球墨铸铁性能及生产工艺

球墨铸铁特性及其应用
佛山市南海永兴阀门制造有限公司
球墨铸铁的概念
球墨铸铁的概况 球墨铸铁是指铁液在凝固过程中碳以球型石 墨析出的铸铁。与灰铸铁相比，其金相组织的最 大不同是石墨形状的改变，避免了灰铸铁中尖锐 石墨的存在，使得石墨对金属基体的切口作用大 为减少，基本消除了片状石墨引起的应力集中现 象，使得金属基体的强度利用率达到70－90％， 象，使得金属基体的强度利用率达到70－90％， 从而使金属基体的性能得到很大程度的发挥。
成六级。 球墨铸铁石墨球的大小对力学性能的影响很大，减 小石墨球径，增加石墨球在单位面积的个数可以明显地 提高球墨铸铁的强度、塑性和韧性。 石墨球径的减小，使单位面积上球墨铸铁数量增多， 可使抗疲劳强度提高，因此，细化石墨也是提高抗疲劳 强度的一个要求。
各种基体与力学性能的关系
1、铁素体 根据GB9441-1988球墨铸铁金相检验 根据GB9441-1988球墨铸铁金相检验 评定铁素体数量。其百分比，按大多数视 场对照图片评定。一般不检查牛眼铁素体 数量，仅检查与其共存的珠光体数量
4、反白口 特征：宏观断面为界限清晰的白亮块，呈方 向性白亮针，出现于热节中心。金相观察为过冷 密集细针状渗碳体。 原因：凝固热节中心偏析富镁、稀土、锰等 白口化元素，孕育不足或大件冷却速度快等。 措施：保证球化前提下减少残留稀土镁，防 止炉料内的强烈白口化元素，强化孕育，提高小 件铸件温度。
5、夹渣 特征：浇铸位置上表面或死角处，断面呈暗 黑无光泽、深浅不一的夹杂物，金相为可见、块 状夹杂物。 原因：形成一次夹渣的重要原因是原铁液含 硫量高、氧化严重；二次夹渣主要原因是镁残留 量过高，提高了氧化膜形成温度。 措施：降低原铁液硫、氧含量，保证球化时 降低镁残留量，加入适量稀土降低形膜温度。浇 铸系统应使充型平稳，夹渣部位设集渣冒口。
球状石墨的生长
球状石墨的生长条件 a、极低的硫、氧含量 b、限制反球化元素 c、保证必要的冷却速度 d、添加的球化元素 第一组：镁、钇、铈、钙、镧、镤、钐、 镝、镱、钬、铒 第二组：钡、锂、铯、铷、锶、钍、钾、钠 第三组：铝、锌、镉、锡 最佳含量 W(Mg)：(0.04-0.08)% W(Mg)：(0.04W(Ce): (0.07-0.12)% (0.07W(Y) : (0.15-0.2)% (0.15-
2、球化分级
球化级别 1级 2级 3级 4级 5级
说明 石墨呈球状，少量团絮，允许极少量 团絮状 石墨大部分呈球状，余为团状和极少 量团絮状 石墨大部分呈团状，余为团絮状，允 许有极少量蠕虫状 石墨呈分散分布的蠕虫状、球状、团 状、团絮状 石墨呈聚集分布的蠕虫状、片状及球 状、团状、团絮状
球化率（％） ≥95 90－95 90－ 80－90 80－ 70－80 70－ 60－70 60－
球墨铸铁的金相组织
金相组织与力学性能的关系 力学性能与金属的金相组织密切相关， 什么样的金相结构决定了什么样的力学性能。 球墨铸铁也不例外，只有石墨球化，才能发 挥金属基体的作用，使铸铁的力学性能大幅 度提高。也只有石墨球化，进一步改变基体 的性能才更有意义。 因此，对球墨铸铁的金相研究，是我们 了解球墨铸铁，使用球墨铸铁的前提条件。
球墨铸铁的化学成分
选择适当的化学成分是保证球墨铸铁 获得良好的金相组织和高性能的基本条件， 化学成分的选择既要利于石墨的球化和获 得满意的基体，以期获得满意的性能，又 要使球墨铸铁具有良好的铸造性能。
