铁神一号净化剂对铸态球铁金相组织和力学性能的影响
蒋祖滨1 刘金海2 曾大本 3 李国禄2 高颂 2 徐献义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
采用中频感应电炉熔炼球墨铸铁原铁液，水玻璃砂造型，浇注Y型试块及热分析试样，研究了铁神一号净化剂（下称净化剂）对球墨铸铁组织和力学性能的影响。试验结果表明，加入净化剂可以获得理想的球化效果,使石墨球数增加，石墨球直径减小，改善石墨球分布状态；可以降低磷含量，钒钛含量有所增加；其力学性能达到了QT500-7标准。净化剂对球墨铸铁的共晶过冷度和白口倾向影响不大。
关键词：球墨铸铁 铁神一号净化剂 金相组织 力学性能
Effect of Purifying Agent on the Microstructure and Mechanical Properties of Nordular Graphite Cast Iron
Jiang Zubin1 Liu Jinhai2 Zeng Daben3 Li Guolu2 Gao Song2 Xu Xianyi2 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 Y type specimen and thermal analysis sample was poured in sodium silicate bonded sand mould. The effect of purifying agent on the microstructure and the mechanical properties of nodular cast iron specimen was investigated. The result has shown that the addition of purifying agent could increase the number of graphite nodule, decrease the diameter of graphite nodule and improve the distributing of the graphite nodule. In addition, the content of Phosphorus was decreased and the content of Vanadium and Titanium was increased. The mechanical properties of the test nodular cast iron is satisfied with the grade of QT500-7. The effect of addition of purifying agent on the eutectic undercooling and chilling tendency is not obvious.
Key words: Nodular Cast Iron; Purifying Agent; Microstructure; Mechanical Properties
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
“铁神一号”净化剂是四川都江堰市金星钢铁助剂研究所发明的一种具有净化作用和长效孕育作用的新型孕育剂，它由许多矿物组成，具有去脱气、除氧、降低硫磷、清除夹杂、净化铁液、细化晶粒、提高力学性能的作用。为了进一步了解净化剂在球墨铸铁中的作用机理，本实验分别使用硅钡孕育剂和净化剂在球化处理同时，对QT450-10原铁液进行孕育，通过对比分析，研究了净化剂对球墨铸铁金相组织和力学性能的影响。
二 试验方法
试验用QT450-10球墨铸铁铁液在，30公斤酸性中频感应电炉进行熔炼，铁液球化处理温度为1520-1550℃，试样浇铸温度为1400-1430℃。球化处理和孕育处理同步完成，球化剂加入量1.5%，净化剂加入量0.6％。硅钡孕育剂加入量0.7％。分别将净化剂、球化剂和硅钡孕育剂放入球化包内，冲入法处理球墨铸铁（净化剂孕育试样编号QJ-3，硅钡孕育剂孕育试样编号Q-4）。出铁完毕后搅拌均匀，扒渣，浇注各种试样。水玻璃砂造型，浇注试样为Y型试块、光谱分析试样、热分析试样、三角试片。炉前使用NSP-1303型热分析仪测定凝固曲线，利用光谱分析仪测定化学成分，在Y型试块上取拉伸试棒和冲击试样，测定抗拉强度、延伸率、冲击韧性、硬度和金相组织。利用XJP-6A金相显微镜及其附带的金相检验软件系统对试样石墨球的球化率、直径、球化级别等进行分析，每个试样取5个视场，取其平均值。试验用的球墨铸铁化学成分如表1所示。
