球墨鑄鐵件的缺陷和金相檢驗2012年

讓我們共同(gòngtóng)學(xué)習(xí)、共同(gòngtóng)提升2012年10月6日共四十五頁

培訓(xùn)(péixùn)內(nèi)容球墨鑄鐵件的生產(chǎn)典型(diǎnxíng)缺陷和金相檢驗主講人：王艷珍共四十五頁為什么要化驗(huàyàn)？化驗分析是冶金工業(yè)的必要組成部分，它對指導(dǎo)生產(chǎn)及調(diào)整配料具有重要意義。例如(lìrú)在原料購進(jìn)和熔煉過程中，提供正確數(shù)據(jù)，可以保證產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，節(jié)約材料，更快促進(jìn)鑄造生產(chǎn)的發(fā)展和鑄造技術(shù)水平的提高，并給鑄造技術(shù)工作者提供工作上的方便。共四十五頁鑄造(zhùzào)學(xué)上的產(chǎn)品分類

鑄鋼、灰鑄鐵、球磨鑄鐵、可鍛鑄鐵、耐磨鑄鐵、抗磨鑄鐵、冷硬鑄鐵、耐蝕鑄鐵、耐熱鑄鐵九大類，而現(xiàn)在鑄造車間生產(chǎn)以球磨鑄鐵為主，所有產(chǎn)品(chǎnpǐn)都含有碳、硅、錳、磷、硫五大元素，但是標(biāo)準(zhǔn)不同，機(jī)械性能也不同，化學(xué)成分直接影響著機(jī)械性能。共四十五頁什么(shénme)是球磨鑄鐵？

球墨鑄鐵是指鐵液在凝固過程中碳以球型石墨析出的鑄鐵。與灰鑄鐵相比，其金相組織的最大不同是石墨形狀(xíngzhuàn)的改變，避免了灰鑄鐵中尖銳石墨的存在，使得石墨對金屬基體的切口作用大為減少，基本消除了片狀石墨引起的應(yīng)力集中現(xiàn)象，使得金屬基體的強(qiáng)度利用率達(dá)到70－90％，從而使金屬基體的性能得到很大程度的發(fā)揮。

共四十五頁球墨鑄鐵(qiúmò-zhùtiě)的特性

球墨鑄鐵可以像鋼一樣(yīyàng)，通過熱處理和合金等措施來進(jìn)一步提高其使用性能。比如，處理過的球墨鑄鐵可以取得很好的韌性，延伸率高達(dá)24％；抗拉強(qiáng)度可以高達(dá)1400MPa，基本接近鋼材，與鋼材相比，球墨鑄鐵還有很多優(yōu)點。比如鑄造性能好，成本相對較低。由于球墨鑄鐵產(chǎn)量的不斷增加，性能不斷開發(fā)，現(xiàn)已成功取代了鍛鋼和鑄鋼，成為前景廣闊的金屬結(jié)構(gòu)材料。共四十五頁球墨鑄鐵(qiúmò-zhùtiě)的金相與力學(xué)性能金相組織與力學(xué)性能的關(guān)系力學(xué)性能與金屬的金相組織密切相關(guān)，什么樣的金相結(jié)構(gòu)決定了什么樣的力學(xué)性能。球墨鑄鐵也不例外，只有(zhǐyǒu)石墨球化，才能發(fā)揮金屬基體的作用，使鑄鐵的力學(xué)性能大幅度提高。也只有(zhǐyǒu)石墨球化，進(jìn)一步改變基體的性能才更有意義。因此，對球墨鑄鐵的金相研究，是我們了解球墨鑄鐵，使用球墨鑄鐵的前提條件。共四十五頁球狀石墨(shímò)的形成

