QT500_14_QT600_10高硅球墨鑄鐵研究

1、QT500-14、QT600-10高硅球墨鑄鐵研究楊萬虎1，周文軍1，張守全1，陳孝先1，孫升1，王洪濤1，薛蕊莉2，原曉雷2（1.寧夏共享裝備有限公司，寧夏銀川 750021；2.寧夏共享集團有限責(zé)任公司，寧夏銀川 750021）摘要：應(yīng)用FeSiMg合金球化劑進行沖入法球化處理，BaSi孕育劑進行孕育處理，充分利用硅的固溶強化作用，解決了QT500-7和QT600-3球墨鑄鐵材料的屈服強度和伸長率低以及硬度不均勻?qū)е录庸ば阅懿畹葐栴}。多次試驗結(jié)果表 明：QT500-14和QT600-10的力學(xué)性能和金相組織已達到EN 1563：2012的規(guī)范要求。 關(guān)鍵詞：抗拉強度；固溶強化；鐵素體中圖分

2、類號：TG143.5文獻標識碼：A文章編號：1001-4977 （2014） 08-0831-05Investigation on High Si Ductile Iron of QT500-14 and QT600-10YANG Wan-hu1, ZHOU Wen-jun1, ZHANG Shou-quan1, CHEN Xiao-xian1, SUN Sheng1, WANG Hong-tao1, XUE Rui-li2, YUAN Xiao-lei2(1. Kocel Machinery Co., Ltd., Yinchuan 750021, Ningxia, China; 2. Koc

3、el Co., Ltd., Yinchuan 750021, Ningxia, China)Abstract：The mechanical properties of QT500-14 and QT600-10 are poor because of low yield strength andelongation and hardness non-uniform, some methods were adopted to solve this problem, using FeSiMg alloy nodulizer modified by pour-over, inoculation wa

4、s operated by adding BaSi inoculant, the solution strength effect of Si was applied. The experimental results show that the metallographic and mechanical properties of QT500-14 and QT600-10 have met the requirement of EN 1563: 2012.Key words：tensile strength; solid solution strengthening; ferritic隨著

5、科技發(fā)展，鑄鐵生產(chǎn)技術(shù)不斷創(chuàng)新，現(xiàn)生產(chǎn)的 球 鐵 牌 號 有 QT400-18、 QT500-7、 QT600-3、QT700-2等，但QT500-7和QT600-3基體組織含有3060珠光體，采用此材質(zhì)生產(chǎn)出的鑄件雖然達到了 較高的抗拉強度，但是其伸長率和屈服強度相對較低， 另 外 這 類鑄件的加 工性能相對全鐵素 體 基體材質(zhì) QT400-18差，由于基體含有一定量珠光體，致使加工 刀具磨損相對較大。為了使生產(chǎn)的鑄件得到高抗拉強 度的同時又能具有較高的屈服強度和伸長率，以及較 好的加工性能，通過多次試驗表明，應(yīng)用提高硅含量 進行固溶強化原理，作者成功研發(fā)出生產(chǎn)全鐵素體基 體牌號為QT500

6、-14和QT600-10球墨鑄鐵的工藝方法， EN 1563：2012規(guī)定的兩個牌號材料力學(xué)性能如表1所 示。固溶強化即通過融入某種溶質(zhì)元素來形成固溶體 而使金屬強化，融入固溶體中的溶質(zhì)原子造成晶格畸 變，晶格畸變增大了位錯運動的阻力，使滑移難以進 行，從而使合金固溶體的強度與硬度增加。在溶質(zhì)原 子濃度適當時，可提高材料的強度和硬度，但其韌性 和塑性卻有所下降。鑄鐵中硅的固溶強化，是一個公知的事實，圖1所表1 EN 1563：2012規(guī)定的兩個牌號材料力學(xué)性能 （最小值）Table 1 Mechanical property of the material inEN 1563: 2012主要壁

7、厚t/mm屈服強度/MPa抗拉強度/MPa伸長率/材料牌號t3030t6060t200400390500480供需雙方協(xié)商1412EN-GJS-500-14t3030t6060t200450430600580供需雙方協(xié)商108EN-GJS-600-10圖1 Si含量與抗拉強度的關(guān)系Fig. 1 Relations between tensile strength and the Si content基金項目：寧夏自然科學(xué)基金資助項目 （NZ13262）。收稿日期：2014-05-16收到初稿，2014-06-09收到修訂稿。作者簡介：楊萬虎 （1987），男，助工，主要從事鑄鐵熔煉技術(shù)工作。E

