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对钛灰铸铁件质量有什么影响？

在灰铸铁高碳当量(大于4.10% Ce)的条件下，少量的钛可以改善铸铁件的力学性能，提高铸件不同截面的均匀性。研究了不同钛含量对中低碳当量(3.65% ~ 3.85% Ce)灰铸铁组织、力学性能和致密性的影响。

结果表明，钛促进了铸铁件中D型石墨的形成。当D型石墨达到一定比例时，特别是Si/C比值较高时，其力学性能明显提高。随着钛和铝含量的增加，灰铸铁件的致密性降低，缩松概率增加。

在铸铁件的生产过程中，随着生铁和废钢等金属炉料的大量使用，钛或多或少地进入铁水中。大量研究资料表明，灰铸铁中加入钛后，大部分钛化合物存在于金属基体中，但仍有部分氮化钛或碳氮化钛存在于铁素体和石墨的界面层中。硬度为3200 HV或更高的钛化合物大大降低了铸铁的可加工性。

此外，过量的钛含量(0.096%)在切割铸件时会产生热裂纹。而添加钛的D型石墨铸铁具有良好的抗氧化性、抗生长性和抗热疲劳性，在500 ~ 700℃时，其使用寿命可比普通CrMoCu铸铁提高3倍。钛严禁作为球墨铸铁中的干扰元素。

然而，在一些蠕墨铸铁中，钛作为有益元素被加入以扩大蠕化处理的范围。在高碳当量条件下，微钛合金化可以提高灰铸铁件的强度和硬度，改善铸件断面均匀性。微量钛还可以中和铸铁中过量的氮，从而减少裂纹氮孔的出现频率。钛在铸铁中的作用有利也有弊。通过试验研究了钛对不同造型条件下中低碳当量灰铸铁石墨形态和力学性能的影响，并定量分析了不同钛含量对灰铸铁致密性的影响。

测试条件和方法

由于钛可以提高高碳当量灰铸铁的力学性能，本实验选取中低碳当量灰铸铁作为研究对象，研究不同砂型下铸件组织的变化。试验采用250公斤中频感应炉冶炼，配料比为Z14生铁40%，回收料30%，废钢30%，部分增碳剂和铬铜合金。测温采用浸入式热电偶，出钢温度1500 ~ 1530℃，浇注温度1360 ~ 1400℃，炉前用0.5% 75硅铁孕育。

铸件分别用水玻璃砂和粘土煤粉砂造型。粘土砂的性质控制在:含水量4.0% ~ 5.0%，密实度50% ~ 70%，透气性120 ~ 130，湿抗压强度0.12~0.14 MPa。砂硬度控制在65 ~ 85之间，平面硬度在中上限，立面硬度在中上限左右。力学性能试样采用水玻璃砂，内腔直径30 mm，采用醇基涂料。试验对象是一个26 kg的多热合铸件，铸件组织和底部填充过程如图1所示。

图1铸造结构和工艺

测试内容和结果分析

1.钛对灰铸铁组织和力学性能的影响。

钛能增加灰铸铁中的奥氏体核心，细化初生奥氏体晶粒。根据美国铸造工人协会的数据，钛可以作为铸铁的石墨化剂和还原剂，还可以细化晶粒，提高铸铁的抗拉强度和抗弯强度。当残余钛含量为0.08% ~ 0.25%时，高碳当量铸铁的抗拉强度可以提高，但低碳当量铸铁的强度会降低。但讨论中没有指出钛对中碳当量灰铸铁的影响，所以试验是以中低碳当量灰铸铁进行的。方案:每炉浇3 ~ 4箱铁水进行对比。第一箱一般采用基本的HT250铁水成分，只加孕育剂，不加钛合金。第二至第四个盒子中装有不同含量的钛合金，合金依次加入炉中。每包浇注2 ~ 4根试棒和1箱铸件。

前两个铸件用水玻璃砂造型，后两个铸件用粘土煤粉砂造型。铁水成分见表1，力学性能和显微组织测试结果见表2。

表1铁水成分WB/%

表2机械性能和石墨形态

从四次试验的平均力学性能对比可以看出，第一次和第二次试验的平均强度随着钛含量的增加而降低，而第三次和第四次试验的平均强度随着钛含量的增加而增加。这是因为钛的加入增加了铁水的过冷倾向。在前两次试验中，钛的含量相对较低，试棒的显微组织中有少量的A型石墨、D型石墨和较多的E型石墨，导致强度下降。尤其是第一次试验，碳当量最低，强度下降最多，达到41 MPa。后两次试验中钛含量相对较高，试棒显微组织中A型石墨、D型石墨较多，E型石墨较少，导致强度增加。此外，第三次测试的整体强度更高，因为三个样品的Si/C比在0.72%和0.76%之间。指出含钛铸铁的Si/C比≥ 0.64%能显著提高铸件的力学性能。

