综合实验论文——高碳当量高强度灰铸铁组织性能研究
指导老师：王鑫铸造
学生：0803041 雷小波
高碳当量高强度灰铸铁组织性能研究
雷小波李沙沙闫雅雪
摘要：灰铸铁良好的铸造性能、良好的减振性、良好的耐磨性能、良好的切削加工性能、低的缺口敏感性，在很多领域得到了很好的应用，但由于在很多情况下很难达到高的强度，使其应用受到了很大的限制，文章力求在碳当量CE≥4.0%情况下，形成石墨形态为A型或D型的灰铸铁，抗拉强度σb≥300MPa。
但实验结果表明，在这种情况下，获得符合要求的灰铸铁是很难达到的，本实验以失败告终。
关键字：高碳当量高强度灰铸铁
1前言：
灰铸铁良好的铸造性能、良好的减振性、良好的耐磨性能、良好的切削加工性能、低的缺口敏感性。
但由于灰铸铁中的片状石墨对基体的割裂严重，在石墨尖角处易造成应力集中，使灰铸铁的抗拉强度、塑性和韧性远低于钢，但抗压强度与钢相当，也是常用铸铁件中力学性能最差的铸铁。
同时，基体组织对灰铸铁的力学性能也有一定的影响，铁素体基体灰铸铁的石墨片粗大，强度和硬度最低，故应用较少；珠光体基体灰铸铁的石墨片细小，有较高的强度和硬度，主要用来制造较重要铸件；铁素体一珠光体基体灰铸铁的石墨片较珠光体灰铸铁稍粗大，性能不如珠光体灰铸铁。
故工业上较多使用的是珠光体基体的灰铸铁。
而灰铸铁
的力学性能与基体的组织和石墨的形态有非常密切关系，在六种石墨形态中，以D型石墨的性能最佳，本文在前人的研究基础上，主要通过提高碳当量，添加合金元素来改变基体组织，以及石墨形态，来实现高强度灰铸铁的要求。
2.试验方法
2.1 配料依据
由于在碳当量不变的条件下，适当提高硅碳比可以使初析奥氏体量增加，有加固基体的作用，同时硅的提高，使铁液的白口倾向有所降低。
在高碳当量时，冷却速度一定的情况下，随着碳量的提高，初期奥氏体枝晶得到细化。
因此选择高硅高碳，较高的硅碳Si/C=0.7。
由于D型石墨性能比较好，但其成分为亚共晶成分，又因碳当量大于4.0%，且碳当量小于4.3%，取碳当量等于4.0%。
又由于CE=C+1/3(Si+P)，又Si/C=0.75，CE=4.0%，所以C=3.2%,Si=2.4%。
Mn的确定:课题技术要求σb≥300MPa，而Mn有很好的强化基体的功效，同时由于本实验对Mn也有实验性的研究，突破灰铸铁低锰的现实，所以实验选用高锰，Mn=1.5%。
由于本实验室高碳当量，硅碳都很高，对于实现良好性能的D型石墨非常不利，因此，本实验主要通过添加合金元素使石墨为D型而不是A型，以珠光体为基体的灰铸铁。
其他元素的确定：
Sb:强烈促进珠光体的形成，其在灰铸铁的加入量为<0.02%，选取为0.018%。
Ti：在铸铁中具有石墨化和反石墨化的双重作用其含量较低时表现为石墨化作用，含量高时则表现为反石墨化作用。
一般情况下，钛的石墨化作用是使珠光体和共晶团数增加，奥氏体枝晶减少;反石墨化作用则表现为珠光体和共晶团数减少，奥氏体枝晶增多。
【1】同时Ti可以细化枝晶，强化基体，因此Ti不宜加得过多，通常用量为0.17%。
Cu：铜(0一l%)对基体组织和石墨形态的影响，铜促进珠光体转变、提高并稳定珠光体量、细化珠光体;促进产生A型石墨并改善石墨形态和使石墨变粗变短。
【2】而且Cu促进共晶阶段的石墨化，降低奥氏体转变的临界温度，细化并增加珠光体，取0.8%。
Ni：扩大奥氏体区，共晶期间促进石墨化，降低奥氏体转变温度，细化并增加珠光体，其用量Ni<3%,选用2%。
2.2 配料计算
生铁：C=4.29% Si=0.89% Mn=0.15% ,P S不计。
硅铁：Si=75% 锰铁：Mn=80% 钛铁:Ti=40%
纯铜，纯镍，75Si-Fe=0.5%
成分：C=3.2%,Si=2.4%,Ti=0.17%,Cu=0.8%,Ni=2%,Sb=0.018%
熔炼质量5kg。
公式：C%=3.2%=4.29%·m1/m总得p1=m1/m总=0.764
Si%=2.4%=75%·m2/m总得p2=m2/m总=0.032
Mn%=1.5%=80%·m3/m总得p3=m3/m总=0.019
Ti%=0.17%=40%·m4/m总得p4=m4/m总=0.004
Ni%=2%=m5/m总得p5=m5/m总=0.02
Cu%=0.8%=m6/m总得p6=m6/m总=0.008
由上式得：p总=p1+p2+p3+p4+p5+p6=0.829
m1%=p1/p总=90% 得m1= 4500 g
