灰鑄鐵白口成因

1、引用的引用的化學元素Ti球墨鑄鐵張文和，丁俊，聶富榮（鑄峰特殊合金有限公司銷售公司，南京 210002）摘要：灰鑄鐵、球墨鑄鐵鑄件生產(chǎn)過程中，往往出現(xiàn)游離滲碳體。本文從鑄鐵的常規(guī)化學成分；反石墨化元素；O N、H氣體元素;共晶團數(shù)；冷卻速度；鑄鐵的熔煉；爐料遺傳性；共晶最后階段凝固特點等方面，闡述鑄鐵滲碳體出現(xiàn)的原因，并提出相應的防止措施。關鍵詞：滲碳體；石墨化；白口傾向；共晶團；孕育鑄鐵凝固時，鐵液按穩(wěn)定系結(jié)晶，碳原子以石墨狀態(tài)析出，鑄鐵斷口呈灰色，得到灰鑄鐵；鐵液按介穩(wěn)定系結(jié)晶，碳原子與鐵原子結(jié)合成碳化鐵， 斷口呈白色， 得到白口鑄鐵； 介于兩者之間， 得到麻口鑄鐵。鑄鐵中碳原子聚合成石墨

2、的過程，稱石墨化。灰鑄鐵共晶階段冷卻曲線如圖 1，TE1 穩(wěn)定系共晶轉(zhuǎn)變開始溫度TE 介穩(wěn)定系共晶轉(zhuǎn)變開始溫度 TETEN 共晶生核開始溫度TEU大量形核溫度TER共晶回升溫度最高值TS 共晶轉(zhuǎn)變終了溫度女口果TEU>TE TS>TE則得至U全部灰口組織；如果 TEN<TE< SPAN> TERvTEv SPAN則得至U全部白口組織。若 TEU>TE Ts<TE< SPAN>貝V凝 固后出現(xiàn)游離滲碳體；TS略低于TE時，會在最后凝固區(qū)域或共晶團間 出現(xiàn)少量游離滲碳體。 TERvTEv SPAN> TEU<TE< SPAN則

3、出現(xiàn)萊氏體。 鐵液中生核能力強，則生核開始溫度 TEN高，基晶團數(shù)量增加，共晶階 段冷卻曲線上移減少共晶轉(zhuǎn)變過冷度，使TS>TE促進形成灰口組織。因此強化孕育增加生核能力，提高共晶團數(shù)量，必然減少白口傾向。影響鑄鐵共晶階段冷卻曲線的因素有： 是化學元素 （合金元素 ）；冷卻速度；結(jié)晶核心；生鐵的遺傳性。例如：石墨化過程在 TE 一 TE共晶區(qū)間進行，Cr、V、Ti縮小TE1一 TE共晶區(qū)間，石墨尚未析 出就下降到介穩(wěn)定共晶轉(zhuǎn)變溫度 TE以下，碳原子來不及擴散與聚合成 石墨，鑄鐵凝固成白口或麻口。 鑄鐵出現(xiàn)滲碳體顯然會降低力學性能和 切削性能?；诣T鐵碳化物按其在大多數(shù)視場中的百分比，分 6

4、 級評定，見表1球墨鑄鐵滲碳體數(shù)量分級有國家標準 (GWl944l 一 1988) ，按數(shù)量最多的視場對照圖譜或用金相軟件評定，見表 2照圖譜或用金相軟件評定，見表二l 常規(guī)化學成分的影響碳和硅：都是強石墨化元素，適當提高碳、硅量對消除碳化物或 滲碳體十分有效?；诣T鐵降低碳當量可減少石墨數(shù)量、細化石墨、增加 初析奧氏體枝晶數(shù)量，從而提高力學性能；但同時降低鑄造性能、增大 斷面敏感性、增加鑄件內(nèi)應力、增加碳化物量，從而增加機械加工難度 和刀具磨損。降低碳當量會增加白口傾向，常用強化孕育來防止。球墨 鑄鐵與灰鑄鐵一樣，采用純凈爐料，綜合考慮鐵液流動性、減少縮孔和 縮松等因素，碳當量應控制在4.6

