D5S高镍奥氏体球墨铸铁材质及铸造工艺研究-免费论文
D5S高镍奥氏体球墨铸铁材质及铸造工艺研究
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上海大学硕士学住论文 摘 要 高镍奥氏体球墨铸铁（简称高镍球铁）是一种含Ｎｉ元素在１３％～３８％范围内的一种合金奥氏体铸铁。&&&&根据美国材料检验学会（ＡＳＴＭ）标准，Ｄ．５Ｓ系列高镍球铁含镍量为３４％－－３８％；这种高镍铸铁的金相组织为含有少量碳化物的奥氏体基体上分布球状石墨。&&&&由于基体组织为奥氏体，所以这种材料具有较好耐高温性和抗腐蚀性，并具有一定的耐磨性；在国外已经开展了大量的研究并广泛的应用于燃气涡轮发动机、涡轮增压器壳体、泵体等耐热部件中。&&&&但是，在国内由于缺镍而很少对高镍球铁的铸造性能与工艺进行研究，尤其是Ｄ－５Ｓ系列含镍量较高的铸铁。&&&&为了达到自主开发与制造高镍球铁铸件，减少成本的目的，我们对Ｄ．５ｓ高镍球铁的铸造性能与工艺进行了研究。&&&& 针对Ｄ．５Ｓ高镍球铁的金相组织要求，我们须考虑两个问题：１）镍是贵重金属，同时也是保证高镍球铁基体组织为奥氏＿体的重要因素。&&&&这就要求在确定化学成分时候，不能只注重镍元素对球墨铸铁组织性能的影响，同时还要考虑到降低成本。&&&&２）另外一个重要因素就是石墨形态。&&&&在进行球化孕育处理的时候，需要选择合适的球化剂、孕育剂及其加入方式等处理工艺。&&&&由于高镍球铁的熔炼温度较高，合金元素较多，这对球化孕育处理工艺有很大的影响。&&&&根据我们的实验分析和研究，得到以下结论： １１ Ｄ一５Ｓ高镍球铁化学成分含量对石墨形态的影响很大，尤其是Ｃ、Ｓｉ、Ｎｉ 三元素；其中Ｎｉ元素含量为１３％以上即可满足基体为奥氏体的要求。&&&& 但是综合Ｃ、Ｓｉ、Ｎｉ对高镍球铁组织性能的影响和降低成本以及针对课 题要求，得到较为合适的成分为：Ｃ：１．６９～１．８７％，Ｓｉ：４．８～４．９％， Ｎｉ：３４．５～３５．５％： ２１ Ｄ．５Ｓ高镍球铁合理浇注温度应为：１４５０℃左右，过热温度１６００ ４Ｃ左右： 过低或过高都容易出现铸造缺陷。&&&& ３）高镍球铁进行球化处理时，球化剂采用Ｎｉ―Ｍｇ合金球化剂比传统的 Ｍｇ合金球化剂的效果要好；采用坑内冲入法（Ｔｕｎｄｉｓｈ），加入比例为 １．１％左右；能够得到圆度较好的石墨球。&&&&另外我们看到球化衰退一般在 上海太擘硕士学位论文 ４～６分钟后发生（实验室条件下）。&&&& ４）继球化处理过后，进行０．４％含Ｓｒ，７５％ＳｉＦｅ孕育剂包内孕育和Ｏ．１５％的 含Ｚｒ，７５％ＳｉＦｅ孕育剂瞬时孕育；能够达到预期的孕育效果，减少碳化物 的形成。&&&& 同时，我们对高镍球铁的铸造性能也进行了试验分析，主要包括：流动性、收缩率、截面敏感性及动态凝固特性：并试制出合格的涡轮增压器壳体。&&&&关键词：高镍奥氏体球墨铸铁，涡轮壳体，铸造性能。&&&&铸造工艺，球化，孕育，热分析，动态凝固特性． 上海大学硕士学位论文 ＡＢＳＴＲＡＣＴ Ｄｕｃｔｉｌｅ Ｎｉ―ｒｅｓｉｓｔ ｃａｓｔ ｉｒｏｎ ｉｓ ｏｎｅ ｋｉｎｄ ｏｆ ａｌｌｏｙｅｄ ａｕｓｔｅｎｉｔｉｃ ｃａｓｔ ｉｒｏｎｓ ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇＮｉｃｋｅｌ ｅｌｅｍｅｎｔ ｔｈａｔ ｒａｎｇｅｄ ｆｒｏｍ １３ ｐｅｒｃｅｎｔ ｔｏ ３８ ｐｅｒｃｅｎｔ ｉｎ ｗｅｉｇｈｔ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏＡＳＴＭ（Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ ｏｆｓｔａｎｄａｒｄ ｔｅｓｔ ｆｏｒ ｍａｔｅｒｉａｌ），Ｄ一５Ｓ ｓｅｒｉｅｓ ｏｆｄｕｃｔｉｌｅ Ｎｉ－ｒｅｓｉｓｔ ｃａｓｔｉｒｏｎ ｃｏｎｔａｉｎｓ Ｎｉｃｋｅｌ ｅｌｅｍｅｎｔ ｉｎ ｒａｎｇｅ ｆｒｏｍ ３４ ｐｅｒｃｅｎｔ ｔｏ ３８ ｐｅｒｃｅｎｔ ｉｎ ｗｅｉｇｈｔ，ｗｈｉｃｈｆｉｎｅ ｔｅｘｔｕｒｅ ｉｓ ｃｏｎｓｉｓｔｅｄ ｏｆ ｍａｔｒｉｘ ａｕｓｔｅｎｉｔｅ ｗｉｔｈ ｌｉｔｔｌｅ ｓｐｈｅｒｏｉｄａｌ ｇｒａｐｈｉｔｅ ａｎｄ ｓｍａｌｌａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｃａｒｂｉｄｅ ｗｉｔｈｉｎ ｉｔ．Ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｔｒｉｘ ａｕｓｔｅｎｉｔｅ，ｔｈｉｓ ｋｉｎｄ ｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌｔａｋｅｓ ｏｎ ｓｏｍｅ ｐｅｒｆｅｃｔ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｉｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｔｏ ｅｌｅｖａｔｅｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ；ｍｅａｎｗｈｉｌｅ．ｔ１１ｉｓ ｍａｔｅｒｉａｌ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｓｔｕｄｉｅｄ ａｎｄ ｕｓｅｄ ｉｎｔｈｅｒｍａｌ ｐａｒｔｓ ｉｎ ｆｏｒｅｉｇｎ ｉｎｄｕｓｔｒｙ ｓｕｃｈ ａｓ ｇａｓ―ｔｕｒｂｉｎｅ ｅｎｇｉｎｅ，ｔｕｒｂｉｎｅ ｓｕｐｅｒｃｈａｒｇｉｎｇｈｏｕｓｉｎｇｓ ａｎｄ ｂｏｄｉｅｓ ｏｆ ｐｕｍｐ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｗｅ ｈａｖｅ ｈａｒｄｌｙ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ａｎｙ ｒｅｓｅａｒｃｈａｂｏｕｔ ｓｕｃｈ ｍａｔｅｒｉａｌ ｉｎ ｏｕｒ ｃｏｕｎｔｒｙ．ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ。&&&&Ｄ?５Ｓ ｓｅｒｉｅｓ ｃａｓｔ ｉｒｏｎ谢ｍ ｌｌｉｇｈ ｎｉｃｋｅｌｅｌｅｍｅｎｔ ｉｎ ｗｅｉｇｈｔ，Ｔｈｅｒｅｂｙ，ｗｅ ｓｅｔ ｏｕｔ ｔｏ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｆｏｕｎｄｒｙ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ ｃａｓｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ Ｄ－５Ｓ ｓｅｒｉｅｓ ｄｕｃｔｉｌｅ Ｎｉ―ｒｅｓｉｓｔ ｃａｓｔ ｉｒｏｎ，ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｈａｔ ｗｅ ｃａｎ ｅｘｐｌｏｉｔ ａｎｄｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ ｄｕｃｔｉｌｅ Ｎｉ―ｒｅｓｉｓｔ ｃａｓｔｉｎｇｓ ａｎｄ ｃａｒｌ ｓａｖｅ ｓｏｍｅ ｃｏｓｔ ａｓ ｗｅｌｌ． Ｂａｓｅｄ Ｏｎ ｔｈｅ ｆｉｎｅ ｔｅｘｔｕｒｅ ｄｅｍａｎｄ ｏｆ Ｄ一５Ｓ ｓｅｒｉｅｓ ｄｕｃｔｉｌｅ Ｎｉ－ｒｅｓｉｓｔ ｃａｓｔ ｉｒｏｎ，ｗｅｓｈｏｕｌｄ ｔａｋｅ ｔＷＯ ｒｅｌｅｖａｎｔ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｉｎｔｏ ａｃｃｏｕｎｔ：ｆｉｒｓｔｌｙ，Ｎｉｃｋｅｌ ｉｓ ｏｎｅ ｋｉｎｄ ｏｆ ｐｒｅｃｉｏｕｓｍｅｔａｌ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｏｆ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｅｌｅｍｅｎｔ ｇｕａｒａｎｔｅｅｉｎｇ ｔｈｅ ｍａｔｒｉｘ ａｎｓｔｅｎｉｔｅ．