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球墨鑄鐵性能
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球墨鑄鐵是指鐵液經(jīng)球化處理后，使石墨大部或全部呈球狀形態(tài)的鑄鐵。與灰鑄鐵比較，球墨鑄鐵的力學(xué)性能有顯著提高。因為它的石石墨呈球狀，對基體的切割作用zui小，可有效地利用基體強(qiáng)度的70％～80％灰鑄鐵—般只能利用基體強(qiáng)度的30％。球墨鑄鐵還可以通過合金化和熱處理，進(jìn)一步提高強(qiáng)韌性、耐磨性、耐熱性和耐蝕性等各項性能。球墨鑄鐵自1947年問世以來，就獲得鑄造工作者的青睞，很快地投入了工業(yè)性生產(chǎn)。而且，各個時期都有代表性的產(chǎn)品或技術(shù)。20世紀(jì)50年代的代表產(chǎn)品是發(fā)動機(jī)的球墨鑄鐵曲軸，20世紀(jì)60年代是球墨鑄鐵鑄管和鑄態(tài)球墨鑄鐵，20世紀(jì)70年代是奧氏體-貝氏體球墨鑄鐵，20世紀(jì)80年代以來是厚大斷面球墨鑄鐵和薄小斷面輕量化、近終型球墨鑄鐵。上海申弘閥門有限公司主營閥門有：截止閥,電動截止閥,氣動截止閥,電動蝶閥,氣動蝶閥,電動球閥,氣動球閥,電動閘閥,氣動閘閥,電動調(diào)節(jié)閥,氣動調(diào)節(jié)閥，減壓閥。水力控制閥、真空閥門、襯膠閥門、襯氟閥門。如今，球墨鑄鐵已在汽車、鑄管、機(jī)床、礦山和核工業(yè)等領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計，2000年世界的球墨鑄鐵產(chǎn)量已超過1500萬噸o
球墨鑄鐵的牌號是按力學(xué)性能指標(biāo)劃分的，國標(biāo)GB/T 1348－1988《球墨鑄鐵件》中單鑄試塊球墨鑄鐵牌號，見表1。
表1 單鑄試塊球墨鑄鐵牌號
牌 號 | 抗拉強(qiáng)度Rm MPa | 斷后伸長率A ％ | 布氏硬度 HBW | 主要金相組織 |
QT400－18 | 400 | 18 | 130～180 | 鐵素體 |
QT400－15 | 400 | 15 | 130～180 | 鐵素體 |
QT450－10 | 450 | 10 | 160～210 | 鐵素體 |
QT500－7 | 500 | 7 | 170～230 | 鐵素體+珠光體 |
QT600－3 | 600 | 3 | 190～270 | 珠光體+鐵素體 |
QT700－2 | 700 | 2 | 225～305 | 珠光體 |
QT800－2 | 800 | 2 | 245～335 | 珠光體 或回火組織 |
QT900－2 | 900 | 2 | 280～360 | 貝氏體 或回火組織 |
球墨鑄鐵中常見的石墨形態(tài)有球狀、團(tuán)狀、開花、蠕蟲、枝晶等幾類。其中，代表 性的形態(tài)是球狀。在光學(xué)顯微鏡下觀察球狀石墨，低倍時，外形近似圓形；高倍時，為多邊形，呈輻射狀，結(jié)構(gòu)清晰。經(jīng)深腐蝕的試樣在SEM中觀察，球墨表面不光滑，起伏不平，形成一個個泡狀物。經(jīng)熱氧腐蝕或離子轟擊后的試樣在SEM中觀察，球墨呈年輪狀紋理，且被輻射狀條紋劃分成多個扇形區(qū)域；經(jīng)應(yīng)力腐蝕即向試樣加載應(yīng)力后觀察，呈現(xiàn)年輪狀撕 裂和輻射狀開裂。球墨是垂直0001面向各個方向生長的，從而形成很多個從核心向外輻射的角錐體二維為扇形區(qū)域，0001面即呈年輪狀排列。在SEM中看到的年輪狀及輻射狀條紋或裂紋，就是球墨晶體學(xué)特征的反映。
