概述高硅球墨鑄鐵的研究與應(yīng)用

中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院 張伯明

2004 年 ISO1083/JS 球墨鑄鐵標(biāo)準(zhǔn)公布后，又補(bǔ)充了一個(gè) ISO1083/JS/500-10 的球墨鑄鐵標(biāo)準(zhǔn)，把伸長(zhǎng)率從原先的 7%提高到 10%[1]。2012 年 3 月，德國(guó)和歐洲的球墨鑄鐵標(biāo)準(zhǔn) DIN EN 1563 在修改時(shí)又增加了 3 個(gè)牌號(hào)（見(jiàn)表 1）[2]，即大幅提高了鐵素體珠光體混合基體球墨鑄鐵的屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率，而且這些級(jí)別都可在鑄態(tài)獲得，不需要任何熱處理。他們走的技術(shù)路線是提高成分中的硅量，強(qiáng)化鐵素體。

表 1   D1N EN 1563 的新牌號(hào)

注：括號(hào)中是原牌號(hào)的性能。

了解它們出臺(tái)的背景或存在的必要性以及研究的過(guò)程，對(duì)我國(guó)球墨鑄鐵企業(yè)的生產(chǎn)、今后我國(guó)球墨鑄鐵標(biāo)準(zhǔn)的修改必然會(huì)有很大的幫助。

1. 研究背景

由于球墨鑄鐵中的石墨以球狀存在，所以球墨鑄鐵的力學(xué)性能主要取決于基體組織[3]。鑄態(tài)的球墨鑄鐵基體主要由鐵素體與球光體組成。通常，鐵素體量越多，抗拉強(qiáng)度越低，伸長(zhǎng)率越高，反之亦然。球墨鑄鐵標(biāo)準(zhǔn)中，從 QT450 到 QT600 的各個(gè)牌號(hào)都是混合基體球墨鑄鐵，只是基體中兩者的比例不同而已，在 30～70%之間波動(dòng)。在日常生產(chǎn)中可用 Mn、Cu、Sn 等珠光體穩(wěn)定元素的含量控制來(lái)達(dá)到某一級(jí)別的牌號(hào)。

工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家具有良好的廢鋼資源，他們?cè)谏a(chǎn)灰鑄鐵時(shí)基本都用廢鋼+回爐料作原材料，走合成鑄鐵的道路，沖天爐熔煉是這樣，電爐熔煉時(shí)也是如此，只是后者在最后要用增碳劑增碳而已。但在生產(chǎn)球墨鑄鐵時(shí)，人們發(fā)現(xiàn)現(xiàn)代的廢鋼中，珠光體穩(wěn)定化元素的含量越來(lái)越高，Mn 的含量有時(shí)可到 0.8%以上，而且不光有 Mn，還有比 Mn 更強(qiáng)的元素 Cu、Cr、V 等元素的存在，這就給獲得高伸長(zhǎng)率的球墨鑄鐵增加了困難，從而不得不使用高質(zhì)量的生鐵，例如 Sorelmetal 的高純生鐵來(lái)壓低這些元素在成分中的總含量。這無(wú)疑增加了生產(chǎn)成本， 減低了競(jìng)爭(zhēng)力。尋找另一種技術(shù)途徑，既能保證各牌號(hào)的伸長(zhǎng)率，又能降低成本就成為鑄造工作者的努力方向。

此外，450-10、500-7 是球墨鑄鐵中最常用、產(chǎn)量最大的牌號(hào)。在生產(chǎn)中也發(fā)現(xiàn)，珠光體穩(wěn)定元素含量的波動(dòng)和鑄件因壁厚不同而造成的冷卻速度的不同，既使是同批次，在不同鑄件的相同部位的性能也會(huì)產(chǎn)生很大的波動(dòng)， 不同批次的鑄件則波動(dòng)更大。為此， ISO/JS/500-7 的硬度范圍不得不規(guī)定在±30HBW，即硬度波動(dòng)很大，使軟硬兩種同牌號(hào)的球墨鑄鐵機(jī)加工性能相差可高達(dá) 50%，HBW230 時(shí)的進(jìn)刀量要比 HBW170 時(shí)小 0.1mm。所以尋找一種基本上是單相基體的球墨鑄鐵，減少硬度波動(dòng)，提高球墨鑄鐵的機(jī)械加工性能也十分必要。

