铸铁合金的石墨形态表征及控制研究

摘要

蠕墨铸铁具有优良的强塑性、耐热疲劳性能和导热性，作为一种重要的工程材料广泛应用于国防和民用工业中。随着汽车、发动机、涡轮叶片等工程装备技术的快速发展及高可靠性需求的提升，诸如发动机缸盖铸铁热端部件的工作温度愈来愈高，这些部件对蠕化率有很高的要求（在80％以上）以便将热量快速导出，避免材料长期处于高温环境影响部件正常工作和使用寿命。而在蠕墨铸铁工业化生产中，由于蠕化率不易控制导致大量产品不合格，严重影响厂家的信誉和材料的浪费。因此，在蠕墨铸铁浇注前，建立一种预测铁液蠕化率，并对不满足蠕化率的铁液进行二次蠕化处理，以便达到理想蠕化率铸件的新工艺，对现实生产和理论研究具有深刻的意义。
　　本论文针对当前蠕墨铸铁制各过程中的蠕化率差、蠕化不均匀、石墨形态不易控制的缺点。利用热分析技术分析了灰铸铁、球墨铸铁和蠕墨铸铁的特征值规律，建立一种在线预测铸铁种类的新方法和蠕化率与热分析曲线特征值之间的数学模型并加以验证。研究了蠕化衰退时间对蠕化率、石墨长径比及硬度的影响规律和蠕墨铸铁的二次蠕化调控技术，以便对蠕墨铸铁生产过程进行在线调控。系统研究了所制各的蠕墨铸铁的石墨形态与力学性能的内在规律。取得的主要研究结果如下:
　　(1)根据热分析曲线特征值可以很好区别出灰铸铁、蠕墨铸铁和球墨铸铁。当凝固曲线中初晶温度与共晶温度之差接近和超过20℃，生产出灰铸铁;当再辉温度小于5℃时，生产出球墨铸铁。研究中还发现蠕墨铸铁的蠕化率与共晶最低温度和再辉温度线性相关，理论模型为:y=-2354.2+2.101TEU+4.151△Tr
　　经过试验验证和企业生产实践检验证明该理论模型可以在线预测蠕墨铸铁的蠕化率，误差在10％以内。
　　(2)蠕化衰退对基体石墨产生一定的影响。研究发现，随着衰退时间的延长，球状石墨数量逐渐减少，蠕虫状石墨逐渐增多。当时间超过300s后，出现层片状石墨，蠕化迅速衰退。基体组织中珠光体含量则随衰退时间的延长呈现下降的趋势，同时硬度降低。
　　(3)二次蠕化调控可以显著改善石墨形态，阻滞蠕化衰退。当一次蠕化剂加入量为0.22％，二次蠕化剂加入量为0.05％～0.20％时，蠕化率先增加后降低，石墨的长径比逐渐减小。当二次蠕化剂加入量为0.10％时，蠕化率较高，达到93.7％，石墨长径比减少到7.5;然而，当一次蠕化剂加入量过大(0.30％)时，再进行二次蠕化结果正好相反。当一次蠕化剂加入量为0.30％，二次蠕化剂量由0.05％～0.20％时，蠕化率逐渐降低，球状石墨迅速增多，石墨的长径比反而逐渐增加，由8.31增至10.45。
　　(4)镁-稀土蠕化剂加入量对蠕墨铸铁的蠕化率和石墨长径比、分布均匀性与形状系数有显著的影响。当镁-稀土蠕化剂加入量由0.22％增加至0.55％时，蠕墨铸铁蠕化率由97.76％逐渐降低至55.21％;石墨的分布率由83.5％急剧降至32％，几乎呈一次线性关系降低;石墨长径比由8.56降至4.61;当镁-稀土蠕化剂加入量由0.22％增加至0.32％时，石墨形状系数由17.23减小至10.80。继续增加蠕化剂量至0.50％，石墨形状系数缓慢减小至9.11。当蠕化剂加入量至0.55％时，石墨形状系数由急剧减小至1.94。
　　(5)蠕墨铸铁石墨形态与力学性能密切相关。随着蠕化率的提高，抗拉强度和延伸率均先增大后降低，当蠕化率为82％时，抗拉强度和延伸率达到最大(365MPa和3.6％);随着石墨的分布均匀性的提高，合金的抗拉强度先增大后降低，当石墨的分布率为54％时，抗拉强度和延伸率达到最大(360MPa和3.3％);随着石墨的长径比的提高，合金的抗拉强度逐渐降低，当石墨的长径比为6.65时，抗拉强度和延伸率达到最大(365MPa和3.6％);随着石墨形状系数的提高，蠕墨铸铁合金的抗拉强度和延伸率逐渐降低，当形状系数为1.94时，抗拉强度和延伸率达到最大(467.5MPa和7.2％)。

目录

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 铸铁合金的分类、组织性能

1．3 蠕墨铸铁制备技术

1．3．1 蠕墨铸铁的孕育工艺

1．3．2 蠕墨铸铁的蠕化工艺

1．4 国内外蠕墨铸铁蠕化率控制

1．4．1 热分析技术在铸铁中的应用

1．4．2 蠕墨铸铁蠕化衰退和调控

1．4．3 蠕墨铸铁国内外研究现状

1．4．4 蠕墨铸铁研究中存在的问题

1．5 本文的研究目的及主要研究内容

2 实验材料与方法

2．1 试验材料及化学试剂

2．2 试验设备

2．3 试验材料制备

2．3．1 试样前期处理

2．3．2 材料配制及蠕化剂选择

2．3．3 熔炼处理

2．3．4 试样后期处理

2．4 石墨铸铁热分析曲线及特征值

2．5 铸铁合金的显微组织及石墨形态

2．5．1 铸铁合金的组织结构测试

2．5．2 铸铁合金石墨蠕化率测试

2．5．3 铸铁合金石墨分布率测试

2．5．4 铸铁合金石墨长径比测试

2．5．5 铸铁合金石墨形状系数测试

2．6 铸铁合金的力学性能测试

2．6．1 铸铁合金拉伸性能测试

2．6．2 铸铁合金硬度测试

3 铸铁合金热分析曲线分析

3．1 引言

3．2 灰铸铁、蠕墨铸铁和球墨铸铁热分析曲线研究

3．3 热分析特征参数对蠕墨铸铁蠕化率影响

3．3．1 热分析特征参数对蠕化率的主次关系

3．3．2 共晶最低温度、再辉温度对蠕化率的影响

3．3．3 蠕墨铸铁蠕化率误差分析

3．4 本章小结

4 蠕墨铸铁蠕化衰退和二次蠕化处理

4．1 引言

4．2 蠕墨铸铁蠕化衰退

4．2．1 蠕墨铸铁衰退时间对显微组织的影响

4．2．2 蠕墨铸铁衰退时间对力学性能的影响

4．3 蠕墨铸铁二次蠕化处理

4．4 本章小结

5 蠕化剂量对石墨形态的影响

5．1 引言

5．2 蠕化剂加入量对铸铁石墨形态的影响

5．2．1 蠕化剂加入量对铸铁蠕化率的影响

5．2．2 蠕化剂加入量对铸铁石墨分布性的影响

5．2．3 蠕化剂加入量对铸铁石墨长径比的影响

5．2．4 蠕化剂加入量对铸铁石墨形状系数的影响

5．3 蠕化剂加入量对铸铁性能的影响

5．4 本章小结

6 结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢

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