Ｔｈｉｓ ｍｅａｎｓｗｈｅｎ ｗｅ ｃｏｍｅ ｔｏ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｃｏｎｔｅｎｔ，ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｓｈｏｕｌｄ ｗｅ ｃｏｎｓｉｄｅｒＮｉｃｋｅｌ’Ｓ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｔｏ ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｄｕｃｔｉｌｅ Ｎｉ－ｒｅｓｉｓｔ ＣａＳｔｉｒｏｎ，ｗｅ ｓｈｏｕｌｄ ａｌｓｏ ｃａｒｅ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｃｏｓｔｓ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｐｒｅｃｉｏｕｓ ｍｅｔａｌ．Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｗｈａｔ’Ｓｔｈｅ ｏｔｈｅｒ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ａｓｐｅｃｔ ｗｅ ｓｈｏｕｌｄ ｃａｒｅ ａｂｏｕｔ ｉｓ ｔｈｅ ｓｈａｐｅ ｏｆ ｇｒａｐｈｉｔｅ Ｔｈｉｓ ｄｅｃｉｄｅｓｗｅ ｓｈｏｕｌｄ ｓｅｌｅｃｔ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｎｏｄｕｌａｒｉｚｅｒ，ｉｎｏｃｕｌａｎｔ ａｎｄ ａｄｄｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｄｕｒｉｎｇ ｌｉｑｕｉｄ ｉｒｏｎｔｒｅａｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｍｅｌｔｅｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｍｕｃｈ ｍｏｒｅ ａｌｌｏｙ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｉｎｄｕｃｔｉｌｅ Ｎｉ―ｒｅｓｉｓｔ ｃａｓｔ ｉｒｏｎ ｔａｋｅ ｇｒｅａｔ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｔｏ ｓｐｈｅｒｏｉｄｉｚｉｎｇ ａｎｄ ｉｎｏｃｕｌａｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｏｕｒ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｗｅ ｈａｖｅ ｄｒａｗｎ ｓｏｍｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ ａｓ ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ： 上海太擘硕士擘住论文 １）Ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆｖａｒｉｏｕｓ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ，ｉｎ Ｄ一５Ｓ ｓｅｒｉｅｓ ｄｕｃｔｉｌｅ Ｎｉ－ｒｅｓｉｓｔ ｃａｓｔ ｉｒｏｎ（ｐｒｏｊｅｃｔ ｒｅｌａｔｅｄ）ｈａｓ ｇｒｅａｔ ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ ｔｈｅ ｓｈａｐｅ ｏｆ ｇｒａｐｈｉｔｅ， ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ Ｃ，Ｓｉ ａｎｄ Ｎｉ；ｆｏｒ ｅｘａｍｐｌｅ，ｗｈｅｎ Ｎｉ ｃｏｎｔｅｎｔ ｉｎ ｗｅｉｇｈｔ ｉｓ ｎｏｔ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ １ ３ ｐｅｒｃｅｎｔ，ｍａｔｒｉｘ ｔｅｘｔｉｌｅ Ｃａ－ｎ＿ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｄｅｍａｎｄ ａｓ ａｕｓｔｅｎｉｔｅ． Ａｓ ａ ｗｈｏｌｅ，ｗｈｅｎ ｗｅ ｔａｋｅ ｔｈｅ ｔｗｏ ａｓｐｅｃｔｓ ｉｎｔｏ ａｃｃｏｕｎｔ，ｗｅ ｈａｖｅ ｇｏｔ ａ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｒａｎｇｅ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｓｕｃｈ ａｓ：Ｃ，１．６９ ｔｏ １．８７ ｐｅｒｃｅｎｔ ｉｎ ｗｅｉｇｈｔ；Ｓｉ，４．８ ｔｏ ４．９ ｐｅｒｃｅｎｔ ｉｎ ｗｅｉｇｈｔ ａｎｄ Ｎｉ，３４．５ ｔｏ ３５．５ ｐｅｒｃｅｎｔ ｉｎ ｗｅｉｇｈｔ ２１ Ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｐｏｕｒｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ Ｄ一５Ｓ ｓｅｒｉｅｓ ｄｕｃｔｉｌｅ Ｎｉ－ｒｅｓｉｓｔ ｃａｓｔ ｉｒｏｎ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ １４５０”Ｃｏｒ ＳＯ ａｎｄ ａ ｐｒｏｐｅｒ ｓｕｐｅｒｈｅａｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｔ １６００ ℃ｏｒ ＳＯ ｉｓ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｔｙｐｉｃａｌｌｙ．Ｔｏｏ ｈｉｇｈ ｏｒ ｔｏｏ ｌｏｗ ｗｉｌｌ ｂｅ ｅａｓｙ ｔｏ ｌｅａｄ ｔｏ ｃａｓｔｉｎｇ ｄｅｆｅｃｔｓ． ， ３）Ｄｕｒｉｎｇ ｎｏｄｕｌａｒｉｚｉｎｇ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｐｒｏｃｅｓｓ，Ｎｉ―Ｍｇ ａｌｌｏｙｅｄ ｎｏｄｕｌａｒｉｚｅｒ ｃａｒｌ ａｃｑｕｉｒｅ ｂｅｔｔｅｒ ｅｆｆｅｃｔ ｔｈａｎ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ Ｍｇ ａｌｌｏｙｅｄ ｎｏｄｕｌａｒｉｚｅｒ；ａｎｄ ｗｅ ｃａｎ ａｄｏｐｔ ｔｕｎｄｉｓｈ ａｄｄｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ、Ⅳｉｔｌｌ ｔｈｅ ａｄｄｉｔｉｏｎ ａｂｏｕｔ １．１ ｐｅｒ ｉｎ ｗｅｉｇｈｔ，ｗｈｉｃｈ ｓｐｈｅｒｏｉｄａｌ ｇｒａｐｈｉｔｅ ｗｉｔｈ ｐｅｒｆｅｃｔ ｒｏｕｎｄｎｅｓｓ Ｃａｎ ｂｅ ａｃｑｕｉｒｅｄ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｆａｄｉｎｇ ｏｆ ｎｏｄｕｌａｒｉｚｉｎｇ ｗｉｌｌ ｔａｋｅ ｐｌａｃｅ ａｔ ６ ｍｉｎｕｔｅｓ ｌａｔｅｒ ａｆｔｅｒ ｔａｐ ｏｆｌｉｑｕｉｄ ｉｒｏｎ（ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆｌａｂ）． ４） Ａｆｔｅｒ ｎｏｄｕｌａｒｉｚｉｎｇ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｗｅ ｓｈｏｕｌｄ ｐｅｒｆｏｒｍ ｉｎｏｃｕｌａｔｉｏｎ ｐｒａｃｔｉｃｅ．ｗｈｉｃｈ ｉｎｃｌｕｄｅｓ ｌａｄｌｅ ｉｎｏｃｕｌａｔｉｏｎ ｗｉ也ＳｒＦｅＳｉ ａｌｌｏｙｅｄ ｉｎｏｃｕｌａｎｔ’Ｓ ａｄｄｉｔｉｏｎ ａｂｏｕｔ ０．４ ｐｅｒ ｉｎ ｗｅｉｇｈｔ ａｎｄ ｓｔｒｅａｍ ｉｎｏｃｕｌａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｉｎｏｃｕｌａｎｔ’ｓ（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ Ｚｒ ｅｌｅｍｅｎｔ）ａｄｄｉｔｉｏｎ ａｂｏｕｔ Ｏ．