铁素体可锻铸铁的生产工艺探讨

摘要：铁素体可锻铸铁断口外缘为脱碳的表皮层，心部组织为铁素体+团絮状石墨的可锻铸铁。铁素体可锻铸铁的金相组织为铁素体基体加团絮状石墨。由于退火过程中炉气的氧化作用，常使铸件表面有一脱碳层，与中心部位的显微组织有所不同。通过热处理珠光体先转变成奥氏体，即实现奥氏体化，而后奥氏体不断溶入奥氏体而逐渐消失，团絮状石墨相应生成，冷却降温时，奥氏体中碳溶解度降低而析出过饱和的碳，沉积于石墨上，组织变为珠光体加团絮状石墨，继续降温冷却，珠光体分解，形成白色部分的铁素体组织，黑色部分的图絮状石墨。

1.1 可锻铸铁概况  

   可锻铸铁是将白口铸铁通过固态石墨化热处理（包括有或无脱碳过程）得到的具有团絮状石墨的铁碳合金。采用不同的热处理方法，可以得到具有不同组织和性能的可锻铸铁，即黑心可锻铸铁、珠光体可锻铸铁和白心可锻铸铁。      

   当将白口铸铁毛坯件在密封的退火炉中进行热处理，即在中性炉气条件下退火时，得到的铸铁组织中有呈团絮状的石墨（退火碳）存在。这种石墨虽不很圆整和紧密，但它对基体的割裂作用则比灰铸铁中的片状石墨要小得多，因此它能使铸铁得到较高的强度及良好的韧性。铸铁的基体可以通过热处理来加以控制。使之成为铁素体或珠光体。用这种方法得到的铁素体基体可锻铸铁因组织中有石墨存在，因而铸铁的断面呈暗灰色，而在表层经常有薄的脱碳层呈浅灰色，故通称为黑心可锻铸铁。而珠光体可锻铸铁则是以其基体命名的。

1.2 铁素体可锻铸铁的组织  

     1.2.1铁素体可锻铸铁的组织特点  铁素体可锻铸铁的金相组织为铁素体基体加团絮状石墨。由于退火过程中炉气的氧化作用，常使铸件表面有一脱碳层，与中心部位的显微组织有所不同。  可锻铸铁中心部位的石墨主要有团絮状和絮状，有时还会出现团球状、聚虫状和枝 晶状等。

1.2.2铁素体可锻铸铁的性能    

    1.2.2.1 力学性能及影响因素  

（1）弹性模量：铁素体可锻铸铁的弹性模量约为157~170GPa，弹性模量随组织中石墨数量的增加和紧密圆整度的降低而减小。 泊松比为0.25~0.28.  

（2）疲劳性能: 铁素体可锻铸铁的光滑试样的对称弯曲疲劳极限为175~210MPa。 （3）高、低温性能:可锻铸铁的抗拉强度和屈服点自室温至370℃无明显变化。铁素体可锻铸铁在高温下的持久强度随温度升高而降低。可锻铸铁的硬度随温度升高而有所变化，当温度超过400℃后，硬度明显下降。在低温下可锻铸铁的强度随温度下降而升高，伸长率则下降，此种变化情况与韧性脆性转变有关。铁素体可锻铸铁有较高的冲击韧度。    

      1.2.2.2 铸造性能  

可锻铸铁铸造性能具有如下特征：

  （1）流动性：可锻铸铁碳、硅含量低，液相线温度偏高，凝固温度范围较大，所以流动性不好，类似于铸钢。故要求浇注温度较高，薄壁件应在1350 ℃以上，中厚件浇注温度要大于1320℃同时要求铸型耐火度较高。  

  （2）收缩：可锻铸铁铸态组织为白口，收缩较大，体收缩一般为5.3%~6.0%，线收缩为1.5%~1.8%。冒口必须保证足够的尺寸和数量，以利补缩，冒口形式大多采用顶部180°（角）的暗冒口。白口铸件退火时，将产生石墨化膨胀，其值随碳含量而变。铁素体可锻铸铁退火时，如碳含量为2.2%，长度胀出1.4%，精确铸件的工艺，应同时考虑铸造收缩和退火膨胀。铁素体可锻铸铁件模型的缩尺一般选用2.8%，具体数值可根据铸件结构、铸型硬度、铁水含碳量等来决定。  

