球铁生产综合实验.doc

《球铁生产综合实验》实验教学指导书
球墨铸铁自1947年问世以来，大体经历了十年的过程，便以一种新型工业金属材料投入生产，并得到了迅猛发展。机械制造、交通、冶金、矿山、纺织、化工、电力以及原子能等制造行业的大批锻钢件、铸钢件和可锻铸铁件被球墨铸铁所取代，而且有待开拓的领域很多。由于球墨铸铁的发展历史较短，球铁的理论尚不完善。为了加深学生对球铁理论及生产工艺的理解和掌握，特开设《球铁生产综合实验》课，包括球铁型砂、芯砂混制及造型工艺操作、球墨铸铁的熔制、球墨铸铁的金相组织观察、球墨铸铁的热处理、球墨铸铁力学性能、球墨铸铁生产综合分析六个实验。通过实验不仅可使学生掌握球墨铸铁生产的全过程、加深对球化理论的理解，而且可大大提高学生综合分析和解决实际问题的能力。

实验一 球铁型砂、芯砂混制及造型工艺操作
一、实验目的
1、了解球铁型砂、芯砂的配料成分。
2、了解球铁型砂和芯砂的混制及造型工艺的操作方法。
3、掌握球铁型砂中水分对质量的影响规律。
二、实验内容
1、型砂、芯砂配料成分的选择，分析型砂中水分对铸件质量的影响
2、型砂、芯砂的混制。
3、型砂、芯砂的造型工艺操作。
4、完成实验报告。
三、实验内容说明
球墨铸铁铁件的型砂,基本与普通灰墨铁件相同,但球墨铸铁铁件凝固时,其外型容意胀大而引起内部缩松,所以要求铸型有较高的坚实度。因而在采用温型铸造时,应尽量提高型砂温压强度。此外应尽量压低水份含量，以减少高温时的型壁迁异和防止铸造缺陷。型砂水份越高,铸型型壁在高温时迁移量越大,也比较容易产生皮下气孔。对于大型铸件,还应使型砂具有较高的耐热强度，可以往型砂中加入石墨粉等耐热材料。其余如型砂透气性等指标,与灰铸铁型砂相同。
本实验将考察型砂水分对铸件质量的影响规律。由于球化处理，使球墨铸铁的铁水中含有球化元素Mg，它将与型砂中的水发生如下反应：
Mg + H2O = Mg O + 2[H]
H溶入铁水，形成皮下气孔。为此应加入煤粉，煤粉中的碳与空气中的氧发生如下反应：
C+O2 = CO
结果在铸型表面形成一层气化膜，阻止了水与铁水的接触，防止了Mg与H2O的反应，从而可减轻皮下气孔。
三、实验用设备仪器及材料
混砂机，型砂，粘土，澎润土，水，煤粉，砂箱，炉前三角试块模具、冲击试块模具。
四、 实验方法及步骤
1、实验前预习实验指导书。　　　　　　　　　　
2、按表1-1的配方，称取型砂，粘土，澎润土，水，煤粉以备混砂用。
3、用碾轮混砂机混制型砂。
4、造型操作：将炉前三角试块、冲击试块造型模具放如砂箱，将混好型砂放入砂箱中，用砂舂子捣制型砂，注意捣制的力度，保持型砂具有较高的紧实度。
5、在随后的浇注实验中，浇注冲击试块，在砂轮机上磨去表皮，观察皮下气孔的情况。
表1-1 型砂的配比
组　　别
原砂
粘　　土
煤粉
水
旧砂
第一组
5~10%
5%
1.0~1.5%
4%
其余
第二组
5~10%
5%
1.0~1.5%
7%
其余
第三组
5~10%
5%
1.0~1.5%
10%
其余
五、实验报告要求
1、根据实验结果，确定型砂的最佳配方。
2、写出型砂的混制工艺及造型工艺操作过程。
3、分析水分对皮下气孔的影响，说明原因。