１５ ｐｅｒ ｉｎ ｗｅｉｇｈｔ Ａｓ ａ ｒｅｓｕｌｔ，ａ ｇｏｏｄ ｉｎｏｃｕｌａｔｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ ｗｉｔｈ ｌｅｓｓ ｃａｒｂｉｄｅ ｗｉｌｌ ｂｅ ａｃｈｉｅｖｅｄ． Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｗｅ ａｌｓｏ ｈａｖｅ ｍａｄｅ ｓｏｍｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｆｏｕｎｄｒｙｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｄｕｃｔｉｌｅ Ｎｉ―ｒｅｓｉｓｔ ｃａｓｔ ｉｒｏｎ，ｍａｉｎｌｙ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ：ｆｌｕｉｄｉｔｙ，ｔｈｒｉｎｋａｇｅ ｒａｔｉｏ，ｓｅｃｔｉｏｎａｌ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ａｎｄ ｄｙｎａｍｉｃ ｓｏｌｉｄｉｆｙｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒ ａｎｄ ＳＯ ｏｎ；ａｎｄ ｗｅ ｈａｖｅ 上海大擘硕士学位论文ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｑｕａｌｉｆｙｉｎｇ ｔｕｒｂｉｎｅ ｓｕｐｅｒｃｈａｒｇｉｎｇ ｈｏｕｓｉｎｇｓ．Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：Ｄｕｃｔｉｌｅ Ｎｉ―ｒｅｓｉｓｔ Ｃａｓｔ Ｉｒｏｎ，Ｔｕｒｂｉｎｅ Ｓｕｐｅｒｃｈａｒｇｉｎｇ Ｈｏｕｓｉｎｇｓ，Ｆｏｕｎｄｒｙ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，Ｃａｓｔｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎｏｄｕｌａｒｉｚｉｎｇ，Ｉｎｏｃｕｌａｔｉｎｇ，ＴｈｅｒｍａｌＡｎａｌｙｓｉｓ，Ｄｙｎａｍｉｃ Ｓｏｌｉｄｉｆｙｉｎｇ Ｃｈａｒａｃｔｅｒ．原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。&&&&除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表或撰写过的研究成果。&&&&参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。&&&& 签名：――日期 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留论文及 送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容。&&&& （保密的论文在解密后应遵守此规定） 签名：――导师签名： 日期： 上海大学硕士学位论交 第一章高镍奥氏体球墨铸铁材质综述 高镍奥氏体球墨铸铁（简称高镍球铁）是一种含Ｎｉ元素在１３％～３８％范围内的一种奥氏体铸铁。&&&&这种材料要求其铸铁微观组织中石墨为球状，且基体组织为奥氏体组织（以及少量碳化物存在）。&&&&由于基体组织为奥氏体，所以这钟材料具有许多优良的性能。&&&& 镍元素属于第八族元素，为银白色金属，密度为８．９１９／Ｃｍ３，熔点１４５５”（２（沸点２９１０。&&&&Ｃ），且镍具有磁性，高镍球铁在大气中不易氧化。&&&&在镍含量叭％达到１３％以上时即可实现基体的完全奥氏体化【ｌ】。&&&&在高镍球铁中除了镍元素外，还含有硬质合金ｃｒ，及Ｓｉ、／ｖｌｎ和微量Ｐ、ｓ等元素。