微量錫的加入對鑄鐵影響的試驗研究

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.太原重型機械配件廠，山西 太原 030024）

近年來，隨著冶金、礦山、建材、農(nóng)機、煤炭、電力及工程機械等行業(yè)的迅速發(fā)展，人們對提高鑄鐵性能的研究不斷深入，各國學(xué)者對提高鑄鐵各方面性能進行了大量的研究工作，但是單獨加錫對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，屈服強度不能滿足彈力的需要，有的鑄件不但硬度不均勻，還會部分產(chǎn)生硬質(zhì)點，難于機加工，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，組織均勻和細化，并能提高珠光體在高溫下的穩(wěn)定性。總之，為了比較系統(tǒng)地對微錫鑄鐵的組織和性能加以綜合研究，根據(jù)上述思路，我們進行了一系列的試驗。

1 試驗

1.1 試驗材料

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

1.2 試驗設(shè)備

型號為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（試驗時用另外一個坩堝代替），鐵水沖入，然后澆注。

1.4 試驗條件

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

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 錫對形成珠光體的助長作用

為了驗證微量錫對鑄鐵珠光體的助長作用，在共晶和過共晶球墨鑄鐵，以及在亞共晶和過共晶灰鑄鐵鐵水中，加微量錫實驗，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。過共晶球墨鑄鐵加錫（Sn）0.05%，珠光體量由50%增長到75%；錫（Sn）增加到1%，珠光體量也增長為100%；亞共晶灰鑄鐵在未加錫（Sn）時，珠光體量僅60%，加錫（Sn）0.06%，可使珠光體量達到95%；錫（Sn）再增加至0.08%，珠光體量為100%。過共晶灰鑄鐵在無錫時鐵素體為60%，加錫（Sn）0.06%，即可使珠光體量達到95%，錫（Sn）一直增加到0.1%珠光體量并無改變，不過珠光體片變的更加細化。試驗數(shù)據(jù)見表1.

表1 錫（Sn）對珠光體量的影響

2.2 錫（Sn）對形成碳化鐵的影響

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

為了進一步驗證錫（Sn）對激冷鑄件滲碳體的影響，再用亞共晶和過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）的加入是不會產(chǎn)生自由滲碳體的。

2.3 錫（Sn）對孕育的作用

微量錫不但不會促成滲碳體的生長，而且往往對鑄鐵起孕育作用。微錫的孕育作用，表現(xiàn)在對石墨形狀、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。

如果錫對鐵水起孕育作用，則在已經(jīng)充分孕育的高硅鐵水中再加錫時，就會使石墨片變粗大，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，錫對孕育不完全的鐵水來說，的確能夠起補充孕育的效果，使石墨得以改善。例如表1中序號4的過共晶鐵水，加錫由0.02%增加0.1%，石墨片逐漸增厚，石墨金相見圖1a）、b）；表1中序號2的球墨鑄鐵，無錫時的石墨球化率為95%，加錫0.06%以后，變?yōu)?70%金相組織見圖 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)過實際驗證，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，是一種比較實用的工藝。

表2 是表明采用不同孕育劑和不進行孕育處理的鐵液的一些初步的比較。

4 結(jié)論

微量錫對孕育不完全的鐵水來說，的確能夠起補充孕育的效果，使石墨得以改善。由于錫作為珠光體基本的穩(wěn)定劑，也會提高鑄鐵的物理和機械性能，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)過驗證，也證實了這點結(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械性能，破除以往認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鑄件性能的比較

用錫作為加入劑來處理鑄鐵，在實際生產(chǎn)上也是比較簡便安全的，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，只有白煙和少量沸騰現(xiàn)象（不注意時不會發(fā)現(xiàn)）鐵水表面無渣，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0.1%，才能起穩(wěn)定珠光體基體的作用。因此，對微錫鑄鐵的工藝控制，一般為加錫（Sn）0.06%～0.08%.

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