硅是鑄鐵中最常用的元素。它可以強(qiáng)化鐵素體，從而能提高鐵素體的強(qiáng)度。但過(guò)去一直以為 Si 使球墨鑄鐵變脆，在 Millis1949 年申請(qǐng)的美國(guó)第一個(gè)球墨鑄鐵專利中就表述“增加Si 的含量（＞2.5%）明顯降低力學(xué)性能，特別是韌性、拉伸強(qiáng)度和（或）延展性……”。在實(shí)際生產(chǎn)以及隨后的研究中則發(fā)現(xiàn)上述表述有很大的局限性。通過(guò)研究，1998 年瑞典就規(guī)定了用(w)Si＝3.2%來(lái)生產(chǎn) 450 的牌號(hào)，(w)Si＝3.7%來(lái)生產(chǎn) 500 的牌號(hào)。瑞典 Indexator 公司進(jìn)行的研究，認(rèn)為“對(duì)于抗拉強(qiáng)度 500MPa 級(jí)別，Si 固溶強(qiáng)化鐵素體球墨鑄鐵的延展性（用斷后伸長(zhǎng)率表示），是常規(guī)鐵素體-珠光體球墨鑄鐵的兩倍，同時(shí)屈服強(qiáng)度增加，屈服比從

0.6 增加到 0.8，沖擊性能與常規(guī)鐵素體-珠光體球墨鑄鐵相同，而疲勞性能稍優(yōu)”。從而克服了前面所提的生產(chǎn)難點(diǎn)。他們稱這種 Si 強(qiáng)化的球墨鑄鐵和 ADI 為第二代球墨鑄鐵。至今美國(guó)等已收授了 3 個(gè)用 Si 強(qiáng)化的球墨鑄鐵專利。芬蘭等國(guó)也在生產(chǎn)中開(kāi)始應(yīng)用。

為方便其所屬成員單位的生產(chǎn)和普及基本概念，德國(guó)鑄造學(xué)會(huì)與奧地利鑄造學(xué)會(huì)聯(lián)手， 在德國(guó)科技部和一些企業(yè)的資助下，對(duì)高硅球墨鑄鐵進(jìn)行了深入的研究，并于 2012 年 11 月向會(huì)員單位匯報(bào)了工作。了解他們的研究會(huì)對(duì)我們認(rèn)識(shí)和生產(chǎn)應(yīng)用這種球墨鑄鐵也會(huì)有很大的幫助。

2. 研究的主要方法和結(jié)論

2.1 試驗(yàn)方法

在德國(guó)生產(chǎn) GJS-400-18 牌號(hào)的成分上（見(jiàn)表 2）利用增硅來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)。

表 2 德國(guó) 400-18 牌號(hào)球墨鑄鐵的典型成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

使用加拿大 Sorel 生鐵 60%，廢鋼 40%，增硅是用 FeSi90，出鐵溫度 1520～1550℃， 澆注溫度 1380～1390℃。用蓋包法進(jìn)行球化處理，球化劑為 Elmag 公司的 6039，FeSiMg5～ 6，用不同成分的孕育劑 0.3%孕育。

在增 Si 試驗(yàn)時(shí)，保持 Mn、P、S、Mg 不變。而 C 量則隨 Si 量增加而減低，使共晶飽和度 Sc 接近 1。試驗(yàn)時(shí) Sc 按下式計(jì)算：

Sc=C/(4.26－0.31Si－0.33P－0.4S＋0.027Mn)

圖 1 試驗(yàn)用試塊

圖 1 是試驗(yàn)用試塊的兩種樣式。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

圖 2 顯示了 Si 對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響，在 w(Si)=4.3%時(shí)，抗拉強(qiáng)度達(dá)到了最大值。