&&&&高镍球铁具有良好的耐蚀性、抗高温性；所以高镍球铁的工业应用很广泛：１）由于它的良好的抗蚀性，这种材料常用于输送泵、增压泵的泵体、壳体、叶轮叶片、阀门和阀体及机械用缸体、齿轮（尤其是高压下工作的具有腐蚀性液体、气体相接触的场合）；２）由于具有耐高温性，故可用于制造电热板、炉栅，以及汽车用增压器和排气管等零件：３）利用镍基铸铁的无磁性，可用于消磁零件，如发电机及其他电子产品的零件中。&&&& 由于高镍球铁具有较好的耐腐蚀性、耐高温性等优良的力学性能，在国外已经开展了大量的研究并广泛的应用与燃气涡轮发动机、涡轮增压器壳体、泵体等热部件中。&&&&然而，由于我国是一个贫镍的国家，以至于对高镍或中镍铸铁一直因缺镍未能开发；因而在国内高镍球铁的铸造性能的研究很少。&&&&１。&&&&１国外高镍球铁材质的研究综述：１．１．１美国的标准型号 高镍铸铁包括片状石墨和球状石墨镍铸铁两种，在国外已经有相应的标准型号。&&&&根据美国材料检验学会ＡＳＴＭ标准，高镍球铁根据化学成分及具有的特征 ２ 上海大学硕士学位论文不同分为多种型号：Ｄ一２，Ｄ一２ Ｂ，Ｄ－５Ｂ，Ｄ一５Ｓ等９个型号，见表１－１ 美国ＡＳＴＭ标准高镍球铁的型号及化学成分‘２】： 表１．１ 美国ＡＳＴＭ标准高镍球铁的型号及化学成分 化学成分（％） 型号 Ｃ Ｓｉ Ｍｎ Ｐ，Ｓ Ｃｒ Ｎｉ Ｃｕ Ｍｏ － （≤） （≤１ －Ｄ．２型 ３．００ １．５０．３．００ Ｏ．７０．１．２５ ０．０８ １．７５―２．７５ １８―２２Ｄ－２Ｂ型 ３．００ １．５０―３．００ ０．７０－１．２５ Ｏ．０８ ２．７５．４．∞ １８．２２Ｄ．２Ｃ型 ２．９０ １．００．３．００ １．８０．２．４０ ０．０８ ≤０．５０ ２１．２４Ｄ．３型 ２．６０ １．００－２．８０ ≤１．ＯＯ Ｏ．０８ ２．５０．３．５０ ２８．３２Ｄ一３Ａ型 ２．６０ １．００．２．８０ ≤１．００ ０．０８ １．００．１．５０ ２８．３２Ｄ－４型 ２ ６０ ５．ＯＯ一６．ＯＯ ≤Ｉ ＯＯ ００８ ４．５０．５．５０ ２８．３２Ｄ．５型 ２．４０ １．００．２．８０ ≤１．００ ０ ０８ ＜０．１０ ３４．３６Ｄ一５Ｂ型 ２ ４０ ｉ．ＯＯ．２．８０ ≤ｌ ００ ０．０８ ２．００．３．ＯＯ ３４．３６ －Ｄ．５Ｓ型 ２．３０ ４．９０．５．５０ ≤ｌ ００ Ｏ．０８ １．７５．２．２５ ２４．３７ 其中，强度较高的是Ｄ－－５Ｓ系列，抗拉强度６ ｂ≥４４９Ｍｐａｊ塑性较好（≥２０％）的有：Ｄ．２Ｃ，Ｄ．５型，其中的硬质合金Ｃｒｙ＜１．Ｏ％。&&&&１．１．２欧洲专利研究 显然从美国的标准型号中可以看到，Ｄ．５系列的耐热、抗氧化性强的高镍球铁，含镍量都较高，成本较昂贵。&&&&表１．２是两种常用的耐热高镍球铁： 表１―２两种高镍球铁化学成分、、―适窭 Ｍｎ 种类＼ Ｃ Ｓｉ Ｃｒ Ｎｉ Ｍｇ Ｐ Ｓ （％） （％） （％） （％） （％） （％） （％） （％） 耐热球墨镍铸铁１ １．７８ ５．０５ ０．５５ １．８０ ３５ ８ ０．０７９ 耐热球墨镍铸铁２ ２．５４ ２．９１ １ ０５ ３．０３ ２０ Ｏ ００７６ ０．０１６ ０ ０１１ 第一种高镍球铁由于含镍量高，耐热性、抗氧化性比较好，’但是成本昂贵：第二种的含镍量低，成本也低，但是它的高温性能没有第一种好。&&&&因此为了得到比较好的综合效果，通过实验分析提出耐热高镍球铁的合理化学成分；见表１．３耐热高镍球铁专利成分：【３】 上海大学硕士学位论文 表１．３耐热高镍球铁专利成分元 素Ｉ ｃ Ｓｉ Ｍｎ Ｃｒ Ｎｉ 球化元素 其余 并指出：镍的含量过低（≤１８％）时，得不到完全的奥氏体基体组织，影响铸铁的性能；当镍的含量过高（／＞２４％）时，镍的奥氏体化的作用并没有改善，反而使铸铁成本提高。&&&&因此，上面的成分区间既能满足耐热、抗氧化等要求，也能满足节约成本的目的。&&&&１．１．３ Ｋａｒｓａｙ和Ｒ．Ｄ．Ｓｃｈｅｌｌｅｎｇ的ＳＮ原则 在高镍球铁组织中，石墨的形态及碳化物的数量除了与凝固速度、熔炼工艺 （球化、孕育处理）相关外，Ｋａｒｓａｙ和Ｒ．Ｄ．Ｓｃｈｅｌｌｅｎｇ提出还与Ｃ、Ｓｉ、Ｎｉ含量紧密相关，并得出ＳＮ原则（ＳａｔｕｒａｔｉｏｎＮｕｍｂｅｒ）：在厚大高镍球铁铸件中，当镍含量在２０～４０％之间变化时，要想基体组织里获得理想球状石墨，则Ｃ、Ｓｉ、Ｎｉ含量必须满足下列关系式〔４１： ＴＣ＋０．