8、-mail：yangwanhunihaoAug. 2014Vol. 63 No.8832FOUNDRY示為Si對鐵素體球墨鑄鐵強度影響的曲線?？估瓘姸入S著Si含量的增加而升高。1 化學(xué)成分選擇及熔煉工藝1.1化學(xué)成分選擇依據(jù)球墨鑄鐵伸長率與Si含量的關(guān)系，以及筆者 公司生產(chǎn)球墨鑄鐵的內(nèi)控標準，經(jīng)過項目組數(shù)次討論 研究，化學(xué)成分按如下原則確定。1.1.1CE值碳當量對球墨鑄鐵的流動性影響很大，提高碳當 量可以提高球墨鑄鐵的流動性，在碳當量為4.4 4.6時鐵液流動性最好，有利于澆注成形和補縮，生 產(chǎn)球墨鑄鐵的CE值一般控制在4.454.551。1.1.2SiSi是強烈促進石墨化元素，并促進鐵素體

9、形成和 減少滲碳體產(chǎn)生。依據(jù)球墨鑄鐵斷后伸長率與Si含量 的關(guān)系，由圖2可知，Si含量超過4.5時，其伸長率急 劇下降，故Si含量控制在3.34.3。1.1.6SS在球墨鑄鐵中既有害又不可或缺，因此要盡可能 降低其含量，根據(jù)筆者公司內(nèi)控標準，為了保證良好 的球化率，S含量應(yīng)控制在0.0060.012。1.1.7MgMg是生產(chǎn)球墨鑄鐵所必須元素，其含量直接影響 石墨形態(tài)，由于所研發(fā)材料是利用高硅進行固溶強化 處理，鐵液中Si含量較高，但是Si含量較高時容易導(dǎo)致 碎塊石墨的出現(xiàn)，從而影響石墨形態(tài)，為了得到較為 圓整的石墨球，Mg含量應(yīng)控制在0.0450.065。1.2熔煉工藝為了盡量減少有害元素含

10、量，所選原材料應(yīng)較為 純凈，因此采用優(yōu)質(zhì)生鐵和廢鋼以及部分回爐鐵進行 熔化。按一定的加料順序進行投爐熔化；控制適當?shù)?熔化溫度、取樣溫度、過熱溫度；保證過程緊湊，無 蓬料、過燒等現(xiàn)象。1.2.1爐料配比為了達到預(yù)先選定的化學(xué)成分，依據(jù)常年生產(chǎn)球 墨鑄鐵的經(jīng)驗，將爐料配比按表2比例確定。表2 爐料配比Table 2 Furnace charge proportion生鐵/廢鋼/回爐料/3050103030501.2.2球化處理球化劑加入量主要與原鐵液中S含量及鐵液溫度有 關(guān)，加入量為0.91.2，選用FeSiMg合金，其主要 化學(xué)成分為46Mg、4045Si。將球化劑預(yù) 埋入澆包之內(nèi)，采用沖入法

11、進行球化處理，保證出鐵 量在70以上時開始球化反應(yīng)。應(yīng)控制合適的出鐵溫 度，盡量避免球化過程中球化劑的氧化和燒損。1.2.3孕育處理選用BaSi孕育劑進行孕育，其主要成分為7075 Si，4 6 Ba，孕育劑粒度 適中，加入量為0.81.0，保證所孕育鐵液均勻且充分。圖2 Si含量與伸長率的關(guān)系Fig. 2 Relations between elongation and the Si content1.1.3MnMn是強烈穩(wěn)定奧氏體元素，降低奧氏體向珠光體 轉(zhuǎn)變的溫度，促進珠光體形成，且容易在共晶團邊界 上產(chǎn)生偏析，因為研發(fā)的材質(zhì)基體為全鐵素體基體， 故Mn含量應(yīng)0.21。1.1.4PP是隨

12、金屬爐料進入到球墨鑄鐵，它不影響球化， 但P是有害元素，它溶解在鐵液中，降低鐵碳合金的共 晶含碳量，有微弱的反石墨化作用。因為球墨鑄鐵像 粥一樣的凝固方式，P很容易偏析產(chǎn)生磷共晶，隨著鑄 件壁厚的增加，其偏析越嚴重，在熱節(jié)部位磷共晶數(shù) 量會增多。由于磷共晶熔點低，最終會分布在共晶團 邊界處，會急劇惡化鑄鐵力學(xué)性能，P應(yīng)越低越好。但 由于受原材料的制約，故P含量0.04即可1。1.1.5CuCu也是強烈促進珠光體生成的元素，降低共析溫 度，在球墨鑄鐵中Cu含量超過一定量時，基體就會產(chǎn) 生一部分珠光體，因為研發(fā)的材質(zhì)基體為全鐵素體基 體，故Cu含量應(yīng)0.1。22.1試驗結(jié)果及分析試驗結(jié)果按照以上工

