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1、孕育处理和过热保温对高硅铸铁性能的影响陈国香肖军民 (南昌大学机电学院 南昌 330029)摘 要通过研究孕育处理和过热保温对高硅铸铁性能的影响 ,发现孕育处理和过热保温能改善高硅铸铁的性能 ,并获得了改善高硅铸铁性能和生产无气孔致密铸件的工艺参数 。关键词高硅铸铁 孕育处理 过热保温中图分类号 : T G215 . 4 T G143 . 9 文献标识码 :AEff ect of the Inoculat ion an d Overheat ing2hol ding onthe Propert ies of Ca st Iron with High Sil iconChen Guox i a
2、n gX i ao J u n m i n( Mechanical and Elect ro nic Engineering college ,Nanchang U niversit y ,Nanchang 330029 ,China)Effect of t he inoculatio n and over heating2holding o n t he p roperties of cast iro n wit h high silico n has beenAbstractinvestigated. The result s show t hat t his met hod can im
3、p rove t he mechanical p ropert y of cast iro n wit h high silico n.The op timized technology parameters for t he p roperties of t he cast iro n and sound castings wit hout gasholes are ob2tained.Key words Cast iro n wit h high silico n Inoculatio n Over heating2holding高硅铸铁耐腐蚀性能较好 ,特别适用于制造承受静载荷并与各种强
4、腐蚀介质 ( 如各种温度和 浓度的硝酸 、硫酸 、铬酸 、有机酸和一系列盐溶液) 接触的部件 。其生产工艺简单 ,成本低 ,在某些介 质中用它代替不锈钢可取得更佳的经济效益 。但是 ,这种材料由于强度低 、硬度高 、脆性大且加工 性能差 ,所以其使用范围受到限制 。本文旨在不 影响高硅铸铁耐蚀性能的前提下 ,研究孕育处理 和过热保温对高硅铸铁性能的影响 ,寻找改善高 硅铸铁性能的有效途径 。化铁水 ,原材料为本溪生铁 、废钢和 75 硅铁 ,铁水主要成 分 为 : w ( C) = 0 . 8 % 1 . 2 % 、w ( Si ) =12 %14 % 、w ( M n) = 0 . 3 %0
5、 . 8 % 、w ( P) 、w( S) 0 . 08 % 。铁水熔化后控制熔炼温度和保温 时间 ,孕育处理后于 1300 左右浇注 ,测定凝固过程中铸铁的缩孔体积和流动性 ,用铂铑2铂热电 偶测量铁水温度 。除每炉铁水浇注金相试样 、三 角试样外 ,部分炉次还浇注阶梯试块 、拉伸试样和 抗弯试样等 。所有试样均采用湿砂型铸出 ,最后采用正交设计 L 9 (34 ) 进行试验 。1 试验方法2 试验结果与分析2 . 1孕育处理的影响铸铁生产中已广泛应用孕育处理来改善其组 织和性能 ;但在高硅铸铁的生产中仅有加入 1 #用 10 kg 高频感应炉和 150 kg 中频感应炉熔收稿日期 :200