球狀石墨的形成經(jīng)歷了形核與生長兩個階段。其中的形核是石墨的首要過程，鐵液在熔煉及隨后的球化、孕育處理(chǔlǐ)中產(chǎn)生大量的非金屬夾雜物，初生的夾雜物非常小，在隨后澆鑄、充型、凝固過程相互碰撞、聚合變大，上浮或下沉，成為石墨析出的核心。球狀石墨核心形成以后，碳原子開始在核心基底上堆砌，石墨最終生成的形狀決定受工藝條件影響的生長方式。所以，石墨生長過程的控制是獲得球狀石墨的關(guān)鍵。共四十五頁共四十五頁球墨鑄鐵孕育(yùnyù)的目的

球墨鑄鐵的孕育是指向鐵水中加入一定數(shù)量的球化劑和孕育劑，通過球化及孕育處理使鐵水在凝固時碳以球狀石墨(shímò)的形式形核和生長。凝固后鑄鐵的組織中得到球狀石墨(shímò)的鑄鐵。一般在澆注之前，在鐵液中加入少量球化劑（通常為鎂、稀土鎂合金或含鈰的稀土合金）和孕育劑（通常為硅鐵），使鐵水凝固后形成球狀石墨(shímò)。球化處理和孕育處理是生產(chǎn)球墨鑄鐵的重要環(huán)節(jié)。球墨鑄鐵進(jìn)行孕育處理的目的是為消除球墨鑄鐵的白口化傾向、消除過冷石墨(shímò)、促進(jìn)石墨(shímò)化、細(xì)化共晶團(tuán)及減少晶間偏析等。共四十五頁球墨鑄鐵(qiúmò-zhùtiě)的孕育

球化處理是球鐵生產(chǎn)的基礎(chǔ)，孕育處理是球鐵生產(chǎn)的關(guān)鍵，孕育效果決定了石墨球的直徑、石墨球數(shù)和石墨球的圓整度。

為了保證孕育效果，孕育處理采用多級孕育處理。孕育處理越接近澆注，孕育效果越好。

從孕育到澆注需要一定的時間，該時間越長，孕育衰退就越嚴(yán)重。

球化衰退防止：球化衰退的原因一方面和Mg、RE元素由鐵液中逃逸減少有關(guān)，另一方面也和孕育作用不斷衰退有關(guān)，為了防止球化衰退，采取以下措施(cuòshī)：A、鐵液中應(yīng)保持有足夠的球化元素含量；B、降低原鐵液的含硫量，并防止鐵液氧化；C、縮短鐵液經(jīng)球化處理后的停留時間；D、鐵液經(jīng)球化處理并扒渣后，為防止

Mg、RE元素逃逸，可用覆蓋劑將鐵液表面覆蓋嚴(yán)，隔絕空氣以減少元素的逃逸。共四十五頁球化分級(fēnjí)球化分級(fēnjí)球化級別說明球化率（％）1級石墨呈球狀，少量團(tuán)絮，允許極少量團(tuán)絮狀≥952級石墨大部分呈球狀，余為團(tuán)狀和極少量團(tuán)絮狀90－953級石墨大部分呈團(tuán)狀，余為團(tuán)絮狀，允許有極少量蠕蟲狀80－904級石墨呈大部分絮狀或團(tuán)狀，余為球狀、少量蠕蟲狀70－805級石墨呈分散分布的蠕蟲狀、片狀及球狀、團(tuán)狀、團(tuán)絮狀60－706級石墨呈聚集分布的蠕蟲狀、片狀及球狀、團(tuán)狀、團(tuán)絮狀小于60%共四十五頁石墨(shímò)大小

球墨鑄鐵石墨球的大小對力學(xué)性能的影響(yǐngxiǎng)很大，減小石墨球徑，增加石墨球在單位面積的個數(shù)可以明顯地提高球墨鑄鐵的強(qiáng)度、塑性和韌性。石墨球徑的減小，使單位面積上球墨鑄鐵數(shù)量增多，可使抗疲勞強(qiáng)度提高，因此，細(xì)化石墨也是提高抗疲勞強(qiáng)度的一個要求。共四十五頁珠光體的粗細(xì)(cūxì)共四十五頁球墨鑄鐵的化驗(huàyàn)成分

