实验二 球墨铸铁生产及金相组织观察
一、实验目的
1.了解球墨铸铁的化学成分及其铸造生产特点；
2. 熟悉球墨铸铁的球化处理和孕育处理工艺；
3. 掌握球墨铸铁的金相组织特征和分析方法，并绘制其典型组织；
4. 理解球墨铸铁成分、工艺、组织与性能之间的关系。
二、实验设备及材料
1. 中频感应熔炼炉、金属切割机、电子天平、搅拌勺、扒渣勺、浇注勺、金属型等。
2. 金相制样机、抛光机、金相砂纸、抛光液及4％硝酸酒精化学腐蚀液等。
3. 光学金相显微镜、球墨铸铁标准图谱。
4. 相关金属炉料、球化剂、孕育剂等。
三、实验内容
1. 球墨铸铁概述
球墨铸铁是指经球化孕育处理的，石墨呈球状的灰铸铁。与灰铸铁相比，石墨呈球状，石墨球对基体的损伤较小（金属基体的强度利用率达到70－90％） ，其强度较高，且塑韧性较好，其综合力学性能接近于钢。与钢材相比，球铁的铸造性能好，成本低廉，工业中应用较广。
2. 灰铸铁化学成分的确定
球墨铸铁的铁水成分要保证好的球化效果和铸造性能，必须遵循以下原则。
原铁水成分特点：“一高全低”，强化孕育。即高碳、低硅、低锰、低硫、低磷。
球铁最终成分特点：两高、三低”，即高碳、高硅、低锰、低硫、低磷。
1）高碳：以利于石墨化，且石墨膨胀可提高致密性。墨铸铁的含碳量一般较高
，在3.5～3.9%之间，碳当量在4.1～4.7%之间。铸件壁薄、球化元素残留量大或孕育不充分时取上限；反之，取下限。将碳当量选择在共晶点附近不仅可以改善铁液的流动性，对于球墨铸铁而言，碳当量的提高还会由于提高了铸铁凝固时的石墨化膨胀提高铁液的自补缩能力。但是，碳含量过高，会引起石墨漂浮。因此，球墨铸铁中碳当量的上限以不出现石墨漂浮为原则。
2）低硅：在球墨铸铁中，硅不仅可以有效地减小白口倾向，增加铁素体量，而且具有细化共晶团，提高石墨球圆整度的作用。但是，硅提高铸铁的韧脆性转变温度，降低冲击韧性，因此硅含量不宜过高。原铁水硅含量为1.0~2.0%，其下限以无白口为原则。因为球铁的强化孕育阶段会补充大量的硅，使其最终含硅量达2.0~2.8%，但不超过2.8%，否则会降低韧性。
3）低锰：由于球墨铸铁中硫的含量已经很低，不需要过多的锰来中和硫，球墨铸铁中锰的作用就主要表现在增加珠光体的稳定性，促进形成(Fe、Mn)3C。这些碳化物偏析于晶界，对球墨铸铁的韧性影响很大。锰也会提高铁素体球墨铸铁的韧脆性转变温度，锰含量每增加0.1%，脆性转变温度提高10～12℃。因此，球墨铸铁中锰含量一般是愈低愈好，即使珠光体球墨铸铁，锰含量也不宜超过0.4～0.6%。只有以提高耐磨性为目的的中锰球铁和贝氏体球铁例外。
4）低硫：有害元素，小于0.06%，因硫是反球化元素，它与镁、稀土等球化元素有很强的亲合力，会大量消耗铁液中的球化元素，不仅严重影响球化效果，还形成镁和稀土的硫化物，引起夹渣、气孔等铸造缺陷。
5）低磷：有害元素，小于0.08%，因磷极易偏析于共晶团边界，形成二元、三元或复合磷共晶，会降低球铁塑性、韧性和强度，增加冷脆性。
3. 球墨铸铁的组织特征及分析方法
球墨铸铁的显微组织是由基体和球状石墨组成的，铸态下的基体组织有铁素体、铁素体加珠光体和珠光体三种。球墨铸铁中球状石墨对基体的损伤或割裂作用最小，基体强度的利用率可达70%~90%，因此球墨铸铁是铸铁中综合性能最好的铸铁。
珠光体＋铁素体球墨铸铁
珠光体＋铁素体球墨铸铁
铁素体基体
珠光体基体
球墨铸铁金相组织分析的指标主要有球化率和石墨球径，其中，球化率指单位面积上，球状石墨与全部石墨的比值，一般分为6个级别。石墨球径即石墨大小，是放大100倍，测其直径。GB9441－1998球墨铸铁金相检验标准将石墨大小分成六级，级别越高，石墨越细小。
4. 球化处理和孕育处理
我国广泛采用的球化剂是稀土镁合金。其中镁是重要的球化元素，但它密度小（1.73g/cm3）、沸点低（1120℃），若直接加入铁液，镁将浮于液面并立即沸腾，这不仅使镁的吸收率降低，也不够安全。稀土的沸点高于铁水温度，故加入铁水中没有沸腾现象，同时，稀土有着强烈的脱硫、去气能力，还能细化组织、改善铸造性能。但稀土的球化作用较镁弱，单纯用稀土作球化剂时，石墨球不够圆整。稀土镁合金综合了稀土和镁的优点，而且结合了我国的资源特点，用它作球化剂作用平稳、节约镁的用量，还能改善球铁的质量。球化剂加入量与球化工艺方法有关，一般为铁水质量的1.0%~2.0%。
因镁等球化剂都是阻碍石墨化的元素，故球化处理后，为提高铁液石墨化能力，防止出现白口或麻口组织，还要进行孕育处理。与灰铸铁相同，多用75%的硅铁孕育剂，但由于球化作用，孕育剂加入量比灰铸铁的大，一般为铁液重量的0.4%~1.4%。此外，孕育处理还有促进石墨的球化和分布均匀化，并细化组织、减轻偏析的作用。
由于球化和孕育处理时，铁液温度要降低50~100℃，且易于氧化，因此要求铁液的出炉温度高（1450℃以上），以保证必需的浇注温度。同时要加大内浇道截面，采用快速浇注等措施，以防止浇不到、冷隔等缺陷。
四、试验步骤
1. 配料。确定实验铸铁的化学成分，进行炉料计算、分割、称量并适当清理、烘干后待用。
2. 装炉。预热电炉，按废钢、生铁、回炉料、铁合金的顺序，同时结合炉壁四周布大料，中心和底部布小料的布局特点装炉。炉料应装紧密，则熔化快。
3. 造型、熔炼。制备铸型、通电熔化、停电扒渣出炉。
4. 球化、孕育。包底冲入法球化和孕育处理、浇注试件。球化剂和孕育剂要砸成小块，粒度一般在5～25mm，加料顺序球化剂、孕育剂、铁屑，以延迟球化反应时间。
5. 制样、观察。截取金相试样，并经磨制、抛光、腐蚀后，用金相显微镜观察分析其显微组织。
五、实验结果
1. 绘制球墨铸铁的铸态典型组织（至少画两种球铁）。
2. 简述球墨铸铁进行孕育处理的目的。