m2%=p2/p总=3.86% 得m2= 193 g
m3%=p3/p总=2.29% 得m3= 114.5 g
m4%=p4/p总=0.48% 得m4= 24 g
m5%=p5/p总=2.41% 得m5= 120.5 g
m6%=p6/p总=0.96% 得m6= 48 g
即，生铁：4500g，硅铁：193g，锰铁：114.5g，钛铁：24g,镍：120.5g,铜：48g。
2.3 造型
由于受实验室条件的影响，并本着便于操作的原则，本实验采用砂型铸造。
由于灰铸铁熔炼温度较高，加上过热的要求，温度可达到1450~1470摄氏度，因此采用黑土砂，选用标准拉伸试棒铸型进行造型。
2.4 熔炼及浇注
根据实验室条件，本实验采用电弧炉进行加热，操作方便且可以减少氧化。
浇注时，有两个同学协作完成，一个人负责将金属也从炉子内往外倒，另一个负责在外面接住金属液，并完成最后的浇铸。
此过程一气呵成，但由于金属液的飞溅需要我们做好防护。
2.5 实验处理
浇注完后，我们对铸件进行了清理，我们之浇铸成功了一个试棒，而且试棒表面粗糙。
随后我们将其切割成标准试棒，并利用浇不足的试棒制作了一个做金相的试样。
随后我们进行了拉伸和金相试验。
2.6 实验结果
2．61金相图片
图片1 20倍
图片2 5 0倍
图片3 20倍
图片4 50倍
图片5 10倍
图片6 50倍
2.6.2 拉伸试验
灰铸铁拉伸试验表2-1
截面积最大载荷N 抗拉强度MPa 断裂强度MPa 断裂伸长50.26544 7164.25 142.582 4.896 10.81
拉伸曲线图片黏贴
拉伸曲线图2-1
3.实验结果分析
3.1图片分析
由图片1，这是在20倍的放大倍数下的图片，我们可以清楚地看到均匀分布的石墨片，初步判断，其为A型石墨。
有图片2，他是在50 倍的视野下的图片，我们可以看到大的石墨片，同时在石墨片的周围，我们还可以看到铁素体以及细片状和粒状的珠光体，可以确定，其为A型石墨。
由图片3，是在20倍放大倍数下的图片，我们可以看到带尖角块、粗大片状初生石墨，这跟C型石墨非常相似，由图片4，在50 倍下，我们可以清晰的看到带尖角的石墨片，这对抗拉强度的影响很大，是典型的C型石墨。
由图片5，它是在10倍的放大倍数下图片，由于试样腐蚀过重，很难辨别基体组织，但从宏观上我们可以依稀看到星状的石墨，这与F型石墨大体相符，由图片6，在50倍放大倍数下，我们可以清晰的看到星状石墨，可以判断其是F型石墨。
3.2 抗拉结果分析
由抗拉结果可以知道，显然我们的实验很不成功，远远没能达到实验要求。
其客观原因：一是，本实验由于采用的是高碳当量，而且力求添加合金元素，是材料到实验要求的强度，因此合金元素添加较多，尤其是Ni，达到了2.0%,似的金属液的流动性非常差，因此在浇注时出现了严重的浇不足，成功的试样只有一件，这使得在做拉伸试验时，是能做一做试验，其结果的偶然性难以避免，其实验结果很难说明问题。
二是，在浇注的时候，由于操作上的不熟练，在浇注前停留的时间稍微有些长，这一方面降低了金属液的流动性，另一方面，使得金属液的氧化变得严重，似的凝固后的金属也中有一些氧化夹杂，这对拉伸强度都有一定的影响。
三是，在实验过程中，由于实验条件的限制，使得我们在铸型后不得不拆箱，使得在浇注时，受金属液的冲击，砂型发生了一些错动，使得浇注后的试棒上下没有很好地对齐，这对拉伸结果有一定的影响。
主观原因主要有以下方面，由于本试验主要是通过添加合金元素使基体向珠光体转变，形成A或D型石墨。
但由于没有综合考虑各个元素的综合作用，使得实验结果与预期相差很大。
一是，从图片的分析可以知道，其组织很不均匀，既有A型石墨，C型石墨，还有F型石墨，这主要是由于合金元素添加过多，使
合金的流动性变得很差，其在凝固过程中，合金也不能很好的扩散，各部分组织成分很不均匀。
二是，合金元素的加入，使得共晶点左移，这就造成在碳当量为4.0%时，也会发生过共晶，这就导致一次渗碳体的形成，这就解释了C型石墨，A型石墨的形成。
同时由于在室温下冷却，而且没有保温，在过共晶时，快冷条件下，这就可以形成F型石墨。
4.综述
由于合金元素添加过多，致使没有达到所要求的D型石墨，即使有少量的A型石墨的形成。
【1】Ti在高碳当量灰铸铁中的石墨化和反石墨化作用熊仲明张卫善张丽娟(北京科技大学北京100083)
【2】铜对灰铸铁性能和组织的作用中国农机研究院工艺材料所洛阳第一拖拉机厂张伯明胡家聪关洪国吴英考（执笔)刘瑞芳陈鹤涛刘景陶李树达。