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    五大元素對灰鑄鐵組織和性能的影響

    2022-01-20 02:08:00張莎莎楊嘯岳
    山西化工 2021年6期
    關(guān)鍵詞:灰鑄鐵鐵液鑄鐵

    程 敏, 張莎莎, 楊嘯岳, 葉 云

    (山西晉中理工學(xué)院,山西 晉中 030600)

    引 言

    灰鑄鐵是非常重要的機械材料,它擁有較好的可鑄造性、可加工性、傳熱性、耐熱性、抗屈服性、減震性以及其成本低等優(yōu)點,在汽車、機床、發(fā)動機等領(lǐng)域使用很廣泛[1]。在當(dāng)下汽車節(jié)能、減耗、減輕重量的趨勢下,對于灰鑄鐵的性能有了更加嚴(yán)格的要求[2]。

    灰鑄鐵一般是指具有片狀石墨組織的鑄鐵,它的斷口面顯示灰色,在成分上除鐵外,還存在5種較為特殊的元素:碳、硅、錳、硫以及磷。它是使用最廣泛的鑄鐵,它的產(chǎn)出量占據(jù)鑄鐵總產(chǎn)出量的80%以上[3]。在灰鑄鐵生產(chǎn)過程中,通常通過調(diào)整C、Si、Mn、P、S以及其他一些含量較低的合金元素來控制鑄鐵成分,以此來改變石墨的生長,改變基體,獲得性能更好的灰鑄鐵件[4]。

    本文通過設(shè)計五大元素在灰鑄鐵中的含量,來研究五大元素對提高灰鑄鐵性能的影響。

    1 實驗方法及設(shè)備

    1.1 實驗材料

    由于該實驗是為了研究元素對灰鑄件的影響,因此在原鐵液的純凈度方面,實驗要求非常高,這樣才可以盡量排除其他元素等干擾因素,該實驗遵循的是高碳低硅,低錳、磷、硫的原則,因此實驗的主要原材料選擇的是廢鋼、增碳劑、生鐵(含碳量大于2%的鐵碳合金,工業(yè)生鐵含碳量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))一般在2.11%~4.3%,并含C、Si、Mn、P、S等元素,是用鐵礦石經(jīng)高爐冶煉出來的產(chǎn)品)、FeS增硫劑、硅鐵、鉻鐵、錳鐵和工業(yè)用鋼。廢鋼的主要成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為(0.2%C,0.3%Si,0.3%Mn),盡量不包括雜質(zhì)的影響。

    1.2 灰鑄鐵試樣的制備

    在實驗過程中采用的是6 t中頻感應(yīng)電爐進行鐵液的熔煉,用樹脂砂進行造型,在熔煉時往電爐中添加廢鋼的質(zhì)量是電爐容量的30%~50%,生鐵的添加量是電爐容量的5%~15%,返材≤40%,將原材料按照此配比添加到中頻感應(yīng)電爐中進行熔煉,鐵液的出爐溫度為1 380 ℃~1 420 ℃。在經(jīng)過孕育處理后澆注出3組試棒、每組3根Φ30 mm灰鑄鐵試棒,高溫靜置的溫度約為1 350 ℃。試棒采用同一砂箱手工造型,造型的材料是由質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%~92%的原砂以及4%~5%的水構(gòu)成的。

    在進行實驗的時候為了確保準(zhǔn)確性要保證在進多組行實驗時孕育處理、爐料、澆注溫度等影響鑄件組織和性能的因素相同,在進行實驗時都是只改變其中一種元素的含量,而將其他的元素保持不變來進行實驗研究,以防止變量太多影響實驗結(jié)果。

    1.3 檢測儀器

    成分:光譜檢測儀、碳硅儀;

    硬度:使用HB-3000型布氏硬度試驗機上測量;

    金相:P-2型拋光機、XJL-02立式金相顯微鏡;

    試棒:采用萬能拉力試驗機。

    2 結(jié)果與討論

    2.1 碳

    碳在鑄鐵中的存在形式主要有兩種,一種是以游離態(tài)石墨的形式存在,另一種是以化合態(tài)滲碳體的形式存在,也正是碳在鑄鐵中的這種存在形式可把鑄鐵分成許多類型。碳是強烈促進石墨化的元素,增加碳量會增加石墨的數(shù)量,但會使石墨粗大,當(dāng)碳含量過高時,鑄鐵的力學(xué)性能會降低,硬度達(dá)不到要求;反之,減少碳量,會使石墨細(xì)小,但是含碳量過低會導(dǎo)致縮松、縮孔等缺陷[5-7]。

