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Dec．2014VOI．63 NO．12铸 造FOUNDRY ·1287·碳当量和硅碳比对灰铸铁力学性能的影响齐笑冰，董峰，王鹏华，李海兰(沈阳铸造研究所，辽宁沈阳110022)摘要：研究了碳当量为3．55％、3．65％、3．75％、3．85％条件下，硅碳比对非合金灰铸铁组织和力学性能的影响。结果表明：碳当量较低时，硅碳比对非合金灰铸铁的力学性能影响较大。非合金灰铸铁在低碳当量、高硅碳比条件下，可以获得高强度、高模量。关键词：碳当量；硅碳比；灰铸铁；力学性能中图分类号：TGl46 文献标识码：A 文章编号：lool-4977(2014)12—1287—03E仟ect Of CarbOn EquiVaIent and S¨icOn-CarbOn RatiO On theMeChaniCal PrOpertieS Of Gray CaSt I rOnQI Xiao．bing，DONG Feng，WANG Peng-hua，LI Hai—lan(Shenyang Research mstitute of Foundry，Shenyang 1l 0022，Liaoning，China)Abs岫lct： The efrect of silicon—carbon ratio on microstmcture and mechanical pmpenies of non—alloyed伊aycast with carbon equiⅦlent of3．55％，3．65％，3．75％，3．85％．The results show that the efrect ofsilicon—carbonratio on the mechanical properties of unalloyed gray cast iron is great with lower carbon equiValent．The hi曲stren舀h and higll modulus of unalloyed伊ay cast imn were obtained with lower carbon equiValent andhigh—silicon—carbon ratio．硒rwords：carbon equiValent；silicon·carbon ratio；gray iron；mechanical propeny灰铸铁是重要的工程材料，在机床、汽车、压缩机等行业得到了广泛应用。近年来，随着各行业的技术进步，对基础铸件的质量要求也越来越高。以机床行业为例，铸件不但要有高的强度，还要满足高的弹性模量、优良的尺寸稳定性、低应力和良好的减震性等。高碳当量、高强度灰铸铁成为灰铸铁的发展方向【”。通常采用低碳当量的方法来提高灰铸铁的强度，但却引发了铸造缺陷和铸件废品率大大增加【2】。如何在高碳当量条件下，得到高强度就成为近年来研究的热点。碳当量和硅碳比都是影响灰铸铁力学性能和铸件内在质量的重要参数。非合金化灰铸铁是灰铸铁生产的基础。因此，本研究在生产条件下，探讨不同碳当量及不同硅碳比对非合金化灰铸铁组织和力学性能的影响，探讨高碳当量、高强度灰铸铁的生产途径。1 试验方法本试验以HT300为目标，为使试验具有代表性，全部试验工作均在某专业生产机床和压缩机铸件的专业铸造厂进行，使用工厂日常生产使用的原材料，由车间生产工人正常造型、熔炼和浇注作业。试验条件和试验方法如下。炉料：本溪生铁z18，市售优质废钢，市售优质废机铁和本厂回炉料，FeSi75。孕育剂：FeSi75。铁液熔炼和孕育处理：按正常生产配料(约30％～40％回炉铁，5％～30％废钢)，用容量为160 kg的中频电炉熔炼，每炉熔炼150 kg，出炉温度1 460～1 480℃，分2次出炉。采用Fesi75进行孕育处理，总孕育量为0．7％(其中0．6％用于包内冲入孕育，0．1％用于随流孕育)。炉前采用直读光谱仪控制原铁液化学成分。试样浇注：采用树脂砂造型，按《灰铸铁件》(GB厂r 9439—2010)规定浇注拉伸试样，同时浇注应力框试样。力学性能试验：抗拉强度和弹性模量在同一试样上测试，所用设备为DDL300型电子万能试验机，按GB／T 9439—2010规定采用多30 mm试样。弹性模量测试按《金属材料 弹性模量和泊松比试验方法》(GB厂r 223 15—2008)规定执行，每组测试3根试样，取其算数平均值。布氏硬度试样用拉伸试样料头加工制成，尺寸为咖30 mm×20 mm，测试数量与拉伸试样基金项目：国家“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项项目(2012zx04010031)。收稿日期：2014-09一15收到初稿，2014—10一18收到修订稿。