微量錫的加入對(duì)鑄鐵影響的試驗(yàn)研究

宋 偉 ，張蕾蕾 ，宋 鵬

（1.太原理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西太原 030024；2.太原重型機(jī)械配件廠，山西 太原 030024）

近年來(lái)，隨著冶金、礦山、建材、農(nóng)機(jī)、煤炭、電力及工程機(jī)械等行業(yè)的迅速發(fā)展，人們對(duì)提高鑄鐵性能的研究不斷深入，各國(guó)學(xué)者對(duì)提高鑄鐵各方面性能進(jìn)行了大量的研究工作，但是單獨(dú)加錫對(duì)鑄鐵性能影響的研究甚少。

有許多重要的耐磨鑄鐵件，如活塞環(huán)、缸套、活塞或軸瓦等，過(guò)去采用普通鑄鐵或球墨鑄鐵制造。采用各種方法，但是珠光體量不穩(wěn)定，不耐磨，屈服強(qiáng)度不能滿足彈力的需要，有的鑄件不但硬度不均勻，還會(huì)部分產(chǎn)生硬質(zhì)點(diǎn)，難于機(jī)加工，返工的廢品較多，而且珠光體量少而粗，壽命較低。錫作為微量合金元素加入鐵水，能否改善鑄鐵的基體，使珠光體量顯著增長(zhǎng)，組織均勻和細(xì)化，并能提高珠光體在高溫下的穩(wěn)定性?？傊瑸榱吮容^系統(tǒng)地對(duì)微錫鑄鐵的組織和性能加以綜合研究，根據(jù)上述思路，我們進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用材料為：共晶和過(guò)共晶球墨鑄鐵，以及亞共晶和過(guò)共晶灰鑄鐵鐵；99.9%純錫片。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

型號(hào)為SSG2—12—16的坩堝電阻爐；拉力試樣按GB977—B型標(biāo)準(zhǔn)試樣的金屬鑄型及干、濕砂型；石墨坩堝

1.3 試驗(yàn)方法

采用傳統(tǒng)的包內(nèi)沖入孕育方法，按要求熔化出符合成分的鐵水，以鐵水重量0.01%～0.1%的99.9%純錫片，加入鐵水包中（試驗(yàn)時(shí)用另外一個(gè)坩堝代替），鐵水沖入，然后澆注。

1.4 試驗(yàn)條件

為了保證試驗(yàn)條件的一致性，避免因材料、設(shè)備及試驗(yàn)條件的不同而產(chǎn)生的誤差，材料都是一次性采購(gòu)，并經(jīng)過(guò)化驗(yàn)確定了成分。設(shè)備提前調(diào)試校準(zhǔn)，以保證試驗(yàn)的相對(duì)準(zhǔn)確。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 錫對(duì)形成珠光體的助長(zhǎng)作用

為了驗(yàn)證微量錫對(duì)鑄鐵珠光體的助長(zhǎng)作用，在共晶和過(guò)共晶球墨鑄鐵，以及在亞共晶和過(guò)共晶灰鑄鐵鐵水中，加微量錫實(shí)驗(yàn)，結(jié)果是：加錫（Sn）0.03%，可使共晶球墨鑄鐵由50%珠光體量增長(zhǎng)到80%；錫（Sn）增加到0.05%，珠光體量變化不大；錫（Sn）增加到0.1%，基體全部變?yōu)橹楣怏w。過(guò)共晶球墨鑄鐵加錫（Sn）0.05%，珠光體量由50%增長(zhǎng)到75%；錫（Sn）增加到1%，珠光體量也增長(zhǎng)為100%；亞共晶灰鑄鐵在未加錫（Sn）時(shí)，珠光體量?jī)H60%，加錫（Sn）0.06%，可使珠光體量達(dá)到95%；錫（Sn）再增加至0.08%，珠光體量為100%。過(guò)共晶灰鑄鐵在無(wú)錫時(shí)鐵素體為60%，加錫（Sn）0.06%，即可使珠光體量達(dá)到95%，錫（Sn）一直增加到0.1%珠光體量并無(wú)改變，不過(guò)珠光體片變的更加細(xì)化。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1.

