1、第七章第七章第七章第一节铸铁及其熔炼第二节铸钢及其熔炼第三节铸造非铁合金及其熔炼复 习 思 考 题第一节铸铁及其熔炼一、灰铸铁二、孕育铸铁三、球墨铸铁四、铸铁的熔炼一、灰铸铁1.灰铸铁的牌号及性能一、灰铸铁表7-1按单铸试棒性能分类牌号抗拉强度MPa牌号抗拉强度/MPaHT100100HT300300HT150150HT350350HT200200HT400400HT250250一、灰铸铁表7-2灰铸铁件硬度牌号硬度牌号铸件上的硬度范围HBW硬度牌号铸件上的硬度范围HBWH145最大不超过170H215190240H175150200H235210260H195170220H255230280
2、一、灰铸铁2.铸铁的金相组织及其与力学性能的关系图7-1灰铸铁的金相组织一、灰铸铁(1)铸铁中的石墨及其对力学性能的影响石墨在灰铸铁中，它本身有两个特点，一是密度小(2.25g/cm3)，所以在铸铁中占的体积大；二是力学性能很低，抗拉强度小于20MPa，塑性几乎等于零，硬度HBW大约为3左右。1)石墨的形状及其对力学性能的影响。图7-2灰铸铁石墨的形状a)片状石墨b)蠕虫状石墨c)絮状石墨d)球状石墨一、灰铸铁表7-3石墨形状对珠光体灰铸铁抗拉强度的影响石墨形状长片状（普通灰铸铁）细片状（孕育灰铸铁）蠕虫状（蠕虫状石墨铸铁）团絮状（可锻铸铁）球状（球墨铸铁）抗拉强度MPa15025020040
3、0350500450700600800一、灰铸铁2)片状石墨的分布及其对力学性能的影响片状石墨的分布有下述六种，如图7-3所示。图7-3片状石墨的分布一、灰铸铁 A型石墨。图7-3a所示为无向性均匀分布的石墨，主要出现在共晶或接近共晶成分的亚共晶铸铁中，其结晶条件是过冷度较小。A型石墨在基体相同的条件下，铸铁的强度较好。B型石墨。图7-3b所示的石墨称菊花状石墨，是无向性分布，出现在亚共晶铸铁中，结晶条件与A型相比其过冷度较大。B型石墨因中心石墨密集，又常伴着大量铁素体析出，使铸铁出现软点，故强度、耐磨性要低些。一、灰铸铁 C型石墨。图7-3c所示石墨也称块状石墨或粗集石墨，这种石墨主要出现在
4、过共晶铸铁中，特别是当铸件厚大时更易出现。常用的灰铸铁多为亚共晶或共晶铸铁，因而一般不常见。D型石墨。图7-3d所示石墨也称枝晶点状石墨，多出现在冷却速度较大的亚共晶铸铁中，虽无方向性但分布不均，石墨周围又易出现铁素体，因而对铸铁强度一般是不利的。一、灰铸铁 E型石墨。图7-3e所示石墨也称枝晶片状石墨，同D型一样是晶间石墨，其排列有方向性，大大加强了石墨对基体的割裂作用，因而更显著地降低了铸铁的强度。F型石墨。图7-3f所示石墨也称星形石墨，这种石墨仅出现于高碳的过共晶铸铁中，特别是对于薄铸件，冷却速度大时更易产生这种石墨。3)片状石墨的长度及其对力学性能的影响片状石墨长度的金相检验，一般用
5、放大倍数为100倍的金相显微镜进行，其分类见表7-4。一、灰铸铁表7-4石墨长度分级级别名称石墨长度mm级别名称石墨长度mm1石长1001005石长96122石长75501006石长45363石长3825507石长251534石长1812258石长1515一、灰铸铁4)石墨的数量石墨的数量也是石墨金相检验中的经常测定的项目。(2)铸铁中金属基体与力学性能的关系。1)灰铸铁基体的种类。图7-4灰铸铁的基体a)铁素体基体(200)b)珠光体基体(200)c)铁素体和珠光体基体(200)一、灰铸铁表7-5铸铁基体种类与碳存在形式的关系铸铁名称金相组织在铸铁中碳的存在形式铁素体灰铸铁石墨+铁素体基本上
6、全部是石墨铁素体珠光体灰铸铁石墨+铁素体+珠光体主要是石墨，有质量分数为08%以下的化合碳珠光体灰铸铁石墨+珠光体主要是石墨，约有质量分数为08%的化合碳麻口铸铁石墨+珠光体+渗碳体有石墨和质量分数为08%以上的化合碳白口铸铁珠光体+渗碳体全部是化合碳一、灰铸铁2)灰铸铁基体中珠光体的数量及其与力学性能的关系。3)珠光体细化程度及其与力学性能的关系。一、灰铸铁表7-6珠光体细化程度类别类号类别珠光体层间距（500）1索氏体型珠光体难以分辨2细片状珠光体1mm3中等片状珠光体12mm4粗片状珠光体2mm一、灰铸铁4)铸铁组织中磷共晶体和渗碳体及其与力学性能的关系。图7-5灰铸铁中磷共晶体a)二元
