球鐵的金相組織

1、球墨鑄鐵的生產(chǎn),1. 球鐵牌號及力學性能（GB1348-88）,表2-1 單鑄試塊的力學性能,球鐵力學性能的驗收依據(jù)，主要為抗拉強度（b）和伸長率（），如用戶有特殊需要，沖擊韌性、屈服點、硬度也可作為附加的驗收依據(jù)，必要時還應對金相組織進行檢驗。 在特殊情況下，經(jīng)供需雙方同意，允許根據(jù)鑄件本體所測得的硬度值規(guī)定球鐵的硬度牌號，見GB1348-88。,2.金相組織,正常組織：細小圓整的石墨球+金屬基體 鑄態(tài)組織：通?；w為鐵素體與珠光體的混合組織；由于二次結晶條件的影響，鐵素體通常位于石墨球周圍，形成“牛眼狀組織”。 熱處理組織：通過不同的熱處理工藝，可以方便的調整球鐵的基體組織。 高溫退火：全

2、體素體 正 火：全珠光體 調 質：馬氏體 等溫淬火：奧氏體+貝氏體,目前，可以通過各種工藝手段，在鑄態(tài)獲得鐵素體或幾乎全部為珠光體的球墨鑄鐵，除去了退火或正火處理，縮短生產(chǎn)周期，降低成本。 在通常的生產(chǎn)條件下，由于某些化學元素的偏析以及球鐵的凝固特性等原因，在共晶團界處會出現(xiàn)一些非正常組織，如滲碳體、磷共晶等雜質相，應該加以限制。,3.基體組織類型,（1）珠光體球鐵 基體組織：以珠光體為主，余量為鐵素體，一般可在鑄態(tài)獲正火態(tài)獲得。 典型牌號：QT600-3、QT 700-2、QT800-2 性能特點：抗拉強度b、硬度HB高，延伸率低。 （2）鐵素體球鐵 基體組織：以鐵素體為主，余量為珠光體。

3、典型牌號：QT400-18、QT 400-15、QT450-10 性能特點：塑性和韌性較高，強度較低。 影響鐵素體球墨鑄鐵塑性和韌性的主要因素為化學成分（含硅量）、石墨球大小及形狀、殘留的自由滲碳體及夾雜物、鐵素體的晶粒度等。,（3）混合基體球鐵 基體組織：為鐵素體和珠光體混合組織。 典型牌號：QT500-7 性能特點：較好的強度和韌性配合。 （4）奧氏體-貝氏體球鐵（ADI球鐵） 與普通球鐵相比，具有強度、塑性和韌性都很高的綜合力學性能，優(yōu)于珠光體球鐵，也優(yōu)于經(jīng)過調質處理的球鐵。 性能特點：抗拉強度b=9001400MPa 延伸率10% 沖擊韌性、抗疲勞性能、耐磨性都很高。,4.金相組織評定

4、,按GB9441-88球墨鑄鐵金相，對球鐵的金相組織進行評定。指標有：球化級別、石墨大小、珠光體粗細和數(shù)量、分散的鐵素體的數(shù)量、磷共晶和碳化物。 （1）球化級別16級，一般要求13級。 （2）石墨大小38級，一般要求石墨直徑68級。 （3）珠光體的粗細和數(shù)量。 珠光體粗細度分為：粗片狀珠光體、片狀珠光體、細片狀珠光體。 一般要求為細片狀珠光體。 對于高韌性球鐵，珠光體要少，特別是QT400-18，不允許有珠光體，或其量1%，其余為鐵素體。 （4）高韌性球鐵中不允許出現(xiàn)磷共晶和碳化物。,球墨鑄鐵的生產(chǎn),球墨鑄鐵的生產(chǎn)過程包含以下幾個環(huán)節(jié)：熔煉合格的鐵液，球化處理，孕育處理，爐前檢查，澆注鑄件，清

5、理及熱處理，鑄件質量檢查。 在上述各個環(huán)節(jié)中，熔煉優(yōu)質鐵液和進行有效的球化孕育處理是生產(chǎn)的關鍵。,1. 化學成分的選定,選擇適當化學成分是保證鑄鐵獲得良好的組織狀態(tài)和高性能的基本條件，化學成分的選擇既要有利于石墨的球化和獲得滿意的基體，以期獲得所要求的性能，又要使鑄鐵有較好的鑄造性能。,1.1基本元素,(1) 碳和硅 由于球狀石墨對基體的削弱作用很小，故球墨鑄鐵中石墨數(shù)量多少，對力學性能的影響不顯著，當含碳量在3.2%3.8%范圍內變化時，實際上對球墨鑄鐵的力學性能無明顯影響。確定球墨鑄鐵的含碳量時，主要從保證鑄造性能考慮，為此將碳當量選擇在共晶成分左右。 由于球化元素使相圖上共晶點的位置右移