表1 錫（Sn）對(duì)珠光體量的影響

2.2 錫（Sn）對(duì)形成碳化鐵的影響

利用不同成分的鐵水，加入不同量的錫，對(duì)激冷深度進(jìn)行試驗(yàn)，證明微量錫不會(huì)引起自由滲碳體，在加錫（Sn）0.1%以內(nèi)時(shí)，用亞共晶和過(guò)共晶鐵水澆注的15 mm×25 mm（底×高）的三角試片白口深度沒(méi)有明顯的改變，檢驗(yàn)50多個(gè)試樣的內(nèi)部組織，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何滲碳體的痕跡。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證錫（Sn）對(duì)激冷鑄件滲碳體的影響，再用亞共晶和過(guò)共晶鐵水澆注斷面為5 mm×7 mm（底×高）的激冷試塊（濕型，）加錫（Sn）由0.03%到0.1%，均未發(fā)現(xiàn)任何白口組織。因此，微量錫（Sn）的加入是不會(huì)產(chǎn)生自由滲碳體的。

2.3 錫（Sn）對(duì)孕育的作用

微量錫不但不會(huì)促成滲碳體的生長(zhǎng)，而且往往對(duì)鑄鐵起孕育作用。微錫的孕育作用，表現(xiàn)在對(duì)石墨形狀、尺寸和分布的改變，但不增加鐵素體量（反而大大減少），這是與其他孕育劑（例如硅（Si））等不同之點(diǎn)。

如果錫對(duì)鐵水起孕育作用，則在已經(jīng)充分孕育的高硅鐵水中再加錫時(shí)，就會(huì)使石墨片變粗大，也可能使已經(jīng)球化了的鐵水中石墨的球化程度變壞。當(dāng)然，錫對(duì)孕育不完全的鐵水來(lái)說(shuō)，的確能夠起補(bǔ)充孕育的效果，使石墨得以改善。例如表1中序號(hào)4的過(guò)共晶鐵水，加錫由0.02%增加0.1%，石墨片逐漸增厚，石墨金相見(jiàn)圖1a）、b）；表1中序號(hào)2的球墨鑄鐵，無(wú)錫時(shí)的石墨球化率為95%，加錫0.06%以后，變?yōu)?70%金相組織見(jiàn)圖 1c）、d）.

圖1 金相組織

因此，用微量錫取代硅鐵等作為鑄鐵的孕育劑，經(jīng)過(guò)實(shí)際驗(yàn)證，不但可以在較高碳當(dāng)量的鑄鐵成分中顯著地提高鑄鐵的硬度和強(qiáng)度，而且改善了鑄造性能，穩(wěn)定了鑄件質(zhì)量，處理操作方便安全，是一種比較實(shí)用的工藝。

表2 是表明采用不同孕育劑和不進(jìn)行孕育處理的鐵液的一些初步的比較。

4 結(jié)論

微量錫對(duì)孕育不完全的鐵水來(lái)說(shuō)，的確能夠起補(bǔ)充孕育的效果，使石墨得以改善。由于錫作為珠光體基本的穩(wěn)定劑，也會(huì)提高鑄鐵的物理和機(jī)械性能，因此考慮到用微量的錫作為鑄鐵的加入劑是可以部分地取代硅鐵、硅鈣等孕育劑的。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，也證實(shí)了這點(diǎn)結(jié)果：微量錫不但能作為珠光體的穩(wěn)定劑，而且還能稍微改變石墨基體的形狀，改善鑄鐵的鑄造性能，減少了由于硅鐵等其他孕育劑給鑄鐵所帶來(lái)的一些疵病，顯著地提高了鑄鐵的質(zhì)量，降低了廢品率。此外，又發(fā)現(xiàn)碳當(dāng)量較高的鑄鐵成分，可獲得較高的鑄鐵硬度和機(jī)械性能，破除以往認(rèn)為要提高鑄鐵的硬度，就要盡量降低鑄鐵的碳硅含量等的看法。

表2 用錫和硅鐵作為加入劑對(duì)鑄件性能的比較

用錫作為加入劑來(lái)處理鑄鐵，在實(shí)際生產(chǎn)上也是比較簡(jiǎn)便安全的，只要熔化出符合鑄鐵要求成分的鐵水，當(dāng)鐵水沖入包中時(shí)，只有白煙和少量沸騰現(xiàn)象（不注意時(shí)不會(huì)發(fā)現(xiàn)）鐵水表面無(wú)渣，加上覆蓋物，既可澆注。但錫在鑄鐵中的含量必須不少于0.01%，但也不要超過(guò)0.1%，才能起穩(wěn)定珠光體基體的作用。因此，對(duì)微錫鑄鐵的工藝控制，一般為加錫（Sn）0.06%～0.08%.

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