7、磷共晶体(500)b)三元磷共晶体(400)一、灰铸铁3.铸铁的化学成分对组织与性能的影响(1)化学元素对石墨、基体和相图的影响1)化学元素在铸铁中的存在形式。一、灰铸铁表7-7各元素在铸铁中存在的形式固溶于基体中Si全溶于奥氏体或铁素体中Mn、Ni、Co可全溶于奥氏体P、S在奥氏体中溶解度极低Al其质量分数为8%9%及20%24%时，可进入固溶体，表现为对石墨化有利一、灰铸铁表7-7各元素在铸铁中存在的形式组成碳化物强碳化物形成元素V、Zr、Nb、Ti形成各自的碳化物中强碳化物形成元素Cr、Mo、W大部分溶入渗碳体，形成（FeCrC、（FeWC等复合碳化物弱碳化物形成元素Mn分别溶解于奥氏体
8、及碳化物，形成（FeMnCAl其质量分数为10%20%时形成FAl，而24%时形成A一、灰铸铁表7-7各元素在铸铁中存在的形式形成硫化物、氧化物及氮化物等夹杂物S形成FeS、MnS、MgS、FeSMnS、FeSFe等V、Ti、Ca、Mg等形成各自的硫化物、氧化物和氮化物P形成FP组成磷共晶纯金属相Cu、Pb超过溶解度时，以微粒状态存在于基体中一、灰铸铁2)化学元素对石墨的影响。一、灰铸铁表7-8铸铁中各元素对石墨形状、分布、大小的影响C、Si增高一定限度前降低C、Si量C、Si很低（孕育不良时）Cu、Ni、Mo、Mn、Cr、Sn（一定限度）O、S较高O、S极低Mg、RE（一定含量）石墨粗化石墨
9、细化有形成D型石墨倾向石墨细化石墨成片状石墨有成球、团趋势石墨成球状一、灰铸铁3)各元素对金属基体的影响。一、灰铸铁表7-9元素对基体的影响条件基体变化情况条件基体变化情况C、Si、Al增高铁素体增加高Mn、高Ni形成奥氏体Mn、Cr、Cu、Ni、Sn、Sb（一定量内）珠光体增加并细化提高Cu、Ni、Mo量可能出现中温转变产物贝氏体中Mn（其质量分数为5%7%）形成马氏体Mo珠光体细化一、灰铸铁4)化学成分对铁碳相图的影响。一、灰铸铁(2)碳和硅对铸铁组织和力学性能的影响碳和硅是灰铸铁中最主要的两个化学元素，它们对铸铁的组织与性能起着决定性的影响。一、灰铸铁图7-6铁碳硅相图(，2.4%和，4
10、.8%)一、灰铸铁图7-7碳、硅量与铸铁组织的关系白口铸铁麻口铸铁珠光体灰铸铁珠光体铁素体灰铸铁铁素体灰铸铁一、灰铸铁(3)硫和锰对铸铁组织与性能的影响硫在铸铁中是有害的元素。图7-8铸铁中碳、硅质量分数与抗拉强度的关系 280320MPa 250280MPa 210250MPa 210MPa 180210MPa 140180MPa一、灰铸铁一、灰铸铁(4)磷对铸铁组织与性能的影响磷可完全溶于铁液。(5)常用合金元素的影响从对共晶凝固时的石墨化作用，对临界转变温度，对奥氏体的稳定性，能否细化珠光体或出现其它组织，以及各元素在铸铁中的常用含量等各方面进行分析，各元素的具体影响汇总于表7-10中。
11、一、灰铸铁表7-10各合金元素在铸铁中的具体作用合金元素作用Ni溶于铁液及奥氏体；共晶期间促进石墨化，其作用相当于1/3（%）；降低奥氏体的转变温度，扩大奥氏体区，能细化并增加珠光体。30%时组织为珠光体型，可提高强度，主要用作结构材料；为3%8%时组织为马氏体型，主要用作耐磨材料；12%时组织为奥氏体型，主要用作耐腐蚀材料、无磁性材料等；对石墨粗细影响较小Cu在奥氏体中的极限溶解质量分数为35%（当为35%时）；促进共晶阶段石墨化，能力约为硅的1/5；降低奥氏体转变临界温度，细化并增加珠光体；有弱的细化石墨作用；常用质量分数10%一、灰铸铁表7-10各合金元素在铸铁中的具体作用合金元素作用C
12、r反石墨化作用属中强，如硅的石墨化作用为+1，则铬的反石墨化作用，共析转变时稳定珠光体；铬是缩小区元素，当为20%时，区消失；用量为015%30%；10时仍属灰铸铁（可能出现少量自由FC），但力学性能及耐热性有所提高。提高至2030时，得到白口组织，FC变成（FeCrC，即C型；高至1030时，主要用作抗磨、耐热零件，高铬铸铁中的碳化物主要为（FeCr，即型；高铬时，由于形成铬氧化膜，可提高耐热性一、灰铸铁表7-10各合金元素在铸铁中的具体作用Mo06%时，稳定碳化物的作用比较温和，主要作用在于细化珠光体，亦能细化石墨；当08时，对铸铁的强化作用较大；当用Mo合金化时，磷的含量一定要低，否则形
13、成PMo四元共晶，增加脆性；当，达到1820时，可抑制珠光体的转变，而形成针状基体；Mo能使过冷奥氏体等温转变图右移，并有使之形成两个“鼻子”的作用，故容易得贝氏体Mn可分别溶于基体及碳化物中，既强化基体，又增加了碳化物（FeMnC的弥散度和稳定性；降低温度，促使形成细珠光体、索氏体，甚至马氏体；使过冷奥氏体等温转变图右移，同时使点下降，7时得奥氏体基体一、灰铸铁表7-10各合金元素在铸铁中的具体作用W其属稳定碳化物元素，作用与Mo相似，但较弱；能使过冷奥氏体等温转变图右移，提高淬透性，但作用较Mo弱VV强烈形成碳化物，能形成VC、C、等；能细化石墨，有促进形成珠光体的作用；亦有增加珠光体高温
