可锻铸铁铸态组织形态控制的研究

第28卷第2期2006年6月 湘潭师范学院学报(自然科学版)Journal of Xiangtan Normal U niversity(N atural Science Edition) Vol.28N o.2

June.2006

可锻铸铁铸态组织形态控制的研究

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马跃新1,邓俊彦1,邓芬燕2,邹安全2

(1.中山火炬职业技术学院机械系,广东中山528436;2.湖南科技大学资源工程学院,湖南湘潭411201)摘 要:研究了可锻铸铁白口铸坯凝固组织的差异与控制。通过对白口铸铁态组织中的各种共晶碳化物的形态、数量,白口组织晶粒大小,铸态珠光体组织形态的控制以改善白口组织;并探讨了铸态石墨形态、数量、大小与可锻铸铁铸态组织形态的关系以及对可锻铸铁石墨化退火的影响。

关键词:可锻铸铁;白口组织;共晶碳化物;石墨化

中图分类号:TG14 文献标识码:A 文章编号:1671-0231(2006)02-0044-03

如何获得白口铸态组织是生产可锻铸铁的前提。可锻铸铁是由白口铸铁经石墨化退火而得到的。白口组织的特征对石墨化过程及最终组织和性能有很大的影响。由于可锻铸铁原铁水中所含碳硅量较低,凝固时冷却速度较快,含有不同微量元素等,使铸件在结晶过程中形成白口能力是有差别的;同时采用不同的铸型铸造及选用不同的孕育剂,不同的孕育方法处理铁水,也会改变铸态组织。因此对可锻铸铁铸态组织的研究是十分重要的。作者就可锻铸铁中共晶碳化物、白口组织形态、铸态珠光体及铸态石墨进行讨论。1 各种形态的共晶碳化物

可锻铸铁固态石墨化的主要目的之一就是分解共晶碳化物,这类碳化物是不平衡结晶的产物,一般称为共晶渗碳体。可锻铸铁属亚共晶成份,其结晶过程既有奥氏体又有共晶产物,不平衡结晶非常复杂,最典型的铸态组织中渗碳体的形态是蜂窝状莱氏体共晶和板条状渗碳体的组合,如图1

所示。

图1 典型的蜂窝状莱氏体共晶和板条状渗碳体的组合

莱氏体本身是高硬度的,莱氏体含量越多铸铁的硬度也越高[1],莱氏体组织的结晶过程是共晶反应物渗碳体与奥氏体的共同成长,奥氏体形成一个个长园形芯子位于连续渗碳体之中,共析转变时这些园形的奥氏体与枝晶奥氏体一起转变为珠光体,具有片状结构,所以莱氏体组织在室温时是由共晶渗碳体与片状珠光体组成。板条渗碳体共晶组织在结晶过程中渗碳体奥氏体不完全是共同生长而往往是离异共晶生长。结晶的结果渗碳体形成单独的晶粒或很薄的奥氏体层片相间形成类似平行的一些杆状渗碳体。除这两种典型的形态外,铸态白口组织中还有羽毛状渗碳体,长杆状渗碳体,块状渗碳体及针状渗碳体,如图

2、图3所示。44

¹收稿日期:2006-01-21

作者简介:马跃新(1958-),男,湖南益阳人,工程师,研究方向:金属材料。

羽毛状渗碳体实际上是由短杆状渗碳体与针状渗碳体组合而成,只是其形态比较复杂。一般认为这些渗碳体的生长方式与板条状渗碳体相同,在较大的过冷度下结晶时易形成这类组织,有的在同一试样的表面层为短杆状渗碳体,而内部却为莱氏体,这种现象是由于冷却速度不同造成的。