２（％Ｓｉ）＋０．０６（％Ｎｉ）≤ＣＯＮＳＴＡＮＴ 否则，铸件中很容易出现片状石墨；其中ＳＮ＝ＴＣ＋０．２（％Ｓｉ）＋０．０６（％Ｎｉ）。&&&&这就是ＳＮ原则，即当ＳＮ值超过某个极限值时，很容易出现碎块状或片状石墨。&&&&同时，还指出了等式右边常数的确定： １）当镍含量为２０～４０％之间，凝固时间为４０ｍｉｎ的厚大铸件，其ＣＯＮＳＴＡＮＴ＝４．４～４．５：即ＳＮ≤４，４。&&&& ２）当冷却速度较快或铸件截面尺寸较小时，关系式右边的常数值ＳＮ可以相对增大。&&&&这可以通过实验来确定不同凝固环境下其饱和值ＳＮ。&&&& ３）元素Ｃｅ对石墨形态有恶化趋势，所以定ＣＯＮＳＴＡＮＴ值时，应考虑到Ｃｅ元素的影响。&&&&１．１．４赫尼维尔公司（Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ ｃｏｍｐａｎｙ）关于Ｄ一５Ｓ高镍球铁 技术研究 由于Ｄ一５ｓ高镍球铁的良好的力学性能，这种材料广泛用于涡轮增压器壳 ４ 上海大学硕士学位论文体上，赫尼维尔公司对Ｄ．５Ｓ高镍球铁的铸造工艺已经有了很好的研究。&&&&他们提出了一套工艺规范【５】： Ｄ．５ｓ高镍球铁在熔炼过程中，浇注温度应控制在１３９０～１４２０℃为宜：需有一定的过热，并采用过虑网。&&&&铁水进行镁处理与孕育处理相结合，能够达到较好的效果。&&&&同时，孕育处理过程可以采用包内、随流、型内三者之一或结合起来，然后再进行二次孕育（最好采用随流或型内）。&&&&Ｄｏｃｔｏｒ Ｇ．Ｊ．Ｃｏｘ指出对于薄壁铸件来说，其出铁温度控制在１４５０℃左右较好，能够防止铸造缺陷的产生。&&&& Ｄ一５ｓ高镍球铁铸件需进行必要的热处理：将铸件放置保温炉中加热到９５０～９８０。&&&&Ｃ，并保温至少３小时，然后进行空冷；特殊件需进行支撑，以防变形。&&&&１．２ 涡轮增压器在工业上的应用 在内燃机上装置涡轮增压器，可以增加其进气的压力，使原有内燃机的功率大幅度增加。&&&&可以说，船用柴油机的发展是与增压器的技术紧密相关的。&&&&目前，几乎所有的大中型船用柴油机上均装置涡轮增压器，以增加柴油机的功率、降低单位马力的体积、改善经济性和减少对环境的污染。&&&&近２０余年来，涡轮增压技术不仅广泛用在大中型客车、载重汽车、拖拉机上，而且已经广泛应用在轿车的发动机上；无论是柴油发动机还是汽油机，都装置了涡轮增压器，以增加驱动功率。&&&&近几年～些国产中高级轿车发动机也配备了涡轮增压器，如奥迪、帕萨特轿车等；以帕萨特Ｂ５轿车为例【６】：１．８Ｔ涡轮增压发动机功率已达到１１０千瓦。&&&&近年来涡轮增压器向着超高压的方向发展，增压比从原先的１．５增加到３．０，甚至达到４．５。&&&&由于采用补燃废气的技术，进入涡轮的废气的温度从原来的５５０℃增高到６５０℃～７５０℃或更高。&&&&这一技术的发展对增压器的相关材质和制造标准提出了更高的要求。&&&&以往增压器涡壳的材质要求主要是有足够的耐热性，一般采用Ｓｉ．Ｍｏ合金球铁（Ｍｏ是促使珠光体组织的元素）。&&&&近年来，废气入口的温度更高，除耐热外更有耐蚀的要求；材质上则采用了Ｄ２，Ｄ一２Ｂ高镍球铁，８０年代后期又推出含碳量较低的Ｄ一５Ｓ高镍球铁，以提高耐腐蚀性。&&&& 高镍球铁的金相组织是在含有少量碳化物的奥氏体基体上分布球状石墨。&&&&这 上海大学硕士学位论文种铸铁不仅有高的常温力学性能，而且有极好的抗热冲击能力和高温抗蠕变性、极好的耐蚀性及高温抗氧化性；同时有很好的低的热膨胀性和低温冲击韧性。&&&& 由于高镍球铁具有上述的优越性能，并可以通过调整化学成分和控制石墨形态来得到特性各异的不同型号的镍球铁，所以在国外已经获得广泛的应用。&&&&同样，Ｄ５系列涡轮增压器有很大的国内外市场；但其铸造技术复杂、材质要求高，特别是渐开线变截面尺寸的高光洁度内腔表面（见图１．１），一般铸造厂难以达到。&&&&因此急需解决有关的技术问题，以满足日益增长的市场需求。&&&&为此，在上海汽车基金会的支持下，与上海圣德曼公司合作，我们对高镍球铁进行了铸造工艺和铸造特性的研究；并同时得到高镍球铁Ｄ５系列的合格铸件，为国内今后生产Ｄ一５ｓ系列高镍球铁件做了技术上的支持。