6、1208221材料研究2 材 料 开 发与 应 用2001 年 12 月稀土 合 金 进 行 除 气 处 理 和 孕 育 处 理 的 报 道1 。在试验中 ,我们发现稀土合金虽有除气 、净化铁水 和细化晶粒的作用 ,但它使铸件硬度大幅提高 ,使 加工性能原本较差的高硅铸铁更加难以加工 。因 此选用铸造生产中常用的 R E2Ca2Ba 、Si2Ba 、Si2Sr和 Al2Bi 孕育剂进行试验 , 研究 它 们 在 高 硅 铸 铁 中的作用 。加入各孕育剂后对铸铁硬度和组织的影响见表 1 和图 1 。表 1不同孕育剂对硬度的影响孕育剂加入量/ %HRCSi2BaR E2Ca2Ba Si2Sr Al
7、2Bi00000 . 50 . 50 . 50 . 1333333333434 . 53938图 1 孕育剂加入后组织的变化 400 由表 1 和图 1 可知 , Si2Ba 和 R E2Ca2Ba 孕育后铸铁硬度变化不大 , 但 Si2Ba 孕 育 使 石 墨 更 容 易粗大 ;阶梯试块厚端侧面出现胀裂 ,在降低碳含 量后 ,石墨变细小 ,胀裂消失 。Si2Sr 和 Al2Bi 孕育 除使硬度有较大提高外 , Si2Sr 孕育使石墨沿晶间分布 ,Al2Bi 孕育会使 Bi 等低熔点物质偏聚于晶界 ,这些均对组织性能有不利影响 。为此选用 Si2Ba 和 R E2Ca2Ba 孕育作进一步 试
8、验 , 7 炉 试 验 结 果见表 2 。表 2Si2Ba 、R E2Ca2Ba 孕育剂对性能的影响 Si2Ba R E2Ca2Ba A1A2A3A4A5A6A7加入量/ %拉伸强度/ M PaHRC0 . 20 . 30 . 40 . 20 . 30 . 488 . 3099 . 6893 . 4092 . 6098 . 65105 . 3086 . 6037 . 436 . 836 . 037 . 637 . 137 . 537 . 3由表 2 可知 , Si2Ba 和 R E2Ca2Ba 孕育都可以提高高硅铸铁的强度 ,与未孕育高硅铸铁的拉伸 强度 88 . 30M Pa 相比 , R
9、E2Ca2Ba 孕育剂加入量为0 . 4 %时 ,其拉伸强度为 105 . 30M Pa ,比孕育前提 高了 21 % ; Si2Ba 孕育剂加入量为 0 . 3 %时 ,其拉 伸强度为 99 . 68M Pa ,比孕育前提高了 15 % 。高硅铸铁的硬度在这两种孕育剂加入前 、后变化不 大 。Si2Ba 和 R E2Ca2Ba 含 量 在 0 . 2 % 0 . 4 %时 对高硅铸铁都有良好的孕育 效 果 , 但 Si2Ba 孕 育 更适合于碳含量较低或铸件壁厚较薄的铸件 ,而 碳含量相 对 较 高 或 壁 厚 较 厚 时 , 用 R E2Ca2Ba 孕育则更为合适 。2 . 2 过热保温的
10、影响在高硅铸铁的研究中 ,曾用碳硅棒电阻炉 、中 频和高频感应电炉熔化铁水 。高硅铸铁用中频炉 熔化时较易产生气孔 ,而在高频炉熔化时由于熔 化量少 、熔化速度快 、铁水温度高 ,所以产生气孔的几率就小 。用硅碳棒电阻炉熔化时 ,由于铁水 温度低 、熔化时间长 ,既使用回炉料重熔也有很多 分布于试棒断面的分散性气孔 。这说明 ,铁水熔 化时间的长短和铁水温度的高低与铸件中气孔的 产生密切相关 ,因此有必要研究铁水过热保温对 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. htt
11、p:/3 第 16 卷第 6 期陈国香等 :孕育处理和过热保温对高硅铸铁性能的影响高 硅 铸 铁 的 影 响 。铁 水 过 热 温 度 选 1300 1600 ,保温时 间 选 0 min 、30 min 、60 min , 过 热 保 温后的力学性能见表 3 。表 3过热保温对力学性能的影响表 4铜对力学性能的影响铜含量/ %拉伸强度/ M Pa抗弯强度/ M Pa炉号HRCC1085 . 1150 . 337 . 5过热温度/ 保温时间/ min拉伸强度/ M PaC22109 . 3197 . 237 . 8炉号HRCC34112 . 1201 . 428 . 7B113003094 .