                            圖 2 Si 量對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響

Si 量增加對(duì)屈服極限的影響如圖 3 所示，即最高屈服值的 Si 量不在 4.3%，而在 4.7% 左右。圖 4 則是硅量對(duì)斷后伸長(zhǎng)率的影響，在 Si 量超過(guò) 4.3%后，伸長(zhǎng)率急劇減少。而 Y 鑄樣上的硬度則隨 Si 量的增加而一直增加（見(jiàn)圖 5）。圖 6 的 a)、b)、c)顯示了 4 種牌號(hào)球墨鑄鐵性能隨溫度升高而出現(xiàn)的變化。其新增的 3 個(gè)牌號(hào)與原先 500-7 的變化形式是一致的， 即 400℃對(duì)于球墨鑄鐵的各項(xiàng)性能都是個(gè)較大的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

圖 3 Si 量對(duì)屈服強(qiáng)度的影響

圖 4 Si 量對(duì)斷后伸長(zhǎng)率的影響

                                                          圖 5 Si 量對(duì)硬度的影響

圖 6 4 種牌號(hào)球墨鑄鐵性能隨溫度升高而出現(xiàn)的變化

圖 7 是沖擊試驗(yàn)的結(jié)果。幾種牌號(hào)在不同溫度下有不同的沖擊力，但可以看到它們的變

化趨勢(shì)，尤其是室溫以下的變化趨勢(shì)是一樣的。新增的三種牌號(hào)與 500-7 無(wú)多大區(qū)別，即無(wú)特變的規(guī)律出現(xiàn)。

圖 7 不同溫度下的沖擊性能對(duì)比

現(xiàn)在的廢鋼含有較多的珠光體穩(wěn)定元素與碳化物形成元素，為此在試驗(yàn)中安排了添加Mn、Cr、V 的試驗(yàn)。圖 8～圖 10 是試驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果表明，在 Si 強(qiáng)化鐵素體后的球墨鑄鐵中加入的合金元素對(duì)抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度不起作用，對(duì)于斷后伸長(zhǎng)率也基本不起作用，只有在Cr 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)到 0.6%時(shí)，才使伸長(zhǎng)率降低。

                                                圖 8   合金元素對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響

圖 9   合金元素對(duì)屈服強(qiáng)度的影響

圖 10   合金元素對(duì)斷后伸長(zhǎng)率的影響

圖11～圖14 列出了幾種典型成分的金相組織?？梢钥吹剑捎?/span>Si 的強(qiáng)化，直至GJS600-10

的牌號(hào)基本上都是鐵素體。

圖 11    Y2 試樣金相組織

圖 12 Y2 試樣金相組織（約 5%珠光體）

圖 13 Y2 試樣金相組織（約 25%珠光體）

圖 14   兩種途徑時(shí)不同組織

圖 15～圖 19 展示了孕育技術(shù)對(duì)石墨形狀的影響。在德國(guó)把石墨形狀分為 5 級(jí)。球墨鑄鐵要求Ⅴ+Ⅳ級(jí)的石墨比例大于 80%，力爭(zhēng) 85%以上。一般企業(yè)都在 90%左右。圖 15 表明不同孕育劑效果完全不同。圖 16 和圖 17 是兩種孕育劑在不同 Si 量時(shí)的孕育效果。圖 18 是在 1#孕育劑加 Bi 后的情況，少量的 Bi 有明顯效果，而太多了也不見(jiàn)得更好。圖 19 的示意圖部分充分表明硅量增加后要求有相應(yīng)的孕育劑和孕育方法。

圖 15 不同孕育劑對(duì)石墨形狀的影響（翼型試樣）

圖 16  1#孕育劑對(duì)石墨形狀的影響

圖 17    2#孕育劑對(duì)石墨形狀的影響

圖 18 Bi 對(duì)石墨形狀的影響(翼型試樣)

