铸铁合金组织性能控制实验报告

材料成型及控制工程（卓越）

指导老师： 小组成员：

综合实验

铸铁合金组织性能控制

实验报告

一、 实验目的

铸铁是含碳量大于2.11%的铁碳合金，由工业生铁、废钢等钢铁及其合金材料经过高温熔融和铸造成型而得到。按照石墨在基体中的分类，通常包括，普通灰铸铁，可锻铸铁，球墨铸铁及蠕墨铸铁四种。球墨铸铁是20世纪五十年代发展起来的一种高强度铸铁材料，通过球化和孕育处理后，使石墨呈球状，有效地提高了铸铁的机械性能，特别是提高了塑性和韧性，从而得到比碳钢还高的强度。因其综合性能接近于钢，球墨铸铁已迅速发展为仅次于灰铸铁的、应用十分广泛的所谓“以铁代钢”的铸铁材料。用于铸造一些受力复杂，强度、韧性、耐磨性要求较高的零件。

本次实验通过对铸铁合金的配料计算，熔炼，浇铸，取样磨制，成分分析，抛光，金相观察一整套综合试验流程，使同学们掌握对中频炉，直读光谱仪，金相显微镜的使用，对球墨铸铁合金组织的分辨观察能力。同时回顾在前期理论学习中的相关知识。

二、 实验内容

目标成分：球墨铸铁，CE=4.5% 对比试样： A） B）

原始铁液，浇入铜模激冷

球化（1.8%）、孕育（1.2%）处理后浇入石墨模具。

熔体处理温度1500°C，浇注温度1400°C

1、 选定成分

表1 铸铁熔炼原材料的成分

推荐成分配比：废钢12%

CE=C+0.3（Si+P）+0.4S-0.03Mn≈C+0.3（Si+P）

=0.85[4.46+0.3(0.83+0.039)]+0.12[0.25+0.3(0.8+0.8)]+0.012(0.3*74)+0.018（0.3*44） =4.522

因此选用85%生铁，12%螺纹钢，1.2%孕育剂，1.8%球化剂

2、 称量

因为共需8kg铁水，所以生铁8*0.85≈6.895kg，螺纹钢8*0.12=0.98kg，球化剂8*0.018=0.14970kg，孕育剂8*0.012/3=0.0324kg和8*0.012*2/3=0.0649kg两份。

3、 熔炼与浇铸

将生铁与螺纹钢置于坩埚加热，完全融化后将坩埚从炉中取出，浇注铜模试块。剩余铁液倒入另一坩埚中，放回炉内保温。

将球化剂和三分之一份的孕育剂加入原坩埚，用石墨棒稍作搅拌。 将一底部有孔的坩埚置于原坩埚之上，并向其中倒入铁液。反应完成后加入剩余孕育剂，用一块石棉覆盖坩埚口以档渣。将此时的铁液用于浇注空冷石墨试块、埋砂石墨试块和热电偶测温样杯，测其样杯中合金溶液冷却曲线。

三、 设备及原理

1、

中频炉

中频炉是一种将工频50HZ三相工频交流电，整流后变成直流电，再把直流电变为可调节的中频交变电流，用以在感应圈中产生高密度的磁力线，并切割感应圈里盛放的金属材料，在金属材料中产生很大的涡流，利用电磁感应加热金属。中频电炉利用中频（200-2500Hz）电源建立中频磁场，使铁磁材料内部产生感应涡流并发热，达到对材料熔炼保温的目的。主要用于熔炼碳钢，合金钢，特种钢，也可用于铜，铝等有色金属的熔炼和提温。设备体积小，重量轻，效率高，耗电少，熔化升温快，炉温易控制，生产效率高。

该设备的原理是：电源装置将三相工频50HZ交流电整流后变成直流电，再把直流电变为可调节的中频电流（300HZ以上至1000HZ）。该中频交变电流从感应线圈里流过，并在感应圈中产生高密度的磁力线，切割感应圈里盛放的金

属材料，产生很大的涡流，利用电磁感应加热。

2、 直读式光谱仪

光电直读光谱仪为发射光谱仪，主要通过测量样品被激发时发出代表各元素的特征光谱光（发射光谱）的强度而对样品进行定量分析的仪器。

目前无论国内还是国外的光电直读光谱仪，基本可按照功能分为4个模块，即：激发系统，光学系统，测控系统，计算机中的软件数据处理系统。其中激发系统的任务是通过各种方式使固态样品充分原子化，并放出各元素的发射光谱光。光学系统对激发系统产生出的复杂光信号进行处理（整理、分离、筛选、捕捉）。测控系统能够测量代表各元素的特征谱线强度，通过各种手段，将谱线的光强信号转化为电脑能够识别的数字电信号，并控制整个仪器正常运作。而计算机中的软件数据处理系统对电脑接收到的各通道的光强数据，进行各种算法运算，得到稳定，准确的样品含量。