6、，因而使共晶碳當量移至4.6%4.7%左右，具有共晶成分的鐵液流動性最好，形成集中縮孔傾向大，鑄鐵的組織致密度高。當碳當量過低時，鑄件易產(chǎn)生縮松和裂紋。碳當量過高時，易產(chǎn)生石墨漂浮現(xiàn)象，其結果是使鑄鐵中夾雜物數(shù)量增多，降低鑄鐵性能，而且污染工作環(huán)境。,用鎂和鈰處理的鐵液有較大的結晶過冷和形成白口的傾向，硅能減小這種傾向。此外，硅還能細化石墨，提高石墨球的圓整度。 但硅又降低鑄鐵的韌性，并使韌性-脆性轉變溫度升高。 因此在選擇碳硅含量時，應按照高碳低硅的原則，一般認為Si2.8%時，會使球墨鑄鐵的韌性降低，故當要求高韌性時，應以此值為限，如鑄件是在寒冷地區(qū)使用，則含硅量應適當降低。 對鐵素體球鐵

7、，一般控制碳硅含量為： C3.6%4.0%，Si2.4%2.8%； 對珠光體球鐵，一般控制碳硅含量為： C3.4%3.8%，Si2.2%2.6%。,(2) 錳,球墨鑄鐵中錳所起的作用與其在灰鑄鐵中所起的作用不同。在灰鑄鐵中，錳除了強化鐵素體和穩(wěn)定珠光體外，還能減小硫的危害作用；在球鐵中，由于球化元素具有很強的脫硫能力，因而錳已不再能起這種有益的作用。而由于錳有嚴重的正偏析傾向，有可能富集于共晶團晶界處，嚴重時會促進形成晶間碳化物，因而顯著降低球墨鑄鐵的韌性。 鑄態(tài)鐵素體球鐵，通常控制在Mn0.3%0.4%； 熱處理態(tài)鐵素體球鐵，可控制Mn0.5%； 鑄態(tài)珠光體球鐵，可控制Mn0.4%0.8%；

8、 其中鑄態(tài)珠光體球鐵錳含量可適當高些，但通常推薦用銅來穩(wěn)定珠光體。 在球鐵中，錳的偏析程度實際上受石墨球數(shù)量及大小的支配，如能把石墨球數(shù)量控制的較多，則可適當放寬對錳量的限制。,(3) 磷,磷在球墨鑄鐵中有嚴重的偏析傾向，易在晶界處形成磷共晶，嚴重降低球墨鑄鐵的韌性。 磷還增大球墨鑄鐵的縮松傾向。 當要求球墨鑄鐵有高韌性時，應將含磷量控制0.04%0.06%以下，對于寒冷地區(qū)使用的鑄件，宜采用下限的含磷量。 如球墨鑄鐵中有鉬存在時，更應注意控制磷的含量，因此時易在晶界處形成脆性的磷鉬四元化合物。,(4) 硫,球墨鑄鐵中的硫與球化元素有很強的化合能力，生產(chǎn)硫化物或硫氧化物，不僅消耗球化劑，造成球

9、化不穩(wěn)定，而且還使夾雜物數(shù)量增多，導致鑄件產(chǎn)生缺陷。此外，還會使球化衰退速度加快，故在球化處理前應對原鐵液的含硫量加以控制。 國外一般要求原鐵液中硫的含量低于0.02%，我國目前由于焦炭含硫量較高等熔煉條件的原因，原鐵液含硫量往往達不到這一標準，因此應進一步改善熔煉條件，有條件時可進行爐前脫硫，力求降低含硫量。,1.2 合金元素,球鐵中加入合金元素的作用是控制基體，提高力學性能和獲得某些特殊的性能，如耐磨、耐熱、耐蝕性能等。 球鐵中應用的合金元素主要有鉬、銅、鎳、鉻和銻。這些元素的應用場合、作用及適宜含量如下。,(1) 鉬,在生產(chǎn)高強度球鐵時，不少工廠往往使用鉬以提高鑄鐵的強度，其用量一般在0