    2.1.1 化學(xué)成分檢測

    在試驗過程中通過改變在熔煉時添加增碳劑的多少從而達(dá)到改變鐵液中碳含量的目的。其他元素的含量保持不變,增碳劑添加量分別為10、15、20、25、30 kg,做5組實驗進行對比。通過光譜分析儀來檢測鐵液的化學(xué)成分,結(jié)果見表1。測試結(jié)果表明,幾組數(shù)據(jù)都在所需的范圍內(nèi)。

    表1 光譜化學(xué)成分分析數(shù)據(jù) %

    2.1.2 灰鑄鐵性能

    由圖1可知,碳含量低時,灰鑄鐵的硬度低。隨著鑄件中碳含量的增加,灰鑄鐵的硬度也在不斷增加,因此碳含量與硬度之間呈現(xiàn)正相關(guān)的聯(lián)系。

    圖1 硬度與碳含量的關(guān)系圖

    由圖2可知,灰鑄鐵的抗拉強度伴隨著鑄件中碳的不斷添加而降低,因此碳含量與抗拉強度之間呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的關(guān)系。

    圖2 抗拉與碳含量的關(guān)系圖

    2.1.3 灰鑄鐵的金相(見圖3)

    用軟件對比分析,觀察到圖3中金相存在細(xì)微差別,第一組中的石墨較為細(xì)小,第二組中石墨較為均勻,第三組中存在石墨粗大的現(xiàn)象,并且3組金相圖中石墨都是以A型石墨為主,但是隨著碳含量的增加組織中的碳化物也會增加,綜合來看,第2組中的金相組織為最佳。

    圖3 金相組織圖(400X)

    通過金相的檢測分析可以得知,隨著碳含量的增加鑄件內(nèi)部的碳化物就會增多,且碳化物會割裂基體,降低鑄件強度但是會增加鑄件的硬度,因此隨著碳含量的增加抗拉強度越低、硬度越高。

    2.2 硅

    硅是鑄鐵的常存五元素之一。硅的存在能減少碳在液態(tài)和固態(tài)鐵中的溶解度,促使石墨的析出,因此它是促進石墨化的元素。硅含量過高會使石墨粗大,過低會出現(xiàn)麻口或白口組織。一般碳硅含量低時,可獲得較高機械強度和硬度的灰鑄鐵件,但鐵液流動性稍差;反之,碳硅含量高,鐵液流動性好,但鑄鐵件的機械強度和硬度較低。當(dāng)薄壁鑄件出現(xiàn)白口時,可提高碳硅含量使之變灰;當(dāng)厚壁件出現(xiàn)粗大的石墨時應(yīng)適當(dāng)降低碳硅含量,并達(dá)到提高機械強度和硬度的目的[8-9]。

    2.2.1 化學(xué)成分檢測

    在熔煉過程中通過改變添加碳化硅的多少來改變鐵液中硅的含量,其他元素的含量保持不變,硅鐵添加量分別為15、20、25、30、35 kg,做5組實驗進行對比。通過光譜分析儀來檢測鐵液的化學(xué)成分,結(jié)果見表2。測試結(jié)果表明,幾組數(shù)據(jù)都在所需的范圍內(nèi)。

    表2 光譜化學(xué)成分分析數(shù)據(jù) %

    2.2.2 灰鑄鐵的性能

    由圖4可知,灰鑄鐵的硬度隨著硅含量的添加而不斷降低。硅含量較低時,灰鑄鐵可以獲得較高的硬度,因此硅的含量與鑄鐵件硬度呈反比。

    圖4 硬度與硅含量的關(guān)系圖

    由第29頁圖5可知,伴隨著灰鑄鐵中硅含量的增長,灰鑄鐵的抗拉強度也在不斷的降低,所以硅含量與灰鑄鐵的抗拉強度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。

    圖5 抗拉強度與硅含量的關(guān)系圖

    2.2.3灰鑄鐵的金相組織(見圖6)