14、稳定性的作用；因太贵，很少单独使用Ti其亦能形成碳化物；与碳、氮亲和力极强；V和Ti的碳化物都有极高的硬度（TiC为3200HV，VC为2800HV）；其碳化物、氮化物常以细颗粒（方形、多边形）存在于铸铁中，可提高耐磨性，有强化铁素体的效果一、灰铸铁(6)常见微量元素的影响锡、锑、铋、铅、锌等元素能显著影响铁液的特性(如粘度、表面张力等)及凝固后的组织特点(如基体及石墨均受它们的影响较大)。一、灰铸铁表7-11微量元素在铸铁中的作用合金元素作用SnSn为增加珠光体量而加入，一般用其质量分数01，可提高铸铁强度，当其01时有可能使铸铁出现脆性；01%时，可出现反球化作用；共晶团边界易形成FeS的
15、偏析化合物，因此有韧性要求时应注意锡量的控制SbSb强烈促进形成珠光体；为0002001时，对球墨铸铁有使石墨球细化的作用，尤其对大断面球墨铸铁有效；其干扰球化的作用，可用稀土元素中和；在灰铸铁中加入其质量分数002，球墨铸铁中的适宜质量分数为00020010一、灰铸铁表7-11微量元素在铸铁中的作用Bi球墨铸铁中加铋能很有效地细化石墨球；大断面球墨铸铁中加铋能防止石墨畸变；干扰球化的作用，可由稀土元素中和Pb少量铅可在灰铸铁中出现魏氏组织石墨，严重降低强度，因而认为铅对灰铸铁总是有害的；在球墨铸铁中，可加入质量分数0003以消除大断面球墨铸铁中的厚片状石墨；其干扰球化作用，可由稀土元素中和Z
16、n在灰铸铁中加入其质量分数03%能去氧，使氧量降低到原有量的1/3；能细化石墨，增加化合碳量，白口倾向有所增加，强度、硬度有提高趋势，其加入质量分数可在0103；可能生成FZnC复合碳化物一、灰铸铁4.冷却速度及其它工艺因素对铸铁组织性能的影响(1)铸件冷却速度对铸铁组织性能的影响改变结晶过程的冷却速度将明显地影响铸铁的组织，因为铸件结构、铸型材料、浇注温度等因素都对铸件的冷却速度有着明显的影响，从而也就影响铸铁的组织和性能。1)铸件壁厚的影响。图7-9铸件壁厚(试样直径)与铸铁组织的关系白口铸铁麻口铸铁珠光体灰铸铁珠光体铁素体灰铸铁铁素体灰铸铁一、灰铸铁图7-10铸件壁厚对铸铁抗弯强度的影响
17、一、灰铸铁图7-11三角试片组织变化示意图2)浇注温度的影响。一、灰铸铁图7-12浇注温度不同时铸件的冷却曲线结晶温度铸型温度一、灰铸铁3)铸型材料的影响。(2)铸铁的液体状态对组织性能的影响1)铁液过热和高温保温的影响。图7-13铁液过热温度对力学性能的影响一、灰铸铁2)铸铁变质处理的作用。促进石墨化的变质剂。这种变质剂一般称孕育剂，如硅铁、硅钙等铁合金。其作用可减小结晶过冷度，提高石墨化程度，促进片状石墨的形成并使之分布均匀，孕育铸铁的生产就是用这种孕育剂。阻碍石墨化的变质剂。如Cr、Mo等铁合金，其作用是细化石墨，细化珠光体，提高其力学性能。使石墨球状化的变质剂。这种变质剂一般称球化剂，
18、如镁、铈等元素。这类变质剂能强烈地增大结晶过冷度，阻碍石墨化。更重要的是可使石墨球状化。球墨铸铁就是用这类变质剂熔制的。一、灰铸铁 使石墨蠕虫状化的变质剂。这种变质剂一般称为蠕化剂，如稀土合金等。这类变质剂也能强烈地阻碍石墨化，适量加入时可使石墨呈蠕虫状。蠕墨铸铁就是用这类变质剂熔制的。3)铸铁熔炼时所用原铁料的影响。5.铸铁化学成分的确定(1)碳当量和共晶度的意义及表达式当分析一种具体成分铸铁的结晶过程时，首先要知道该铸铁是属于亚共晶还是过共晶，它偏离共晶点的程度有多大。一、灰铸铁一、灰铸铁(2)铸铁化学成分的数学模型为了正确确定铸铁化学成分，首先要明确铸铁化学成分与力学性能之间的数量关系，
19、也就是建立铸铁成分的数学关系式。解铸铁的共晶度Sc=(1020-b)/825=0.994一、灰铸铁(3)选定铸件化学成分铸件的使用性能是选择化学成分的前提，通常是由设计部门确定，并在图样上注明铸铁的牌号和性能要求，一、灰铸铁则成为确定化学成分的依据。一、灰铸铁表7-12铸铁化学成分的一般范围铸铁牌号铸件壁厚mm化学成分（）处理方法石墨组织基体组织HT10034392126050603015存在初生石墨，长无向分布，其质量分数为1215珠光体3070粗片状；铁素体7030；二元磷共晶7一、灰铸铁表7-12铸铁化学成分的一般范围HT150303050503235202419231822050805