5、% 4.8 %最好，w(c)紹滲碳體就可以消失， w(Si) 在 2.0 一 3.0 之間，薄壁件取上限，厚壁件取下限。錳和硫：是阻礙石墨化元素，能穩(wěn)定碳化物，一般灰鑄鐵含硫 0. 02% 0.15 %、含錳0.4 % 1.2 %，化學反應生成 MnS FeS,熔點大 于1600C，以顆粒狀分布于基體中，不會對石墨化產(chǎn)生影響。硫化物 是共晶石墨形核的基底,硫化物熱力學穩(wěn)定性越高,孕育作用越大。為 確保孕育效果灰鑄鐵含硫量在 0.06%-0.10 %之間為好。2 反石墨化元素的影響V、 zr 、 Nh、 Ti 、 cr 、 Mo、 w、 B、 ce、： Mg、 Te、 H、 N、 Bi 都是 反

6、石墨化元素。壓、 Ti、 B、 ce、 N、 cr 、 Bi 等元素含量極低時,有促 進石墨化的作用, 然而超過一定量就是強烈反石墨化元素。 由于珠光體 是過冷奧氏體在共析溫度時形成的機械混合物, 是鐵素體和滲碳體按層 片狀交替排列的層狀組織。 加人少量合金元素可以促進、 穩(wěn)定和細化珠 光體,提高力學性能和使用性能, 過量合金元素肯定會使鑄鐵滲碳體增 加。用于合金化處理的原鐵液應有較高的碳當量,使其白口傾向小、鑄 造性能好,不易產(chǎn)生縮孔和縮松。 碳當量高應使含碳量較高含硅量較低, 防止硅增加鐵素體、粗化珠光體、抵消合金元素作用等有害傾向。提高鑄件強度和斷面均勻性。 反石墨化元素的最高加入量見表

7、 3資料介紹：金屬間化合物形式的原子集團，可以改變遺傳效果， 因此稀土孕育劑的應用可以明顯消除反石墨化元素造成的白口傾向。 北 京工業(yè)大學和北京第一機床廠在北京市科技委組織下， 開展對高強度灰 鑄鐵新型孕育劑的研究。 在高強度灰鑄鐵中采用稀土孕育劑， 降低鑄鐵 的過冷度及形成白口的傾向， 降低硬度及形成氣孔的傾向性， 提高鑄鐵 的抗拉強度。這一成果具有降低生產(chǎn)成本，熔煉工藝簡單，提高強度明 顯等優(yōu)點，值得廣大生產(chǎn)灰鑄鐵的廠家推廣應用。3 0、N、H氣體元素的影響氮、氫、氧是溶解在鐵液中并對鑄鐵組織和性能有重要影響的氣 體元素。熔煉過程中，處于空氣影響下由鐵液吸附、溶解氧氣直到飽和 為止。鐵液中

8、的溶解氧化合成氧化物，例如孕育劑中 Si+20=Si02 作 為石墨結(jié)晶非均質(zhì)晶核時， 溶解氧起到促進石墨化作用； 溶解氧未化合， 則阻礙石墨化增加白口傾向。 鐵液過熱， 溶解氧量增大， 白口傾向增大。澆注過程中鐵液與鑄型中的水分化學反應是鐵液中氫的來源。 鐵液中的氫具有類似于 s、 se、 Te 等元素的作用，表現(xiàn)為減少硫?qū)κ?的吸附作用，促使鐵液凝固為白口組織。實驗表明： Al 、 B、 c 、 si 、 c d、 cu、 Ge、 P、 s、 sn 等元素，不同程度的降低氫在鑄鐵中的溶解度， ca、cr 、 Mn、 Ni 等元素的加入會提高氫在鐵液中的溶解度。鑄鐵溶解 氫量增大，共晶溫度

9、降低，過冷效應產(chǎn)生的白口傾向就嚴重。隨著氫含 量的增加。均勻分布的片狀石墨先轉(zhuǎn)變成枝晶石墨， 再轉(zhuǎn)變成異形石墨， 最后轉(zhuǎn)變成緊密狀石墨并伴有滲碳體。溶解氮是阻礙石墨化元素，硅量的增加能抵消這方面的作用。鑄鐵含硅量超過 2 0一 25以后，溶解氮不再增加，氮的阻礙石墨 化作用， 主要體現(xiàn)為易于獲得珠光體和改善灰鑄鐵片狀石墨的形態(tài)。 因 此鑄鐵含氮量增加抗拉強度能增加 6080MPa。4 冷卻速度的影響鑄件壁厚不均勻或邊緣部位，平板鑄件某些部位產(chǎn)生局部白口， 都是該部位冷卻速度太快， 使鑄鐵按介穩(wěn)定系結(jié)晶而析出滲碳體。 其他 條件相同，冷卻速度越大共晶轉(zhuǎn)變的過冷度越大，白口傾向越大。凝固過程溫度的

