1.1 可鍛鑄鐵概況 可鍛鑄鐵是將白口鑄鐵通過(guò)固態(tài)石墨化熱處理（包括有或無(wú)脫碳過(guò)程）得到的具有團(tuán)絮狀石墨的鐵碳合金。采用不同的熱處理方法，可以得到具有不同組織和性能的可鍛鑄鐵，即黑心可鍛鑄鐵、珠光體可鍛鑄鐵和白心可鍛鑄鐵。 當(dāng)將白口鑄鐵毛坯件在密封的退火爐中進(jìn)行熱處理，即在中性爐氣條件下退火時(shí)，得到的鑄鐵組織中有呈團(tuán)絮狀的石墨（退火碳）存在。這種石墨雖不很圓整和緊密，但它對(duì)基體的割裂作用則比灰鑄鐵中的片狀石墨要小得多，因此它能使鑄鐵得到較高的強(qiáng)度及良好的韌性。鑄鐵的基體可以通過(guò)熱處理來(lái)加以控制。使之成為鐵素體或珠光體。用這種方法得到的鐵素體基體可鍛鑄鐵因組織中有石墨存在，因而鑄鐵的斷面呈暗灰色，而在表層經(jīng)常有薄的脫碳層呈淺灰色，故通稱(chēng)為黑心可鍛鑄鐵。而珠光體可鍛鑄鐵則是以其基體命名的。
【1】 1.2 鐵素體可鍛鑄鐵的組織 nth="12" day="30" islunardate="False" isrocdate="False" w:st="on">1.2.1鐵素體可鍛鑄鐵的組織特點(diǎn) 鐵素體可鍛鑄鐵的金相組織為鐵素體基體加團(tuán)絮狀石墨。由于退火過(guò)程中爐氣的氧化作用，常使鑄件表面有一脫碳層，與中心部位的顯微組織有所不同。 可鍛鑄鐵中心部位的石墨主要有團(tuán)絮狀和絮狀，有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)團(tuán)球狀、聚蟲(chóng)狀和枝 晶狀等。
【2】 1.2.2鐵素體可鍛鑄鐵的性能 nth="12" day="30" islunardate="False" isrocdate="False" w:st="on">1.2.2.1 力學(xué)性能及影響因素 （1）彈性模量：鐵素體可鍛鑄鐵的彈性模量約為157~170GPa，彈性模量隨組織中石墨數(shù)量的增加和緊密圓整度的降低而減小。 泊松比為0.25~0.28. （2）疲勞性能: 鐵素體可鍛鑄鐵的光滑試樣的對(duì)稱(chēng)彎曲疲勞極限為175~210MPa。 （3）高、低溫性能:可鍛鑄鐵的抗拉強(qiáng)度和屈服點(diǎn)自室溫至370℃無(wú)明顯變化。鐵素體可鍛鑄鐵在高溫下的持久強(qiáng)度隨溫度升高而降低。可鍛鑄鐵的硬度隨溫度升高而有所變
2 化，當(dāng)溫度超過(guò)400℃后，硬度明顯下降。在低溫下可鍛鑄鐵的強(qiáng)度隨溫度下降而升高，伸長(zhǎng)率則下降，此種變化情況與韌性脆性轉(zhuǎn)變有關(guān)。鐵素體可鍛鑄鐵有較高的沖擊韌度。
【3】 nth="12" day="30" islunardate="False" isrocdate="False" w:st="on">1.2.2.2 鑄造性能 可鍛鑄鐵鑄造性能具有如下特征： （1）流動(dòng)性：可鍛鑄鐵碳、硅含量低，液相線(xiàn)溫度偏高，凝固溫度范圍較大，所以流動(dòng)性不好，類(lèi)似于鑄鋼。故要求澆注溫度較高，薄壁件應(yīng)在1350 ℃以上，中厚件澆注溫度要大于1320℃同時(shí)要求鑄型耐火度較高。 （2）收縮：可鍛鑄鐵鑄態(tài)組織為白口，收縮較大，體收縮一般為5.3%~6.0%，線(xiàn)收縮為1.5%~1.8%。冒口必須保證足夠的尺寸和數(shù)量，以利補(bǔ)縮，冒口形式大多采用頂部180°（角）的暗冒口。白口鑄件退火時(shí)，將產(chǎn)生石墨化膨脹，其值隨碳含量而變。鐵素體可鍛鑄鐵退火時(shí)，如碳含量為2.2%，長(zhǎng)度脹出1.4%，精確鑄件的工藝，應(yīng)同時(shí)考慮鑄造收縮和退火膨脹。