    圖6 金相組織圖

    經(jīng)過用軟件對比分析,圖6中金相都符合實際的生產(chǎn)要求,但也存在細(xì)微差別,第1組中的石墨較為細(xì)小,第2組中石墨較為均勻,第3組中存在石墨粗大的現(xiàn)象,并且3組金相圖中石墨均是A型石墨為主,且隨著硅含量的增加組織中的石墨數(shù)量也在增加,因此以第2組中的金相組織為最好。由這兩個實驗可以看出硅的作用與碳的作用較為相似。

    通過對金相組織的分析,可以得知隨著硅含量的增加鑄件中的碳化物含量越少,且鑄件中石墨的數(shù)量在不斷增多,石墨可以降低強度和硬度,但是卻可以增加韌性,因此隨著硅含量的增加,鑄件的抗拉強度以及硬度會越低。

    2.3 錳

    錳是鑄鐵的常存五元素之一,除少量固溶于鐵素體以外,大部分溶入共析碳化物和滲碳體中,以復(fù)合碳化物的形態(tài)存在,加強了碳化物的形成,所以錳是阻礙石墨化的元素[10]。鑄鐵中存在少量錳元素會抵消部分硫的有害作用,可以提高硬度,但是在實際生產(chǎn)中錳過高反而會產(chǎn)生壞的效果[11]。

    2.3.1 化學(xué)成分檢測

    在熔煉過程中通過改變添加錳鐵的量來改變鐵液中錳的含量,其他元素的含量保持不變,在添加過程中錳鐵添加量不能太多,添加過多時容易出現(xiàn)游離的滲碳體。添加錳鐵使錳的含量分別為0.6%、0.7%、0.8%、0.9%和1.0%,做5組實驗進行對比。通過光譜分析儀來檢測鐵液的化學(xué)成分,結(jié)果見表3。測試結(jié)果表明,這幾組數(shù)據(jù)都在所需的范圍內(nèi)。

    表3 光譜化學(xué)成分分析數(shù)據(jù) %

    2.3.2 灰鑄鐵的性能

    由圖7可知,在灰鑄鐵中錳含量在0.6%~1.1%這個范圍內(nèi)時,灰鑄鐵的硬度隨著錳含量的增長而發(fā)生曲線變化,灰鑄鐵的硬度在錳含量為0.8%左右時是最好的。

    圖7 硬度與錳含量的關(guān)系圖

    由圖8可知,在錳含量為0.7%~1.0%這個范圍內(nèi),灰鑄鐵的抗拉強度在錳含量為0.8%左右的時候最好。

    圖8 抗拉強度與錳含量的關(guān)系圖

    2.3.3 灰鑄鐵的組織(見圖9)

    圖9 金相組織圖(400X)

    對比圖9中第1組~第3組的金相圖可以了解到,在灰鑄鐵中的石墨的數(shù)量隨著鑄鐵中錳元素的含量的增長在不斷降低,這就是因為錳元素會阻礙石墨化。

    結(jié)合金相組織和力學(xué)性能實驗結(jié)果分析,再加入錳元素較少時,錳元素主要跟鑄鐵中的硫元素反應(yīng),抵消硫的阻礙石墨化作用;錳元素繼續(xù)增加時,這時錳元素阻礙石墨化的作用會表現(xiàn)出來,才開始增多珠光體以及化合碳量,因此力學(xué)性能才會有如此表現(xiàn)。

    2.4 磷

    磷也是鑄鐵的常存五元素之一,在通常的鑄鐵中被認(rèn)為是有害元素。磷和硅相似,能溶于液態(tài)的鑄鐵中,并降低碳在液態(tài)鑄鐵中的溶解度;但在固態(tài)鑄鐵中磷的溶解度是有限的,并隨著碳含量的增加和溫度的降低而減少。磷對石墨化的影響不大,略微促進石墨化,但有時也能阻礙石墨化。磷主要以二元磷共晶(Fe-Fe3P)、三元磷共晶(Fe-FeP-Fe3P)和復(fù)合磷共晶的形式存在于鑄鐵中,磷共晶的硬度高、脆性大、分布在晶粒的邊界上,割裂了晶粒間的連續(xù)性,使鑄鐵的強度、塑性下降,硬度提高。另外,由于磷共晶具有較低的熔化溫度和磷可以降低鑄鐵熔點的緣故,因此磷能增加鑄鐵的流動性及可鑄性,但磷的增高會使鑄鐵的縮孔、縮松以及開裂傾向增加[12]。