圖 19   孕育對(duì)石墨形狀影響的示意圖

圖 21   不同硅量的充型能力

為了能了解實(shí)際應(yīng)用時(shí)會(huì)產(chǎn)生的問(wèn)題，試驗(yàn)中也包括了鑄造性能與金屬切削加工性能的比較。圖 21 是充型能力或流動(dòng)性的試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)果表明，充型能力僅取決于澆注溫度，而與硅量無(wú)關(guān)。

用圖 22 的試樣，驗(yàn)證不同含硅量對(duì)產(chǎn)生縮孔縮松的影響。圖 23 的結(jié)果表明，硅量對(duì)縮松也沒(méi)有影響。

圖 22 補(bǔ)縮能力用試樣

圖 23 補(bǔ)縮試驗(yàn)結(jié)果

用 REM/WDX（X 線波譜儀）對(duì)增硅后，硅錳在基體中的偏析進(jìn)行了檢測(cè)。發(fā)現(xiàn)球墨鑄鐵基體中基本沒(méi)有宏觀偏析，在兩個(gè)石墨球之間有微觀偏析，硅在石墨球處聚集。低硅與高硅的球墨鑄鐵的規(guī)律是一樣的（見(jiàn)圖 24、25），但隨硅量的增加，硅的偏析減少（見(jiàn)圖 26），錳的偏析增加（見(jiàn)圖 27）。

圖 24   2.39%Si 時(shí)兩石墨球之間的偏析

                                                    圖 25   5.0%Si 時(shí)兩石墨球之間的偏析 

圖 26   Si 量增加時(shí)偏析值的變化

圖 27   Si 量增加時(shí)，Mn 偏析值的變化

試驗(yàn)中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)，硅量提高會(huì)增加開(kāi)花狀石墨的趨勢(shì)。圖 28、29 是用高硅生產(chǎn)的 600-10

球墨鑄鐵的斷裂斷面，完全是正常的晶間斷裂（圖 28）與穿晶斷裂（圖 29）。

研究了增硅后，硅高時(shí)α→γ的相變（圖 30）。發(fā)現(xiàn)硅高后相變溫度也提高，在相變時(shí)

沒(méi)有任何脆相出來(lái)。

    新鑄造材料能否推廣應(yīng)用還必須看其有否良好的切削性能。用鍍 Ti（C,N）/Al2o3 的HC-K05 刀具進(jìn)行了車削試驗(yàn)。刀具參數(shù)是 Kr=95°， α0=6°，γess=-1°,λ0=-6°；切削參數(shù)是 f=0.55mm，δp=0.5mm，用 8%的切削液。切削速度再 240m/min 時(shí)，500-7 與 500-14， 600-3 與 600-10 的對(duì)比如圖 31 所示，刀具壽命（磨損 200μm）要長(zhǎng) 60%以上。

圖 28   4.18%Si，Rm=609MPa，Rp0.2=497MPa，A5=20.9%的斷裂表面

圖 29   4.40%Si，Rm=636MPa，Rp0.2=503MPa，A5=16.9%的斷裂表面

圖 30 高硅球墨鑄鐵的相變曲線

圖 31  切削速度 240m/min 的刀具壽命對(duì)比

圖 32 是兩種切削速度下的切削性能對(duì)比。GJS500-14 要優(yōu)于 500-7。圖 33 則是實(shí)際鑄件，300kg 重的行星齒輪架的切削對(duì)比，可以看出 GJS-600-10 要比 GJS-600-3 要好。

圖 32   切削性能對(duì)比

圖 33 實(shí)際鑄件

圖 34～圖 36 表示了兩種材質(zhì)在實(shí)際鑄件上的本體性能情況。GJS-600-3 基本上是珠光體基體硬度要比高硅的 GJS-600-10 要高 6～8HBW，因后者基本都是 Si 強(qiáng)化了的鐵素體。同時(shí)本體抗拉強(qiáng)度和硬度受鑄件壁厚的影響很小或沒(méi)有。