10、.25%左右。 在生產(chǎn)貝氏體球鐵或奧氏體-貝氏體球鐵時，往往亦加入一些鉬，使鑄鐵的奧氏體等溫分解曲線(即C曲線)右移，提高淬透性。為了將奧氏體的等溫分解溫度降低至200400范圍，須使鑄鐵的含鉬量為0.6%0.8%左右(對于厚壁鑄件，含鉬量應選擇高些)。 但在鑄鐵的結晶過程中，鉬在共晶團內有較大的正偏析傾向，當含鉬量達到0.8%1.0%時，容易促使在共晶團邊界形成富鉬的四元磷共晶或鉬的碳化物等脆性相。 此外，鉬的價格貴，應注意控制使用。,(2) 銅,銅具有穩(wěn)定珠光體的作用。國內外有的工廠用含銅為0.4%0.8%的球鐵制造汽車發(fā)動機的曲軸，有時常和0.25%左右的鉬配合使用。 在貝氏體球墨鑄鐵中

11、，常將銅和鉬按Mo0.2%0.4%，Cu0.6%0.8%的比例配合使用，這種成分的球墨鑄鐵經(jīng)過等溫淬火處理，能穩(wěn)定地獲得高的貝氏體百分率的組織。,(3) 鎳,鎳常作為強化元素使用，其作用和銅相似。在國內由于其價格較貴，因而用得較少。 鎳還可用于生產(chǎn)奧氏體球墨鑄鐵，并與鉬相配合，在奧氏體-貝氏體球鐵中應用，如Ni1.3%1.8%，Mo0.3%0.8%的球墨鑄鐵，與等溫淬火相配合，可穩(wěn)定得到所要求的奧氏體-貝氏體基體組織。 與鉬相比，鎳作為合金元素的優(yōu)點，是其在共晶團內部分布比較均勻，不會因偏析而使共晶團邊界脆化。鉬和鎳都是較貴重的金屬，在奧氏體-貝氏體球墨鑄鐵中要有條件地選用，一般用在厚壁而重要

12、的零件上。,(4) 鉻 鉻用于珠光體球鐵，在鑄件中加入量為0.2%0.3%時，即可起到顯著的穩(wěn)定珠光體及強化力學性能的作用，但由于易形成鐵鉻碳化物，故應用時應謹慎。 (5) 銻 銻是強烈穩(wěn)定珠光體元素，當其含量在0.006%0.008%時，就能有效的提高球鐵基體中珠光體的百分率。 在生產(chǎn)鑄態(tài)珠光體球鐵時，用微量銻代替銅，在經(jīng)濟上更為合理。 但銻有干擾石墨球化的作用，當Sb0.01%時，即會明顯地使石墨形狀惡化，故對球墨鑄鐵的含銻量應嚴格控制在0.006%0.008%以下，使用時還應注意積累問題。,1.3 微量元素（干擾元素）,球鐵中常存在一些非特意加入的微量元素，如Ti、As、Pb、Al、Cr

13、、Sn、Sb等。在大多數(shù)情況下，這些元素對鑄鐵的性能起不良影響；或是干擾石墨球化，或是促使在共晶團邊界上析出脆性相，或是在鐵素體球鐵中阻礙基體的鐵素體化過程，即使含量很低，也防礙球化，導致力學性能下降，特別是塑性和韌性急劇下降。 稀土元素如鈰、鑭、釷、釔等皆有不同程度的中和干擾球化元素的作用，加入RE0.01%0.02%即能中和這些元素的有害作用。稀土元素的存在可放寬反球化元素的最大允許量。 采用地方生鐵，應該了解其原生礦中微量元素的含量，因從供貨廠家所提供的化學成分中往往看不出微量元素的存在，如果微量元素含量超標，將會影響球化效果。一些采用廢鋼和廢機鐵熔煉的生鐵，也會出現(xiàn)微量干擾元素超標的問