    2.4.1 化學(xué)成分檢測

    在熔煉過程中通過改變添加生鐵的量來改變鐵液中磷的含量,其他元素的含量保持不變。磷的含量分別為0.013%、0.024%、0.032%、0.042%、0.053%,做5組實驗進行對比。通過光譜分析儀來檢測鐵液的化學(xué)成分,結(jié)果見表4。測試結(jié)果表明,幾組數(shù)據(jù)都在所需的范圍內(nèi)。

    表4 光譜化學(xué)成分分析數(shù)據(jù) %

    2.4.2 灰鑄鐵的性能

    由圖10可知,在灰鑄鐵中磷含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))在0.01%~0.06%范圍之間,灰鑄鐵的硬度與磷元素的含量呈正相關(guān)的關(guān)系。

    圖10 硬度與磷含量的關(guān)系圖

    由圖11可知,在灰鑄鐵中磷含量在0.01%~0.06%范圍之間時,灰鑄鐵的抗拉強度與磷元素的含量呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系。

    圖11 抗拉強度與磷含量的關(guān)系圖

    2.4.3 灰鑄鐵的組織(見圖12)

    由圖12可知,磷含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))在范圍0.01%~0.06%,對于灰鑄鐵的石墨影響不大,圖中3組石墨基本上沒有變化。

    圖12 金相組織圖

    結(jié)合金相組織以及力學(xué)性能的實驗結(jié)果分析可知,由于磷共晶的硬度高、脆性大、分布在晶粒的邊界上,因此隨著磷含量的增加,磷共晶就會割裂晶粒間的連續(xù)性,使鑄鐵的強度、塑性下降,硬度提高。

    2.5 硫

    硫也是鑄鐵的常存五元素之一,通常也被認(rèn)為是有害元素。硫是強烈穩(wěn)定滲碳體的元素[13],它會阻止共晶石墨化[14]。硫少量溶于鐵素體及滲碳體中,降低碳在液態(tài)鑄鐵中的溶解度,剩余的大部分硫會以硫化鐵和其他硫化夾雜物(MnS、CeS)的形式存在于鑄鐵中,并分布于晶界上。硫化鐵的熔點低,且質(zhì)軟而脆,能降低鑄鐵的強度,促進鑄鐵的收縮,并引起鑄鐵的過硬和裂紋形成。硫化錳的熔點高、且以顆粒狀分布,對鑄鐵的強度無多大影響,但能使鐵液變稠,流動性較差[15-17]。

    2.5.1 化學(xué)成分檢測

    在熔煉過程中通過改變添加生鐵的量來改變鐵液中硫的含量,其他元素的含量保持不變。硫的含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為0.076%、0.083%、0.095%、0.103%、0.112%,做5組實驗進行對比。通過光譜分析儀來檢測鐵液的化學(xué)成分,結(jié)果見表5。測試結(jié)果表明,幾組數(shù)據(jù)都在所需的范圍內(nèi)。

    表5 光譜化學(xué)成分分析數(shù)據(jù) %

    2.5.2 灰鑄鐵的性能

    由第31頁圖13可知,灰鑄鐵的硬度隨著灰鑄鐵中硫元素含量的增加而不斷地變大,由此可知硫元素可以增大灰鑄鐵的硬度。

    圖13 硬度與硫含量的關(guān)系圖

    由第31頁圖14可知,灰鑄鐵中的硫元素對灰鑄鐵的抗拉強度起著增強的作用,在硫含量增多的同時抗拉強度也在不斷增強。

    圖14 抗拉強度與硫含量的關(guān)系圖

    3) 灰鑄鐵的組織(見圖15)

    圖15 金相組織圖(400X)

    由圖15可以得知,灰鑄鐵中硫元素的含量對于灰鑄鐵組織的影響也是十分顯著的,隨著硫元素含量的增加,灰鑄鐵鑄件中的A型石墨在不斷增多。

    結(jié)合金相組織以及力學(xué)性能的實驗結(jié)果可知,隨著硫含量的增多鑄件中的石墨數(shù)量增多,從而會導(dǎo)致鑄件的力學(xué)性能增加。

    3 結(jié)論

    綜上所述,不同含量的五大元素對灰鑄鐵的石墨組織和基體組織的影響不同,且對灰鑄鐵的硬度、延伸率、抗拉強度、屈服強度的影響也不一樣。在灰鑄鐵的生產(chǎn)中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在3.30%左右最好;硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在2.10%左右最好;錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.8%左右最好;磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在低于0.3%;而硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.08%~0.1%之間最佳。

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