選擇(xuǎnzé)適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)成分是保證球墨鑄鐵獲得良好的金相組織和高性能的基本條件，化學(xué)成分的選擇(xuǎnzé)既要利于石墨的球化和獲得滿意的基體，以期獲得滿意的性能，又要使球墨鑄鐵具有良好的鑄造性能。

球墨鑄鐵的成分一般是指五個元素：

碳、硅、錳、磷、硫共四十五頁化學(xué)成分——碳

碳是球墨鑄鐵的基本元素，碳高有助于石墨化。由于石墨呈球狀后石墨對機(jī)械性能的影響已減小到最低程度(chéngdù)，球墨鑄鐵的含碳量一般較高，在3.5～3.9%之間，碳當(dāng)量在4.1～4.7%之間。鑄件壁薄、球化元素殘留量大或孕育不充分時取上限；反之，取下限。將碳當(dāng)量選擇在共晶點附近不僅可以改善鐵液的流動性，對于球墨鑄鐵而言，碳當(dāng)量的提高還會由于提高了鑄鐵凝固時的石墨化膨脹提高鐵液的自補(bǔ)縮能力。但是，碳含量過高，會引起石墨漂浮。當(dāng)碳含量過低時，鑄件易產(chǎn)生縮松和裂紋。共四十五頁化學(xué)成分——硅

在球墨鑄鐵中，硅是第二個有重要影響的元素，它不僅可以有效地減小白口傾向，增加鐵素體量，而且具有細(xì)化共晶團(tuán)，提高石墨球圓整度的作用。但是，硅提高鑄鐵的韌脆性轉(zhuǎn)變溫度，降低沖擊韌性，因此(yīncǐ)硅含量不宜過高，尤其是當(dāng)鑄鐵中錳和磷含量較高時，更需要嚴(yán)格控制硅的含量。一般認(rèn)為硅含量大于2.8％時，可能降低韌性，使韌性、脆性轉(zhuǎn)變溫度升高。

因此，選擇碳硅含量時，應(yīng)按照高碳低硅的原則，鑄件在寒冷地區(qū)使用，則含硅量應(yīng)適當(dāng)降低。共四十五頁化學(xué)成分——錳球墨鑄鐵中錳的作用就主要表現(xiàn)(biǎoxiàn)在增加珠光體的穩(wěn)定性，幫助形成碳化錳、碳化鐵。錳有嚴(yán)重的正偏析傾向，往往有可能富集于共晶團(tuán)界處，嚴(yán)重時會促使形成晶間碳化物，顯著降低球墨鑄鐵的韌性。錳也會提高鐵素體球墨鑄鐵的韌脆性轉(zhuǎn)變溫度，錳含量每增加0.1%，脆性轉(zhuǎn)變溫度提高10～12℃。球墨鑄鐵中，由于球化元素具有很強(qiáng)的脫硫能力，不需要錳承擔(dān)這種功能。因此，球墨鑄鐵中錳含量一般是愈低愈好，即使珠光體球墨鑄鐵，錳含量也不宜超過0.4～0.6%。一般都是遵循這一規(guī)律的。共四十五頁化學(xué)成分——磷

磷是一種有害元素。它在鑄鐵中溶解度極低，當(dāng)其含量小于0.05%時，固溶于基體中，對力學(xué)性能幾乎沒有影響。當(dāng)含量大于0.05%時，磷在球墨鑄鐵中有很強(qiáng)的偏析傾向，具有增大球鐵的縮松傾向，極易偏析于共晶團(tuán)邊界，形成二元、三元或復(fù)合磷共晶，降低鑄鐵的韌性。當(dāng)含磷量增加時，韌脆性轉(zhuǎn)變溫度就會提高。對于寒冷地區(qū)使用(shǐyòng)的鑄件，易采用磷的下限含量。磷的含量控制在0.04-0.06%以下。共四十五頁化學(xué)成分——硫