12、 532 . 0C46110 . 5204 . 229 . 5B2B3B415001500150003060108. 4113. 5109. 234 . 235 . 136 . 0C5838 . 5C61039 . 3 B5 1600 30 107 . 2 36 . 8 2 . 4 各因素的综合影响选用 正 交 设 计 试 验 法 来 研 究 R E2Ca2Ba 孕 育 、铁水过热保温和 Cu 、V 3 合金化对改善高硅铸铁性能的综合影响 。按 L 9 ( 34 ) 正交表安排试 验 ,因素水平见表 5 。由于试验是在满足耐蚀性 要求的情况下提高强度 ,降低硬度 ,因此以拉伸强 度和硬度为衡量
13、指标对试验结果进行分析 ,正交 试验及结果见表 6 、表 7 。由表 3 可知 ,过热保温对所有铸铁的力学性能均 有 良 好 影 响 。过 热 至 1500 , 保 温 30 min时 ,硬度变化不大 ,拉伸强度增加 15 % ,组织中石 墨分散度增加 ,组织均匀性提高 ,既使碳含量较高的铸铁也不易析出粗大石墨 。用螺旋形试样测定铁水 的 流 动 性 , 过 热 至 1600 的 铁 水 流 动 性 比1300 的提高了 1 . 2 倍 。过热至 1600 ,试样中 气孔明显减少 ;过热至 1500 保温 30 min ,试样密度为 6 . 85g/ cm3 ;而过热至 1300 保温 30
14、min ,铁 水浇注的试样具有明显的分散性气孔 ,试样密度 为 6 . 67g/ cm3 。因此铁水过热保温可减少气孔和 非金属夹杂物 , 提高铁水流动性 , 使铸件更加致 密 ,但同时铸件中集中缩孔的容积增加 。为了获 得没有缩孔的铸件 ,必须控制凝固顺序 ,加强铸件补缩 。2 . 3 孕育和过热保温与铜合金化的比较根据我们先前的研究2 ,高硅铸铁中加入铜 进行合金化 , 在铜含量为 2 % 6 %时 , 随着铜含 量的增加 ,石墨形态由长片状逐渐发展为弯曲 、断续的短片状和点状 ,并使硅在组织中的分布更加 均匀 ,提高了高硅铸铁的强度 。不同的铜含量对 力学性 能 的 影 响 试 验 结
15、果 列 于 表 4 。由 表 4 可 知 ,铜含量在 2 %6 %时可明显提高高硅铸铁的 拉伸强度 ,在 4 %6 %时明显降低其硬度 。铜含量为 4 %时 ,拉伸强度提高 32 % ,硬度降低 24 % , 强度和硬度的改善程度均优于孕育处理和过热保 温的 ,特别是硬度的降低 ,使机械加工性能明显得 到改善 。对于要求加工性能好的耐酸泵铸件 ,过 热保温 、孕育处理和铜合金化应同时进行 。表 5因素水平表因素水平A/ %( R E2Ca2Ba)B/ %( Cu)C/ %( V)D (过热保温)1230 . 20 . 30 . 42460 . l0 . 20 . 31500 ,30min150
16、0 ,60min1500 ,0min表 6正交试验结果方案ABCD拉伸强度/ M PaHRCC11111127 . 8536 . 8C2C3C4C5C611222231232323 l23312132. 26132. 24111. 72129 . 51124 . 1134 . 335 . 636 . 135 . 534 . 6C73132102 . 7638 . 9C83213117 . 2636 . 2 C9 3 3 2 1 117 . 20 35 . 8 (下转第 15 页) 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing Ho