鐵素體可鍛鑄鐵件模型的縮尺一般選用2.8%，具體數(shù)值可根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)、鑄型硬度、鐵水含碳量等來(lái)決定。 （3）縮松與縮孔：因流動(dòng)性不好，故可鍛鑄鐵的澆注溫度偏高，造成液態(tài)收縮偏大，結(jié)晶溫度范圍又較寬，極易產(chǎn)生縮松與縮孔。當(dāng)結(jié)晶過(guò)程中形成樹(shù)枝狀結(jié)晶和板條狀共晶組織時(shí)，縮松傾向尤為突出，且補(bǔ)縮能力差，極易產(chǎn)生縮松。 （4）鑄造應(yīng)力和裂紋可：鍛鑄鐵收縮大，應(yīng)力大，裂紋傾向隨之也大。故裂紋傾向性大是可鍛鑄鐵同其他鑄鐵區(qū)別的特征之一。裂紋傾向與鐵液結(jié)晶凝固溫度范圍較 大，易生成樹(shù)枝狀結(jié)晶、形成板條狀結(jié)構(gòu)、補(bǔ)縮性能較差、收縮較大等性能有關(guān)。
【4】 1.3 研究?jī)?nèi)容及目的 （1）查閱文獻(xiàn)資料，掌握可鍛鑄鐵的成分組織，生產(chǎn)工藝性能及應(yīng)用； （2）完成鐵素體可鍛鑄鐵的配料，熔煉，鑄造工藝及熱處理工藝； （3）會(huì)制作砂型及了解砂型成分； （4）觀察金相組織，并對(duì)金相組織進(jìn)行分析.
2.1 化學(xué)成分的選定原則
（1）保證鑄件任一截面在鑄態(tài)時(shí)全白口，不出現(xiàn)麻點(diǎn)，否則會(huì)顯著降低機(jī)械性能；
（2）有利于較快的石墨化過(guò)程，以保證短時(shí)間內(nèi)完成石墨化退火，縮短生產(chǎn)周期；
（3）有利于提高機(jī)械性能；
（4）在不影響機(jī)械性能的情況下，兼顧鑄造性能，從而提高產(chǎn)品的合格率。
【5】 2.2鐵素體可鍛鑄鐵配比計(jì)算
（1） 查資料可得可鍛鑄鐵標(biāo)準(zhǔn)含量為：
在熔煉過(guò)程中存在燒損選取燒損率如下： C增加5% Si燒損5% Mn燒損10% S增加50% P不變 由以上數(shù)據(jù)可以得到以下計(jì)算過(guò)程，分別計(jì)算出需要添加的生鐵中碳錳鐵45號(hào)鋼的含量。列于下表。 （2）計(jì)算過(guò)程： 以熔煉100g白口鑄件為例，設(shè)需要Q10生鐵的量為x， 中碳錳鐵的量為y ，45號(hào)鋼為z 則可以列下列方程組
X+y+z=100
4.32x+1.91y+0.45z=2.38×100
0.44x+75.85y+0.65z=0.61×100
計(jì)算可得：x=49.7 y=0.35 z=49.95
4 由此定出鐵素體可鍛鑄鐵的初步配料成分單見(jiàn)表2.2，Q10生鐵的配比為49.7%，中碳錳鐵的配比為0.35%，廢鋼為49.95% 表2.2鐵素體可鍛鑄鐵初步配料成分
在熔煉過(guò)程加入硅鐵以確保Si的含量符合要求即可。
2.3熱處理工藝的選定 退火工藝: 退火過(guò)程及其組織轉(zhuǎn)變，用圖2.1所示的退火曲線(xiàn)及組織變化示意圖來(lái)說(shuō)明。其過(guò)程可分為如下五個(gè)階段。
(1)升溫階段(0～1)。“1”點(diǎn)溫度一般為950℃左右或稍高些，此時(shí)鑄鐵組織由珠光體加萊氏體轉(zhuǎn)變成奧氏體加萊氏體。實(shí)際生產(chǎn)中，由于較大的退火爐升溫較慢，加熱到900℃以上需要10～20h以上，雖然在規(guī)定的石墨化退火工藝規(guī)范中，沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的預(yù)處理階段，但實(shí)際上經(jīng)過(guò)300～500℃的時(shí)間超過(guò)了3～5h，已含有預(yù)處理的作用。增加低溫預(yù)處理的時(shí)間，更可以增加厚大斷面可鍛鑄鐵的石墨核心數(shù)。