10、變化受共晶團生長速度的影響。凝固過程過冷度 大則共晶團生長速度快。 孕育劑的加入使共晶團數(shù)量迅速增多， 同時減 少過冷度。因此孕育后力求獲得 68C的相對過冷度，相對過冷度小 于4C則孕育過度。孕育使石墨和共晶團細化，使 D、E型枝晶石墨轉(zhuǎn) 變成細小均勻分布的 A 型石墨。生產(chǎn)實踐中， 硅鋇孕育劑能有效改善鑄 件斷面均勻性， 防止鑄件局部白口。 改變澆口位臵可以改變鑄件溫度場 分布，有利于局部白口的改善。鑄鐵件斷面外部呈灰口，而內(nèi)部出現(xiàn)局部白口，稱為反白口。一 般認為： 鑄件已凝固部位使中心厚大部位迅速冷卻， 落入介穩(wěn)定系結(jié)晶 范疇而致。有時型砂水分高， 澆注溫度低，也會出現(xiàn)反白口傾向。 另外

11、鑄 鐵的成分偏析、孕育衰退、鐵液含氫量高，均易產(chǎn)生反白口。防止方法 仍然應從鑄件化學成分、反石墨化元素、強化孕育、提高熔煉及澆注溫 度、控制型砂水分、減少球化劑稀土含量、保證球化前提下減少殘鎂、 殘稀土量人手。5 鑄鐵熔煉的影響同一爐料用沖天爐和感應電爐熔化，結(jié)果不一樣。相比沖天爐， 電爐熔煉易于產(chǎn)生過冷石墨，使鑄鐵的強度、硬度較高。電爐熔煉使鐵 液過熱白口傾向增大，主要原因是： 鐵液過熱含氮量增加； 鐵液長 時間加熱，生成的co揮發(fā)導致貧氧，孕育效果差形核率低，石墨化能 力減弱。廢鋼、錳鐵、鉻鐵、增碳劑、涂料、樹脂都會增加含氮量。沖 天爐爐料銹蝕或熔煉過程鐵液氧化嚴重，增硫、脫碳反應劇烈進行

12、：10FeO+SO3 FeS+3Fe3O4FeO+C Fe+CO硫是強阻礙石墨化元素，脫碳是削減石墨化元素，二者疊加促進白口傾向。6 爐料的遺傳性鑄造生產(chǎn)中，爐料的微觀組織和結(jié)構(gòu)，由于鐵碳平衡圖 D'=4OOOC , C'=11470 C，鑄鐵共晶熔點以及過熱溫度遠遠低于使鐵液結(jié)構(gòu)無 序化的溫度， 由此鐵碳合金的近程有序結(jié)構(gòu)產(chǎn)生遺傳效應， 強烈影響到 后續(xù)生產(chǎn)鑄鐵的組織和結(jié)構(gòu)。 鑄鐵熔融狀態(tài)下， 存在未溶解的石墨分子 蔟和滲碳體分子簇。 在爐料鐵液一鑄件的過程中， 爐料含廢鋼、 白口鐵、 低硅生鐵較多時， 未被溶解的滲碳體簇作為形成滲碳體核心在熔煉后被 保留于鑄件，其中強碳化物

13、元素促使鑄件收縮、裂紋、白口傾向增大。 同樣，爐料中生鐵石墨粗大，在未被溶解的碳原子簇影響下，灰鑄鐵凝 固時會有粗大石墨或 D、E 型石墨保留遺傳。 這時應考慮提高熔煉溫度， 減少孕育前鐵液含硅量， 保證灰鑄鐵 O.O6 一 O.1 的含硫量， 以加強 孕育效果。廢鋼、生鐵、回爐料、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 都會在重熔時產(chǎn)生累積效應，增加鑄件白口傾向7 灰鑄鐵晶間碳化物共晶結(jié)晶末期，鑄件內(nèi)部已經(jīng)形成的奧氏體枝晶與共晶團邊界之 間存在尚未凝固的殘余鐵液 由于奧氏體和共晶團形成， 必然向晶界析 出合金元素。因此，當正偏

