珠光體的含量略有增加，硬度提高，但當(dāng)采用0.2%和0.3%的硅鐵進(jìn)行二次隨流孕育時(shí)，基體中鐵素體所占比例明顯增加，硬度顯著降低。其主要原因是，大劑量的二次孕育促使了碎塊狀石墨的形成，而碎塊狀石墨周圍碳的擴(kuò)散路徑較短6，因此，如圖2(c、(d所示，塊狀石墨區(qū)多為純(c(d2.2二次孕育對(duì)球墨鑄鐵基體組織的影響從圖2及表2可以看出，采用0.1%的硅鐵進(jìn)行(a(b200m 2

15、00m 200m 200m(a1#一次孕育；(b2#一次孕育+0.1%的硅鐵二次孕育；(c3#一次孕育+0.2%的硅鐵二次孕育；(d4#一次孕育+0.3%的硅鐵二次孕育圖2各試樣的基體組織Fig.2The matrix microstructure of different samples表2各球墨鑄鐵試樣的硬度(2采用0.1%的硅鐵進(jìn)行二次隨流孕育，基體中珠光體的含量略有增加，硬度提高。但當(dāng)采用4#125Tab.2Hardness of different samples試樣硬度(HV1#1722#1843#1240.2%和0.3%的硅鐵進(jìn)行二次隨流孕育時(shí)，由于碎塊狀石墨周圍碳的擴(kuò)散路徑較短

16、，塊狀石墨區(qū)多為純鐵素體基體區(qū)，因此，硬度出現(xiàn)了急劇下降的現(xiàn)象。參考文獻(xiàn)：123456張博球墨鑄鐵-基礎(chǔ)·理論·應(yīng)用M北京：機(jī)械工業(yè)出版社，198880-86郝石堅(jiān)現(xiàn)代球墨鑄鐵M北京：煤炭工業(yè)出版社，鐵素體基體區(qū)。鑄鐵的硬度除了與石墨組織有關(guān)外，主要受基體組織中珠光體數(shù)量的影響。一般來說，鑄鐵基體中珠光體的數(shù)量越多，硬度就越高7。2#試樣球化效果好，石墨球數(shù)量多，但球徑小，較1#試樣珠光體量略有增加，硬度提高。3#和4#試樣中石墨出現(xiàn)畸形，且基體多為鐵素體，因此，硬度出現(xiàn)了急劇下降的現(xiàn)象。1988229-241錢立，趙耀昌球鐵生產(chǎn)中幾項(xiàng)技術(shù)的處理J熱加工工藝，2004，(5：74-75李炯輝，胡明初球墨鑄鐵顯微研究M上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，197816-30張友壽，胡心彬，李四年，等大斷面球鐵碎塊狀石墨形成原因淺析及若干防止措施J鑄造設(shè)備研究，2000，(2：27-28沈陽(yáng)鑄造研究所，佛山球墨鑄鐵研究所球墨鑄鐵球