蒋祖滨1 刘金海2 曾大本 3 李国禄2 徐献义2 高颂 2 边泊乾2
1. 都江堰市钢铁助剂研究所 四川 都江堰 611833
2. 河北工业大学材料科学与工程学院 天津 300132
3. 清华大学机械工程系 北京 100084
摘 要
利用中频感应电炉熔炼灰铸铁铁液，水玻璃砂造型，浇注铸造阶梯试样、φ30mm试棒以及热分析试样，研究了净化剂对其结晶过冷度、组织和力学性能的影响。试验结果表明，单独加入净化剂可以增加过冷倾向，细化石墨，降低断面敏感性；可以提高灰铸铁的抗拉强度和冶金质量指标；同时加入净化剂和硅钡孕育剂对灰铸铁进行复合孕育，明显增加了共晶团数量，可以获得细小A型石墨，显著提高灰铸铁的力学性能。
关键词：灰铸铁 净化剂 金相组织 力学性能 结晶过冷
Effect of Purifying Agent on the Microstructure and Mechanical Properties of Gray Iron
Jiang Zubin1 Liu Jinhai2 Zeng Daben3 Li Guolu2 Xu Xianyi2 Gao Song2 Bian Boqian2
1.Institute of Iron and Steel Purifying Agent, Dujiangyan City, Sichan Province, 611833
2.School of Materials Science and Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin, 200132
3.Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University, Beijing, 100084
Abstract
The liquid iron was melted in middle frequency induction furnace. The ladder specimen， round specimen of diameter 30mm and thermal analysis sample was poured in sodium silicate bonded sand mould. The effect of purifying agent on the solidification undercooling, the microstructure and the mechanical properties of gray cast iron specimen was investigated. The result has shown that the alone additon of purifying agent could increase the undercooling, refine the flake graphite, decrease the sensibility of section and improve the tensile strength and the index of metallurgical quality. In addition, the eutectic cell of grey cast iron can be increased remarkablly by simultaneous addtion of purifying agent and sillican-barium innoculant. The fine and A-type flake graphite can be obtained. The mechanical properties of gray iron could be improved notably.
Key words: gray iron; Purifying Agent; Microstructure; Mechanical Properties; Solidification undercooling
作者简介：蒋祖滨（1944— ）四川省都江堰市人，都江堰市金星钢铁助剂研究所所长。2003年发明铁神一号净化剂，2005年提出铁水净化理论。研究方向：钢（铁）液净化。
一 前言