球墨鑄鐵一般為過共晶成分，因此球狀石墨的長大，應(yīng)包括兩個階段：①先共晶結(jié)晶階段，球墨核心形成后，在鐵液及貧碳富鐵的奧氏體暈圈中長大。②共晶結(jié)晶階段，球墨周圍形成奧氏體外殼，即球墨-奧氏體共晶團(tuán)。此時，球墨是在奧氏體殼包圍下長大的。雖然球墨在共晶階段的長大速度比在液態(tài)階段遲緩，但球墨的大部分是在共晶階段長大的。球墨鑄鐵的共晶團(tuán)比灰鑄鐵的共晶團(tuán)細(xì)小，其數(shù)量約為灰鑄鐵的50～200倍。還應(yīng)說明，球墨鑄鐵的共晶結(jié)晶是一種變態(tài)共晶，即球墨和奧氏體均可在單獨、互不依存的情況下長大。為了評價石墨球化的好壞，國標(biāo)GB/T 9441－1988《球墨鑄鐵金相檢驗》將球化等級分為6級，見表2。這是根據(jù)觀察視場內(nèi)各種石墨的相對數(shù)量及球化率的高低劃分的。
表2 球化分級
球化級別 | 球化率％ | 說 明 |
1 | ≥95 | 石墨呈球狀，少量團(tuán)狀，允許極少量團(tuán)絮狀 |
2 | 90～< 95 | 石墨大部分呈球狀，余為團(tuán)狀和極少量團(tuán)絮狀 |
3 | 80～< 90 | 石墨大部分呈團(tuán)狀和球狀，余為團(tuán)絮狀，允許有極少量蠕蟲狀 |
4 | 7O～< 80 | 石墨大部分呈團(tuán)絮狀和團(tuán)狀，余為球狀和少量蠕蟲狀 |
5 | 60～< 70 | 石墨呈分散分布的蠕蟲狀和球狀、團(tuán)狀、團(tuán)絮狀 |
6 | 不規(guī)定 | 石暴呈聚集分布的蠕蟲狀和片狀及球狀、團(tuán)狀、團(tuán)絮狀 |
石墨球的數(shù)量是衡量球墨鑄鐵質(zhì)量的一項重要指標(biāo)。某些工廠在檢驗中，只注意球化率，忽視石墨球數(shù)，是不全面的。理由是：①石墨球數(shù)增加，球徑減小，球墨圓整度提高，分布也趨于均勻。②用石墨球數(shù)來評價球墨鑄鐵的孕育效果，是一種有效、直觀的方法。③球墨鑄鐵中的球數(shù)基本上反應(yīng)了共晶團(tuán)數(shù)。④在薄壁鑄件中，鑄態(tài)是否出現(xiàn)滲碳體，主要取決于石墨球數(shù)。美國鑄造師協(xié)會AFS把石墨球數(shù)分成7級，見表1-3-3。由表可見，石墨球徑和石墨球數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系較好，而石墨大小和石墨球數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系則較差。
表3 球墨鑄鐵石墨球數(shù)與大小
項 目 | 標(biāo) 準(zhǔn) | 對應(yīng)數(shù)值或級別 | ||||||
石墨球數(shù)個／mm2 | AFS圖譜 | 25 | 50 | 100 | 150 | 200 | 250 | 300 |
石墨大小級 | GB/T9441-1988 | 5 | 6 | 6～7 | 7 | 7～8 | 7～8 | 8 |
