QT500_14_QT600_10高硅球墨铸铁研究

1、QT500-14、QT600-10高硅球墨铸铁研究杨万虎1，周文军1，张守全1，陈孝先1，孙升1，王洪涛1，薛蕊莉2，原晓雷2（1.宁夏共享装备有限公司，宁夏银川 750021；2.宁夏共享集团有限责任公司，宁夏银川 750021）摘要：应用FeSiMg合金球化剂进行冲入法球化处理，BaSi孕育剂进行孕育处理，充分利用硅的固溶强化作用，解决了QT500-7和QT600-3球墨铸铁材料的屈服强度和伸长率低以及硬度不均匀导致加工性能差等问题。多次试验结果表 明：QT500-14和QT600-10的力学性能和金相组织已达到EN 1563：2012的规范要求。 关键词：抗拉强度；固溶强化；铁素体中图分

2、类号：TG143.5文献标识码：A文章编号：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随着

5、科技发展，铸铁生产技术不断创新，现生产的 球 铁 牌 号 有 QT400-18、 QT500-7、 QT600-3、QT700-2等，但QT500-7和QT600-3基体组织含有3060珠光体，采用此材质生产出的铸件虽然达到了 较高的抗拉强度，但是其伸长率和屈服强度相对较低， 另 外 这 类铸件的加 工性能相对全铁素 体 基体材质 QT400-18差，由于基体含有一定量珠光体，致使加工 刀具磨损相对较大。为了使生产的铸件得到高抗拉强 度的同时又能具有较高的屈服强度和伸长率，以及较 好的加工性能，通过多次试验表明，应用提高硅含量 进行固溶强化原理，作者成功研发出生产全铁素体基 体牌号为QT500

6、-14和QT600-10球墨铸铁的工艺方法， EN 1563：2012规定的两个牌号材料力学性能如表1所 示。固溶强化即通过融入某种溶质元素来形成固溶体 而使金属强化，融入固溶体中的溶质原子造成晶格畸 变，晶格畸变增大了位错运动的阻力，使滑移难以进 行，从而使合金固溶体的强度与硬度增加。在溶质原 子浓度适当时，可提高材料的强度和硬度，但其韧性 和塑性却有所下降。铸铁中硅的固溶强化，是一个公知的事实，图1所表1 EN 1563：2012规定的两个牌号材料力学性能 （最小值）Table 1 Mechanical property of the material inEN 1563: 2012主要壁

7、厚t/mm屈服强度/MPa抗拉强度/MPa伸长率/材料牌号t3030t6060t200400390500480供需双方协商1412EN-GJS-500-14t3030t6060t200450430600580供需双方协商108EN-GJS-600-10图1 Si含量与抗拉强度的关系Fig. 1 Relations between tensile strength and the Si content基金项目：宁夏自然科学基金资助项目 （NZ13262）。收稿日期：2014-05-16收到初稿，2014-06-09收到修订稿。作者简介：杨万虎 （1987），男，助工，主要从事铸铁熔炼技术工作。E

8、-mail：yangwanhunihaoAug. 2014Vol. 63 No.8832FOUNDRY示为Si对铁素体球墨铸铁强度影响的曲线。抗拉强度随着Si含量的增加而升高。1 化学成分选择及熔炼工艺1.1化学成分选择依据球墨铸铁伸长率与Si含量的关系，以及笔者 公司生产球墨铸铁的内控标准，经过项目组数次讨论 研究，化学成分按如下原则确定。1.1.1CE值碳当量对球墨铸铁的流动性影响很大，提高碳当 量可以提高球墨铸铁的流动性，在碳当量为4.4 4.6时铁液流动性最好，有利于浇注成形和补缩，生 产球墨铸铁的CE值一般控制在4.454.551。1.1.2SiSi是强烈促进石墨化元素，并促进铁素体

9、形成和 减少渗碳体产生。依据球墨铸铁断后伸长率与Si含量 的关系，由图2可知，Si含量超过4.5时，其伸长率急 剧下降，故Si含量控制在3.34.3。1.1.6SS在球墨铸铁中既有害又不可或缺，因此要尽可能 降低其含量，根据笔者公司内控标准，为了保证良好 的球化率，S含量应控制在0.0060.012。1.1.7MgMg是生产球墨铸铁所必须元素，其含量直接影响 石墨形态，由于所研发材料是利用高硅进行固溶强化 处理，铁液中Si含量较高，但是Si含量较高时容易导致 碎块石墨的出现，从而影响石墨形态，为了得到较为 圆整的石墨球，Mg含量应控制在0.0450.065。1.2熔炼工艺为了尽量减少有害元素含