  （3）缩松与缩孔：因流动性不好，故可锻铸铁的浇注温度偏高，造成液态收缩偏大，结晶温度范围又较宽，极易产生缩松与缩孔。当结晶过程中形成树枝状结晶和板条状共晶组织时，缩松倾向尤为突出，且补缩能力差，极易产生缩松。  

  （4）铸造应力和裂纹可：锻铸铁收缩大，应力大，裂纹倾向随之也大。故裂纹倾向性大是可锻铸铁同其他铸铁区别的特征之一。裂纹倾向与铁液结晶凝固温度范围较 大，易生成树枝状结晶、形成板条状结构、补缩性能较差、收缩较大等性能有关。

1.3 研究内容及目的  

  （1）查阅文献资料，掌握可锻铸铁的成分组织，生产工艺性能及应用；

  （2）完成铁素体可锻铸铁的配料，熔炼，铸造工艺及热处理工艺；

  （3）会制作砂型及了解砂型成分；  

  （4）观察金相组织，并对金相组织进行分析.

2.1 化学成分的选定原则

（1）保证铸件任一截面在铸态时全白口，不出现麻点，否则会显著降低机械性能；

（2）有利于较快的石墨化过程，以保证短时间内完成石墨化退火，缩短生产周期；

（3）有利于提高机械性能；  

（4）在不影响机械性能的情况下，兼顾铸造性能，从而提高产品的合格率。    2.2铁素体可锻铸铁配比计算  

（1） 查资料可得可锻铸铁标准含量为：  

 在熔炼过程中存在烧损选取烧损率如下： C增加5%       Si烧损5%       Mn烧损10% S增加50%       P不变   由以上数据可以得到以下计算过程，分别计算出需要添加的生铁中碳锰铁45号钢的含量。列于下表。 （2）计算过程：  以熔炼100g白口铸件为例，设需要Q10生铁的量为x， 中碳锰铁的量为y ，45号钢为z  则可以列下列方程组

                X+y+z=100              

            4.32x+1.91y+0.45z=2.38×100              

              0.44x+75.85y+0.65z=0.61×100

            计算可得：x=49.7  y=0.35 z=49.95          

4  由此定出铁素体可锻铸铁的初步配料成分单见表2.2，Q10生铁的配比为49.7%，中碳锰铁的配比为0.35%，废钢为49.95%   表2.2铁素体可锻铸铁初步配料成分

在熔炼过程加入硅铁以确保Si的含量符合要求即可。    

2.3热处理工艺的选定  退火工艺: 退火过程及其组织转变，用图2.1所示的退火曲线及组织变化示意图来说明。其过程可分为如下五个阶段。  

(1)升温阶段(0～1)。“1”点温度一般为950℃左右或稍高些，此时铸铁组织由珠光体加莱氏体转变成奥氏体加莱氏体。实际生产中，由于较大的退火炉升温较慢，加热到900℃以上需要10～20h以上，虽然在规定的石墨化退火工艺规范中，没有专门的预处理阶段，但实际上经过300～500℃的时间超过了3～5h，已含有预处理的作用。增加低温预处理的时间，更可以增加厚大断面可锻铸铁的石墨核心数。  

(2)石墨化**阶段(1～2)。在**阶段保温，自图2.1 退火曲线及组织变化示意图由渗碳体不断溶入奥氏体而逐渐消失，团絮状石墨逐渐形成。**阶段结束时(到“2”点)，组织为奥氏体(γ)加团絮状石墨。这个阶段所需的时问长短以自由渗碳体能全部分解完为准，过长无益且有害。

(3)中间阶段(2～3)。指从高温冷却到稍低于共析温度(710～730℃的范围)的 阶段。随着温度的降低，奥氏体中的碳逐渐脱溶，附着在已生成的团絮状石墨上，使石墨长大。到“3”点的组织为珠光体加团絮状石墨。这阶段冷得太慢会增加退火周期，太快会出现二次渗碳体。  

(4)石墨化第二阶段(3～4)。在710～730C处保温，可使共析珠光体逐渐分解成铁素体加石墨，石墨继续向已有的团絮状石墨上附着生长，到“4”点时组织为铁素体加团絮状石墨。这阶段所需时间的长短根据珠光体是否能分解完而定。这阶段亦可采用从750C左右开始，以3～5C/h的缓慢速度通过共析区，这样奥氏体可直接转变为铁素体加石墨。这个方法石墨化速度可快些，但控制冷却速度是个关键因素。      