(2)石墨化第一階段(1～2)。在第一階段保溫，自圖2.1 退火曲線(xiàn)及組織變化示意圖由滲碳體不斷溶入奧氏體而逐漸消失，團(tuán)絮狀石墨逐漸形成。第一階段結(jié)束時(shí)(到“2”點(diǎn))，組織為奧氏體(γ)加團(tuán)絮狀石墨。這個(gè)階段所需的時(shí)問(wèn)長(zhǎng)短以自由滲碳體能全部分解完為準(zhǔn)，過(guò)長(zhǎng)無(wú)益且有害。
(3)中間階段(2～3)。指從高溫冷卻到稍低于共析溫度(710～730℃的范圍)的 階段。隨著溫度的降低，奧氏體中的碳逐漸脫溶，附著在已生成的團(tuán)絮狀石墨上，使石墨長(zhǎng)大。到“3”點(diǎn)的組織為珠光體加團(tuán)絮狀石墨。這階段冷得太慢會(huì)增加退火周期，太快會(huì)出現(xiàn)二次滲碳體。 (4)石墨化第二階段(3～4)。在710～730C處保溫，可使共析珠光體逐漸分解成鐵素體加石墨，石墨繼續(xù)向已有的團(tuán)絮狀石墨上附著生長(zhǎng)，到“4”點(diǎn)時(shí)組織為鐵素體加團(tuán)絮狀石墨。這階段所需時(shí)間的長(zhǎng)短根據(jù)珠光體是否能分解完而定。這階段亦可采用從750C左右開(kāi)始，以3～5C/h的緩慢速度通過(guò)共析區(qū)，這樣奧氏體可直接轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體加石墨。這個(gè)方法石墨化速度可快些，但控制冷卻速度是個(gè)關(guān)鍵因素。 圖2.2鐵素體可鍛鑄鐵金相組織 (5)冷卻階段(4～室溫)。到“4”點(diǎn)以后，再繼續(xù)保溫并不發(fā)生組織變化，可
6 用較快速度冷卻。為防止回火脆性，冷到500～600rC時(shí)即可出爐空冷。鐵素體可鍛鑄鐵顯微組織如圖2.2所示。[6] 2.4 實(shí)驗(yàn)用原材料、儀器設(shè)備及實(shí)驗(yàn)步驟的制定
nth="12" day="30" islunardate="False" isrocdate="False" w:st="on">2.4.2本次實(shí)驗(yàn)所用儀器設(shè)備
(1)可控Si中頻爐 (2)熱處理爐：對(duì)金屬工件進(jìn)行各種金屬熱處理的工業(yè)爐的統(tǒng)稱(chēng)。溫度一般較加熱爐為低。熱處理爐可以采用各種加熱爐的爐型，但要求較嚴(yán)格地控制爐溫和爐內(nèi)氣氛等。熱處理爐大多使用氣體燃料加熱，為了準(zhǔn)確控制爐溫，有的熱處理爐用電加熱。 圖2.3熱處理爐 (3)金相顯微鏡：用入射照明來(lái)觀察金屬試樣表面(金相組織)的顯微鏡。 (4)澆注設(shè)備 (5)洛氏硬度計(jì)
(6)混砂機(jī) (7)造型設(shè)備 nth="12" day="30" islunardate="False" isrocdate="False" w:st="on">2.4.3實(shí)驗(yàn)步驟 nth="12" day="30" islunardate="False" isrocdate="False" w:st="on">2.4.3.1制作砂型 本實(shí)驗(yàn)選用干砂型進(jìn)行澆注，干砂型是以粘土和膨潤(rùn)土作粘結(jié)劑的一種型砂，鑄鐵件的干砂型大多采用粒度較粗的原砂。干砂型砂主要由新砂、舊砂、粘土、膨潤(rùn)土、附加物和少量的誰(shuí)組成。制作過(guò)程中先將下沙箱放好，制作底層，要緊實(shí)，防止泄漏，再將零件放好將混合好的沙子倒入沙箱中到一層壓實(shí)一層知道頂端，頂端要壓平。 