10、量，所选原材料应较为 纯净，因此采用优质生铁和废钢以及部分回炉铁进行 熔化。按一定的加料顺序进行投炉熔化；控制适当的 熔化温度、取样温度、过热温度；保证过程紧凑，无 蓬料、过烧等现象。1.2.1炉料配比为了达到预先选定的化学成分，依据常年生产球 墨铸铁的经验，将炉料配比按表2比例确定。表2 炉料配比Table 2 Furnace charge proportion生铁/废钢/回炉料/3050103030501.2.2球化处理球化剂加入量主要与原铁液中S含量及铁液温度有 关，加入量为0.91.2，选用FeSiMg合金，其主要 化学成分为46Mg、4045Si。将球化剂预 埋入浇包之内，采用冲入法

11、进行球化处理，保证出铁 量在70以上时开始球化反应。应控制合适的出铁温 度，尽量避免球化过程中球化剂的氧化和烧损。1.2.3孕育处理选用BaSi孕育剂进行孕育，其主要成分为7075 Si，4 6 Ba，孕育剂粒度 适中，加入量为0.81.0，保证所孕育铁液均匀且充分。图2 Si含量与伸长率的关系Fig. 2 Relations between elongation and the Si content1.1.3MnMn是强烈稳定奥氏体元素，降低奥氏体向珠光体 转变的温度，促进珠光体形成，且容易在共晶团边界 上产生偏析，因为研发的材质基体为全铁素体基体， 故Mn含量应0.21。1.1.4PP是随

12、金属炉料进入到球墨铸铁，它不影响球化， 但P是有害元素，它溶解在铁液中，降低铁碳合金的共 晶含碳量，有微弱的反石墨化作用。因为球墨铸铁像 粥一样的凝固方式，P很容易偏析产生磷共晶，随着铸 件壁厚的增加，其偏析越严重，在热节部位磷共晶数 量会增多。由于磷共晶熔点低，最终会分布在共晶团 边界处，会急剧恶化铸铁力学性能，P应越低越好。但 由于受原材料的制约，故P含量0.04即可1。1.1.5CuCu也是强烈促进珠光体生成的元素，降低共析温 度，在球墨铸铁中Cu含量超过一定量时，基体就会产 生一部分珠光体，因为研发的材质基体为全铁素体基 体，故Cu含量应0.1。22.1试验结果及分析试验结果按照以上工

13、艺方案进行了大量试验，总体历经了三个研发阶段。（1） 第一阶段：试样检测力学性能以及金相组织 达不到EN 1563：2012的要求，包括抗拉强度、屈服强 度、伸长率、球化率。经过项目组多次对试样化学成 分讨论研究，发现铁液中Si含量偏低和球化率低是导 致试样力学性能不合格的根本原因，因此制定措施进 一步提升铁液中Si含量至一定范围之内，浇注试样检 测，结果显示其力学性能有所提升。（2） 第二阶段：为了解决球化率低而导致性能不铸造833杨万虎等：QT500-14、QT600-10高硅球墨铸铁研究合格问题，经过一系列的研究分析，发现铁液中较高的Si含量会影响球墨铸铁的石墨形态，球墨不圆整， 会使其

14、呈团絮状、块状。因此制定措施：增加球化剂 的加入量，从而抵消Si元素对石墨形态的负面影响。 试验结果显示石墨形态较好，球化率基本在90以上。（3） 第三阶段：依据第二阶段的成功方案，熔化 铁液分别浇注Y25、U40、U70单铸试块，经过一定时 间的冷却之后开箱取出试块，在其上制取拉伸试样和金相试样，在实验室进行力学性能和金相组织检测。表3为QT600-10部分试验数据，数据来自Y25单铸试块上取样所得性能结果。表4为QT600-10部分试验数据，数据来自U40单铸 试块上取样所得性能结果。表5为QT600-10部分试验数据，数据来自U70单铸 试块上取样所得性能结果。表6为QT500-14部分

15、试验数据，数据来自Y25单铸 试块上取样所得性能结果。表7为QT500-14部分试验数据，数据来自U40单铸 试块上取样所得性能结果。表8为QT500-14部分试验数据，数据来自U70单铸表3 QT600-10的力学性能和金相组织试验数据 （取自Y25单铸试块）Table 3 Data of mechanical property and microstructure of QT600-10 （from separated test bar of casting with Y25）试验次数球化率/铁素体/C/Si/Rm /MPaRp0.2 /MPaA/123453.183.113.153.17

16、3.093.953.893.943.984.10919395899761761261061962850049949349151019171815169595959595表4 QT600-10的力学性能和金相组织试验数据 （取自U40单铸试块）（from separated test bar of casting with U40）Table 4 Data of mechanical property and microstructure of QT600-10试验次数球化率/铁素体/C/Si/Rm /MPaRp0.2 /MPaA/9290919190123453.183.113.153.173

17、.093.953.893.943.984.1059759458860161149048248549350215161314179595959595表5 QT600-10的力学性能和金相组织试验数据 （取自U70单铸试块）Table 5 Data of mechanical property and microstructure of QT600-10(from separated test bar of casting with U70)试验次数球化率/铁素体/C/Si/Rm /MPaRp0.2 /MPaA/123453.183.113.153.173.093.953.893.943.984.