球墨鑄鐵中硫與球化元素的化合能力很強(qiáng)，生成硫化物或硫氧化物，不僅消耗球化劑，造成球化不穩(wěn)定，衰退速度加快，而且還使夾雜物數(shù)量增多，導(dǎo)致夾渣、氣孔等鑄造缺陷(quēxiàn)。國外一般要求鐵液含硫量低于0.02%，我國目前由于焦炭含量較高等熔煉條件的限制，往往達(dá)不到這一標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)進(jìn)一步改善熔煉條件，有條件可進(jìn)行爐外脫硫，一般要求小于0.06%。共四十五頁典型缺陷(quēxiàn)——球化不良球化不良(bùliáng)和球化退化特征：斷口銀灰色，分布芝麻狀黑斑點。金相組織分布大量厚片石墨。原因：原鐵液含硫高，過量反球化元素。建議選用低硫焦炭，脫硫處理，必要時增加球化劑稀土量，控制沖天爐鼓風(fēng)強(qiáng)度和料位。共四十五頁典型(diǎnxíng)缺陷——縮孔和縮松

縮孔和縮松特征：縮孔發(fā)生于第一次收縮階段。表面凹陷及局部熱節(jié)凹陷，含氣孔的暗縮孔，內(nèi)壁粗糙?？s松發(fā)生于第二次收縮階段。被樹枝晶分割(fēngē)的溶池處成為真空，凝固后的孔壁粗糙、排滿樹枝晶的疏松孔為縮松。原因：碳含量低，磷含量高，增加縮孔縮松傾向。措施：提高鑄型剛度，如使用樹脂砂，提高鐵液碳當(dāng)量。共四十五頁典型缺陷(quēxiàn)——石墨漂浮

石墨漂浮特征：冷卻過程中的過共晶鐵液首先析出石墨球，上浮聚集成石墨漂浮，分布于鑄件最后部位的上部的冒口處。微觀(wēiguān)觀察石墨球串接呈開花狀。原因：碳當(dāng)量和稀土殘留量高，爐料原始尺寸大、數(shù)量多，都可能增加石墨漂浮。措施：建議C<4%，控制稀土含量，注意原生鐵與其他爐料的搭配。共四十五頁典型缺陷(quēxiàn)——反白口

反白口特征：宏觀斷面為界限清晰的白亮塊，呈方向性白亮針，出現(xiàn)于熱節(jié)中心。金相觀察為過冷密集細(xì)針狀滲碳體。原因：凝固熱節(jié)中心偏析富鎂、稀土、錳等白口化元素，孕育不足或大件冷卻速度快等。措施：保證球化前提下減少殘留稀土鎂，防止?fàn)t料(lúliào)內(nèi)的強(qiáng)烈白口化元素，強(qiáng)化孕育，提高小件鑄件溫度。共四十五頁典型(diǎnxíng)缺陷——夾渣夾渣

特征：澆鑄位置上表面或死角處，斷面呈暗黑無光澤、深淺(shēnqiǎn)不一的夾雜物，金相為可見、塊狀夾雜物。原因：形成一次夾渣的重要原因是原鐵液含硫量高、氧化嚴(yán)重；二次夾渣主要原因是鎂殘留量過高，提高了氧化膜形成溫度。措施：降低原鐵液硫含量，保證球化時降低鎂殘留量，加入適量稀土降低形膜溫度。澆鑄系統(tǒng)應(yīng)使充型平穩(wěn)，夾渣部位設(shè)集渣冒口。共四十五頁典型缺陷(quēxiàn)——應(yīng)力變形和裂紋

應(yīng)力變形和裂紋特征：收縮應(yīng)力、相變應(yīng)力之和超過(chāoguò)斷面金屬抗斷裂后形成裂紋，熱裂呈暗褐色不平整端口，冷裂形成淺褐色光滑平直斷口。原因：碳含量低，碳化物形成元素增加，孕育不足，冷卻過快等。措施：適當(dāng)提高碳當(dāng)量，降低含磷量，加強(qiáng)孕育等措施。共四十五頁典型缺陷(quēxiàn)——皮下氣孔皮下氣孔

