铅对灰铸铁组织和性能的影响

铸

·714·

造

Jul. 2012Vol.61

No.7

FOUNDRY

铅对灰铸铁组织和性能的影响

程俊伟，郭亚辉，王世杰，桑培，李自君

（中国一拖集团有限公司工艺材料研究所，河南洛阳471004）

摘要：生产过程中炉料所含过量的铅会对灰铸铁件性能产生重要影响。因此研究了铅的不同添加量对灰铸铁力学性能

和组织的影响，并进行了复制魏氏石墨及不同孕育剂的试验。结果表明：铅会使石墨变异，并在一定条件下，形成魏

氏石墨，这明显降低了灰铸铁件的力学性能；采用锆硅孕育剂能够缓解铅对铸铁石墨形态的影响。

关键词：铅；组织；灰铸铁；魏氏石墨中图分类号：TG143.2文献标识码：A

文章编号：1001-4977（2012）07-0714-04

Influences of Pb on Microstructure and Properties of Gray Cast Iron

CHENG Jun-wei, GUO Ya-hui, WANG Shi-jie, SANG Pei, LI Zi-jun

（Technology &Materials Research Institute of China Yituo Group Co., Ltd., Luoyang 471004, Henan, China ）

Abstract ：The excessive Pb in the furnace charge has important effect on the properties of the gray cast iron in the production. The effects of different addition amount of Pb on the mechanical properties and microstructure were studied, and the Widmanst 覿tten graphite reconstruction and different inoculants tests were done. The results show that the graphite transformed and Widmanst 覿tten graphite formed under the condition of excessive Pb, which decreased the mechanical properties of gray cast iron apparently; the adoption of zirconium ferrosilicon can reduce the influences of Pb on graphite morphologies of gray cast iron. Key words ：Pb; microstructure; gray cast iron; Widmanst 覿tten graphite 异常组织缺陷是缸盖渗漏缺陷中，比较常见的一种铸造缺陷，有石墨形态异常和基体组织异常两种。石墨形态异常出现最多的有过冷石墨与魏氏石墨，而魏氏石墨与炉料中微量元素存在有直接关系，原材料中带入的微量元素如钛、铅等对铸铁的组织产生很大的影响。这些微量元素多数是随废钢带入的，其中铅是极其有害的），不足0.01%的杂质元素，如易切削钢（螺钉、螺母等铅将给铸铁件带来相当严重的后果，造成铸件废品的大量出现，尤其是发动机缸体、缸盖等承压铸件[1]。

不同含量的铅。由于铅合金熔点低，一般加入包内。每包浇注2-4个试棒。然后浇注26kg 框架铸件1箱。试验时包内孕育处理采用加入量0.5%硅铁或硅锆孕育剂。采用平均壁厚在15mm ，含有多种热节的框架铸件，重26kg ，外轮廓尺寸360mm ×260mm ×80mm ，其铸件简图如图1所示。

1试验条件与方法

试验是在铅含量极低的铁液内，加入不同含量的

铅，检测石墨形态的变异，复制魏氏石墨，研究铅对铸铁性能和组织影响的大小与预防措施。

试验条件：采用250kg 电炉熔炼，Φ30mm 试棒用水玻璃砂造型，铸件用水玻璃砂或湿型砂造型，采用地秤称量铁量，测温用便携式热电偶。

熔炼炉料配比：Z14生铁40%，回炉料30%，废钢30%，同时按比例加入一部分增碳剂和合金。

试验方法：采用同一炉铁液分别浇注，第1包采用HT250铁液，不加铅只加入孕育剂，第2和第3包加入

收稿日期：2012-02-29收到初稿，2012-03-31收到修订稿。

作者简介：程俊伟（1965-），男，高级工程师，主要从事铸铁工艺及材料的开发与研究。E-mail ：[email protected]

