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[基础理论]提高灰铸铁的性能的措施
时间 : 2022-09-09 10:13 浏览量 : 5

铸造微课堂,铸造基础知识。资料来源于网络


   铸铁中含有强度和硬度都很低的石墨。石墨破坏了材料的连续性和整体性,使其断裂性能和变形的介质不同于钢,并导致力学性能出现一些特有的变化规律。


    铸铁的力学性能受一系列因素的影响。石墨的形态、数量和分布,基体组织的类型,化学成分、分布状态及铸件成型工艺和处理过程都有一定的影响。


    抗拉强度是衡量铸铁基本力学性能的主要指标。


    灰铸铁强度由基体金属强度和石墨存在状态共同决定。石墨周围的应力集中效应以及石墨对基体连续性的破坏削弱了铸铁的强度。灰铸铁具有类似于钢的基体金属,但其拉伸性质与碳钢有明显的差别。


    灰铸铁的应力-应变曲线只在低应力范围内显示弹性变形特征。应力提高后曲线斜率不断变化表明已经偏离胡克定律。断裂直接发生在最高的应力点。形成这种应力-应变关系特征的主要原因在于低应力作用下,石墨和金属基体不同程度分离,石墨的腔体随之扩大,形成较大的应变量。石墨周边应力集中而产生的局部塑性变形对总变形量有一定的影响。但是比较微小。


    石墨体积增大或石墨片体加长都将导致灰铸铁断裂强度下降。试验表明,基体组织相同、石墨尺寸为0.05-0.3mm的灰铸铁抗拉强度随石墨尺寸增加而接近线性下降;片状石墨体积分数增加时,抗拉强度随之下降。在石墨体积分数相近的情况下,A型石墨对基体的削弱作用最小。


    对于非合金灰铸铁来说,采用孕育处理产生细小的A型石墨+细珠光体基体是提高灰铸铁强度的基本途径。


    在诸多影响灰铸铁强度的因素中,化学成分是主要因素,其中碳硅含量尤为重要。为了提高灰铸铁的强度,在考虑铸件模数和避免出现白口后选用较低的碳当量值,低碳当量有助于促进铁水共晶过冷,细化石墨,提高基体中珠光体含量。


    碳和硅以不完全相同的方式影响铸铁的强度。碳含量高,增加石墨量,促进石墨片体粗化,奥氏体枝晶量相对减少,抗拉强度下降。在碳当量不变的情况下,提高硅含量,碳含量相对降低,石墨量相应减少,初生奥氏体量增加。溶入铁素体的硅有强化作用,有利于提高铸铁强度。但是硅能提高共析转变温度,使珠光体粗化。综合而言,在低碳当量时提高硅碳比,而在碳当量较高时降低硅碳比,都能促使灰铸铁抗拉强度的提高。过低的硅碳比容易使铸件产生白口,应做好孕育处理。


    硬度是铸铁工作性能的基本指标之一,而且它也反映材料的强度、耐磨性和可切削性的优劣。工业上常以硬度为衡量灰铸铁铸件质量的一项关键指标。灰铸铁的布氏硬度值与抗拉强度之间处在一定的关系。国标GB9439指出灰铸铁布氏硬度和抗拉强度之间有如下关系


灰铸铁23


    式中RH表示相对硬度,其值与铸铁炉料、熔化工艺以及铸件冷却等诸多因素有关。同一牌号、壁厚和重量相近的灰铸铁的RH值近似。


灰铸铁的共晶度和抗拉强度之间的关系可以由以下的近似关系式来表达


    δb=1000-809SC(由φ30mm试棒测得)


    这个关系是在特定的熔化、铸造条件下获得的。不能用以确定不同铸造条件下材料的抗拉强度。为了表明各种因素对强度的影响,引出了“成熟度”概念。成熟度为实测的抗拉强度值与根据实际SC按照上式计算而得到的强度的比值。此值越高,表明该铸铁的熔化铸造工艺越有利于提高成熟度。


    在共晶度相同的情况下,以下因素有利于提高成熟度:


    ①   选择合适的硅碳比。在低碳当量时提高硅碳比,而在碳当量较高时降低硅碳比,都能促使灰铸铁抗拉强度的提高。相关资料请参阅公众号历史信息《高硅碳比灰铸铁浅论》,《硅碳比对机床铸件性能的影响》等。


    ②   孕育处理。得到A型石墨+细珠光体基体。关于孕育的详细知识,请参考公众号历史信息《铸铁的孕育》。


    ③   在不产生白口的情况下,尽量选择低碳当量。力求碳当量与铸件断面尺寸相适应。根据不同的壁厚选择不同的碳当量。


    ④   适当提高铁水的过热温度。详细参考公众号历史信息《铸铁的过热处理》。


    ⑤   尽量使用合成铸铁工艺。提高废钢的配料比例。相关资料请查阅公众号历史信息《合成铸铁的一些思考》


    ⑥   适当提高锰含量,选择合适的锰硫比、锰硅比。


    ⑦   适当添加微量元素,如锡、锑等促进珠光体元素。(关于微量元素的影响,稍后整理后发送)


    ⑧   降低共析转变温度。添加镍、锰等元素都有降低共析转变温度、细化珠光体的作用。


    ⑨   改善铸件的冷却条件。奥氏体在较快冷速下分解可以促进珠光体生成和细化,有助于提高灰铸铁的基体强度。

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