特征：鑄件表皮下2－3mm處均勻或蜂窩狀分布的球形、橢圓形或針孔狀內(nèi)壁光滑孔洞，直徑0.5-3mm，在熱處理和拋丸后暴露，小件中較多。原因：鐵液表明形成的氧化膜阻礙氣體(qìtǐ)析出，碳化反應(yīng)中形成的氣體(qìtǐ)，鎂殘留量多形成的鎂蒸汽，爐料潮濕銹蝕等。措施：球化保證條件下降低鎂殘留量，鐵液平穩(wěn)澆鑄，控制爐料干燥少銹，采用少氮或無氮樹脂。共四十五頁薄壁鑄件(zhùjiàn)的凝固

在鑄鐵凝固時，存在石墨共晶與滲碳體共晶兩種形式。在平衡狀態(tài)圖中，前者的溫度比后者高。為了要避免白口的產(chǎn)生，應(yīng)使石墨共晶凝固過程在溫度達(dá)到滲碳體共晶以前完成，這就需要提高石墨共晶的凝固速率，而在一定的冷卻速度下，球鐵共晶團(tuán)的生長速度是一定的，因此提高石墨共晶的凝固速度，就必須(bìxū)增加共晶團(tuán)數(shù)量。因此，為防止白口，對球墨鑄鐵的某一冷卻速度，存在對應(yīng)的臨界共晶團(tuán)數(shù)，即臨界石墨球數(shù)。只有石墨球數(shù)大于該臨界數(shù)，才能避免白口出現(xiàn)。當(dāng)鑄件越薄，冷卻速度越大時，所需的臨界石墨球數(shù)越多。研究表明，為增加石墨球數(shù)目，添加稀土Bi是十分有效的。共四十五頁球鐵的力度(lìdù)性能

球墨鑄鐵的力學(xué)性能以抗拉強(qiáng)度和延伸率兩個指標(biāo)作為驗收依據(jù)。在生產(chǎn)工藝穩(wěn)定的條件下，也可根據(jù)硬度值進(jìn)行驗收。因硬度與強(qiáng)度的對應(yīng)關(guān)系建立在球化合格，化學(xué)成分、孕育穩(wěn)定，鑄造工藝合理的基礎(chǔ)上，為保證性能，規(guī)定按硬度驗收時，必須檢驗金相組織，其球化率不得低于4級。即使硬度和球化合格，由于基體其中(qízhōng)存在滲碳體、磷共晶、高硅固溶強(qiáng)化等，可能使強(qiáng)度和韌性達(dá)不到要求。所以不具備生產(chǎn)工藝穩(wěn)定的條件下，不能根據(jù)硬度值驗收。共四十五頁力學(xué)(lìxué)值序號牌號最小值布氏硬度主要金相組織抗拉強(qiáng)度（MPa）屈服強(qiáng)度

（MPa）延伸率（％）1QT400-1840025018130－180鐵素體2QT400-1540025015130－180鐵素體3QT450-1045031010160－210鐵素體4QT500-75003207170－230鐵素體＋珠光體5QT600-36003703190－270珠光體＋鐵素體6QT700-27004202225－305珠光體7QT800-28004802245－335珠光體或回火組織8QT900-29006002280－360貝氏體或回火索氏體各種(ɡèzhǒnɡ)牌號的力學(xué)和硬度共四十五頁性能(xìngnéng)特性

（1）硬度球墨鑄鐵的硬度主要取決于基體組織，而且與抗拉強(qiáng)度、延伸率等凈荷載性能有相應(yīng)的關(guān)系。（2）強(qiáng)度和塑性球墨鑄鐵的強(qiáng)度和塑性主要取決于基體組織，下貝氏體或回火馬氏體強(qiáng)度最高，其次是上貝氏體、索氏體、珠光體。隨著(suízhe)鐵素體增多，強(qiáng)度下降，延伸率增加。奧氏體或鐵素體強(qiáng)度較低，塑性較好。共四十五頁減震(jiǎnzhèn)性和切削性