17、use. All rights reserved. http:/15 第 16 卷第 6 期靳海葆 :丁腈橡胶和氢氧化铝对氯化丁基橡胶阻尼性能的影响次 ,氯化丁基橡胶的阻尼作用已经下降到与丁腈胶相当的程度 ,因此曲线在 50 %处出现汇合 。 由表 5 和图 2 发现 ,氢氧化铝可改善硫化胶的阻尼性能 。随着氢氧化铝用量增加 ,复合损耗 因子有一定程度的提高 , 但用量超过 40 %后 , 阻尼作用反而下降 ,和丁腈胶的影响类似 ,也是频率 越高 ,影响越大 ,而且 ,在 3 种频率状态下 ,复合损 耗因子曲线的拐点全在氢氧化铝用量的 40 %处 。图 2 氢氧化铝用量和损耗因子的关系3结论从
18、表 4 和图 1 可以看出 ,在氯化丁基橡胶中加入丁腈胶之后 ,随着丁腈胶用量的增加 ,系统的 复合损耗因子明显下降 ,频率越高 ,下降的幅度也越大 ,各阶曲线几乎在丁腈胶用量 50 %处汇合在 一起 。这是因为氯化丁基橡胶的内耗比丁腈橡胶 的大 ,因此随着氯化丁基橡胶相对含量的降低 ,系统的复合损耗因子下降 。当氯化丁基橡胶和丁腈 橡胶用量为 11 时 ,两种橡胶的作用已分不出主(1) 在以氯化丁基橡胶为基料的阻尼材料中 ,加入配合胶丁腈 橡 胶 会 使 各 阶 复 合 损 耗 因 子 下 降 。(2) 氢氧化铝可改善氯化丁基/ 丁腈橡胶体系 的阻尼性能 ,随着氢氧化铝用量的增加 ,体系的复
19、 合损耗因子有一定程度的提高 ,但氢氧化铝的用量不宜超过 40 % 。(上接第 3 页)表 7正交试验结果分析1)拉伸强度/ M Pa HRC K1/ 3 K2/ 3 K3/ 3 极差K1/ 3 K2/ 3 K3/ 3 极差130 . 80110 . 77123 . 07118 . 45126 . 41117 . 06112 . 40124 . 55121 . 5118 . 4015 . 641 . 5635 . 5737 . 2735 . 8735 . 4035 . 2335 . 4036 . 9735 . 3036 . 671 . 572 . 041 . 27 124 . 85 119 .
20、 71 117 . 10 7 . 75 36 . 30 35 . 93 35 . 97 0 . 37 注 :1) K1/ 3 、K2/ 3 、K3/ 3 为因素 A 、B 、C 、D 的水平值分别为 1 、2 、3 时的测试平均值 。( R E2Ca2Ba) = 0 . 2 % 0 . 3 %孕 育 , w ( Cu) = 4 %6 % , w ( V ) = 0 . 1 % 0 . 2 % , 铁 水 过 热 至1500 ,保温时间为 3060 min 。(2) 铁水过热保温可减少气孔和夹杂物 ,提高 流动性 ,有利于获得无气孔的致密铸件 ,并简化了因除气而导致的繁杂的生产工艺 。由 表 7
21、 可 知 , A1B2D1 C1 的 强 度 最 佳 ,B2 A2 C2D2 的硬度最佳 ,即孕育处理是影响强度的主要因素 ,铜合金化是影响硬度的主要因素 。综 合考虑强度和硬度的影响 ,选用 w ( R E2Ca2Ba) =0 . 2 %0 . 3 %孕育 , w ( Cu) = 4 %6 % , w ( V ) =0 . 1 % 0 . 2 % , 铁水过热至 1500 , 保温时间为3060 min ,可以获得强度和硬度的良好配合 。参考文献冯祖望 . 高硅耐蚀铸铁的熔化和铸造 . 铸造技术 ,1983(2)陈国香 ,等 . 铜对高硅铸铁组织和性能的影响 . 南昌大 学学报 ,1999 (4), . , 1980 (10) :6813结论2(1) 对铁水进行孕育处理和过热保温能改善高硅铸铁的致密性和力学性能 ,若与 Cu 、V 合金 化综 合 考 虑 , 获 得 优 良 力 学 性 能 的 配 比 是 : w3 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/