14、題。,1.4 各種基體組織球墨鑄鐵的化學成分,1.4.1鐵素體球墨鑄鐵 表中列出各類鐵素體球墨鑄鐵推薦的化學成分。其中低溫用鐵素體球墨鑄鐵是指在40仍保持足夠沖擊韌度的球墨鑄鐵。 表 各類鐵素體球墨鑄鐵的推薦化學成分（%）,對于退火鐵素體球鐵，允許的Si、Mn含量范圍較寬，Si的質量分數(shù)可從2.0%到2.7%，對原材料的純凈度(干擾球化元素含量)要求可適當放寬。 對于鑄態(tài)鐵素體球鐵，允許硅的質量分數(shù)可提高至2.5%3.0%(應力求采用下限含硅量)，必須使用低錳生鐵(錳含量越低越好)，還要求生鐵中的含磷量低、形成珠光體的元素(Cu、Cr、Sn、Sb等)含量要盡量降低，生鐵的純凈度(干擾元素含量)

15、和廢鋼的純凈度都有很高的要求，采取強化孕育措施，如型內孕育、澆口杯孕育等遲后孕育工藝，采用高效孕育劑以及增加冷卻速度等，以增加石墨球數(shù)。在保證球化前提下，降低殘余Mg和RE量。 對于低溫用鐵素體球墨鑄鐵，除了必須采取上述適用于鑄態(tài)鐵素體球墨鑄鐵的措施外，還必須嚴格限制Si、Mn、P的上限。,1.4.2 珠光體球墨鑄鐵,表 珠光體球鐵推薦化學成分（%）,對于硅含量，小件取上限，大件取下限，只要不出現(xiàn)游離滲碳體，含硅量盡量低。 由于錳易呈正偏析和形成碳化物，故不宜通過添加錳獲得珠光體組織，尤其是對于厚大斷面、或是薄壁小鑄件 ，含錳量應按下限控制。 對于韌性要求較低的鑄件，可放寬含磷量：w(P)0.

16、1%。 對于厚大斷面鑄件，應添加銅或同時添加銅和鉬。也可以添加：鎳w (Ni)2%、釩w (V)0.3%或錫w (Sn)0.05%0.08%等，以穩(wěn)定珠光體。,生產(chǎn)鑄態(tài)珠光體球鐵要遵循以下原則： (1) 嚴格控制爐料(生鐵與廢鋼)，避免含有強烈形成碳化物元素如Cr、V、Mo、Te等，含錳量取下限，以防止鑄態(tài)下形成游離滲碳體。 (2) 適量孕育，一方面防止形成碳化物，另一方面還要防止因強化孕育導致出現(xiàn)大量的鐵素體。 (3) 根據(jù)鑄件壁厚的性能要求，添加穩(wěn)定珠光體，但又不形成碳化物的元素如Cu、Ni、Sn等，其中，添加銅的效果顯著，成本較低(與添加鎳相比)，而且也無副作用(與添加錫相比)。 在生產(chǎn)

17、高強度珠光體球墨鑄鐵（抗拉強度要求超過700MPa）時，應采用純凈爐料、嚴格控制形成碳化物元素、干擾元素以及P、S等有害雜質元素的含量，必要時，還應添加適量的銅和鉬。,1.4.3 鐵素體-珠光體球墨鑄鐵,生產(chǎn)牌號QT500-7這種鐵素體和珠光體混合基體的球鐵時，可參考鐵素體、珠光體球鐵生產(chǎn)所必須遵循的原則。 (1) 采用熱處理生產(chǎn)鐵素體-珠光體球鐵時，參考生產(chǎn)退火鐵素體球鐵所要求的化學成分，此時，可不必添加銅，只是在石墨化退火第二階段，縮短保溫時間，令其中的部分珠光體轉變成鐵素體，其余部分則保留下來，組成混合基體。視所要求的鐵素體與珠光體的相對含量，決定縮短第二階段的保溫時間，要求的鐵素體越多，則要縮短的保溫時間就越短。 (2) 采用鑄態(tài)生產(chǎn)鐵素體-珠光體球鐵時，參考生產(chǎn)鑄態(tài)鐵素體球鐵要遵循的原則。在此基礎上，通過控制添加銅的數(shù)量，以獲得鐵素體與珠光體的混合基體，隨加銅量的增多，珠光體量增加。,1.4.4 貝氏體球墨鑄鐵,貝氏體球鐵是指基體組織以貝氏體為主的球鐵。 一般是經(jīng)奧氏體化（850950保溫)處理后，以較快的速度在鹽浴中進行貝氏體轉變。 國際上稱之為ADI(Austempering ductile Iron)，即奧氏體等溫淬火球墨鑄鐵。 此外，在添加足夠量的Cu、Ni、Mo元素的情況下，也可在連續(xù)冷卻條件下獲得貝氏體球墨鑄鐵。,