20、08060903015片状石墨，长无向分布，其质量分数为珠光体4090中粗片状；铁素体1060；二元磷共晶7一、灰铸铁表7-12铸铁化学成分的一般范围HT20030305050323531343033162015181416070907090810030128090的片状石墨，晶间石墨，长度60250m，无向分布，其质量分数为69珠光体；中片状铁素体；二元磷共晶4%一、灰铸铁表7-12铸铁化学成分的一般范围铸铁牌号铸件壁厚mm化学成分（）处理方法石墨组织基体组织一、灰铸铁表7-12铸铁化学成分的一般范围HT25030305050303329322831151814171316081009111
21、01202012孕育8095片状石墨，520晶间石墨，长度m，无向分布，其质量分数为47珠光体中细片状；二元磷共晶2%一、灰铸铁表7-12铸铁化学成分的一般范围HT30030305050303329322831141713161215081009111012015012孕育80%95%片状石墨，520晶间石墨，长度30120m，其质量分数为36珠光体中细片状；二元磷共晶一、灰铸铁表7-12铸铁化学成分的一般范围HT35030305050283128312730131612151114101310131114015010孕育7590片状石墨，1025晶间石墨，长度30120m，其质量分数为24珠
22、光体细片状；二元磷共晶二、孕育铸铁1.孕育处理的目的1)通过加入孕育剂，在铁液中形成大量的非均质的石墨晶核，从而消除低共晶度铸铁在共晶转变过程中的白口倾向，使其结晶成为具有良好石墨形态的灰铸铁。2)改善石墨形态，使过冷型石墨转变为均匀分布无方向型石墨，并获得细片珠光体基体，从而提高铸铁的强度。3)减小铸件上薄壁与厚壁之间由于冷却速率不同而产生的组织上和性能上的差别，消除壁厚敏感性，提高铸铁组织的均一性。2.生产孕育铸铁的主要条件二、孕育铸铁(1)选择合适的化学成分选择适宜的碳、硅含量(碳当量)的原铁液，是生产孕育铸铁的关键。(2)铁液要有一定的过热温度如果在一定范围内提高铁液温度，能使石墨细化
23、，基体组织细密，抗拉强度提高(见图7-15)。(3)加入一定量的孕育剂表7-13列出了目前国内外已商品化的孕育剂成分。图7-14灰铸铁组织图石墨化因K4Si1-5/(3C+Si)/3白口铸铁区麻口铸铁区珠光体灰铸铁区珠光体铁素体灰铸铁区铁素体灰铸铁区二、孕育铸铁图7-15过热强度对铸铁力学性能的影响二、孕育铸铁WB7T13.eps二、孕育铸铁(4)关于孕育方法孕育处理的方法由(美)A.F.Meehan在1923年发明的，作为生产高强度灰铸铁的有效方法。图7-16孕育后铸铁性质随时间的变化a)孕育后保持时间和白口深度的关系b)孕育后保持时间与抗拉强度的关系c)孕育后保持时间与共晶团数量的关系13
24、.39%，1.98%，CE4.0523.03，1.45%，CE3.51孕育剂：Si-Ca0.25%0.30%(质量分数)二、孕育铸铁3.孕育效果的评估(1)白口倾向的评定常用孕育前后炉前三角试块的白口宽度大小来评定，见表7-14。二、孕育铸铁表7-14孕育前后试块白口宽度(单位：mm)灰铸铁牌号孕育前白口宽度孕育后白口宽度HT25061236HT30081848HT3501224610二、孕育铸铁表7-15三角试块尺寸(单位：mm)图例编号高度H宽度C长度L白口宽度极限B12512512062402012010350251501241005018025二、孕育铸铁(2)共晶团数一般在试块上测定
25、孕育前后的共晶团数，借以衡量孕育前后成核程度的差别(用含Sr孕育剂时，不能用此方法)。(3)测定共晶过冷度铁液孕育后，成核能力显著提高，因而共晶过冷度降低，一般亦可以孕育前后的过冷度大小比值来衡量孕育效果。4.孕育铸铁的组织和性能特点三、球墨铸铁1.球墨铸铁的牌号及性能和应用三、球墨铸铁表7-16球墨铸铁单铸试块的牌号及性能牌号抗拉强度/MPa屈服强度/MPa伸长率（）布氏硬度HBW基体金相组织最小值QT4001840025018130180铁素体QT4001540025015130180铁素体QT4501045031010160210铁素体QT50075003207170230铁素体+珠光体