13、藝方案進行了大量試驗，總體歷經(jīng)了三個研發(fā)階段。（1） 第一階段：試樣檢測力學(xué)性能以及金相組織 達不到EN 1563：2012的要求，包括抗拉強度、屈服強 度、伸長率、球化率。經(jīng)過項目組多次對試樣化學(xué)成 分討論研究，發(fā)現(xiàn)鐵液中Si含量偏低和球化率低是導(dǎo) 致試樣力學(xué)性能不合格的根本原因，因此制定措施進 一步提升鐵液中Si含量至一定范圍之內(nèi)，澆注試樣檢 測，結(jié)果顯示其力學(xué)性能有所提升。（2） 第二階段：為了解決球化率低而導(dǎo)致性能不鑄造833楊萬虎等：QT500-14、QT600-10高硅球墨鑄鐵研究合格問題，經(jīng)過一系列的研究分析，發(fā)現(xiàn)鐵液中較高的Si含量會影響球墨鑄鐵的石墨形態(tài)，球墨不圓整， 會使其

14、呈團絮狀、塊狀。因此制定措施：增加球化劑 的加入量，從而抵消Si元素對石墨形態(tài)的負面影響。 試驗結(jié)果顯示石墨形態(tài)較好，球化率基本在90以上。（3） 第三階段：依據(jù)第二階段的成功方案，熔化 鐵液分別澆注Y25、U40、U70單鑄試塊，經(jīng)過一定時 間的冷卻之后開箱取出試塊，在其上制取拉伸試樣和金相試樣，在實驗室進行力學(xué)性能和金相組織檢測。表3為QT600-10部分試驗數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來自Y25單鑄試塊上取樣所得性能結(jié)果。表4為QT600-10部分試驗數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來自U40單鑄 試塊上取樣所得性能結(jié)果。表5為QT600-10部分試驗數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來自U70單鑄 試塊上取樣所得性能結(jié)果。表6為QT500-14部分

15、試驗數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來自Y25單鑄 試塊上取樣所得性能結(jié)果。表7為QT500-14部分試驗數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來自U40單鑄 試塊上取樣所得性能結(jié)果。表8為QT500-14部分試驗數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來自U70單鑄表3 QT600-10的力學(xué)性能和金相組織試驗數(shù)據(jù) （取自Y25單鑄試塊）Table 3 Data of mechanical property and microstructure of QT600-10 （from separated test bar of casting with Y25）試驗次數(shù)球化率/鐵素體/C/Si/Rm /MPaRp0.2 /MPaA/123453.183.113.153.17

16、3.093.953.893.943.984.10919395899761761261061962850049949349151019171815169595959595表4 QT600-10的力學(xué)性能和金相組織試驗數(shù)據(jù) （取自U40單鑄試塊）（from separated test bar of casting with U40）Table 4 Data of mechanical property and microstructure of QT600-10試驗次數(shù)球化率/鐵素體/C/Si/Rm /MPaRp0.2 /MPaA/9290919190123453.183.113.153.173

17、.093.953.893.943.984.1059759458860161149048248549350215161314179595959595表5 QT600-10的力學(xué)性能和金相組織試驗數(shù)據(jù) （取自U70單鑄試塊）Table 5 Data of mechanical property and microstructure of QT600-10(from separated test bar of casting with U70)試驗次數(shù)球化率/鐵素體/C/Si/Rm /MPaRp0.2 /MPaA/123453.183.113.153.173.093.953.893.943.984.

