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硅固溶強(qiáng)化作用的應(yīng)用

硅在球墨鑄鐵中的固溶強(qiáng)化作用，最近已經(jīng)受到了廣泛的關(guān)注。談到這里，不能不提及我國(guó)三十多年前在灰鑄鐵方面所做的工作。

1．硅在灰鑄鐵中的固溶強(qiáng)化作用

牌號(hào)HT250以上的灰鑄鐵，基體組織都是珠光體。為了確保強(qiáng)度達(dá)標(biāo)，生產(chǎn)中通常都加入銅、錫、銻之類(lèi)的合金元素。

珠光體中，鐵素體約占90％，如果適當(dāng)?shù)靥岣哞T鐵中的硅含量，在鐵素體中起固溶強(qiáng)化作用，而鑄鐵組織中又不至于出現(xiàn)鐵素體，當(dāng)然可以節(jié)省合金元素，同時(shí)也簡(jiǎn)化了操作。

1980年前后，北京鋼鐵學(xué)院（現(xiàn)在的北京科技大學(xué)）鐘雪友等人進(jìn)行了這方面的研究、試驗(yàn)工作。在灰鑄鐵碳當(dāng)量為4.05％左右的條件下，適當(dāng)?shù)靥岣吖韬浚⊿i/C比為0.78左右），不加合金元素，鑄鐵的抗拉強(qiáng)度就可以保持在300MPa以上。

80年代，這項(xiàng)工藝曾在多家鑄造廠得到確認(rèn)并在生產(chǎn)中應(yīng)用。

2．硅在球墨鑄鐵中的固溶強(qiáng)化作用

生產(chǎn)球墨鑄鐵件，球化率、石墨球數(shù)量和石墨球平均尺寸等是基本的質(zhì)量要求。在石墨球化正常的條件下，其切割基體的作用較在灰鑄鐵中大為減輕。通過(guò)控制基體組織，可以在很大的范圍內(nèi)調(diào)整球墨鑄鐵的力學(xué)性能，以適應(yīng)多種不同工況條件的要求。除等溫淬火球墨鑄鐵和高鎳奧氏體球墨鑄鐵外，常規(guī)的球墨鑄鐵目前已有十多種牌號(hào)，抗拉強(qiáng)度可以在350～900 MPa之間改變，最1低伸長(zhǎng)率則可相應(yīng)地在22％～2％之間改變。

QT450-10、QT500-7、QT550-5和QT600-3等牌號(hào)的球墨鑄鐵件，都由控制基體組織中鐵素體與珠光體所占的份額，以確保力學(xué)性能符合要求。一般說(shuō)來(lái)，生產(chǎn)這類(lèi)球墨鑄鐵件時(shí)，應(yīng)力求通過(guò)控制鑄鐵的化學(xué)成分和生產(chǎn)過(guò)程中的各項(xiàng)工藝條件，使鑄件的鑄態(tài)組織符合要求，以避免費(fèi)時(shí)、耗能的熱處理工序。

在工藝控制不足以確保鑄鐵的強(qiáng)度的情況下，加入少量銅、鎳之類(lèi)的合金元素，也是常用的應(yīng)對(duì)措施。但是，這樣做既提高了生產(chǎn)成本，還要耗用珍貴的資源。

隨著對(duì)球墨鑄鐵認(rèn)識(shí)的逐漸深化，十多年前，歐洲就開(kāi)始注意到硅在球墨鑄鐵中強(qiáng)化鐵素體的作用，瑞典的研究工作發(fā)現(xiàn)：用途很廣的QT500－7牌號(hào)球墨鑄鐵中，將硅含量提高到3.5％，基體組織全部是鐵素體，不僅可以在保持抗拉強(qiáng)度在500MPa的條件下提高伸長(zhǎng)率，城區(qū)40/70烘干砂，更為重要的是，鑄件的硬度均勻，切削性能顯著改善。

在此基礎(chǔ)上，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO1083《球墨鑄鐵分類(lèi)》2004年修訂時(shí)，補(bǔ)充了一項(xiàng)“高硅球墨鑄鐵”的牌號(hào)JS500－10。

歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 1563《球墨鑄鐵件》2011年修訂時(shí)，補(bǔ)充了3項(xiàng)“固溶強(qiáng)化鐵素體球墨鑄鐵”牌號(hào)

關(guān)鍵詞：鑄造覆膜砂 鑄造覆膜砂廠家 ? ?覆膜砂廠家 ? ?覆膜砂 ? 樹(shù)脂砂 鑄造樹(shù)脂砂 ? ?樹(shù)脂沙廠家 樹(shù)脂沙供應(yīng)

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眾所周知，對(duì)鑄鐵液進(jìn)行孕育，白口深度將變淺，共晶凝固溫度將上升。因此，對(duì)片狀石墨鑄鐵液進(jìn)行孕育的結(jié)果，D 型石墨變成 A 型石墨，抗拉強(qiáng)度將增大(圖 1)。而對(duì)球狀石墨球鐵液進(jìn)行孕育，則石墨顆粒數(shù)增加，縮孔傾向減少。根本原因在其凝固形態(tài)發(fā)生了變化。

2 鑄鐵的宏觀凝固

? ? 片狀石墨鑄鐵的凝固過(guò)程是先析出初生奧氏體，之后開(kāi)始共晶凝固。而球狀石墨鑄鐵，通常先析出初生石墨，之后開(kāi)始共晶凝固。對(duì)片狀石墨鑄鐵液進(jìn)行激冷，即加快凝固速度(鑄件的壁厚減薄)則產(chǎn)生白口組織，同時(shí)易析出 D 型石墨(如圖 2)。圖 2 的上方是白口傾向測(cè)試試樣，越往右凝固速