圖 34   鑄件上硬度分布對(duì)比

圖 35    本體取樣位置

圖 36    本體性能對(duì)比

2.3生產(chǎn)中要注意的問(wèn)題

通過(guò)試驗(yàn)，報(bào)告人提請(qǐng)大家在應(yīng)用時(shí)要注意以下幾點(diǎn)：

·要優(yōu)化孕育技術(shù)。孕育劑的化學(xué)成分要和鑄件中硅的總量和鑄件主要壁厚相匹配；

·要確保直讀光譜儀的試樣是白口組織（減薄或注意金屬模結(jié)構(gòu)），否則分析會(huì)出錯(cuò)；

·為確保鑄件質(zhì)量的均一性與穩(wěn)定性，直讀光譜儀必須要校正到和相應(yīng)的硅量匹配；

·注意硅量應(yīng)包括三個(gè)部分：配料、球化處理及孕育處理中的硅量總和。

2. 高硅球墨鑄鐵的優(yōu)缺點(diǎn)與應(yīng)用

根據(jù)德國(guó)的研究報(bào)告和本人同德國(guó)公司的座談，可以歸納用 Si 合金化了的球墨鑄鐵與原先的混合基體球墨鑄鐵相比有如下優(yōu)點(diǎn)：

·高硅球墨鑄鐵有更好的力學(xué)性能組合（抗拉強(qiáng)度、屈服極限以及高的伸長(zhǎng)率），可使

設(shè)計(jì)人員減少鑄件壁厚，從而減輕鑄件重量；

·鑄件本體中硬度與抗拉強(qiáng)度分布均勻；

· 基體基本上都是鐵素體，鑄件的硬度范圍窄，切削性能好，刀具壽命長(zhǎng)，降低機(jī)械加工成本；

·鑄件模樣不需要任何變動(dòng)。但因韌性的提高，必須在內(nèi)澆口及冒口頸處進(jìn)行相應(yīng)修改， 否則在打澆冒口時(shí)會(huì)損害鑄件造成鑄件缺肉；

·可以放寬化學(xué)成分中珠光體穩(wěn)定元素和碳化物形成元素的含量。從而可以放心使用大量的廢鋼，降低生產(chǎn)成本。

高硅球墨鑄鐵也存在有一些缺點(diǎn)：

·生產(chǎn) GJS-600-10 的窗口比較小，即 Si 要嚴(yán)格控制在 4.3%以下；

·鑄件表面至今還無(wú)法硬化；

·焊接性能差；

·高硅鐵素體的沖擊性能不如低硅鐵素體的好。

德國(guó)某鑄造廠每年生產(chǎn) 22000t 球墨鑄鐵件，大部分是球墨鑄鐵管件，少量有機(jī)車、卡車及風(fēng)電鑄件。過(guò)去生產(chǎn) GJS-500-7 使用的成分是 Si1.9～2.1%，C3.6%，為控制住 Mn 等元素的含量使用 10%～15%的生鐵，現(xiàn)在提高硅至 3.4%～3.5%，碳在 3.0%左右，使用 100% 廢鋼及切屑，可在保證質(zhì)量情況下，每噸鑄件降低 25 歐元，即 200 元人民幣（德國(guó)切屑 150

歐元/t，廢鋼 340 歐元/t，生鐵 435 歐元/t）。過(guò)去他們生產(chǎn)的 500-7 含珠光體量約 80%，現(xiàn)在僅 5%左右。對(duì)于他們的鑄件（壁厚在 6～20mm）使用的是含 Zr 孕育劑，加入量為 2%。對(duì)于 GJS-600-10 的生產(chǎn)，他們的經(jīng)驗(yàn)是控制 Si 在 3.8%以上就可以。

大型卡車上的離合器板（Kupplungsplatte），在中國(guó)使用鑄鋼制造，德國(guó) Jose 公司在 25年前就應(yīng)用球墨鑄鐵制造。現(xiàn)在他們正應(yīng)用高硅球墨鑄鐵做試驗(yàn)，靜載試驗(yàn)已過(guò)，也通過(guò)了德國(guó)跑車試驗(yàn)，現(xiàn)正組織低溫跑車試驗(yàn)。

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