球墨鑄鐵的減震性優(yōu)于鋼，劣于灰鑄鐵。球化率越高，減震性越差。溫度上升，灰鑄鐵的減震性下降(xiàjiàng)，但是對球墨鑄鐵的影響很小。球墨鑄鐵的彈性模量高于灰鑄鐵，因此其聲波傳播速度，固有頻率都高于灰鑄鐵。利用聲學(xué)的差別，可檢驗球化率等級。

球墨鑄鐵含有較多的石墨，起到切削潤滑作用。因此球墨鑄鐵的切削阻力小于鋼，切削速度較高。珠光體增多使球墨鑄鐵的切削性能下降，貝氏體球墨鑄鐵切削性能較差。所以，閥門中使用球墨鑄鐵時，都是采用鐵素體＋珠光體的基體類型。共四十五頁焊補(bǔ)性

球墨鑄鐵不能焊接，只能焊補(bǔ)。當(dāng)球墨鑄鐵中稀土鎂合金含量較高時，在焊縫和近焊縫區(qū)易產(chǎn)生白口或馬氏體組織，形成內(nèi)應(yīng)力和裂紋。為此，國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T10044－1988規(guī)定了適用于球墨鑄鐵焊補(bǔ)用的焊條(hàntiáo)，按照要求，可獲得高強(qiáng)度珠光體基體球墨鑄鐵的焊縫。耐熱性

球墨鑄鐵中的石墨彼此分離(fēnlí)，與灰鑄鐵相比，可阻礙高溫下氧的擴(kuò)散。因此球墨鑄鐵的抗氧化性和抗生長性均優(yōu)于灰鑄鐵，也優(yōu)于可鍛鑄鐵。鐵素體球墨鑄鐵的高溫抗生長性優(yōu)于珠光體球墨鑄鐵。提高硅含量或鋁含量可改善球墨鑄鐵的抗氧化性及耐熱性。共四十五頁耐腐蝕性在大氣中球墨鑄鐵耐蝕性優(yōu)于鋼，與灰鑄鐵、可鍛鑄鐵相近。球墨鑄鐵在土壤的耐蝕性優(yōu)于鋼，與灰鑄鐵相近。球墨鑄鐵抗蝕能力略強(qiáng)，但球墨鑄鐵管經(jīng)腐蝕后的強(qiáng)度損失則小于灰鑄鐵管。球墨鑄鐵在室溫，0.5%的硫酸溶液的耐蝕性與灰鑄鐵大體相同，開始(kāishǐ)階段球墨鑄鐵的腐蝕率低于灰鑄鐵，但在灰鑄鐵表面形成石墨化層后腐蝕速度下降，球墨鑄鐵則無下降傾向，而在后期高于灰鑄鐵。球墨鑄鐵和灰鑄鐵在堿溶液中的耐蝕性良好，與與鋼相近。球墨鑄鐵對有機(jī)物、硫化物、融金屬（低熔點）的耐蝕性與灰鑄鐵相近。

共四十五頁耐磨性球墨鑄鐵是良好的耐磨和減磨材料(cáiliào)，耐磨性優(yōu)于同樣基體的灰鑄鐵、碳鋼以致低合金鋼。（1）潤滑耐磨球墨鑄鐵的耐磨性優(yōu)于灰鑄鐵。（2）磨料磨損球墨鑄鐵在磨料磨損條件下也有一定應(yīng)用。但與白口鑄鐵、低合金鋼相比，普通球墨鑄鐵的耐磨性并不太好，只有合金球墨鑄鐵或合金貝氏球墨鑄鐵有良好的耐磨性。共四十五頁混合基體球墨鑄鐵的性能及應(yīng)用

QT500-7，QT600-3屬于鐵素體和珠光體