三 试验结果与分析
1 净化剂对球墨铸铁结晶过冷度及白口倾向的影响
图1分别为加入净化剂和不加入净化剂处理的球墨铸铁冷却曲线。由图可见，加入净化剂的球墨铸铁在冷却过程中，大约于1230℃左右出现拐点，说明此时析出初生奥氏体，但是与普通灰铸铁相比，析出初生奥氏体的拐点不是很明显，说明初生奥氏体析出量较少。随着铁水温度继续下降，奥氏体继续析出。大约在1156℃时，发生共晶反应，但是共晶温度回升不明显。加入硅钡孕育剂的球墨铸铁共晶开始温度为1156.67℃，由于结晶潜热的释放，共晶温度回升为1159.44℃，大约回升2.77℃。与灰铸铁的共晶凝固相比，球墨铸铁的共晶温度回升比较小，这是由于球墨铸铁共晶时，奥氏体壳包围在石墨球的周围，使碳原子向石墨的扩散速度慢得多，共晶结晶速度降低，共晶时间延长，放出的结晶潜热速度降低，以至于回升温度较小。
炉前为了快速检查球化处理铁液的球化状态和白口倾向，浇铸了三角试片，其断口如图2所示。由图可见，三角试片的断口为略灰的银灰色，尖端处几乎无白口，QJ-3中心有缩松，三角形两腰有内凹，此为球化良好的特征；Q-4中心也有微量缩松，两腰微有内凹，但不如QJ-3明显。由此可以得出：使用净化剂对球墨铸铁进行净化和孕育处理，可以降低球墨铸铁的白口倾向，可以获得良好的球化效果。
表2为净化剂对球墨铸铁含磷量和微量元素的影响。由表2可以看出，加净化剂处理后，球墨铸铁试样中磷的含量较对比样低43.4%，钒和钛的含量有所增加。磷是铸铁中非常容易偏析的有害元素。铸铁中含磷达到0.05％时，便有可能在铸铁中形成磷共晶组织。磷共晶常以不连续网状或孤岛状的形式分布于原共晶团间。磷共晶增加铸件的脆性，降低塑性，因此在成分设计中，应限制含磷含量。由于磷的偏析形成的二元和三元磷共晶，硬度非常高，且硬、而脆，容易从基体上剥落下来，成为磨料，使得磨损更加严重。实验结果得出：净化剂对球墨铸铁磷含量有一定降低作用。
另外，经电子探针能谱分析表明，加入净化剂对球墨铸铁合金元素的偏析影响不大。值得注意的是，用净化剂处理后的球铁铁液析出物很少，表面比较干净，氧化膜较少，实为净化剂对铁水净化作用所致。
3 净化剂对球墨铸铁石墨球数、直径、球化率、分布的影响
检测得出，试样的球化率、球化分级、球径、球数和石墨大小级别如表3所示。由表3可见，两种处理方式的球墨铸铁石墨球化级别均为2级，球化率分别为91.6%、 94.1%；净化剂孕育的球墨铸铁石墨球数为308个／mm2，直径较小,平均直径为1.28μm，石墨大小级别为8级；硅钡孕育剂孕育的球墨铸铁石墨球个数为295个／mm2，球径较大，平均直径为2.14μm，石墨大小级别为7级。由此可以得出：使用净化剂处理球墨铸铁，具有良好的孕育作用，可以增加石墨球数量，减小石墨球直径，获得细小园整的球状石墨，得到良好的球化效果。
4 净化剂对球墨铸铁金相组织及力学性能的影响
图3为球墨铸铁的铸态基体组织。由图3可见，加入净化剂和未加入净化剂的球墨铸铁基体组织均为铁素体。
力学性能检测结果如表4所示。由表4可知，加入净化剂的球墨铸铁试样抗拉强度为506Mpa，延伸率为19.86%，硬度为HB177，冲击韧性为86.51 J/cm2；硅钡孕育剂孕育的球墨铸铁试样抗拉强度为512Mpa，延伸率为19.75%，硬度为HB158，冲击韧性为99.67 J/cm2。由此可以得出，净化剂和硅钡孕育剂对球墨铸铁的抗拉强度、延伸率、冲击韧性均有积极影响，可以明显提高球墨铸铁的抗拉强度和延伸率，使其达到了QT500-7标准；净化剂孕育的球墨铸铁的硬度提高，比单独硅钡孕育剂孕育的球墨铸铁大约提高12％。由于QJ-3与Q-4的基体均是铁素体，其硬度主要取决于石墨的形态与大小。净化剂孕育的QJ-3球墨铸铁试样石墨球细小，对基体的割裂作用小，所以硬度较高；另外，净化剂是由多种元素的化合物组成，这些元素固溶到基体中，从而强化了基体，提高了球铁的硬度。
四 结论
1 使用净化剂孕育球墨铸铁，可以使石墨球数增加，石墨球直径减小，获得细小园整的球状石墨，改善石墨球的分布情况，提高球化率，获得良好的球化效果。
2 使用净化剂孕育球墨铸铁，可以降低磷含量，钒钛含量有所增加，对铁液具有净化作用。
3 净化剂对球墨铸铁共晶结晶过冷度影响不大，但是可以降低球墨铸铁的白口倾向。
4 添加净化剂净化、孕育QT450-10球墨铸铁，其力学性能可以达到QT500-7的标准，同时硬度有所提高。
参考文献
1 徐建林 苏义祥 路阳 王治平 球墨铸铁常见缺陷的分析与对策铸造 2001（4）：225－228
2 黄汉云 刘宗明 林益平 球墨铸铁生产质量控制 机械工程材料 2004（4）：53－54