nth="12" day="30" islunardate="False" isrocdate="False" w:st="on">2.4.3.2熔煉 本實(shí)驗(yàn)采用電弧爐熔煉，把Q10生鐵、45鋼、中碳錳鐵放入熔爐中進(jìn)行熔煉，待全部融化后將75硅鐵放入爐中，大約40分鐘進(jìn)行澆注。使用工具必須干燥，發(fā)現(xiàn)潮濕不準(zhǔn)使用。實(shí)驗(yàn)中要注意安全。 2.4.3.3澆注 本實(shí)驗(yàn)采用直接澆注圓棒，實(shí)驗(yàn)人員要注意穿好工作服帶好手套注意安全。 2.4.3.4熱處理 鐵素體可鍛鑄鐵是由白口鑄坯退火而成的。白口鑄坯的鑄態(tài)室溫組織為：珠光體（鐵素體＋ 共析滲碳體）＋ 萊氏體（奧氏體＋共晶滲碳體）＋ 二次滲碳體。退火的目的就是要將共晶滲碳體、二次滲碳體和共析滲碳體全部分解為鐵素體和石墨。鐵素體可鍛鑄鐵退火過(guò)程可分為五個(gè)階段，分別為：升溫、第一階段石墨化、中間階段冷卻、第二階段石墨化和出爐冷卻。具體操作可參考2.2 熱處理工藝的選定 經(jīng)過(guò)嚴(yán)格控溫和保溫時(shí)間的熱處理后可以得到比較純凈的鐵素體基體可鍛鑄鐵，最后的組織可以基本的符合我們實(shí)驗(yàn)要求。 2.4.3.5金相制作與觀察 將未經(jīng)石墨化退火熱處理與經(jīng)過(guò)石墨化退火熱處理的試樣分別制作金相組織，并在金相顯微鏡下觀察并照相。并與標(biāo)準(zhǔn)的金相組織進(jìn)行表對(duì)分析，找出組織中的典型組織特征。并分析實(shí)驗(yàn)中缺陷出現(xiàn)原因。
8 第三章 結(jié)果分析
3.1 實(shí)驗(yàn)所得金相組織
圖3.1中黑色部分為滲碳體組織，白色部分為珠光體組織，
圖3.2中白色部分為鐵素體組織，黑色部分為團(tuán)絮狀石墨組織。
圖3.1 未經(jīng)退火處理的白口鑄件金相組織
圖3.2 經(jīng)退火處理的鑄件金相組織
3.2 實(shí)驗(yàn)所得金相組織分析
通過(guò)熱處理圖3.1中珠光體先轉(zhuǎn)變成奧氏體，即實(shí)現(xiàn)奧氏體化，而后奧氏體不斷溶入奧氏體而逐漸消失，團(tuán)絮狀石墨相應(yīng)生成，冷卻降溫時(shí)，奧氏體中碳溶解度降低而析出過(guò)飽和的碳，沉積于石墨上，組織變?yōu)橹楣怏w加團(tuán)絮狀石墨，繼續(xù)降溫冷卻，珠光體分解，形成如圖3.2所示的白色部分的鐵素體組織，黑色部分的圖絮狀石墨。
9 第四章 結(jié)論 1．此次試驗(yàn)通過(guò)正確選用爐料配比，獲得了可用的白口鐵組織，經(jīng)退火熱處理， 即鐵素體可鍛鑄鐵退火過(guò)程的五個(gè)階段，分別為：升溫、第一階段石墨化、中間階段冷卻、第二階段石墨化和出爐冷卻，從而得到了純凈的鐵素體基體。 2. 在實(shí)驗(yàn)中我學(xué)會(huì)了很多東西，在生產(chǎn)中不僅需要專(zhuān)業(yè)知識(shí)還需要我們的動(dòng)手能力。為以后的學(xué)習(xí)定位指明了方向。通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)我學(xué)到了很多不僅有對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)更加深刻的認(rèn)識(shí)，還有在生產(chǎn)實(shí)際中對(duì)生產(chǎn)勞動(dòng)更加深刻的理解，對(duì)以后走上就業(yè)崗位從事專(zhuān)業(yè)活動(dòng)有了更深的理解。