26、QT60036003703190270珠光体+铁素体QT70027004202225305珠光体QT80028004802245335珠光体或回火组织三、球墨铸铁表7-16球墨铸铁单铸试块的牌号及性能QT90029006002280360贝氏体或回火马氏体三、球墨铸铁(1)铁素体球墨铸铁的性能及应用铁素体球墨铸铁指基体以铁素体为主，其余为珠光体的球墨铸铁；其典型牌号为QT40018、QT40015及QT45010；其性能特点为塑性和韧性较高，强度较低。(2)珠光体球墨铸铁的性能及应用珠光体球墨铸铁是以珠光体基体为主，余量为铁素体的球墨铸铁，QT6003、QT7002和QT8002则属于这一类型
27、，一般可在铸态或采用正火处理获得。三、球墨铸铁表7-17珠光体球墨铸铁和45锻钢静拉伸性能性能45锻钢（正火）珠光体球墨铸铁（正火）抗拉强度MPa690815屈服强度MPa410640伸长率（）263弹性模量EMPa211（1718）1屈强比0590785三、球墨铸铁表7-18珠光体球墨铸铁与45锻钢试样的弯曲疲劳强度材料弯曲疲劳强度MPa光滑试样带孔试样带肩试样带孔、带肩试样珠光体球墨铸铁25510020580175681556145锻钢（正火）305100225741956415051三、球墨铸铁(3)混合基体型球墨铸铁的性能及应用QT5007属铁素体和珠光体混合基体的球墨铸铁，这种铸铁由
28、于有较好的强度和韧性的配合，多用于汽车、农业机械、冶金设备及柴油机中一些部件，通过铸态控制或热处理手段可调整、改善组织中珠光体和铁素体的相对数量、形状及分布，从而可在一定范围内改善、调整其强度和韧性的配合，以满足各类部件的要求。(4)奥氏体贝氏体球墨铸铁的性能及应用三、球墨铸铁图7-17球墨铸铁的抗拉强度及伸长率三、球墨铸铁(5)奥氏体贝氏体球墨铸铁的热处理经等温淬火处理的球墨铸铁在国际上简称ADI，在我国称奥氏体贝氏体球墨铸铁(简称奥贝球铁)。图7-18奥贝球铁的金相组织与等温时间的关系马氏体贝氏体奥氏体碳化物三、球墨铸铁图7-19等温淬火时间对ADI性能的影响三、球墨铸铁2.球墨铸铁的生产
29、(1)化学成分的选定选择适当的化学成分是保证球墨铸铁获得良好组织状态和高性能的基本条件。1)碳和硅。2)锰。3)磷。4)硫。5)残余镁量及稀土量。6)合金元素。三、球墨铸铁 钼。在生产高强度球墨铸铁时，往往使用钼以提高其强度，一般钼的质量分数在0.25左右。在生产贝氏体球墨铸铁时，往往亦加入一些钼，使铸铁的奥氏体等温转变曲线(俗称C曲线)右移，以提高其淬透性。为了将奥氏体的等温分解温度降低至200400范围，须使铸铁的钼的质量分数为0.60.8(对于厚壁铸件，可选择高一些)；但在铸铁的结晶过程中，钼在共晶团内有较大的正偏析倾向，且钼的价格贵，故应注意控制使用。三、球墨铸铁 铜。铜具有稳定珠光体
30、的作用，国内外均有工厂用铜的质量分数为0.40.8的球墨铸铁制造汽车发动机的曲轴，有时常和质量分数为0.25%左右的钼配合使用。在贝氏体球墨铸铁中，常将铜和钼按WMo0.2%0.4%，wCu0.60.8配合使用，这种成分的球墨铸铁经过等温淬火处理，能稳定地获得高的贝氏体百分率的组织。铬。铬用于珠光体球墨铸铁，当加入质量分数为0.20.3时，即可起到显著的稳定珠光体及提高力学性能的作用，但由于其易形成铁铬碳化物，故使用时应谨慎。三、球墨铸铁 锑。锑是强烈稳定珠光体的元素，当其质量分数在0.0060.008时，能在提高球墨铸铁基体中珠光体百分率方面起到有效的作用。微量元素。球墨铸铁中常存在一些非特
31、意加入的微量元素，如Ti、As、Pb、Al、Sn等。在大多数情况下，这些元素对铸铁的性能起不良影响，或是干扰石墨球化，或是促使在共晶团边界上析出脆性相，或是在铁素体球墨铸铁中阻碍基体的铁素体化过程。因此，可加入wRE0.01%0.02%则能中和这些元素的有害作用。三、球墨铸铁(2)球墨铸铁的熔炼要求及炉前处理技术球墨铸铁具有高的力学性能，是以石墨球化状况良好为前提的，衡量石墨球化状况的标准是球化率、石墨球径和石墨球的圆整度。1)对熔炼的要求。2)球化处理。图7-20包底冲入法球化处理示意图1球化剂2硅铁粒(孕育剂)3稻草4铸铁片5铁液三、球墨铸铁3)孕育处理。三、球墨铸铁表7-19球墨铸铁常用