&&&& 图１．Ｉ涡轮壳体结构图１．３课题要求：（ＱＣ） 在这次项目中，主要的研究内容有化学成分、力学性能及金相组织。&&&& 材料化学成分标准按ＡＳＴＭ中的Ｄ一５Ｓ高镍球铁系列：具体化学成分含量见下表１．４化学成分含量： 上海大学硕士学位论文 表１－４化学成分含量要求 兀秉 重量百分比％ Ｍｉｎ ＭＲＸ Ｃ ． ２．０ Ｓｉ ４．８ ５．３ Ｎｉ ３４．０ ３８．Ｏ Ｃｒ １．６ ２．２ Ｍｎ ． ． Ｏ．７ Ｍｇ ０．０３５ ０．０９ Ｐ ―０．０７ Ｓ ?０．０３ ＲＥ ―０．０１ 其它元素 － ０，２ 杂质总量 － ２．０ Ｆｅ 余量 力学性能要求从本体取样，具体要求如下表１―５力学性能： 表１―５力学性能 抗拉强度 屈服强度 延伸率 硬度一ｊ萄丁――――――亨丽Ｆ――一一―ｉ西―一―――｛ｉｒ一 （Ｍｐａ）（Ｍｐａ） （６％） （１０／３０００ＨＢ） 高镍球墨铸铁的金相组织要求如下（铸件本体取样）表１―６金相组织： 表１．６金相组织１．４主要的工作内容： 研究的内容主要是分析和确定高镍球铁的化学成分、铸造熔炼工艺、球化孕育处理及热处理工艺规范等四个方面；具体包括以下几个方面： １）高镍球墨铸铁化学成分的确定： ２） 高镍球铁球化孕育处理过程的研究与效果分析： ３）高镍球铁铸造性能分析； ４）高镍球铁铸件一涡轮壳体浇铸系统的设计； ５）铸件热处理工艺分析。&&&& 上海大学硕士学位论文 第二章化学成分分析与确定 高镍球铁材质Ｄ．５Ｓ的化学成分范围在技术标准中已有规定，结合涡轮增压器壳体材质的要求，对化学成分进行控制。&&&&但具体的控制范围如何确定则应考虑以下几点： １）成分选择必须保证获得技术标准规定的金相组织，即在含有少量碳化物的奥氏体基体上分布球状石墨，且石墨球化率：Ｉ＋ＩＩ ｔ＞９０％： ２）要尽可能有利于铸造工艺性能的改善； ３）要尽可能降低原材料成本。&&&&２．１镍（Ｎｊ） 镍是高镍球铁的基本元素，也是奥氏体化元素。&&&&结合上述欧洲专利介绍：当镍含量在１８％～２４％范围内时，就能满足在室温下使基体组织为奥氏体：并且能够提高铸铁的耐热性、耐蚀性以及常温和高温时的力学性能。&&&&Ｄ．５Ｓ是镍球铁中镍含量最高的一种，达３４～３８％，具有特别高的抗氧化性和低的热膨胀性：能够胜任８００。&&&&Ｃ以上高温长期工作。&&&&但镍是价格昂贵的金属，在保证达到技术标准要求的前提下，从经济性考虑，选择镍量在要求范围的下限较合适，故可定为３４．５．３５ ５％。&&&&２．２硅（Ｓｉ） 鉴于耐热性能的要求，产品技术标准将硅含量定得很高，为４。&&&&８～５１３％；但硅含量过高，容易恶化铸件的力学性能；并且易于促使碎块状或片状石墨的析出 （硅是石墨化元素）。&&&&故硅含量可以取技术要求的下限值较为理想，即４．８～４．９％。&&&& ８ 上海大学硕士学位论文２．３碳（Ｃ）２．３．１ ＳＮ值对含碳量的影响 碳是高镍球铁的重要元素，它不仅决定石墨的数量和分布形态，而且对流动性、收缩性、白口倾向等铸造工艺性能影响很大。&&&&从改善铸造工艺性出发，碳量应选取技术验收标准中表１．４化学成分含量允许范围的上限，但受到出现碎块状石墨（Ｃｈｕｎｃｋ ｇｒａｐｈｉｔｅ）的限制。&&&& 根据ＳＮ原则：ＳＮ＝Ｃ％＋０．２×Ｓｉ％＋Ｏ．０６×Ｎｉ％≤（常数），若铁水的碳硅镍含量使饱和值ＳＮ大于某一极限值，则石墨形态就呈碎块状分布。&&&&在适当的球化孕育条件下（见参考文献４），对尺寸为５×５×１０ｉｎ试块而言，其饱和数为４．５。&&&&若按此数计算，则当Ｎｉ＝３４％、Ｓｉ＝４ ８％时，则Ｃ不宜超过１．５％。&&&&但是，涡轮壳体的壁厚较薄，其饱和数ＳＮ可以相对提高，当碳含量Ｃ％≥１．５％时，也可以得到很好的球状石墨。&&&& 为此，我们对两组不同化学成分做了对比试验，铸造工艺见下表２―１铁水熔炼工艺： 表２－１铁水熔炼工艺注：９０＃指含Ｚｒ７５％ＳｉＦｅ孕育剂。&&&& .
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