   (5)冷却阶段(4～室温)。到“4”点以后，再继续保温并不发生组织变化，可

  6  用较快速度冷却。为防止回火脆性，冷到500～600rC时即可出炉空冷。铁素体可锻铸铁显微组织如图2.2所示。

2.4 实验用原材料、仪器设备及实验步骤的制定

2.4.2本次实验所用仪器设备

(1)可控Si中频炉  (2)热处理炉：对金属工件进行各种金属热处理的工业炉的统称。温度一般较加热炉为低。热处理炉可以采用各种加热炉的炉型，但要求较严格地控制炉温和炉内气氛等。热处理炉大多使用气体燃料加热，为了准确控制炉温，有的热处理炉用电加热。      

(3)金相显微镜：用入射照明来观察金属试样表面(金相组织)的显微镜。

(4)浇注设备

(5)洛氏硬度计

(6)混砂机

(7)造型设备    

2.4.3实验步骤  

2.4.3.1制作砂型  

本实验选用干砂型进行浇注，干砂型是以粘土和膨润土作粘结剂的一种型砂，铸铁件的干砂型大多采用粒度较粗的原砂。干砂型砂主要由新砂、旧砂、粘土、膨润土、附加物和少量的谁组成。制作过程中先将下沙箱放好，制作底层，要紧实，防止泄漏，再将零件放好将混合好的沙子倒入沙箱中到一层压实一层知道顶端，顶端要压平。      

2.4.3.2熔炼  本实验采用电弧炉熔炼，把Q10生铁、45钢、中碳锰铁放入熔炉中进行熔炼，待全部融化后将75硅铁放入炉中，大约40分钟进行浇注。使用工具必须干燥，发现潮湿不准使用。实验中要注意安全。  

2.4.3.3浇注  本实验采用直接浇注圆棒，实验人员要注意穿好工作服带好手套注意安全。

2.4.3.4热处理  铁素体可锻铸铁是由白口铸坯退火而成的。白口铸坯的铸态室温组织为：珠光体（铁素体＋ 共析渗碳体）＋ 莱氏体（奥氏体＋共晶渗碳体）＋ 二次渗碳体。退火的目的就是要将共晶渗碳体、二次渗碳体和共析渗碳体全部分解为铁素体和石墨。铁素体可锻铸铁退火过程可分为五个阶段，分别为：升温、**阶段石墨化、中间阶段冷却、第二阶段石墨化和出炉冷却。具体操作可参考2.2 热处理工艺的选定  经过严格控温和保温时间的热处理后可以得到比较纯净的铁素体基体可锻铸铁，最后的组织可以基本的符合我们实验要求。

2.4.3.5金相制作与观察   将未经石墨化退火热处理与经过石墨化退火热处理的试样分别制作金相组织，并在金相显微镜下观察并照相。并与标准的金相组织进行表对分析，找出组织中的典型组织特征。并分析实验中缺陷出现原因。

8  第三章 结果分析  

3.1 实验所得金相组织

3.2 实验所得金相组织分析

 通过热处理图3.1中珠光体先转变成奥氏体，即实现奥氏体化，而后奥氏体不断溶入奥氏体而逐渐消失，团絮状石墨相应生成，冷却降温时，奥氏体中碳溶解度降低而析出过饱和的碳，沉积于石墨上，组织变为珠光体加团絮状石墨，继续降温冷却，珠光体分解，形成如图3.2所示的白色部分的铁素体组织，黑色部分的图絮状石墨。        

9  第四章 结论  

     1．此次试验通过正确选用炉料配比，获得了可用的白口铁组织，经退火热处理， 即铁素体可锻铸铁退火过程的五个阶段，分别为：升温、**阶段石墨化、中间阶段冷却、第二阶段石墨化和出炉冷却，从而得到了纯净的铁素体基体。  

     2. 在实验中我学会了很多东西，在生产中不仅需要专业知识还需要我们的动手能力。为以后的学习定位指明了方向。通过这个实验我学到了很多不仅有对专业知识更加深刻的认识，还有在生产实际中对生产劳动更加深刻的理解，对以后走上就业岗位从事专业活动有了更深的理解。