14、析元素（如Cr、v、Ti）富集，縮小穩(wěn)定系共 晶轉(zhuǎn)變開始溫度與介穩(wěn)定系共晶轉(zhuǎn)變開始溫度的距離， 容易促進晶界碳 化物生成。壁厚引起的慢冷加重偏析，不含 cr 、 V、 Ti 的厚壁鑄件不會 有晶問碳化物產(chǎn)生。 如果冷卻速度加快， 凝固終了溫度降到介穩(wěn)定系共 晶轉(zhuǎn)變開始溫度以下，將促使碳化物形成。碳當量低、正偏析元素高的鐵液容易在最后凝固區(qū)域生成共晶碳 化物。當合金含量大時 共晶團內(nèi)凝固較晚存有殘余鐵液的蜂窩結(jié)構(gòu)中 也會出現(xiàn)碳化物。如果碳化物形成元素被推移到鑄件中心部位，分布于奧氏體枝晶 間，會生成萊氏體形成白口凝固，常稱為反白口現(xiàn)象。由此推論，這種 反白口現(xiàn)象的防止， 應該從鐵液的冶金指標及合

15、金元素的含量與冷卻速 度人手。 一般孕育劑難以改變反白口現(xiàn)象， 但是最近推出的硅鑭孕育劑 對反白口有較好的效果， 因為單一稀土元素鑭， 可以有效促進最后凝固區(qū)域鐵液的石墨化。8 薄壁球墨鑄鐵晶間碳化物球墨鑄鐵凝固終了，奧氏體枝晶和共晶團析出后，殘留在枝晶與 共晶團邊界問最后凝固的鐵液迅速冷卻， 會形成晶問碳化物。 鑄態(tài)產(chǎn)生： 鐵素體 +碳化物，珠光體 +碳化物，混合基體 +碳化物組織。綜合分析可 以采取下列措施：采用Q12 Q14 Q16等Si N.1 %，低Ti球生鐵。 選擇純凈的不含反石墨化元素的爐料。 薄壁鑄件應提高碳硅當量 （CE =4.6 %一 4.8 %）,熔煉時預加SiC或75S

16、iFe增Si ;選用低鎂低稀土 球化劑，降低殘鎂量至w（Mg殘）=0.03 %-0.045 %、降低殘留稀土量至 w（RE殘）=0.01 % -0.02 %;熔化溫度控制在1480C -1520 C之間， 加強孕育，采用高效、長效孕育劑，采用二次孕育。提高單位面積石墨 球數(shù)。其中增加石墨球數(shù)是消除薄壁球墨鑄鐵出現(xiàn)碳化物的最有效的方 法。因為。隨球數(shù)增加早期凝固的體積分數(shù)加大， 晶間的殘余鐵液減少， 提前結(jié)束共晶凝固， 從而防止碳化物的產(chǎn)生。 密布細小的石墨球縮短碳 原子擴散距離，加速固相轉(zhuǎn)化時 Fe3C+3Fe的相變。9 結(jié)論總之，灰口鑄鐵、球墨鑄鐵產(chǎn)生白口的原因比較復雜，有時是幾 種因素疊加

17、的結(jié)果。 目前工廠尚難于檢測鑄件中的氣體元素和微量元素準確數(shù)據(jù)，但總體的防止方法是不變的1）嚴格控制鑄鐵的常規(guī)化學成分和合金元素成分，化學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 以內(nèi)。2）提高鐵液的冶金質(zhì)量，熔煉溫度1480C 1520C ,爐料配比合理，采用純凈爐料減少有害元素影響，減少生鐵不良因素遺傳。3）采用孕育效果好、抗衰退的高效和長效孕育劑強化孕育，鐵素體球墨鑄鐵采用二次孕育。4）控制好鑄件的冷卻速度，控制打箱時間，尤其是薄壁鑄件的打箱時間。5）灰鑄鐵應采購Z20以上牌號的生鐵；球墨鑄鐵應采購Q12以上牌號的球

18、生鐵。鑄鐵是含碳量大于2.11 % （般為2.54%）的鐵碳合金。它是以鐵、碳、硅為主要組成元素并比碳鋼含有較多的錳、硫、磷等雜質(zhì)的多元合金。有時為了提高（附錄）各種灰鑄鐵的化學成分（質(zhì)量分數(shù)）資訊來源：環(huán)球鑄造網(wǎng)發(fā)布時間：2009-02-02 11:52:32序號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