18、10929394909358959058057958648748548348149316141213159595959595表6 QT500-14的力学性能和金相组织试验数据 （取自Y25单铸试块）Table 6 Data of mechanical property and microstructure of QT500-14(from separated test bar of casting with Y25)试验次数球化率/铁素体/C/Si/Rm /MPaRp0.2 /MPaA/123453.233.193.243.303.253.653.713.643.683.75939595909

19、154255153652154945045245944345115161715149595959595表7 QT500-14的力学性能和金相组织试验数据 （取自U40单铸试块）Table 7 Data of mechanical property and microstructure of QT500-14(from separated test bar of casting with U40)试验次数球化率/铁素体/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的力学性能和金相组织试验数据 （取自U70单铸试块）Table 8 Data of mechanical property and microstructure of QT500-14(from separated test bar of casting with U70)球化率/铁素体/试验次数C/Si/Rm /MPaRp0.2 /MPaA/123453.233.193.243.303.253.653.713.643.683.75

21、909192998752953752552053043844643743344114151514159595959595试块上取样所得性能结果。2.2金相组织选取QT500-14牌号Y25单铸试块，表6中第三次试 验结果的金相组织见图3。（5） 由于此材质的铁液Si含量高，可以放宽化学成分中稳定珠光体元素和碳化物形成元素的含量，从 而可放心使用大量废钢，降低生产成本。3.2 缺点（1） 生产QT600-10的可控范围很小，即Si含量要 严格控制在4.3以下。（2） 由于此材料Si含量高，至今为止，铸件表面 还不能热处理，如淬火等。（3） 焊补性能差。3.3 应用前景表9为不同环境温度下球墨铸铁

22、V型缺口试样的冲 击吸收功，试样取自于QT500-14试验试块，Si含量为3.5。由表9可看到，随着环境温度的上升，试样冲 击吸收功呈上升趋势，当环境温度达到180 时，其冲击吸收功可达到20 J左右。因此笔者认为：高Si球墨 铸铁件适用于高温环境下工作，这样其冲击吸收功会 大幅提升，从而提高运行环境的安全系数。表10为不同牌号的球墨铸铁V型缺口试样在不同 环境温度下的冲击吸收功变化。表9 不同环境温度下球墨铸铁的冲击吸收功Table 9 The notch impact absorbed energy of ductile iron at different temperature（a） 石

23、墨（b） 基体组织图3 QT500-14金相组织Fig. 3 Microstructure of QT500-142.3结果分析从球墨铸铁力学性能及微观金相组织来看，此种 工艺方案能够达到EN 1563：2012标准要求，球化率也 能够达到85以上，说明此工艺方案能够成功生产出 全铁素体基体的QT500-14和QT600-10铸铁材料。3 高Si球墨铸铁的优缺点和应用前景3.1优点参考张伯明等人2研究报告，结合笔者公司项目团 队的分析研究，将采用Si合金化的全铁素体基体球墨 铸铁与传统Cu、Sn等合金化的铁素体 （珠光体） 混合 基体球墨铸铁相比有以下优点。（1） 高Si球墨铸铁具有高的抗拉强

24、度、屈服强度 和伸长率，使大部分厚壁铸件可以减小壁厚，从而减 轻铸件重量，节约生产成本。（2） 高Si球墨铸铁件本体中硬度与抗拉强度分布 均匀。（3） 高Si球墨铸铁铁素体基体基本在95以上， 铸件的硬度范围窄，切削性能好，刀具寿命长，降低 机械加工成本。（4） 由于与其他抗拉强度相同的材质铁液收缩率 一样，因此高Si球墨铸铁件模样不需要任何变动，但 由于韧性的提高，必须对内浇道及冒口颈的设计进行 适当的修改，以免在敲打浇冒系统时损坏铸件，造成 铸件缺肉。冲击吸收功/J环境温度/试块型号（1）（2）（3）平均值Y25Y25Y25Y25-2020140180451920452021452122452021表10 不同牌号的球墨铸铁在不同环境温度下的冲击吸收功Tab 10 The notch impact absorbed energy of ductile iron at different temperature冲击吸收功/J铸铁牌号试块型