2

2.1

试验内容与结果分析

干、湿砂造型异常石墨复制试验

在一些大型铸件中，灰铸铁铁液中铅含量在

铸造

程俊伟等：

铅对灰铸铁组织和性能的影响

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0.003%以上，就能形成魏氏石墨组织、扇形异常石墨等缺陷，强度和冲击值下降，加工面的粗糙度增加，加工时边角容易掉落，断口异常。铅的这种作用与氢、钙等元素有关，单独的铅不会产生此种缺陷，铅的主要来源是镀锌板、易切削钢、锻造边角料、带钎焊的炉料等[2]。由于铅不是形成魏氏石墨的唯一条件，因此选择水玻璃砂干型和粘土煤粉砂湿型做对比试验。

硅锆孕育剂抗衰退能力强，能减少白口倾向，改善石墨组织，能够得到均匀细小的A 型石墨。孕育剂

表1

编号1-11-22-12-23-13-24-14-25-15-2

0.0080.0280.0170.0070.006铅含量/%

孕育剂加入量/%

0.5硅铁0.5硅铁0.5硅铁0.5硅铁0.5硅铁0.5硅铁0.5硅铁0.5硅铁0.5硅铁0.5硅锆

强度1/MPa

[***********][1**********]7

中锆为脱氧剂，能与铁液中硫、氧结合，并且固定氮的能力强，有利于消除铸件中的气孔，改善铁液的流动性[3]。因此，进行了硅铁和硅锆孕育剂的对比试验，以便研究解决或缓解铅对铸铁组织的影响。

前两炉试验试棒和铸件均采用水玻璃砂造型，同一炉铁液分两次浇注对比试棒和铸件。从第3次试验开始，复制铸件采用缸盖生产用粘土煤粉砂造型，试棒采用水玻璃砂造型。试棒力学性能和组织检测结果如表1所示，化学成分检测结果如表2所示。

力学性能和石墨形态

强度3/MPa

[***********][1**********]8

强度4/MPa

[***********]274252

平均强度/MPa

[***********][1**********]8

A+异常石墨A+20%EA+10%E最低强度试棒组织

A A A+20%EA+10%EA+15%EA+10%E

Table 1Mechanical properties and graphite morphologies

强度2/MPa

[***********][1**********]8

表2

炉次1-22-23-24-25-2

CE 3.663.883.773.773.77

C 3.083.203.043.303.27

Si 1.742.032.202.001.95

试验铸件化学成分

处理下，加入铅的铸件比同一炉成分未加入铅的铸件

w B /%

Pb 0.0060.0070.0170.280.37

0.0280.008

Table 2Chemical composition of test casting

Mn 0.760.801.060.840.88

S 0.0600.0670.0500.0710.053

P 0.0320.0340.0650.0370.034

Cr 0.350.240.160.280.32

Cu 0.330.30

强度分别下降了5MPa 和9MPa ，两次试验重复验证了极少量的铅都对铸件的力学性能产生影响。从第3次至第5次试验的力学性能变化分析，加入0.017%和0.028%的铅后，比同一批未加入铅的铸件平均强度分别下降了4MPa 、22MPa ，而采用硅锆孕育剂孕育处理，平均强度反而提高了12MPa ，这主要是铅使石墨形态发生了变异所致，采用硅锆孕育剂缓解并改善了铅对石墨形态的影响。图2是铸件圆热节部位边缘检测的变异石墨形态。

试验结果分析：分析两次试验的平均力学性能发现，碳当量3.66%和3.88%的铁液，在同样75硅铁孕育

魏氏石墨复制和硅锆孕育剂试验

采用湿型砂（煤粉粘土砂）造型，通过包内加入不同的铅合金，复制魏氏石墨，研究在铅作用下灰铸铁组织和性能的变化规律。采用同一成分铁液重复对

2.2

比了硅铁孕育剂和硅锆孕育剂在含铅铁液中的作用强弱。力学性能和组织检测结果如表3所示，成分检测结果如表4所示。同一炉铁液分2-3次浇注，第1组为对比基础，不加入铅合金，第2组和第3组在包内加入铅。

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No.7

表3铸件力学性能和石墨形态

Table 3Graphite morphologies and mechanical properties of casting

编号6-17-28-18-28-3

0.0150.032铅含量/%0.0110.006

孕育剂加入量/%

0.5硅锆0.5硅铁0.5硅铁0.5硅铁0.5硅锆

试棒强度1/MPa

[**************]