2 铸态白口组织的形成及影响因素

2.1 白口组织形态

可锻铸铁白口组织中往往有一定厚度的柱状树枝晶带,形成典型的铸锭组织,即具有表层细等到轴晶区,中间柱状枝晶区和内部粗等轴晶区。表层细等轴晶区是极冷层区,铁水浇入铸型后,由于受到铸型的极冷,液态金属形核率很高,加之液体流动对型壁冲刷引起晶体脱落与增殖,很快形成一层细晶粒区。细晶粒区形成后,放出的结晶潜热使晶界前沿液体温度升高,过冷度减小,细晶区不能充分扩展,而只有那些生长方向与温度梯度一致的奥氏体才能向前延伸,且有择优生长的特性,从而形成柱状枝晶带,在柱状晶枝晶生长过程中,如果结晶面前沿始终保持较窄小的成分过冷区或剩余液相中无晶核形成柱状枝晶将一直生长至铸件中心形成穿晶组织。当形成穿晶组织时,由于始终保持定向结晶,铸件中心有时会出现碳的富集,结果形成过共晶组织,如图4

所示。

图4 铸件中碳富集出现局部过共晶组织影响白口组织形态的因素很多,除铁水本身的化学成分

纯度外,铸型导热能力,浇铸铸温度,孕育剂种类和孕育方法

等都有有影响。如包内孕育比型内孕育易形成柱状枝晶,

Al+Bi 孕育比RE 孕育易形成柱状枝晶。生产实践表明,由于

生长成较大的柱状晶时,碳的正偏析严重,出现过共晶组织,

粗大的板条渗碳体大大延长石墨化退火周期。所以一般希望

得到细小的等轴晶组织。

2.2 白口组织晶粒大小

可锻铸铁石墨化过程的控制环节是铁碳原子的扩散。铸

态组织晶粒大小对这一过程有很大影响。晶粒越细小,石墨

颗粒将越多,自然也提供更多的扩散界面,所以石墨化速度越快。亚共晶白口铸铁结晶铸铁结晶过程的初生相为奥氏体、

渗碳体或莱氏体存在于奥氏体枝晶间,除去铁水含碳量外,碳化物的晶粒大小主要取决初生奥氏体晶粒大小。化学成分确定后,它们的细化程度是一致的。

影响铸态组织晶粒度的因素很多,通常采用增大铁水冷却速度和加强孕育处理来细化晶粒。增大冷却速度一般采用导热材料较好的铸型材料,如金属型铸造比砂型铸造组织细得多,生产实践证明:就是金属型铸造,由于预热温度不同,涂料不同,其组织细化程度的差别是很明显的。同类铸件由于壁厚不同,蓄热量的差别导致冷却速度不同,自然铸态组织晶粒是有显著差别的。为了使铸态组织差别减小,可局部加冷铁细化壁厚处的白口组织,降低浇铸温度可增加铁水冷却速度,细化铸态组织;但需特别注意防止浇不足等缺陷。孕育处理可以细化组织,通常增大白口倾向的元素是具有细化白口铸态组织的作用的。3 铸态珠光体组织形态的控制

铁水凝固后的高温组织为高温莱氏体(或渗碳体)与奥氏体,当铸件温度下降通过共析转变温度区间45

时,组织中的奥氏体将转变为铁素体与共析渗碳体层片相间的珠光体。实际生产中由于通过共析转变温度速度不同,珠光体的片层间距也不同。铸造成条件下很少见到屈氏体,一般砂型铸造时冷至室温才开箱,因此可见到粒状珠光体。金属型铸造时可见到索氏体组织。珠光体的弥散度主要取决于冷却速度和铸铁中是否有合金元素[2]。珠光体片层间距的大小也取决于其形成时的冷却速度与奥氏体晶粒度无关。奥氏体的化学成份对片层间距也有影响,当奥氏体晶粒内部碳含量较低,珠光体片层间距就较大,奥氏体晶粒外层碳化物含量较高,所以珠光体片间距小。室温看到的珠光体是高温奥氏体转变而来的。珠光体的特征取决于凝固时奥氏体的特征,不同凝固条件,不但奥氏体晶粒大小不同,其形态也有差别。金属型铸造时,初生奥氏体等到轴枝晶较多且排列较规则,而砂型铸造时则较粗大。奥氏体形态的差别影响到界面的多少及晶体的稳定性。尤其是低温石墨化退火时,铁素体区内保温,珠光体保留了这种原始状态,因此将影响到退火周期的长短,无奥氏体重结晶过程,珠光体片间距大小对传统的两段退火工艺影响不大,因此片间距对低温退火将有影响。增大冷却速度,就会使奥氏体枝晶分枝增多。增加渗碳体尖角突起,增大了退火时渗碳体的不稳定性,可加速石墨化退火。笔者有意将铸件使之快速通过共析转变温度区间则得不到珠光体组织,即浇铸后铸件冷至870e左右迅速水冷,铸件组织为渗碳体,马氏体和残余奥氏体。这种组织相当于白口组织石墨化退火前的预先淬火处理,对石墨化退火有益,但由于奥氏体含碳量较高,较变为马氏体时造成的应力较大,淬火过程中会引起开裂,生产中采用应十分慎重。还应当指出,当可锻铸铁退火冷却时,如果在650e左右出炉空冷,则韧性好,但冷却到450~500e以后出炉冷却,冲击韧性降到约为原来的25%。这种脆性的本质尚未清楚。但在退火工艺应避免在600~400e之间缓冷以防变脆[3]。