钛含量的增加进一步促进了A型石墨向D型石墨的转变，D型石墨的数量增加。后两种铸件用粘土煤粉砂造型，铸件中的D型石墨明显多于试棒，特别是在厚热点处。

出现大量D型石墨，如图2-图4所示。

图2 0.076%钛铸件圆形热节的石墨形态

图3 0.11%钛铸件方形热接头的石墨形态

图4一般壁厚0.11% Ti铸件的石墨形态

第四次试验，铁水中钛含量为0.11%，试棒平均值提高了17MPa。这是因为高钛试棒的显微组织中90%以上是D型石墨，因此机械性能得到提高。由于粘土湿型砂对铸件的快速冷却，在铸件的热点处产生了大量的D型石墨。由于铬和铜合金的作用，所有D型铸件的厚大部位基体中珠光体含量都在90%以上，抵消了D型石墨对基体组织的影响。

实验结果表明，在低钛含量的干法铸造中，铁水过冷倾向小，产生较多的A型和E型石墨。但随着钛含量的增加，过冷倾向增大，促进了D型石墨的增多。当D型石墨达到90%以上时，铸件的力学性能明显提高。由于湿型砂的过冷倾向和钛含量的增加，铸件的厚部和热点处也出现了大量的D型石墨。

钛增加了灰铸铁铁水的过冷倾向，导致大量石墨枝晶。许多短而弯曲的D形石墨缩短了碳的扩散距离，石墨附近的奥氏体在铸件冷却过程中转变为铁素体，导致力学性能降低。但由于奥氏体枝晶多，D型石墨短，基体破碎小。此外，D型石墨共晶团具有良好的球形等原因。与相同基体的铸铁相比，D型石墨铸铁具有更高的强度。

2.钛和铝对致密性的影响

冶炼生铁或废钢带入的钛不仅影响灰铸铁的加工性能，产生缩孔缺陷，而且影响铸件的致密性。试验采用低钛铁水，并加入一定量的钛铁，研究不同钛含量灰铸铁件产生缩松的可能性。由于钛合金中含有一定量的铝，而一定量的铝也可能影响铸件的缩松，所以在影响因素分析和化学检测中考虑了铝的因素。

冶炼中使用的主要配料比例为:生铁45%，回收料20%，废钢35%和一些高温石墨化增碳剂。每座铁水炉同时浇注3 ~ 4箱铸件，分析铸件缩孔概率。铁成分和缺陷概率统计见表3和表4。

表3铁水成分WB/%

表4铸件的收缩概率

图5铸件总壁厚中的缩松

图6铸件热点收缩

不同钛含量的对比试验结果表明，低钛含量的灰铸铁没有内部缩松，表面缩松较轻。随着钛含量的增加，铸铁产生内部缩松的几率不断增加。钛含量为0.056%，铝含量为0.016%时，缩孔率仅为50%。当灰铸铁中钛和铝的含量分别达到0.17%和0.023%时，产生内部缩松的概率为75%。此时，缩孔不仅出现在铸件的热点部位，也出现在非热点和小热点部位。铸件不同部位的缩松特征如图5和图6所示。

目前，对钛的缩孔原因还没有明确的机理分析。至于铝的影响，指出铁水中铝含量的增加在热铁水的作用下与孕育剂和湿型砂中的水分子反应生成氢气。液态金属的氢含量高，凝固过程中残留液相中的溶解氢不断富集，使得孤立的小熔池中液相的氢含量更高。当小熔池由液相变为固相时，会发生体积损失，溶解的氢也会析出并占据小熔池的空空间，成为析出气孔。此时，晶间缩松和析氢孔隙是共生的，难以区分。因此，为了消除晶间缩孔，必须采取措施防止气孔析出，并尽量减少金属液中的氢含量。所以在钛和铝的共同作用下，很容易形成这种微缩松和微气孔的复合缺陷。

结果表明，在铈含量为3.65% ~ 3.85%的条件下，灰铸铁件:

(1)一定量的钛增加了铁水的过冷倾向，促进灰铸铁件中D型石墨的形成。湿型砂造型的D型石墨明显多于干型砂造型的D型石墨。

(2)随着铁水中钛含量的增加，灰铸铁件中的D型石墨也在增加。当D型石墨的比例达到较高水平时，铸件中粗大和热点处也出现大量D型石墨，碳当量和硅碳比高的铸件力学性能明显提高。当碳当量降至3.66%时，强度随钛含量的增加而大幅下降。

(3)随着钛含量和铝含量的增加，灰铸铁的致密性降低，缩松概率明显增加。当钛含量为0.17%，铝含量为0.023%时，灰铸铁件的缩松概率为70%。

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