一、五大元素 1、碳和硅 由于石墨球对基体的削弱作用很小，所以碳含量在 3.2-3.8%时，对力学性能无明显影响。确定球墨铸铁的 3.2-3.8%时，对力学性能无明显影响。确定球墨铸铁的 碳硅含量时，主要从保证铸造性能考虑，将碳当量选择在 共晶成分左右。 当碳含量过低时，铸件易产生缩松和裂纹；碳当量过 高时，易产生石墨漂浮现象，结果使夹杂物增多。 硅可以提高石墨球的圆整度，细化石墨，还可以减小 结晶过冷和白口倾向。一般认为硅含量大于2.8％时，可 结晶过冷和白口倾向。一般认为硅含量大于2.8％时，可 能降低韧性，使韧性－脆性转变温度升高。 因此，选择碳硅含量时，应按照高碳低硅的原则，铸 件在寒冷地区使用，则含硅量应适当降低。 铁素体C 3.6铁素体C：3.6-4.0% Si：2.4-2.8% Si：2.4珠光体C 3.4珠光体C：3.4-3.8% Si：2.2-2.4% Si：2.2-
球墨铸铁可以像钢一样，通过热处理和合金 化等措施来进一步提高其使用性能。比如，处理 过的球墨铸铁可以取得很好的韧性，延伸率高达 24％；抗拉强度可以高达1400MPa，基本接近 24％；抗拉强度可以高达1400MPa，基本接近 钢材。 与钢材相比，球墨铸铁还有很多优点。比如 铸造性能好，成本相对较低。 由于球墨铸铁产量的不断增加，性能不断开 发，现已成功部分取代了锻钢和铸钢，成为前景 广阔的金属结构材料。
7、应力变形和裂纹 特征：收缩应力、相变应力之和超过 断面金属抗断裂后形成裂纹，热裂呈暗褐 色不平整端口，冷裂形成浅褐色光滑平直 断口。 原因：碳含量低，碳化物形成元素增 加，孕育不足，冷却过快等。 措施：适当提高碳当量，降低含磷量， 加强孕育等措施。
8、碎块状石墨 特征：出现在Ce等活性元素富集在共 特征：出现在Ce等活性元素富集在共 晶团边界，促使该区域过饱和析出而形成 蠕虫状石墨，其断面形态为碎块状。 原因：冷却缓慢，共晶凝固时间过长 引起的成分偏析和孕育衰退。 措施：选用纯净炉料并限制Ce等元素 措施：选用纯净炉料并限制Ce等元素 的含量，控制较低的碳当量，加入Sb、 的含量，控制较低的碳当量，加入Sb、Y、 Bi等微量元素。 Bi等微量元素。
3、石墨漂浮 特征：冷却过程中的过共晶铁液首先 析出石墨球，上浮聚集成石墨漂浮，分布 于铸件最后部位的上部的冒口处。微观观 察石墨球串接呈开花状。 原因：碳当量和稀土残留量高，炉料 原始尺寸大、数量多，都可能增加石墨漂 浮。 措施：建议C<4%，控制稀土含量， 措施：建议C<4%，控制稀土含量， 注意原生铁与其他炉料的搭配。
球墨铸铁的形成
球状石墨的形成经历了形核与生长两个阶段。 其中的形核是石墨的首要过程，铁液在熔炼及随 后的球化、孕育处理中产生大量的非金属夹杂物， 初生的夹杂物非常小，在随后浇铸、充型、凝固 过程相互碰撞、聚合变大，上浮或下沉，成为石 墨析出的核心。 球状石墨核心形成以后，碳原子开始在核心 基底上堆砌，石墨最终生成的形状决定受工艺条 件影响的生长方式。 所以，石墨生长过程的控制是获得球状石墨 的关键。
讨 论
薄壁铸态球墨铸铁
在欧美发达国家的阀门铸造 工艺中，日趋使用薄壁铸件， 可以节约资源。 薄壁铸态球墨铸铁件是壁厚 仅为几毫米的铸件。由于薄壁， 共晶凝固时冷却速度极快，所 以抑制白口组织的出现成为首 要问题。