作者简介：齐笑冰(1962一)，男，研究员，主要从事铸铁和铜合金材料研究。E-mail：qxbl@sina．com万方数据·1288· FOUNDRYDec．2014VOI．63 NO．12相同，取其算数平均值。金相检测在布氏硬度试样上进行。2试验结果和分析2．1 碳当量和硅碳比对非合金灰铸铁力学性能的影响分别测试了碳当量为3．55％、3．65％、3．75％、3．85％时，硅碳比对非合金灰铸铁力学性能的影响，结果见图1，图中硅碳比为试样化学成分实测值，碳当量按CE％=C％+1／3(Si％+P％)计算。S“C(a)3．55％CEO．40 O．45 0．50 0．55 0．60 0．65 O．70 0．75 0．80S∥C从图l可以看出，随碳当量提高，抗拉强度、弹性模量和布氏硬度均呈现下降趋势。碳当量一定时，在碳当量较低(3．55％～3．65％CE)时，硅碳比对力学性能影响较大。当硅碳比大于0．57时，可以得到大于300 MPa的抗拉强度，弹性模量也相对较高。这是因为高硅碳比意味着相对高的硅量和相对低的碳量。高的硅量对基体有一定的强化作用，总碳量降低使石墨数量相对减少，对强度的削弱作用减轻，这二者均有利于强度提高。在碳当量较高(3．75％～3．85％cE)时，硅碳比对力学性能影响不明显，抗拉强度、弹性模量0．45 O．50 O．55 0．60 0．65 0．70 0．75 0．80 0．85S此(b)3．65％CE(c)3．75％CE (d)3．85％CE图l 不同碳当量条件下硅碳比对非合金灰铸铁力学性能的影响Fig．1 Under di行erent conditions ofcarbon equiValent，silicon—carbon ratio aff色ct the mechanical properties ofgray cast iron unalloyed和布氏硬度均在较低水平，曲线也较为平缓。此时，非合金化灰铸铁抗拉强度低于300 MPa。也就是说，非合金化灰铸铁要得到大于300 MPa的抗拉强度，适宜的化学成分是低碳当量、高硅碳比。如果采用高碳当量，只靠调整硅碳比不能得到高强度、高模量。2．2硅碳比对非合金灰铸铁金相组织的影响从金相检测结果看，随碳当量提高，石墨数量增加并有粗化趋势，对基体的割裂作用增强，使强度、硬度和弹性模量呈下降态势。当碳当量一定时，硅碳比对灰铸铁石墨形态没有显著影响。但随着硅碳比降低，实际硅含量降低，基体组织中铁素体含量有所增加，硅对基体的强化作用减弱，导致随硅碳比降低抗拉强度减低。同时，随硅碳比降低，灰铸铁实际含碳量提高，也在一定程度上使石墨数量增加并有粗化趋势，使强度和弹性模量呈下降态势。因此，实际生产中，在选择碳当量的同时，必须兼顾硅碳比，才能得到预期效果。碳当量为3．65％(实际为3．60％～3．66％)时，硅碳比对非合金灰铸铁金相组织的影响见图2。5馘样和8铽样碳当量相当，石墨形态、长度和基体组织也相近，但抗拉强度差别明显(见图l，3．65％cE)。84试样含碳量为3．1 5％(含硅量1．49％)，5群试样含碳量为2．90％(含硅量2．0 1％)，较高的含碳量使石墨数量增加并粗化是重要原因。进一步检查发现，两者共晶团大小也有较大差异，84试样共晶团尺寸明显大于5馘样，如图3所示。共晶团细化能明显提高灰铸铁强度【31，这是5铽样力学性能明显高于8j!j}试样的另一个原因。3结论(1)碳当量较低时，硅碳比对非合金灰铸铁的力学性能影响较大，随硅碳比提高，力学性能提高明显。万方数据铸造 齐笑冰等：碳当量和硅碳比对灰铸铁力学性能的影响 ·1 289·孑i墨、型，5级，石长>6～12组织(珠光体+少量铁索体珠光体数鞋：珠98)一会掣’段蕊、石墨、型，5级，百长>6～12组织(珠光体珠光体数少谴铁索体：珠95)r 1L√“娶、型．5级，ti长>6～12组织(珠光体+少艟铁索体珠光体数i连：珠98)fi墨～型，5级。fi长>6～12约【织(珠光体+少量铁索体珠光体数量：殊98)图3 5铽样和8馘样的共晶团组织Fig．3 Eutectic organization Of5’and 8。s锄ples碳当量较高时，硅碳比对非合金灰铸铁的力学性能影响不明显。(2)非合金灰铸铁在低碳当量、高硅碳比条件下，可以获得高强度(HT300)、高模量。参考文献：[1]马敬仲．提高机床铸件质量是发展我国数控机床的基础【c】／／首届中国机床铸件质量研讨会论文集．陕西西安，2013，10：l一7．[2]林永青．硅碳比对机床铸件性能的影响[J】金属成形工艺，2002．20(5)：37—38．[3】 中国机械工程学会铸造分会组编(张伯明主编)．铸造手册第l卷：铸铁[M】．北京：机械工业出版社，20lo．(编辑：曲学良，qxl@foundryworld．com)万方数据