度越大，凝固速度大的部分將產(chǎn)生白口組織，這與凝固溫度—凝固速度曲線相一致。與此相對(duì)應(yīng)，直徑 30mm 的圓棒凝固時(shí)間為 5min。這個(gè)圓棒的凝固速度為 15mm/5min = 180mm/h。這個(gè)速度被稱為宏觀凝固速度。

3 鑄鐵的微觀凝固組織

? ? 具有共晶成分的片狀石墨鑄鐵液在 1500℃保溫，孕育對(duì)試樣的共晶團(tuán)的影響如圖 3 所示。從圖中可知，保溫時(shí)間越長(zhǎng)共晶團(tuán)晶粒直徑越大，孕育處理使共晶團(tuán)晶粒直徑變小。未進(jìn)行孕育處理的共晶團(tuán)晶粒的直徑大約 0.9mm，而進(jìn)行孕育處理的試樣的共晶團(tuán)晶粒的直徑大約 0.25mm 左右。這個(gè)共晶凝固過(guò)程產(chǎn)生的結(jié)晶稱為共晶團(tuán)。在前邊敘述過(guò)的直徑為 30mm 的試樣的宏觀凝固速度是 180mm/h。這時(shí)各個(gè)共晶團(tuán)凝固時(shí)間與

? ? 試樣完全凝固時(shí)間大約相同。因此，未進(jìn)行孕育處理的試樣的共晶團(tuán)直徑為 0.9mm，5min 凝固完畢，其微觀凝固速度為 10.8mm/h。與此相對(duì)應(yīng)，進(jìn)行孕育處理的試樣微觀凝固速度為 3.0mm/h。由此可知，由于孕育處理使微觀凝固速度大幅度變小。結(jié)合圖 2 分析，40/70烘干砂質(zhì)優(yōu)價(jià)廉，可觀察到孕育使共晶團(tuán)的凝固速度從 10.8mm/h 減小到 3.0mm/h。即可以認(rèn)為圖 2 中的凝固速度從右向左移。由于孕育處理微觀使凝固速度變小，結(jié)果 D 型石墨變成 A 石墨，白口變成 D 型石墨。對(duì)球狀石墨鑄鐵進(jìn)行孕育，則增加石墨數(shù)量(石墨的直徑變小)。球狀石墨鑄鐵來(lái)講，一個(gè)石墨形成一個(gè)共晶團(tuán)。因此，孕育處理使球狀石墨鑄鐵減小微觀凝固速度。

? ? 直徑為 30mm 的圓棒鑄型里澆注球墨鑄鐵液，得到的石墨半徑大約為 10μm 的石墨。其詳情這里不在敘述，但由此可求得球墨鑄鐵共晶團(tuán)的半徑為 24μm。不管是球墨鑄鐵還是片狀石墨鑄鐵鑄件完全凝固時(shí)間大約相同（直徑 30mm 試樣），凝固時(shí)間需約 5min。因此，球狀石墨鑄鐵的微觀凝固速度約為 290μm/h = 0.3mm/h。與片狀石墨鑄鐵的 10.8mm/h 相比，可知球鐵石墨鑄鐵的凝固速度很緩慢。同時(shí)這個(gè)現(xiàn)象帶來(lái)了球墨鑄鐵的共晶凝固溫度的下降。

4 結(jié)言

? ? ?孕育處理，片狀石墨鑄鐵還是球狀石墨鑄鐵都有細(xì)化共晶團(tuán)的作用，其結(jié)果使微觀凝固速度變慢。這個(gè)現(xiàn)象減少了白口化傾向，造成共晶溫度上升。而且，片狀石墨球鐵中通過(guò)石墨的 A 型化，帶來(lái)了抗拉強(qiáng)度的上升，而球墨鑄鐵孕育處理可減少縮孔和防止異常石墨的生成。

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（1）縮孔產(chǎn)生機(jī)理液態(tài)合金鐵液由液態(tài)到固態(tài)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)體積變小現(xiàn)象，經(jīng)歷液態(tài)收縮、凝固收縮、固態(tài)收縮三個(gè)收縮過(guò)程。

當(dāng)液態(tài)收縮量與凝固收縮量大于固態(tài)收縮量時(shí)便會(huì)產(chǎn)生縮孔，形狀極不規(guī)則，孔壁粗糙并帶有枝狀晶，低價(jià)40/70烘干砂，縮孔分為集中縮孔（簡(jiǎn)稱縮孔）和分散縮孔（簡(jiǎn)稱縮松）。

（2）縮孔特點(diǎn)縮孔主要集中在鑄件的上部和最后凝固的部位，以及鑄件壁厚懸殊處、凹角圓角半徑小及內(nèi)澆道附近等凝固較晚或凝固緩慢的部位（稱為熱節(jié)）?？s孔表現(xiàn)出來(lái)的形式主要有4種，即明縮孔、夾角縮孔、芯面縮孔、內(nèi)縮孔

（3）縮孔在模具中的危害主要有以下4個(gè)方面：一是減少鑄件的有效承載截面積，甚至造成應(yīng)力集中而大大降低鑄件的物理和力學(xué)性能；二是鑄件的連續(xù)性被破壞，使鑄件的氣密性、抗蝕性等性能顯著降低；三是加工后鑄件表面的粗糙度提高，致使制件拉毛；四是縮孔在球墨鑄鐵缺陷中占據(jù)很大比例，往往成為不可修復(fù)的缺陷，直接造成鑄件報(bào)廢，給企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

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