我国铸件的产量已经连续几年世界第一［1］，2003年达到1814万吨，2004年，达到1978万吨[2]，其中，铸铁件占70－80％。在铸铁件产量中，普通灰铸铁约占70－80％。可以说中国是一个铸造大国，但不是铸造强国。与世界先进国家相比，我国的灰铸铁件废品率高；在同碳当量条件下，我国的灰铸铁件力学性能低1－2个牌号；另外，机加工性能差［3］。因此，如何提高我国灰铸铁件的冶金质量，始终是一个值得研究的课题。
根据两年来用户实际使用情况，发现铁神一号净化剂具有净化铁液、细化晶粒、延缓衰退、降低磷硫、提高力学性能的作用。为了进一步搞清铁神一号净化剂的作用机理，本文主要研究了“铁神一号”对灰铸铁组织与力学性能的影响，以便进一步认识“铁神一号”净化剂。加快“铁神一号”净化剂的市场推广。
二 试验方法
试验用的灰铸铁试样按照HT200的化学成分进行配料。铁液用30公斤酸性中频感应电炉进行熔炼，铁液出炉温度为1500-1520℃，试样浇铸温度为1380-1400℃。根据铁神一号净化剂的使用要求，净化剂加入量0.6％，将净化剂放入浇注包内，出铁液冲入。另外，硅钡孕育剂加入量0.7％，加入浇注包内冲入铁液。出铁完毕后搅拌均匀，扒渣，浇注各种试样。试样为水玻璃砂造型，浇注试样为三角试片、热分析试样、阶梯试块、直径为30mm的立浇试棒。
炉前用NSP-1303型热分析仪测定凝固冷却曲线，测试试样的抗拉强度、硬度、金相组织和共晶团数。共晶团测试选取5个视场，取其平均值。
试验用的灰铸铁化学成分如表2所示。
三 试验结果与分析
1净化剂对灰铸铁结晶过冷度与白口倾向的影响
图1为利用热分析仪测定的冷却曲线，由图可以可获得凝固冷却曲线中的某些特征值，如表3所示。由此可见，净化剂对灰铸铁初生奥氏体化温度影响不大，大约为1215-1219℃，但对共晶过冷度的影响较大。仅仅加入净化剂的灰铸铁的共晶过冷度为26.03℃；当净化剂和硅钡孕育剂一同加入时，共晶过冷度减小为18.25℃；当不加净化剂，只加硅钡孕育剂时，共晶过冷度降低到16.58℃。另外，加入净化剂后，灰铸铁的共晶温度回升比较高；当仅仅加入硅钡孕育剂时，共晶温度回升比较小。
图1 凝固冷却曲线
Fig. 1 Cooling Curve of Solidification
表2凝固冷却曲特征值（℃）
Table 2 Characteristic numberi of Cooling Curve
试样编号 初生奥氏化温度 理论共晶温度 共晶最低温度 共晶回升温度 共晶过冷度 共晶温度回升
HJ-4 1217.78 1168.25 1142.22 1150.56 26.03 8.34
HYJ-5 1219.00 1168.25 1150.00 1152.78 18.25 2.78
HY-6 1215.00 1168.25 1151.67 1155.00 16.58 3.33
为了进一步说明净化剂对灰铸铁白口倾向的影响，同时浇注了炉前三角试片，其断口如图2所示。由图可见，仅仅加入净化剂的HJ号试样白口宽度最大，约为6mm，同时加入净化剂和硅钡孕育剂的三角试片断口白口宽度约为2mm，单独加入硅钡孕育剂的三角试样断口尖端处几乎没有白口。这个试验结果与上述热分析曲线得到的过冷度是一致的。
图2 三角试片断口
Fig. 2 Fracture of Triangular Specimen
2净化剂对灰铸铁石墨类型与分布的影响
图3为不同试验方案灰铸铁的片状石墨形态与分布（φ30mm试棒）。
由图3可见，加入净化剂后，除了A型石墨外，铸铁中出现大量的过冷石墨，即D、E型石墨。仅加入硅钡孕育剂的铸铁，石墨主要为A型石墨。同时加入净化剂和硅钡孕育剂的铸铁，石墨类型也主要为细小A型石墨。
(a) HJ－4试样（过冷石墨＋A型石墨）
(b) HY－6试样（A型石墨）
(c) HYJ－5试样（细小A型石墨）
图3 石墨形态与分布 100×
Fig.3 Morpholorgy and Distribution of Flake Graphite
3净化剂对灰铸铁共晶团数量的影响
表3为不同试验方案的共晶团数量检测结果。由表4可见，仅仅加入净化剂的铸铁，共晶团数为223个／cm2；仅加入Si-Ba孕育剂的灰铸铁共晶团数居中，为367个／cm2；同时加入净化剂和硅钡孕育剂的铸铁共晶团数量最高，达到441个／cm2，以上试验结果说明，对于灰铸铁，仅仅加入净化剂时，共晶结晶过冷度增大；仅仅加入硅钡孕育剂时，结晶的过冷度相对较小；同时加入净化剂和硅钡孕育剂对铁液进行复核孕育时，提供了大量的石墨结晶核心，显著