白 口 临 界 球 数 (个 /平 方 毫 米 ) 700 600 500 400 300 200 100 0 0 1 2 5 10 15 20 25 冷却速度R 摄氏度/ 冷却速度 R （ 摄氏度 / 秒 ） 冷却速度与临 界球数的关系
石墨球的螺旋生长
石墨球螺旋生长模型 a）生长成的球体 b）角锥体单晶 c从生产实践中得知，使石墨 按球状生长的工艺措施为改变化 学成分和控制冷却速度。 化学成分中，对石墨生长有 重要影响的是一些能显著改变铁 液过冷倾向的元素；而引起铸铁 冷却速度产生变化的因素则是铸 件壁厚、铸型以及浇铸。 这些条件的实质在于改变石 墨结晶的冷却状况。
形核物质 1、石墨：未溶石墨、添加晶体石墨、非平 衡石墨 2、岩状结构碳化物基底 3、氧化物 4、硫化物/氧化物 、硫化物/ 5、铋及铋的化合物
球墨铸铁的孕育
球墨铸铁孕育的重要性 灰铸铁、球墨铸铁孕育的异同点 孕育衰退现象 提高孕育效果的措施 a.选择强效孕育剂 a.选择强效孕育剂 b.必要的S的含量 b.必要的S c.改善处理方法 c.改善处理方法 d.提高铸件冷却速度 d.提高铸件冷却速度
2、珠光体 在球墨铸铁中，珠光体的形态一般分三 级：粗状珠光体、片状珠光体、细片状珠 光体。 随着珠光体的细化，球墨铸铁的强度 和硬度有所提高。若基体为粒状珠光体， 则球墨铸铁在保持一定强度的同时，具有 更高的塑性。
3、奥氏体、贝氏体、马氏体 由奥氏体、上贝氏体或下贝氏体通过等温淬 火，加入适当元素获得。 4、渗碳体 渗碳体多呈针状、条状，在球墨铸铁中易使 基体变脆，故应避免其出现。 5、磷共晶体 磷共晶体在球墨铸铁中对性能的危害比在灰 铸铁中大得多。沿晶界分布的二元或三元磷共晶 体，强烈降低球墨铸铁的韧性、塑性和强度，受 冲击时，裂痕总是沿磷共晶体边缘开始开裂。
球墨铸铁的金相组织与力学性能的关系
球墨铸铁的力学性能是和它的金相 组织密切相关的。保证铸铁中石墨球化 良好，是熔制球墨铸铁的第一要求。 只有石墨球化，才能充分发挥金属 基体的作用，使铸铁的力学性能大幅度 提高。也只有石墨球化后，进一步改变 基体的性能才更有意义。
1、金相组织 球状石墨外貌接 近球形，内部呈放射 状，有明显的偏光效 应。 石墨是由很多角 锥体枝晶组成的多晶 体，各枝晶的基面垂 直于球径，C 直于球径，C轴呈辐 射状指向球心。
二、合金元素 球墨铸铁的合金元素主要有钼、铜、 镍、铬、锑、钒、铋等金属。 这些元素的主要是起提高铸铁的强度， 稳定基体组织的作用。
球墨铸铁的凝固特点
1、球墨铸铁有较宽的共晶温度范围 2、球墨铸铁的糊状凝固特性 3、球墨铸铁具有较大的共晶膨胀
球墨铸铁的典型缺陷
1、球化不良和球化退化 特征：断口银灰色，分布芝麻状黑斑点。 金相组织分布大量厚片石墨。 原因：原铁液含硫高，过量反球化元素。 建议选用低硫焦炭，脱硫处理，必要时增 加球化剂稀土量，控制冲天炉鼓风强度和 料位。
4、硫 球墨铸铁中硫与球化元素的化合能力 很强，生成硫化物或硫氧化物，不仅消耗 球化剂，造成球化不稳定，衰退速度加快， 而且还使夹杂物数量增多，导致铸件产生 缺陷。 国外一般要求铁液含硫量低于0.02%， 0.02%， 我国目前由于焦炭含量较高等熔炼条件的 限制，往往达不到这一标准，应进一步改 善熔炼条件，有条件可进行炉外脱硫。