18、10929394909358959058057958648748548348149316141213159595959595表6 QT500-14的力學(xué)性能和金相組織試驗數(shù)據(jù) （取自Y25單鑄試塊）Table 6 Data of mechanical property and microstructure of QT500-14(from separated test bar of casting with Y25)試驗次數(shù)球化率/鐵素體/C/Si/Rm /MPaRp0.2 /MPaA/123453.233.193.243.303.253.653.713.643.683.75939595909

19、154255153652154945045245944345115161715149595959595表7 QT500-14的力學(xué)性能和金相組織試驗數(shù)據(jù) （取自U40單鑄試塊）Table 7 Data of mechanical property and microstructure of QT500-14(from separated test bar of casting with U40)試驗次數(shù)球化率/鐵素體/C/Si/Rm /MPaRp0.2 /MPaA/123453.233.193.243.303.253.653.713.643.683.7591929095965335465355

20、2254144845345544344115171516159595959595Aug. 2014Vol. 63 No.8834FOUNDRY表8 QT500-14的力學(xué)性能和金相組織試驗數(shù)據(jù) （取自U70單鑄試塊）Table 8 Data of mechanical property and microstructure of QT500-14(from separated test bar of casting with U70)球化率/鐵素體/試驗次數(shù)C/Si/Rm /MPaRp0.2 /MPaA/123453.233.193.243.303.253.653.713.643.683.75

21、909192998752953752552053043844643743344114151514159595959595試塊上取樣所得性能結(jié)果。2.2金相組織選取QT500-14牌號Y25單鑄試塊，表6中第三次試 驗結(jié)果的金相組織見圖3。（5） 由于此材質(zhì)的鐵液Si含量高，可以放寬化學(xué)成分中穩(wěn)定珠光體元素和碳化物形成元素的含量，從 而可放心使用大量廢鋼，降低生產(chǎn)成本。3.2 缺點（1） 生產(chǎn)QT600-10的可控范圍很小，即Si含量要 嚴格控制在4.3以下。（2） 由于此材料Si含量高，至今為止，鑄件表面 還不能熱處理，如淬火等。（3） 焊補性能差。3.3 應(yīng)用前景表9為不同環(huán)境溫度下球墨鑄鐵

22、V型缺口試樣的沖 擊吸收功，試樣取自于QT500-14試驗試塊，Si含量為3.5。由表9可看到，隨著環(huán)境溫度的上升，試樣沖 擊吸收功呈上升趨勢，當環(huán)境溫度達到180 時，其沖擊吸收功可達到20 J左右。因此筆者認為：高Si球墨 鑄鐵件適用于高溫環(huán)境下工作，這樣其沖擊吸收功會 大幅提升，從而提高運行環(huán)境的安全系數(shù)。表10為不同牌號的球墨鑄鐵V型缺口試樣在不同 環(huán)境溫度下的沖擊吸收功變化。表9 不同環(huán)境溫度下球墨鑄鐵的沖擊吸收功Table 9 The notch impact absorbed energy of ductile iron at different temperature（a） 石

23、墨（b） 基體組織圖3 QT500-14金相組織Fig. 3 Microstructure of QT500-142.3結(jié)果分析從球墨鑄鐵力學(xué)性能及微觀金相組織來看，此種 工藝方案能夠達到EN 1563：2012標準要求，球化率也 能夠達到85以上，說明此工藝方案能夠成功生產(chǎn)出 全鐵素體基體的QT500-14和QT600-10鑄鐵材料。3 高Si球墨鑄鐵的優(yōu)缺點和應(yīng)用前景3.1優(yōu)點參考張伯明等人2研究報告，結(jié)合筆者公司項目團 隊的分析研究，將采用Si合金化的全鐵素體基體球墨 鑄鐵與傳統(tǒng)Cu、Sn等合金化的鐵素體 （珠光體） 混合 基體球墨鑄鐵相比有以下優(yōu)點。（1） 高Si球墨鑄鐵具有高的抗拉強

24、度、屈服強度 和伸長率，使大部分厚壁鑄件可以減小壁厚，從而減 輕鑄件重量，節(jié)約生產(chǎn)成本。（2） 高Si球墨鑄鐵件本體中硬度與抗拉強度分布 均勻。（3） 高Si球墨鑄鐵鐵素體基體基本在95以上， 鑄件的硬度范圍窄，切削性能好，刀具壽命長，降低 機械加工成本。（4） 由于與其他抗拉強度相同的材質(zhì)鐵液收縮率 一樣，因此高Si球墨鑄鐵件模樣不需要任何變動，但 由于韌性的提高，必須對內(nèi)澆道及冒口頸的設(shè)計進行 適當?shù)男薷?，以免在敲打澆冒系統(tǒng)時損壞鑄件，造成 鑄件缺肉。沖擊吸收功/J環(huán)境溫度/試塊型號（1）（2）（3）平均值Y25Y25Y25Y25-2020140180451920452021452122452021表10 不同牌號的球墨鑄鐵在不同環(huán)境溫度下的沖擊吸收功Tab 10 The notch impact absorbed energy of ductile iron at different temperature沖擊吸收功/J鑄鐵牌號試塊型