4铸态石墨化及影响因素

传统观点人们认为可锻铸铁铸态组织为无石墨全白口所希望的碳完全以结合态存在是不全面的。实际生产中发现当碳含量提高到2.5%左右,含硅量提高到1.7%左右,这时铸态组织中会不同程度地出现铸态石墨。当碳硅含量较低时,铸态石墨较少或不出现,有时在铸态试样上的黑点实则为MnS一类夹杂物。当化学成份选择高硅低碳时,使铸态组织中出现大量团絮状石墨而无共晶碳化物。适当提高含硅量可大大简化铁素体可锻铸铁的退火工艺[4]。在一定条件下铸态组织中有一定数量的小石墨,有利于促进石墨化退火。

影响铸态石墨形态、数量、大小等到因素较复杂。用Re合金处理的可锻铸铁其凝固过程相当于亚共晶生铁。碳硅量较高时均会出现铸态球状石墨。用其它元素处理铁水时,随着碳硅量增加,铸态由全白口,小点状、团絮状、虫状直至片状变化。孕育剂中促进石墨化的元素如Al等,加入量不同也影响铸态石墨。孕育方法,冷却速度等因素都有很大影响。因此如何控制工艺因素,获得铸态组织中有一定数量非片状石墨,对促进铸件石墨化退火是有益的。

5结论

(1)理想的白口铸态组织是发展可锻铸铁生产的前提和基础。通过控制铸态白口组织的形成和影响因素,是获得理想的可锻铸铁组织形态的必要条件。

(2)严格控制共析转变温度区间的组织转变可获得铁素体与共析碳体裁层片相间的珠光体。化学成份的差异、冷却速度的快慢、铸造类型的不同,不仅影响奥氏体晶粒大小,其珠光体组织形态也是不同的。

(3)影响可锻铸铁铸态石墨形态、数量、大小的因素较为复杂,实际生产中当碳含量提高到2.5%左右,含硅量达1.7%左右,铸态组织中会不同程度地出现铸态石墨,用RE处理的可锻铸铁其凝固过程相当于亚共晶生铁,碳硅含量较高时均会出现铸态球状石墨,同时孕育过程中促进石墨化元素的加入,孕育方法、冷却速度等对石墨的形态和数量都有很大影响并直接影响可锻铸铁石墨化退火过程。

(4)为了获得可锻铸铁经石墨化退火后的优异组织和性能,必须避免石墨化退火过程中在600~400 e之间缓慢冷却,以防变脆,特别是冲击韧性的急剧下降。

参考文献:

[1]西安交通大学金相教研室.钢铁金相学[M].西安:西安交通大学,1976.

[2]姜振雄.铸铁热处理[M].北京:机械工业出版社,1978.

[3]大连工学院5金属学及热处理编写小组6.金属学及热处理[M].北京:科学出版社,1977.

[4]周荣,郎本智,吴勇生.硅对可锻铸铁共晶渗碳体显微结构的影响[J].铸造,1997,(1):21-24.

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