同时直读光谱仪的许多的优点使其目前在各铸造厂，实验室广泛应用。如： 1、炉中取的样品只要打磨掉表面氧化皮，固体样品即可放在样品台上激发，免去了化学分析钻取试样的麻烦。对于铝及铜、锌等有色金属样品而言，可用小车床车去表面氧化皮即可。 2、从样品激发到计算机报出元素分析含量只需20-30秒钟，速度非常快，有利于缩短冶炼时间，降低成本。特别是对那些容易烧损的元素，更便于控制其最后的成份。 3、 样品中所有要分析的元素（几个甚至十几个）可以一次同时分析出来，对于牌号复杂的产品，要求分析元素愈多愈合算，经济效益好。4、分析精度非常高，可以有效控制产品的化学成份，保证它能符合国家标准的规格，甚至可将合金成份控制到规格的中下限，以节省中间合金或铁合金的消耗。5、分析数据可以从计算机打印出来或存入软盘中，作为永久性记录。

直读光谱仪在使用中，对样品及其制样有一定的要求。首先，在分析生铁和铸钢样品时，要求试样表面层碳都以碳化物的状态存在，不能有游离石墨，即铸铁的分析面必须是完全白口。因为当铸铁表面存在游离碳时(灰口铁)，就会影响分析结果，然而当碳硅含量较高时，白口化是非常困难的。为了达到白口的程度可以采取以下措施 ：①提高浇注试样的温度，可以增加铁水的过冷度，可避免和减少作为石墨核心的夹杂物从而提高白口化程度，浇注温度要求1400°以

上。 ②提高浇注试样块的冷却速度，改善铸态试块的冷却条件，减少试块的厚度，增加试块的冷却面积，以提高冷却速度，促使铸铁形成白口化。铸态铁水的急冷，使得来不及或很少析出游离石墨。一般采取铜模浇注法最好。

光谱仪的原理：首先任何物质都是由元素组成的，而元素又都是由原子组成的，原子是由原子核和电子组成，每个电子都处在一定的能级上，具有一定的能量，在正常状态下，原子处在稳定状态，它的能量最低，这种状态称基态。当物质受到外界能量(电能和热能)的作用时，核外电子就跃迁到高能级，处于高能态(激发态)电子是不稳定的，激发态原子可存在的时间约10-8秒，它从高能态跃迁到基态，或较低能态时，把多余的能量以光的形式释放出来，原子能级跃迁图见图。

横坐标表示原子所处的能级；Eo为基态能级的能量，一般为零表示，释放出的能量ΔE与辐射出的光波长λ有如下关系。 ΔE=Eh-El=ch/λ

式中：ΔE 释放出的能量， Eh 高能态的能量，

E1 低能态的能量， 图 能级跃迁 c 光速(3X10l0厘米/秒) h 勃朗克常数 λ 辐射光的波长

图中纵坐标表示各能级所具有的能量，

因为每一种元素的基态是不相同的，激发态也是不一样的，所以发射的光子是不一致的，也就是波长不相同的。

依据波长入可以决定是那一种元素，这就是光谱的定性分析。另一方面谱线的强度是由发射该谱线的光子数目来决定的，光子数目多则强度大，反之则弱，而光子的数目又和处于基态的原子数目所决定，而基态原子数目又取决于某元素含量多少，这样，根据谱线强度就可以得到某元素的含量。

因此，在此次试验中，我们采用铜模浇筑的铸铁进行分析。将铜模浇铸的铁块，用砂轮打磨后，再用砂纸稍作修整，使表面平齐。将试块放在激发台上的样品夹上卡紧，放置事注意平整面向下并盖住激发口，点击开始后，越20-30秒就

可从电脑端直接读取定量成分比。为保证测量准确，共选取三个点进行分析比对。之后直接可从电脑中将分析数据拷出。有关铸铁合金成分分析数据原件见附件。

3、 金相显微镜

金相显微镜系统是将传统的光学显微镜与计算机（数码相机）通过光电转换有机的结合在一起的显微镜系统。它不仅可以在目镜上作显微观察，还能在计算机（数码相机）显示屏幕上观察实时动态图像，并将所需要的图片进行编辑、保存和打印。