32、孕育剂名称化学成分（质量分数，）用途特点SiCaAlBaMnSrBiFe硅铁74790510816其余常规硅铁7479050816钡硅铁60650822102046810钡硅铁63680822102046锶硅铁737801050612硅钙60652530三、球墨铸铁表7-19球墨铸铁常用孕育剂铋995与硅铁复合、薄壁件三、球墨铸铁 例如质量分数为Ni14、Cu6、Cr2%、Si15的耐蚀球墨铸铁。4)球墨铸铁的质量控制技术。三角试块法。当球化良好时，试样边缘呈较大圆角，浇注位置上表面及侧面明显凹陷，银白色细密断口，断口中心有缩松、断口尖角白口清晰，敲击时有清脆金属声，音频较高，遇水时有类似电石
33、遇水的气味等。三、球墨铸铁 炉前快速金相检验法。在炉前浇注?20mm20mm的试块，凝固激冷后在砂轮上磨出表面，经粗磨和抛光后，用显微镜直接观察球化情况。这种方法可在35min内完成，快速、科学、准确，但需一套专用设备和专业操作人员。(3)球墨铸铁生产中的几个特殊问题1)关于铸态球墨铸铁的生产。2)高强度高韧性球墨铸铁。3)关于大断面球墨铸铁件的生产。4)关于薄壁铸态球墨铸铁件。三、球墨铸铁图7-21各种壁厚试样的冷却速度与白口临界球数的关系N白口临界球数R试样壁厚r相关系数三、球墨铸铁表7-20增加薄壁球墨铸铁石墨球数的方法与条件(壁厚3mm)元素加入量及加入方法其它条件说明稀土元素RE对原
34、铁液S的含量要求满足关系36要求与Ca同时加入002008%在球化处理时加入C、Si含量在CE50的范围内尽量高Mg加入量在保证球化必要范围内尽量低Mn、Cr、V、Ti等是降低C的活度元素其含量应尽量低RE加入量过多会减少石墨球数，产生白口，因此加入量不宜过高铋Bi0003001避免与RE同时添加，宜在球化处理时加入四、铸铁的熔炼1.冲天炉熔炼的基本原理(1)冲天炉熔炼的基本要求对冲天炉熔炼的基本要求，可以概括为优质、高产、低耗、长寿与操作便利五个方面。1)铁液的质量。铁液的出炉温度。铁液的出炉温度不仅应满足浇注铸件的需要，还应满足高牌号铸铁炉前处理及强度性能的需要。一般来说，铁液的出炉温度根
35、据不同的铸件至少要达到14201480。测量方法应按照CMES0001F1001冲天炉铁液温度接触测量方法进行。四、铸铁的熔炼 铁液的纯净。这主要是指铁液中的含气量和夹杂物的含量。铁液中的气体主要是氧、氮、氢，按质量计小于0.05，数量虽不多，但对铸铁组织和性能有较大的影响，由于检测目前还有一定的困难，作为炉前控制还难以定出指标。国外为获得优质铁液，对炉渣中FeO的含量进行检测。一方面渣中FeO的含量反映了Si、Mn的烧损程度，另一方面反映了铁液的氧化程度，如渣中FeO的质量分数4时，铁液中的氧的质量分数为(2040)10-6，则铸铁可得到较高的相对强度和较好的质量指标，所以球墨铸铁和孕育铸铁
36、要求渣中FeO的质量分数应在5以下。四、铸铁的熔炼 共晶团的数量。共晶晶粒愈细，铸铁的性能愈好。共晶团细化使铸铁强度增加的同时硬度增加很少，这一点是特别有利的。国外用共晶团数量来表示对某种铸铁力学性能的要求，如西德对内燃机缸盖就要求共晶团数不少于350个/cm2。其相关的质量指标。四、铸铁的熔炼四、铸铁的熔炼四、铸铁的熔炼 过冷度T。过冷度一般指铸铁合金平衡状态共晶凝固温度TE，取1150，与测得铁液冷却曲线最低共晶凝固温度Tu之间的差值，即T1TETu，称为“绝对过冷度”。四、铸铁的熔炼冷却曲线测得共晶凝固回升最高温度TR与最低共晶凝固温度Tu之间的差，称为“相对过冷度”，见式(7-21)。
37、2)熔炼速度快。3)熔炼耗费少。4)炉衬寿命长。5)操作条件好。(2)冲天炉内焦炭燃烧的基本规律1)焦炭燃烧的一般过程。四、铸铁的熔炼图7-22焦炭层状燃烧示意图四、铸铁的熔炼2)焦炭层中的氧化带。3)焦炭层中的还原带。4)炉气燃烧比。四、铸铁的熔炼四、铸铁的熔炼表7-21中性炉气的CO C与值温度600800100012001300CO C（体积比）117186300335354燃烧比4635252322四、铸铁的熔炼(3)冲天炉内炉气及炉温的分布特征1)冲天炉内炉气的分布。图7-23冲天炉内炉气分布示意图a)炉气沿炉膛纵截面分布b)炉气沿炉膛横截面分布1炉衬2风口四、铸铁的熔炼2)冲天炉内
38、温度的分布。图7-24冲天炉内炉气成分与温度沿高度的变化四、铸铁的熔炼图7-25冲天炉内炉气的C等浓度曲线(图中数字表示C)四、铸铁的熔炼(4)冲天炉内的热交换根据冲天炉内焦炭存在的状态不同，冲天炉内可划分为预热区、熔化区、过热区(即燃烧区，包括氧化带和还原带)和炉缸区。1)预热区内的热交换。2)熔化区内的热交换。图7-26炉气分布对熔化区形状和位置的影响a)对熔化区形状的影响b)对熔化区位置的影响四、铸铁的熔炼图7-27冲天炉内炉气及铁料温度沿高度分布四、铸铁的熔炼3)过热区内的热交换。4)炉缸区内的热交换在一般操作条件下，冲天炉炉缸内虽有焦炭，但基本上没有空气供给，几乎不燃烧发热，所以对高