实验二 球墨铸铁的熔制
一、实验目的
1、掌握球墨铸铁化学成分、球化剂和孕育剂加入量的选择原则。
2、掌握熔炼球墨铸铁时的配料计算方法。
3、掌握球化、孕育等炉前处理的方法和注意事项。
4、掌握球墨铸铁炉前质量鉴定方法。
二、实验内容
1、确定球铁的化学成分及炉前处理工艺；
2、配料计算；
3、铁水熔化及球化、孕育处理；
4、浇注铸件。
5、铸铁炉前质量鉴定。
三、实验用设备仪器及材料
高频感应电炉，箱式高温电炉，测温仪表，铸造生铁，废钢，球化剂，孕育剂，覆盖剂，铁水浇包，三角试块和冲击试块的铸型。
四、实验方法及步骤
1、确定球铁的牌号及成分
实验前由指导教师指定划分球铁牌号，确定工艺规程，同学在实验前预习和掌握球铁有关章节。选择四种牌号的球铁进行熔炼，其化学成分见表2-1。学生分成四组，每组分给一个牌号。
表2-1 各牌号球铁化学成分
牌号
成 分（%）
C
Si
Mn
P
S
Re
Mg
QT400-18
3．5—3．7
2．8—3．2
< 0．5
< 0．1
< 0.03
0．02—0．04
0．03—0．05
QT500—7
3．5—3．6
2．4—2．8
0．5—0．8
< 0.1
< 0.03
0．02—0．04
0．03—0．05
QT120—1
3．3—3．6
2．8—3．1
< 0．5
< 0.1
< 0.03
0．02—0．04．
0．03—0．05
QT800—2
3．5—3．6
2—2．5
< 0．5
< 0.1
< 0.03
0． 025
—0。04
0．03—0．05
2、确定炉前处理工艺
炉前处理工艺包括球化处理工艺和孕育处理工艺。包括球化剂和孕育剂的种类、加入量、处理温度、加入方法等。本实验稀土镁合金合金球化剂，采用冲入法进行处理时用量根据硫量、铁液温度及铸件壁厚大致为处理铁液质量的1.3~1.8%，本实验四种牌号的球铁正常加入1.5%。为了考察球化不良的影响，选定一个牌号调整球化剂的加入量，具体方案见表2-2所示。孕育剂采用75#Si-Fe，孕育处理工艺见表2-2。
表2-2 球化、孕育处理工艺方案
编号
牌号
球化处理工艺
孕育处理工艺
球化剂加入量（%）
球化处理温度
（℃）
包底一次孕育（%）
瞬时孕育（%）
孕育总量（%）
1
QT400-18
1.5
1500
1.3
0.2
1.5
2
QT400-18
1.0
1500
1.3
0.2
1.5
3
QT400-18
0.6
1500
1.3
0.2
1.5
4
QT500—7
1.5
1500
0.9
0.1
1.0
5
QT800—2
1.5
1500
0.9
0.1
1.0
6
QT120—1
1.5
1500
0.9
0.1
1.0
3、配料计算
学生根据所分得的牌号和前面定的炉前处理工艺，按选定生铁、废钢、球化剂、孕育剂的成分进行配料计算。
4、备料及熔化现场准备
先将球化剂、孕育剂粉碎成合适的粒度，根据铁水量确定。然后学生按计算好的配料单，称取生铁、废钢、球化剂、孕育剂，注意写好编号，防止混料。
5、熔化
生铁、废钢加入炉中进行熔化。
6、炉前处理
在铁水熔化的同时将铁水包放入箱式高温电炉中烘烤，烘烤温度为200~300℃。铁水出炉前，取出铁水包，先加入球化剂，再包底孕育剂，最后加入覆盖剂。铁水到温后，停电，铁水冲入铁水包，待反应结束后，扒渣，加入瞬时孕育剂，进行搅拌。
7、浇注、打箱和铸件清理
炉前处理结束后，浇注三角试样、冲击试样。选择一炉铁水，浇注完上述试样后，剩余铁水倒回炉中，保温一定时间后，再浇注冲击试样，用以考察球化衰退。
对编号1、2、3的铁水浇注除三角试样、冲击试样，浇注硫印试样，用以考察球化剂加入量对夹杂物的影响。
8、炉前检验
利用三角试片、光谱进行球化质量的快速判断。
六、实验报告要求
1、写出配料全过程。
2、叙述球化处理、孕育处理及炉前检验过程记录。
3、分析球化不良的影响。

实验三 球墨铸铁的热处理
一、实验目的
通过球铁的热处理实验,使学生了解和掌握:不同热处理工艺,可得到不同的机械性能.
二、实验内容
１、 球铁的退火。
２、 球铁的正火。
３、 球铁的淬火。
４、 球铁的等温淬火。
三、实验用设备仪器及材料
　　　　箱式高温电炉，测温仪表。
四、实验原理
球铁常用的热处理工艺曲线如图3-1所示。
1、退火
退火包括两种。铸态组织中无游离渗碳体时，可进行低温退火，退火时珠光体中的共析渗碳体分解，以便获得铁素体基体。铸态组织有游离渗碳体时，进行高温退火，退火时游离渗碳体分解。
2、正火
正火的目的是提高基体组织中的珠光体量，提高机械性能和耐磨性，有时还用来消除白口组织，同时获得珠光体基体。
3、淬火
球铁淬火的目的是得到马氏体组织，淬火后的基体组织为马氏体和少量的残余奥氏体，组织很不稳定，内应力很大，脆性大。因此淬火后，必须回火处理。
4、等温淬火
球墨铸铁等温淬火的目的是获得贝氏体组织或奥氏体加贝氏体组织，提高的综合机械性能，获得很高的抗拉强度和冲击值。
0.5
900℃
温度（℃）
时间t(h )
c.球铁的正火
风冷
740℃
温度（℃）
时间t(h )
a.球铁的石墨化退火
炉冷
630℃
空冷

