铸铁的金相制备
介绍
另外,也可以用废钢和焦炭来生产铸铁。其工艺过程涉及到:冲天炉、电炉或回转炉。
Fig. 1: Diagram of a blast furnace
• 含碳量低于4.3%的亚共晶铸铁
• 含碳量4.3%的共晶铸铁
• 含碳量超过4.3%的过共析铸铁
Fe-C相图(图2)有助于解释结晶过程和组织转变。
Fig. 2: Fe-C diagram
主要的铸铁种类
碳以珠光体基体的Fe3C碳化物形式存在,断口呈亮白色。白口铸铁是锰合金铸铁。铬和钼的存在也有利于制造白口铸铁。这种铸铁耐磨,硬度高,但脆性大,不能承受冲击载荷。
碳以(球状或片层状)石墨的形式出现。这些铸铁富含硅,有利于石墨的形成。由于片状石墨存在,故耐磨性和腐蚀性好。
=> 由于石墨的几何形状具有缺口效应,片层状石墨铸铁很脆。拉伸强度不是最佳的,但它适用于压力成型或需要耐磨性的应用。
=> 球墨铸铁是一种冷却速度减慢的铸铁,因此碳以球体的形式结晶。石墨的几何形状改善了可加工性,力学特性接近于钢。它是一种具有延展性的和可锻的铸铁。在铸铁中加入镁可以减少硫的存在。因此,石墨是球形而不是片状形成的。
如果经过热处理,从白口铸铁中制造球墨铸铁是可能的。
• 铬元素可增加其机械特性
• 钼元素可提高其抗冲击能力
• 磷使铸铁具有更好的浇注性。
混合物的化学成分是决定所获得铸铁类型的参数之一。
冷却速度影响其中一种铸铁的形成。
• 如果冷却迅速,则有利于渗碳体的形成,从而产生白口铸铁。
• 然而,如果冷却较慢,碳有时间作为石墨收集,产生灰口铸铁。
铸铁名称
其名称始终以EN-GJ开头(G对应于铸造金属,J对应于铁)。
与石墨结构相对应的另一个字母紧跟在名称的开头:
L 表示层状
S 代表球形
M 表示退火石墨(可锻)
V 代表蠕虫状
Y 表示特殊结构
N 表示无石墨
通常,这之后是所需的最小抗拉强度和最小伸长率,单位为%,或与高合金钢相同的名称。
两个例子:
EN-GJS-400-15:层状石墨铸铁,强度R最小400 MPa,伸长率A 15%。
EN-GJN-X 300 Cr Ni Si 9-5-2: 含3%碳、9%铬、5%镍和2%硅的无石墨铸铁(白口铸铁)。
=> 根据耐冲击性、耐磨性和良好的铸造性能,它们有多种铸铁牌号可供选择,以满足所有应用。
应用
金相制备
• 从零件中获取待检试样(如有必要),称为“切割”。
• 标准化试样外观尺寸(如有必要),称为“镶嵌”。
• 提升样品表面状态,称为“研磨抛光”。
• 样品表征:(如有必要)利用腐蚀剂腐蚀样品获取微观组织信息,称为“金相腐蚀”;通过光学或电子显微镜观察。
切割
切割的目的是选取试样,以获得一个合适的部分进行检查,而不改变有关材料的物理化学性质。换句话说,必须避免加热或任何可能导致应变硬化的金属变形。切割是零件进一步制备和检验的基础步骤。
PRESI提供自小型精密切割机至中、大型切割设备,以适应不同切割精度、切割尺寸以及切割效率需求:
每一台切割设备都有其配套适用的附件夹具和耗材。夹具与耗材的正确选择对实现良好的切割质量至关重要。
耗材
灰口铸铁 | 白口铸铁 | |
精密切割 | S (Ø 180mm) UTW |
S (Ø 180mm) AO CBN |
中型切割 | F MNF AO |
F AO CBN |
大型切割 | MNF AO |
AO |
表1:选择合适的切割轮
镶嵌
高质量的镶嵌对保护易碎材料至关重要,同时也为后续抛光和其他分析获得良好的制备结果。
镶嵌前,试样应该用粗颗粒砂纸去毛刺,例如,去除任何切割毛刺。用乙醇清洗(在超声波槽中,效率更高)。这使得树脂尽可能地粘附在样品上,从而限制收缩(树脂和样品之间的空间)。如果持续收缩,会导致抛光过程中出现问题。磨料颗粒可能会滞留在试样缝隙中,在后期释放出来,则会对样品和抛光表面造成污染的风险。在这种情况下,建议在每个步骤之间用超声波清洗机清洗。
两种镶嵌方法:
热镶嵌
该方法需经由热镶嵌机实现。
• 全自动工作循环
• 操作简便:参数设定、储存、调用,保证高可重现性
• 25.4 – 50 毫米,6种内模尺寸
+ POINT
冷镶嵌
• 脆性材料,温度/压力敏感材料
• 复杂的几何结构,如蜂窝结构样品
• 需要镶嵌样品数量较大时
可使用设备为:
耗材
白口铸铁和灰口铸铁 | |
热镶嵌 | 环氧树脂 酚醛 烯丙基 |
冷镶嵌 | KM-B KM-U |
表2:选择合适的镶嵌树脂
研磨抛光
PRESI提供一系列手动与自动研磨抛光设备,包含丰富的夹具、附件等配件,以满足从预磨直至最终抛光、单个或批次样品的工作需求。
MECATECH系列台式自动研磨抛光机即可满足手动工作,也可满足自动工作需求。凭借其先进的技术理念,750-1500瓦的电机功率,可处理各种不同材料及满足需要制备大量样品的需求。
耗材及磨抛工艺步骤
每种工艺的第一步都被称为“求平”步骤,即快速去除材料(及镶嵌树脂)表面,使其平整。
施加于样品的压力将由其面积尺寸决定。通常而言,在粗磨步骤中,每10毫米直径样品可施加1daN(10牛顿)力,即Ø40mm=4daN,并在之后的每个抛光步骤中逐步递减0.5daN.
下表为通用的铸铁磨抛工艺之一:
N° | 磨抛介质 | 悬浮液/润滑液 | 底盘转速 (RPM) |
工作头转速 (RPM) |
旋转方向-底盘/工作头 | 时间 |
1 | P320 | Ø / Water | 300 | 150 | 1’ | |
2 | TOP | 9μm ADS poly / Lub ADS | 150 | 135 | 4’ | |
3 | STA | 3μm ADS poly / Lub ADS | 150 | 135 | 3’ | |
4 | TFR | 1μm ADS poly / Lub ADS | 150 | 135 | 1’ |
使用P320砂纸已足够实现对经金相切割后的样品进行粗磨。如果粗磨步骤需要去除更多的材料,则应使用较大磨削颗粒尺寸的砂纸。
在粗磨阶段不建议底盘和工作头反向旋转,因为这会对试样表面平整度造成不利影响。然而,如果需要去除大量材料,两者反向旋转将提高工作效率。
由于铸铁在抛光阶段可能的水敏性,建议使用ADS无水酒精基多晶金刚石悬浮液。
在磨抛每个步骤间,建议用水或酒精(以限制腐蚀黑点)做样品清洗,并已吹风机或压缩空气快速吹干。
N° | 磨抛介质 | 悬浮液/润滑液 | 底盘转速 (RPM) |
工作头转速 (RPM) |
旋转方向-底盘/工作头 | 时间 |
1 | I-Max R 54μm | Ø / 水 | 300 | 150 | 3’ | |
2 | MED-R | 9μm super abrasive MED-R | 150 | 135 | 4’ | |
3 | STA | 3μm ADS poly / Lub ADS | 150 | 135 | 3’ | |
4 | TFR | 1μm ADS poly / Lub ADS | 150 | 135 | 1’ |
在这套工艺中,以54μm I-Max R金刚石磨盘取代碳化硅砂纸作样品求平。该树脂基金刚石研磨盘适用于硬质材料,能提供良好的表面平整度,并可替代数百张砂纸。
第二步使用了MED-R研磨盘。其上的树脂垫结构结合专用的超级磨削颗粒悬浮液,能保持良好的样品表面平整度。该研磨盘可提供远大于抛光布的使用寿命。
其后的抛光步骤使用了ADS无水酒精基多晶金刚石悬浮液。如果铸铁样品未呈现水敏性,则LDP水基多晶金刚石悬浮液也可适用。
金相观察
• Nital 4 硝酸酒精腐蚀剂
• Picral’s 苦味酸腐蚀剂
• Chatelier’s 腐蚀剂
这份清单并不详尽,由于铸铁的结构与钢的结构相近,因此两种材料有一些共同的腐蚀剂。所有的显微照片均使用PRESI VIEW图像软件制作:
=> 图17-22中所有的显微组织均由4%硝酸酒精腐蚀获得。