39、温铁液来说炉缸是个冷却区。(5)影响铁液温度的主要因素1)焦炭对冲天炉铁液温度的影响。焦炭的成分。焦炭固定碳含量愈高，发热量就愈大，熔炼过程中由灰分形成渣量也相应减少，因而有利于提高炉气最高温度，采用固定碳质量分数高(85)的焦炭，是提高铁液温度的一条重要途径。四、铸铁的熔炼 焦炭的强度与块度。如果焦炭的强度低，焦炭入炉后在炉内易破碎，不能保持焦炭入炉时的块度。这不但恶化料柱透气性，而且影响熔化的稳定性，使炉子不能正常熔化。焦炭的强度包括抗压强度、抗冲击强度、抗碎裂强度(M40)和耐磨损强度(M10)。四、铸铁的熔炼表7-22推荐焦炭块度炉膛直径mm5006007009001100130015
40、00底焦块度mm6010080120100150120300层焦块度mm4080401006012070150四、铸铁的熔炼 反应能力。反应能力是指焦炭还原CO2的能力，通常以R表示。R值是CO2通过900的焦炭粒，测定反应后的气体成分，并由式(7-28)计算而得。焦炭反应能力大，会促成CO2C2CO反应的发展，从而降低炉气温度。因此，作为冲天炉燃料的焦炭，要求有低的反应能力，铸造焦炭的R值应低于30%。2)送风对冲天炉铁液温度的影响。四、铸铁的熔炼 风量的影响。提高冲天炉的进风量，由于提高了进风速度和炉内气体的流动速度，增加了参与燃烧反应的空气量，因而会强化焦炭的燃烧，扩大氧化带及高温区的高
41、度，提高炉气最高温度，从而有利于提高铁液温度。但是风量提高会提高燃烧速度，加快料层的下移速度，易造成炉料预热不足，熔化区下移，过热高度缩短，又不利于铁液过热。由此可见，冲天炉有一个合适风量，称为最惠风量(如以送风强度表示，则为最惠(送风强度)。而最惠风量的大小，主要取决于焦炭消耗率，如图7-28所示。四、铸铁的熔炼图7-28铁液温度与焦耗和风量的关系四、铸铁的熔炼 风速的影响。提高冲天炉进风速度，可清除焦炭表面阻碍燃烧反应的灰渣，强化焦炭燃烧，提高炉气最高温度。高速空气易深入炉子中心，可改善炉内炉气与温度的分布，减少炉衬侵蚀图7-29铁液温度与进风速度的关系四、铸铁的熔炼图7-30风温对底焦层
42、中炉气温度分布的影响四、铸铁的熔炼 风温的影响。提高送入炉内空气的温度，由于增加了氧化带的热量，可强化焦炭燃烧，提高燃烧速度和炉气最高温度；同时也缩短氧化区域，加剧CO2的还原反应，降低了炉气燃烧比。图7-30所示为风温对炉气温度分布的影响，风温愈高，炉气最高温度也愈高，高温区域并不缩短。由此可见，这对热交换有利，所以预热送风是获得高温优质铁液，提高炉子熔化率，降低元素烧损的有利措施。四、铸铁的熔炼 风中氧气浓度的影响。提高送风中氧的浓度，即富氧送风，可加速底焦的燃烧速度并增加CO2浓度，因而使氧化带缩短，还原带扩大，与热风具有相似的结果。有关资料指出，风中含氧质量分数增加3(即增至24)就能
43、达到相当于400热风的熔炼效果。3)金属炉料对冲天炉铁液温度的影响。4)熔炼操作参数对冲天炉铁液温度的影响。四、铸铁的熔炼 底焦高度。理论上底焦顶面应略高于炉内温度超过炉料熔化温度所在位置，即如图7-27中所示的H1。若底焦高度H0H1，金属炉料须待底焦燃烧下降至H1时才熔化，此时，有利于铁液的过热，但焦耗较多，熔化较慢；若H0H1，则熔化带势必下移，情况严重时金属炉料可能进入风口区，造成所谓的“落生”现象，而妨碍冲天炉的正常操作。由此可见，合适的底焦高度是确保冲天炉内进行热交换的基础，也是决定炉内各区域位置的基本因素。因此在冲天炉熔炼操作中，必须严格控制底焦的高度。四、铸铁的熔炼 层焦消耗量
44、。层焦消耗量在原则上应满足下列关系：每批层焦量熔化每批金属料的底焦烧失量；相当于每批层焦的底焦烧失时间每批金属料的熔化时间。批料量。图7-31所示为批料层厚薄对熔化区平均位置的影响。由图可知，当铁焦比例不变时图7-31批料层厚薄对熔化区平均位置的影响a)薄批料b)厚批料H底焦高度、熔化区高度A熔化开始位置、熔化结束位置、熔化区平均位置、批料熔化时间四、铸铁的熔炼5)冲天炉结构参数对铁液温度的影响。炉型的影响。炉型影响燃烧区域沿炉膛截面的分布，从而影响炉内的热交换。与直筒型炉型相比，曲线炉型的熔化区比较平直，熔化区的平均位置较高，这是由于炉型影响炉内气流与温度分布的结果。图7-32所示为我国目前