900℃
280℃
0.5
1
温度（℃）
时间t(h )
d.球铁的等温淬火
860℃
温度（℃）
时间t(h )
c.球铁的淬火
水淬

图3-1 球铁常用热处理工艺

五、实验方法及步骤
1、 实验前预习实验指导书。　　　　　　　　　　
　　　2、 制定热处理工艺。
　　　3、 将试样装入炉内,按制定的热处理工艺进行加温。
　　　4、 出炉。
六、实验报告要求
分析热处理对组织的影响。

实验四 球墨铸铁的金相组织观察
一、实验目的
观察前四次实验所做出的不同牌号、不同处理工艺和不同热处理工艺的试样，观察铁素体、珠光体、铁素体加珠光体、球化良好石墨、球化不良石墨、球化衰退石墨等组织的分布形态，以加深对球铁结晶理论的认识和理解。
二、实验内容
１、观察正常球化与球化不良组织的差别。
２、观察正常球化与球化衰退组织的差别。
3、观察不同热处理工艺获得基体组织的差别。
4、观察硫印，分析夹杂物的分布。
三、实验用设备仪器及材料
　　　　金相显微镜，金相试样。
五、实验方法及步骤
1、实验前预习实验指导书。　　　　　　　　　　
2、选取正常球化与球化不良组织试样。
3、选取正常球化与球化衰退组织试样。
3、选取不同热处理工艺组织试样
4、将试样放在载物台上，调试显微镜，观察组织。
5、画出金相组织示意图。
6、制作硫印试样，观察硫印。
六、实验报告要求
1、画出所观察金相组织的示意图。
2、根据实验观察结果分析球化不良、球化衰退、夹杂物的形成规律及影响因素。

实验五 球墨铸铁的力学性能实验
一、实验目的
通过球铁的力学性能实验，加深了解化学成分、组织与机械性能的关系。
二、实验内容
１、球铁试样的冲击实验
２、球铁试样的硬度实验
三、实验用设备仪器及材料
　　冲击实验机，硬度实验机，前面四个实验准备的各种球铁试样。
四、 实验方法及步骤
1、 实验前预习实验指导书。　　　　　　　　　　
2、按不同牌号、不同处理工艺选取试样。
　　　3、 将试样分别放在冲击试验机和硬度计上进行试验。
　　　4、 将实验结果记录于表4-1。
　　　 表5-1 球铁力学性能实验结果
处理状态
性能指标
冲击值（ak）
硬度
1
2
3
平均
1
2
3
平均
铸态

退火

正火

等温淬火

球化不良

球化衰退

皮下气孔

五、实验报告要求
1、总结实验结果，分析热处理对性能的影响。
2、总结实验结果，分析球化处理对性能的影响。
3、总结实验结果，分析型砂对性能的影响。

实验六 球铁生产综合实验综合分析
一、实验目的
通过前面的实验，分析球墨铸铁的化学成分对机械性能的影响，金相组织对机械性能的影响，以及不同的热处理工艺和金相组织的关系。
二、实验内容
１、对前5次实验进行总结和综合分析，
２、完成实验报告
三、实验用设备仪器及材料
　　　　金相显微镜，金相试样。
四、实验结果分析
通过实验可以证实，要得到所需的机械性能就必须有一定的金相组织，要得到希望的各种组织或避免一些不必要的相，除了控制一次结晶外，主要依靠合理的选择化学成份及进行热处理来获得。球铁的化学成份有以下几个特点。
1.碳硅量高 2.含锰量低 3.硫磷低 4.含有镁及稀土。碳高的优点有：①.碳高核心数多 ，可细化球径，提高球的圆整度；②碳高石墨化膨胀大，结果使铸件致密，减少缩松 ③.碳高可使球铁更接近共品成份，提高流动性。
2.硅高的原因有：①.加强石墨化作用，清除自由渗碳体，减少白口倾向 ②.减少缩松 ③.便于获得铁素体基体，提高球铁的塑性何韧性。
3.球铁中的锰量希望低些为宜，一般为0.3～0.8％。
4.磷：磷在球体晶界处易产生共品（超过0.1％）。明显影响机械性能，使冲击韧性及延伸率显著降低，应尽量减少磷在 球铁中的含量。
5.硫是有害于石墨成球的元素，所以原铁水含硫量越低越好。热处理对机械性能的影响：
①.退火其目的是消除铸态渗碳体组织，并使基体得到铁素体基体，达到降低硬度提高韧性的目的。
②.正火是为获得珠光体基体以提高球铁的强度，硬度及耐磨性的一种热处理。
③.等温淬火可以获得良好的基体组织和综合的机械性能。球铁的金相组织对机械性能的影响：
球铁中各种基体组织对机械性能的影响与碳钢有相同的规律：铁素体使球铁具有高韧性，珠光体具有高强度，马氏体具有高硬度，贝氏体则带来优良的综合性能，渗碳体及磷共晶则硬而脆，降低了延伸率及冲击值。
五、实验报告要求
综合前五次实验的结果，写出球铁生产实验的综合分析报告。

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