通常的电脑型金相显微镜包含，金相显微镜、适配镜、摄像器（CCD)、A/D（图像采集）计算机五大部分。它借助光学（金相）显微镜和体视显微镜等对材料显微组织、低倍组织和断口组织等进行分析研究和表征，其中包含材料显微组织的成像及其定性、定量表征。其主要反映和表征构成材料的相和组织组成物、晶粒（亦包括可能存在的亚晶）、非金属夹杂物乃至某些晶体缺陷（例如位错）的数量、形貌、大小、分布、取向、空间排布状态等。

在使用时，应根据观察试样所需的放大倍数要求，正确选配物镜和目镜，分别安装在物镜座上和目镜筒内。然后调节载物台中心与物镜中心对齐，将制备好的试样放在载物台中心，试样的观察表面朝下。将显微镜的灯泡插在低压变压器上（6～8V），再将变压器插头插在220V的电源插座上，使灯泡发亮。转动粗调焦手轮，降低载物台，使试样观察表面接近物镜；然后反向转动粗调焦旋钮，升起载物台，使在目镜中可以看到模糊形象；最后转动微调焦手轮，直至影象最清晰为止。适当调节孔径光阑和视场光阑，选用合适的滤镜片，以获得理想的物像。前后左右移动载物台，观察试样的不同部位，以便全面分析并找到最具代表性的显微组织。在观察完毕后应及时切断电源，以延长灯泡使用寿命。实验结束后，应小心卸下物镜和目镜，并检查是否有灰尘等污染，如有污染，应及时用镜头纸轻轻擦试干净，然后放入干燥器内保存，以防止潮湿霉变。显微镜也应随时盖上防尘罩。

而在本次试验中，我们将对铜模冷却，埋砂缓冷及空冷三种铸铁组织进行观察。在浇铸砂轮砂纸打磨后，先将试样进行抛光。注意，浇铸后要及时对试样进行标号以防止弄混。抛光后要用吹风机冷风将试样进行干燥，否则极易生锈。之后，现在金相显微镜下进行初步观察球墨铸铁中球墨的形貌大小分布，以及珠光

体片层间距大小等典型组织。

再用4%硝酸酒精对金相表面腐蚀，冲洗并干燥。再于金相显微镜下进行观察。

四、 数据分析 1、 冷却曲线

2、 成分

3、 金相

试样1 空冷 放大50倍 4%硝酸酒精腐蚀前

试样1空冷放大100倍 4%硝酸酒精腐蚀前

试样1空冷 放大50倍 4%硝酸酒精腐蚀后

试样1空冷放大100倍4%硝酸酒精腐蚀后

试样1空冷放大200倍4%硝酸酒精腐蚀后

试样2埋砂缓冷 放大50 4%硝酸酒精腐蚀前

试样2埋砂缓冷放大100 4%硝酸酒精腐蚀前

试样2埋砂缓冷放大50 4%硝酸酒精腐蚀后

试样2埋砂缓冷放大100 4%硝酸酒精腐蚀后

试样3铜模 放大100 4%硝酸酒精腐蚀前

4、实验分析：

1， 石墨组织是影响球墨铸铁性能的主要因素之一。石墨

的球化效果越好，圆整度越高，则强度越高；石墨数量越多，材料的塑性越好。由未腐蚀前金相图可以清楚看到石墨的形态数量种类。生产中依据石墨的形态和数量可将球墨铸铁分为一至六，六个级别。一级石墨呈圆形，均匀分布在铁基体上。而本次实验所获得的球墨铸铁，形状为椭圆，且大小不均，不是很理想。据分析，原因可能来自于：熔炼过程中球化剂等添加剂的烧损，球化剂孕育剂的种类，搅拌促使添加剂分散均匀时石墨棒的熔入等原因。在熔炼中使用的螺纹钢，含有一定的锰，而锰是阻

碍石墨化的元素，在两者的综合作用下，因此球化

效果降低，且数量较少呈不均匀球形态。

2， 基体组织中珠光体和铁素体的比例是影响球铁性能

的另一个主要因素。基体中珠光体的含量增加，则材料的强硬度提高，塑韧性降低。由腐蚀后金相图可见试块中珠光体数量较多，可能因石墨化程度不理想所致。

参考文献：

1，《中频炉的应用及维护》——辉志昌(石家庄强大泵业集团有限责

任公司)

2，《试论光电直读光谱仪的工作原理及误差》——邓斯予

（广州市机电工业理化计量中心）

3，《原料配比对球墨铸铁组织性能的影响》——赵岩1。杨

华2(1．德州学院机电工程系2．山东大学材料液态结构及其遗传性教育部重点实验室1)

4，《石墨铸铁组织与性能关系的探讨》——张博气Zhang Bo；弋

楠Yi N；孙博售Sun Bo(①陕西工业职业技术学院材料工程学院②西安航空动力股份有限公司理化检测中心)

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/m4l4.html