45、采用的冲天炉的四种典型炉型。从发展趋势看，大排距双排风口冲天炉(见图7-32b)将有更佳的经济效果。四、铸铁的熔炼图7-32我国冲天炉的四种炉型a)多排小风口b)两排大排距风口冲天炉c)中央送风冲天炉d)卡腰冲天炉四、铸铁的熔炼 风口布置的影响。在图7-32所示的几种炉型中，图7-32a所示为我国目前尚有应用的多排小风口冲天炉，这类炉子为适应我国焦炭质量较差的特点，在适当提高进风速度的同时采用了排距短而排数多的风口布置方式。图7-32b所示为目前正在迅速发展的两排大排距的风口布置方式，这种方式可使来自第一排风口区域含CO较多的炉气在第二排风口区域再燃烧，形成两个集中的燃烧带，可有效地改善炉内热
46、交换。在二排风口中，通常风口面积最大的一排称为主风口，主风口在第一排称为顺置。四、铸铁的熔炼实践表明，当焦炭质量较好时，以顺置进风效果较好，如焦炭质量较差时，则可采用倒置(即第二排风口为主风口)。从过去“倒大双”进而改为“大双”冲天炉的进程，充分说明了风口结构的演变是与焦炭质量有关的。风口应有适当斜度，以利于减弱炉壁效应，改善炉气分布，有利于铁液的过热。但风口斜度不宜过大，否则将使送风阻力增大，并有可能使高温气流冲刷炉底。除卡腰冲天炉(卡腰冲天炉风口斜度为)外，一般冲天炉风口斜度大多限于510的范围。一般中、小型冲天炉常用的侧向送风，结构简单，但炉壁效应的影响较大。四、铸铁的熔炼而采用炉底中央
47、送风和侧部插入式风口(即出口突入炉内焦炭层中的风口)送风，炉气的分布比较均匀，对直径较大的炉子，为改善炉内热交换条件，一般推荐炉底中央送风方式。2.冲天炉熔炼过程中化学成分的变化规律(1)冲天炉内冶金反应的基本规律1)冲天炉内炉气的组成。图7-33冲天炉炉气在CCOCFe相图上的位置四、铸铁的熔炼2)冲天炉内炉气的性质。(2)冲天炉内炉渣的形成及其作用1)冲天炉内炉渣的成分。四、铸铁的熔炼表7-23冲天炉炉渣的成分名称炉渣化学成分（）酸性渣405520305151531521001050208碱性渣2035355010201015220115四、铸铁的熔炼2)冲天炉炉渣的性质。四、铸铁的熔炼表
48、7-24炉渣的性质与碱度的关系炉渣性质酸性中性弱碱性中碱性强碱性炉渣碱度08081212151822525四、铸铁的熔炼(3)冲天炉熔炼过程中铁液化学成分的变化1)含碳量的变化过程。铁液的增碳。冲天炉内铁液的增碳主要发生在金属炉料熔化以后，直至铁液排出炉缸为止。图7-34铁液增碳过程示意图四、铸铁的熔炼 铁液的脱碳。冲天炉熔炼过程中，铁液的脱碳包括炉气对铁液的直接脱碳与炉气通过FeO对铁液的间接脱碳。炉气中的O2和CO2成分对铁液的直接脱碳反应式见式(7-31)、式(7-32)。四、铸铁的熔炼 影响铁液含碳量变化的主要因素如下：四、铸铁的熔炼四、铸铁的熔炼图7-35焦炭块度对铁液增碳的影响四、
49、铸铁的熔炼图7-36送风温度对铁液化学成分的影响四、铸铁的熔炼2)含硅量和含锰量的变化。铁液中硅和锰的氧化过程。在冲天炉熔炼过程中，硅和锰的氧化有两种途径，即直接氧化和间接氧化。直接氧化是送风中的O2和炉气中的CO2与铁液表面层的硅和锰直接发生反应，见式式(7-38)。四、铸铁的熔炼 影响硅和锰氧化的主要因素：四、铸铁的熔炼图7-37元素与氧化合的自由焓与温度的关系四、铸铁的熔炼 冲天炉熔炼中硅和锰的烧损率。在冲天炉熔炼中，硅和锰的正常烧损认为是不可避免的，但应掌握它们的烧损规律。在正常熔炼条件下，酸性冲天炉硅的烧损率为1015；锰的烧损率为(而碱性冲天炉硅的烧损率为2025；锰的烧损率为10
50、%15%)。3)含硫量的变化。四、铸铁的熔炼 冲天炉熔炼中铁液的增硫。铁液中硫的来源有两个途径，一是炉料固有的硫，二是铁液从焦炭中吸收的硫分。酸性冲天炉熔炼条件下不具有脱硫的能力(碱性冲天炉，特别是预热送风碱性冲天炉熔炼，能有效地脱硫。)所以，在一般的酸性冲天炉中，铸铁经熔炼后，含硫量往往是增加的。影响铁液增硫的主要因素：影响铁液脱硫的主要因素：4)含磷量的变化。3.冲天炉熔炼过程的参数选择四、铸铁的熔炼(1)冲天炉的网形图冲天炉的网形图(或称为冲天炉特性曲线)是由等焦炭消耗曲线和等风量曲线二组特性曲线构成的，它是描绘冲天炉焦耗、风量、铁液温度与熔化率之间关系的实验图表。1)冲天炉的焦炭消耗一