提高了共晶团数量，结晶过冷度较大。
4净化剂对灰铸铁组织断面敏感性的影响
为了研究净化剂对灰铸铁组织断面敏感性的影响，测定了阶梯试块的硬度和组织。图4为壁厚对灰铸铁布氏硬度的影响。由图4可见，随着试样壁厚的增加，硬度逐渐降低。
众所周知，灰铸铁的硬度是由基体和石墨形态所决定的。经过金相组织观察表明，阶梯试块在7－45mm范围内，基体组织皆为珠光体，不同的是由于冷却速度的差别，导致不同壁厚断面的奥氏体枝晶形态和石墨形态不同。当壁厚较小时，结晶冷却速度较快，奥氏体枝晶发达，大部分石墨为D、E型过冷石墨；另外，奥氏体共析组织转变时过冷度较大，珠光体片间距较细，因此，阶梯试块的壁厚较小时，硬度较高。随着壁厚的增加，冷却速度降低，奥氏体枝晶变得不发达，并且粗化；同时，共晶时的结晶过冷度逐渐变小，共晶晶粒粗化，石墨片长度逐渐增长，共析转变时珠光体片间距变得越来越大，所以，随着阶梯试块壁厚的增加，硬度逐渐降低。
阶梯试块最小壁厚与最大壁厚的硬度差值可作为衡量灰铸铁断面敏感性的指标。根据分析可知，仅仅加入净化剂的HJ号灰铸铁阶梯试块，7mm与45mm壁厚的硬度差值为△HB35；仅加入硅钡孕育剂的HY号试块的硬度差值为△HB46；同时加入净化剂和硅钡孕育剂的HYJ号阶梯试块，其最小壁厚与最大壁厚的硬度差值为△HB37。这说明，加入净化剂降低了灰铸铁的断面敏感性。
5净化剂对灰铸铁抗拉强度的影响
净化剂对灰铸铁抗拉强度的影响如表4所示。由表4可见，仅加入净化剂的灰铸铁抗拉强度为261Mpa；仅加入硅钡孕育剂的抗拉强度为252Mpa；同时加入净化剂和硅钡孕育剂的灰铸铁抗拉强度最高，可达282Mpa。本次试验的试棒为HT200，试验结果表明，单独使用净化剂或Si-Ba孕育剂和净化剂相比，都可以提高灰铸铁的抗拉强度，达到HT250的标准；同时使用净化剂和孕育剂对灰铸铁进行净化、孕育，处理效果更好，可以大幅度提高灰铸铁的抗拉强度。
图5为抗拉试棒的金相组织。由图5可见，加入净化剂的灰铸铁基体组织为珠光体，而不加净化剂的灰铸铁拉伸试棒的基体组织中除珠光体外，有少量的铁素体。这说明加入净化剂后，由于微合金化的作用，促进了珠光体组织的形成，有利于提高灰铸铁的抗拉强度。石墨片是以共晶团为单位互相隔离的，共晶团越细小，石墨对受力面的消弱越小，共晶团细化后，晶界面积增加，则共晶团边界上那些又硬又脆的低熔点夹杂物相对减小，脆化的影响也较小。所以，灰铸铁经过净化剂处理后，共晶团变得细小，铸铁的抗拉强度提高。
6净化剂对灰铸铁冶金质量指标的影响
实践表明，对同一成分的铁液经不同的处理，便能获得不同性能的铸铁，为衡量不同试验方案灰铸铁的冶金质量，测试了灰铸铁冶金质量指标，如表5所示。
由表5可见：加入净化剂的HJ号灰铸铁试棒的品质系数Qi值为1.128，同时加入净化剂和硅钡孕育剂的灰铸铁品质系数Qi为1.218，与仅仅加入硅钡孕育剂的灰铸铁的品质系数(1.257)相当。仅加入净化剂的灰铸铁的相对强度和硬化度较高，说明加入净化剂后，硬度提高，这对于改善较厚大断面的铸铁件硬度是有利的。当使用净化剂和硅钡孕育剂复合处理时，可以获得较好的综合性能指标。
四 结论
1、 在实验条件下，与单独加入净化剂或单独加入Bi—Ba孕育剂相比，同时加入净化剂和硅钡孕育剂对灰铸铁进行复合孕育，孕育效果最好，共晶团数量大大提高，能获得细小A型石墨，有利于提高灰铸铁的力学性能。
2、 加入净化剂，有利于提高灰铸铁的抗拉强度和硬度，灰铸铁断面敏感性降低，并提高灰铸铁的冶金质量指标，品质系数达到1.218。
3、 净化剂对灰铸铁共晶过冷度影响较大，加入净化剂的灰铸铁共晶过冷度增大，有利于细化石墨。
参考文献：
1. A Modern Casting Staff Report, 38th Census of world casting production---2003[J]. Modern Casting, 2004, (12):25-27
2. 赵立信 我国铸造业正进入新的发展阶段 2005中国铸造活动周论文集，中国机械工程学会铸造分会，沈阳，2005.8
3. 郭全领 曾大本 黄乃绪 改善康明斯气缸体加工性能初探， 2005中国铸造活动周论文集，中国机械工程学会铸造分会，沈阳，2005.8
|