强度2/MPa

287内有缺陷278244272

平均强度/MPa

297.5229.0282.0248.0266.0

最低强度试棒石墨形态

A+10%EA+E+魏氏石墨

A+EA+B+变异石墨A+E，4级

铸件石墨形态A+10%EA+魏氏石墨

A A+变异石墨A+变异石墨

图3、图4是不同铅含量下复制出的异常石墨和魏氏石墨。

表4

炉次6-17-28-28-3

CE 3.773.963.953.95

C 3.223.273.303.28

Si 1.802.061.962.01

图4、图5是采用两种不同孕育剂的石墨形态与石墨大小。

铁液化学成分

Table 4Chemical composition of iron melt

Mn 0.910.851.001.00

S 0.0680..070.0360.036

P 0.0380.0260.0340.034

Cr 0.310.260.330.33

Cu 0.440.440.350.35

w B /%

Pb 0.0110.0060.0150.032

粘土湿型砂造型在0.006%情况下复制出了魏氏石墨；水玻璃干型砂在0.017%和0.028%铅含量下没有出现魏氏石墨，也说明了铅不是形成魏氏石墨的唯一条件，还需要氢等其他因素综合作用。

有资料分析认为魏氏石墨的形成原因[4]：含铅和氢

对比试验显示同一炉铁液同样的成分，同样的造型材料和浇注工艺，采用硅锆孕育剂，在铅量0.032%时，出现石墨变异，平均力学性能266MPa ；采用硅铁孕育剂时，铅含量0.015%也出现石墨变异，平均力学性能248MPa 。采用硅锆孕育剂，虽然铅含量高了一倍，铸件平均力学性能仍然比采用硅铁孕育剂的铸件提高了18MPa 。由于采用硅锆孕育剂后，扩散分布到铁液中的锆改善了铁液凝固过程中的石墨形态，减弱石墨的变异倾向，从而使铸件的力学性能提高；检测试棒组织没有出现变异石墨，铸件组织中变异石墨的数量和尺寸都明显少于采用硅铁孕育剂的铸件，这也进一步验证了分析的正确性。

含量高的厚实铸件灰铸铁件，比较接近于平衡状态下的凝固和冷却条件，当铸件凝固完毕，继续冷却时，奥氏体中的碳要析出，成为固态下析出的二次石墨。在正常情况下，二次石墨仅使共晶石墨片增厚，对力学性能不会产生很大的影响。但当含铅和氢含量高时，可能降低了沿着奥氏体一定晶面的石墨同奥氏体的表面能，而使二次石墨沿着奥氏体一定晶面长大，延伸入金属基体之中，成为魏氏石墨。铸铁中的铝，能促使铁液吸氢，而增加氢含量。

3结论

（1）在灰铸铁中极其微量的铅就能够改变铸铁件

铸造

程俊伟等：铅对灰铸铁组织和性能的影响

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的石墨形态，降低铸件力学性能，尤其是产生的魏氏石墨严重降低了铸件的力学性能。

（2）在条件相似情况下，采用粘土煤粉砂造型，铅含量在0.006%和0.015%情况下出现魏氏石墨；采用水玻璃砂造型，在0.017%和0.028%铅含量下不出现魏氏石墨，这说明了铅不是形成魏氏石墨的唯一条件，还需要氢等其他因素综合作用，采用粘土煤粉砂生产的铸件比干型砂更容易出现魏氏石墨。

（3）采用硅锆孕育剂能够减轻铅对石墨变异的影响，同样的条件下，采用硅锆孕育剂孕育的铸件力学性能明显高于75硅铁孕育处理的铸件。

参考文献：

[1][2][3][4]

辜祖勋. 对影响灰铸铁件质量的一些问题的探讨[J].铸造，2003（5）：359-360.

日本工学会. 铸造缺陷及其对策[M].北京：机械工业出版社，2008：164.

王春祺. 铸铁孕育理论与实践[M].天津：天津大学出版社，1991：188.

陈国桢，肖柯则，姜不居. 铸件缺陷和对策[M].北京：机械工业出版社，2007：28.

（编辑：潘继勇，[email protected]）

娄延春主编