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任公司，寧夏銀川 750021）摘要：應用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導致加工性能差等問題。多次試驗結果表 明：QT500-14和QT600-10的力學性能和金相組織已達到EN 1563：2012的規(guī)范要求。 關鍵詞：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，鑄鐵生產技術不斷創(chuàng)新，現生產的 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，采用此材質生產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 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，應用提高硅含量 進行固溶強化原理，作者成功研發(fā)出生產全鐵素體基 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性能如表1所 示。固溶強化即通過融入某種溶質元素來形成固溶體 而使金屬強化，融入固溶體中的溶質原子造成晶格畸 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供需雙方協商1412EN-GJS-500-14t3030t6060t200450430600580供需雙方協商108EN-GJS-600-10圖1 Si含量與抗拉強度的關系Fig. 1 Relations between tensile strength and the Si content基金項目：寧夏自然科學基金資助項目 （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 化學成分選擇及熔煉工藝1.1化學成分選擇依據球墨鑄鐵伸長率與Si含量的關系，以及筆者 公司生產球墨鑄鐵的內控標準，經過項目組數次討論 研究，化學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 減少滲碳體產生。依據球墨鑄鐵斷后伸長率與Si含量 的關系，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，根據筆者公司內控標準，為了保證良好 的球化率，S含量應控制在0.0060.012。1.1.7MgMg是生產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含量較高時容易導致 碎塊石墨的出現，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，所選原材料應較為 純凈，因此采用優(yōu)質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；控制適當的 熔化溫度、取樣溫度、過熱溫度；保證過程緊湊，無 蓬料、過燒等現象。1.2.1爐料配比為了達到預先選定的化學成分，依據常年生產球 墨鑄鐵的經驗，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，加入量為0.91.2，選用FeSiMg合金，其主要 化學成分為46Mg、4045Si。將球化劑預 埋入澆包之內，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。應控制合適的出鐵溫 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 轉變的溫度，促進珠光體形成，且容易在共晶團邊界 上產生偏析，因為研發(fā)的材質基體為全鐵素體基體， 故Mn含量應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 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性能，P應越低越好。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 生一部分珠光體，因為研發(fā)的材質基體為全鐵素體基 體，故Cu含量應0.1。22.1試驗結果及分析試驗結果按照以上工

13、藝方案進行了大量試驗，總體歷經了三個研發(fā)階段。（1） 第一階段：試樣檢測力學性能以及金相組織 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。經過項目組多次對試樣化學成 分討論研究，發(fā)現鐵液中Si含量偏低和球化率低是導 致試樣力學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，澆注試樣檢 測，結果顯示其力學性能有所提升。（2） 第二階段：為了解決球化率低而導致性能不鑄造833楊萬虎等：QT500-14、QT600-10高硅球墨鑄鐵研究合格問題，經過一系列的研究分析，發(fā)現鐵液中較高的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，在實驗室進行力學性能和金相組織檢測。表3為QT600-10部分試驗數據，數據來自Y25單鑄試塊上取樣所得性能結果。表4為QT600-10部分試驗數據，數據來自U40單鑄 試塊上取樣所得性能結果。表5為QT600-10部分試驗數據，數據來自U70單鑄 試塊上取樣所得性能結果。表6為QT500-14部分

15、試驗數據，數據來自Y25單鑄 試塊上取樣所得性能結果。表7為QT500-14部分試驗數據，數據來自U40單鑄 試塊上取樣所得性能結果。表8為QT500-14部分試驗數據，數據來自U70單鑄表3 QT600-10的力學性能和金相組織試驗數據 （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的力學性能和金相組織試驗數據 （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的力學性能和金相組織試驗數據 （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的力學性能和金相組織試驗數據 （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的力學性能和金相組織試驗數據 （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的力學性能和金相組織試驗數據 （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 驗結果的金相組織見圖3。（5） 由于此材質的鐵液Si含量高，可以放寬化學成分中穩(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，降低生產成本。3.2 缺點（1） 生產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。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結果分析從球墨鑄鐵力學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)缺點和應用前景3.1優(yōu)點參考張伯明等人2研究報告，結合筆者公司項目團 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，必須對內澆道及冒口頸的設計進行 適當的修改，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