石墨球徑mm100× | AFS圖譜 | 8～12 | 3～6 | 2～4 | 2～3 | 1.5～3 | 1～2 | <1.5 |
球化處理是球墨鑄鐵的關(guān)鍵工序。大致來說，球化處理的歷史經(jīng)歷了兩個階段：①20世紀(jì)50年代，以純鎂和壓入法為主：②20世紀(jì)60年代中期開始，以稀土鎂合金球化劑和沖入法為主，還相繼采用了蓋包法、型內(nèi)法和密流法，20世紀(jì)80年代又采用了喂絲法工藝。將純鎂與稀土鎂球化劑比較：純鎂的球化能力強(qiáng)，球墨圓整，白口化傾向小，缺點是反應(yīng)激烈，鐵液沸騰，安全性差，還難以避免縮松、夾渣和皮下氣孔等鑄造缺陷；合金球化劑的稀土，有脫硫去氣的作用，能減少縮松、夾渣等鑄造缺陷，生產(chǎn)也較安全，但石墨的圓整度往往稍遜于純鎂處理的球墨鑄鐵，且白口化傾向較大。
孕育處理是球化處理后*的工序。它能促進(jìn)石墨化，增加石墨球數(shù)，提高石墨圓整度。但加強(qiáng)孕育并不是一味提高孕育量和增加孕育次數(shù)。孕育過量，反而會造成孕育缺陷，如縮松、縮孔和石墨漂浮等：孕育劑顆粒大，未曾熔化，殘留于鑄件內(nèi)，會成為“硬點"。孕育處理是受多種因素制約的，睹如孕育劑種類，孕育劑粒度、孕育劑數(shù)量、孕育方式、鐵液溫度和孕育位置等等，總之應(yīng)使處于飽和孕育狀態(tài)的鐵液盡可能接近鐵液凝固的瞬間，這樣才能以zui小的孕育重達(dá)到zui大的孕育效果。
表3中8個牌號的球墨鑄鐵，QT900-2一般用熱處理制取例如等溫淬火，其余7個牌號分別為珠光體、珠光體+鐵素體和鐵素體球墨鑄鐵。在球墨鑄鐵生產(chǎn)初期，這些牌號都是用正火或退火獲得基體組織的，如今都可以由鑄態(tài)制取了。
生產(chǎn)鑄態(tài)鐵素體球墨鑄鐵必須注意：①采用低錳wMn<0.03％、低磷wP<0.07％、低硫wS<0.025％生鐵。還應(yīng)考慮促進(jìn)碳化物形成元素的影響：碳化物系數(shù)CS=Mn+15Cr+20V+30B+10S+7Mo+5Sn+1.5P，其值應(yīng)取CS<0.8。②控制終硅量，在鐵素體達(dá)到要求的前提F，盡量降低終硅量。例如，美國某些工廠的終硅量為wSi2.2％～2.4％。③降低終硅量又要不出現(xiàn)白口，就應(yīng)該加強(qiáng)孕育，采用澆口杯孕育、型內(nèi)孕育等后期孕育工藝，增加石墨球數(shù)，這對薄壁鑄件尤為重要。④控制殘留稀土的wRE，薄壁鑄件為0.015％～0.03％，厚壁鑄件為0.02％～0.04％。
生產(chǎn)鑄態(tài)珠光體球墨鑄鐵必須注意：①采用低磷低硫生鐵，嚴(yán)格控制有害微量元素的含量。②"Mn以0.25％～0.50％為宜。⑧為了增加珠光體含量，常用的合金化元素有銅、錫、銻等；若以銅對珠光體的作用為1，則錫、銻的作用分別為10倍和100倍。厚壁鑄件宜加入適量的銅。錫易形成晶間碳化物，加入量要控制。④加強(qiáng)孕育，防止出現(xiàn)碳化物。
各種牌號鑄態(tài)球墨鑄鐵中珠光體與鐵素體的相對數(shù)量，與球墨鑄鐵生產(chǎn)的初期比較，珠光體球墨鑄鐵中的鐵素體量己上升。例如，QT700-2允許鐵素體為35％體積分?jǐn)?shù)，這已趨向于混合基體了。
球墨鑄鐵的鑄造缺陷如縮孔、縮松、夾渣、反白口等，是其他鑄鐵都有的，有些缺陷如球化不良、球化衰退等，則是球墨鑄鐵*的。與本文相關(guān)的論文有：礦山電動插板閥
