低温高韧性球墨铸铁的生产

1、低温高韧性球墨铸铁的生产刘兰俊 祖方遒 李先芬合肥工业大学 230009程建龙 牛家胜 李永红 魏传颖安徽神剑科技 230022摘 要：本文简要地介绍了低温高韧性球墨铸铁需求。通过严格的把握化学成分C： 3.33.8,Si：2.02.4,Mn0.3,P0.04,S0.03，承受低稀土球化剂 FeSiMg8RE3，使用冲入法球化处理工艺，承受 75SiFe 二次孕育，结合高温石墨化退炎热处理工艺，生产出低温高韧性的球墨铸铁。其抗拉强度大于 400MPa；伸长率大于 18%；-20冲击韧度大于 12J/cm2，满足了生产的需要。关键词：球墨铸铁；低温冲击；生产Manufacture of low

2、temperature impact-resistant ductile cast ironAbstract: The demand of low temperature impact-resistant ductile cast iron was briefly introduced. With strict control of its chemical composition (C :3.33 .8%, Si :2.02 .4%, Mn 0.3%, P 0.04%, S 0.03%), and adopting low rare earth nodulizer FeSiMg8RE3, u

3、sing open ladle treatment nodulizing process, nucleating agent by 75SiFe and late inoculation, heat treatment process was high-temperature for graphite annealing, a low temperature and high toughness of ductile cast iron was produced. Its tensile strength was higher than 400 MPa, elongation was high

4、er than 18%, impact toughness at-20 was higher than 13 J/cm2.Keywords: ductile cast iron;low-temperature impact-resistant; manufacture1 引 言球墨铸铁作为重要的金属构造材料已广泛应用于很多领域。在某些工况条件下使用的一些零部件，客观上要求球墨铸铁在确定的强度下具有较高的冲击韧度，尤其是较高的低温冲击韧度，以满足使用要求。低温高韧性球墨铸铁是风力发电设备的主要构件材料，包括装置叶片的轮毂、齿轮箱、机械台架和底座构件。据资料介绍1，2，1-2MW的机组需15吨球铁

5、件，4.5MW风力发电机组约需3550吨球铁件， 2022-2022年全世界约增加40，000MW，每年需铸件20万吨。其材质在欧洲牌号是EN-GJS40018ULT，需有良好的抗拉强度、伸长率和刚度，而且还要求在-20 冲击韧度平均为10J/cm2。随着国际贸易增长和国内多种应用领域对低温高韧性球墨铸铁需求的扩大，对低温高韧性球墨铸铁的需求日益增长。尽管国内一些争辩工作者对高韧性球铁QT400-18进展了一些争辩3-6，但这与低温高韧性球铁是不同的， 即使获得100%的铁素体基体，室温下具有很好的韧性，但低温性能往往不能满足要求。国外生产低温高韧性球墨铸铁通常使用高纯生铁材料，在国内由于高纯

6、原材料的限制以及企业生产工艺水平的缘由，生产过程中有一些工作需要留意并强化，主要表达在对成分把握、铁液的冶金质量、球化及孕育工艺、热处理工艺、组织把握等方面。本文基于国内材料特点，通过有效地把握化学成分；并且进展合理的球化处理和孕育处理；依据铸态组织特点进展退火处理，生产出QT400-18L的低温高韧性球墨铸铁，并取得了令人满足的效果。试验过程试验条件使用的原材料有生铁、回炉铁、废钢、铁合金等。使用中频感应电炉熔炼铁水； 选用低稀土球化剂FeSiMg8RE3 球化剂，承受冲入法进展球化处理；孕育剂为 75Si-Fe 合金，二次孕育；依据铸态组织特点进展退火；用德国产的 QSN750 光谱仪分析

7、其化学成分；用万能试验机测定抗拉强度；在安徽省钢铁材料质量监视检验二站进展 了低温冲击韧性的测定；利用配有数码相机的 4XB-TV 金相显微镜金相了组织的观看和金相照片的拍摄。化学成分确实定1碳：碳高简洁产生石墨漂移、碎块状石墨等铸造缺陷，碳低易消灭自由渗碳体且简洁产生缩孔、缩松等铸造缺陷，w(C)应把握在 3.33.8；硅：硅能削减结晶过冷和白口的倾向，还能细化石墨，提高石墨球的圆整度，但硅高易形成异形石墨， 提凹凸温脆性，终 w(Si)把握在 2.02.3；锰：锰提高强度、硬度，降低塑性、韧性。锰显著提高脆性转变温度，且易形成组织偏析，促进碳化物的形成，所以 w(Mn) 把握在 0.3以下

8、；磷：磷在球墨铸铁中有严峻的偏析倾向，易在晶界处形成磷共晶， 严峻降低低温韧性，提凹凸温脆性，同时，磷还增大球墨铸铁的缩松倾向，因此 w(P) 把握在 0.04以下；硫：不仅会与球化元素反响，消耗球化剂，造成球化不稳定， 而且使夹杂物数量增多，导致铸造缺陷，全部含硫量越低越好， w(S)把握在 0.03 以下。残残镁和稀土：铁液中有确定的镁和稀土元素的残留量才能保证石墨成球。但球铁中球化元素含量过高，石墨球并不圆整，还会使球铁白口倾向大，皮下气孔增多， 产生夹渣等缺陷。因此，在保证球化的前提下，应当尽量降低 Mg、 RE含量， 并且使其在小的范围内波动。将它们把握在如下范围：Mg 残：0.02

9、50.030 ,RE 残：0.020.04。依据化学元素对球铁力学性能以及铸造性能的影响，化学成分把握如表 1 所示。表 1 低温高韧性球铁化学成分范围wtC 3.53.8Si 2.02.3Mn0.3P0.04S0.03Mg残0.0250.030RE残0.020.04热处理工艺针对国内原材料的特点，要获得低温高韧性的铁素体球墨铸铁，有必要对铸件进展退火，去除铸态组织中的自由渗碳体。承受高温石墨化退炎热处理，具体承受的热处理工艺依据铸态组织的特点，铸件加热到 900950、保温 25h；在共析转变温区缓慢冷却；，铸件随炉冷至 600后出炉空冷，以免产生缓冷脆性。试验结果与分析为了生产出合格的产品

10、，先后进展了屡次试验。试验争辩过程对铸件的化学成分、机械性能、金相组织进展了检测和分析。结果分述如下：试验结果2化学成分 研制过程中分别承受了 3 种生铁一般的球铁生铁、本溪生铁和低锰生铁。试验结果说明：原材料对最终的性能有格外重要的影响，尽管制备的多组试样的成分都处于表 1 所列的范围，试样的性能有很大的差异，试验也尝试参与少量的镍，但对性能影响不大。力学性能 争辩中测定了每次试验所浇铸试样的抗拉强度、延长率以及-20条件下冲击韧度值 a k 。力学性能测试用试样取自于“Y”型单铸试块，具体数据见表 2。表 2 试验争辩中球墨铸铁的力学性能试铸态下性能热处理后性能样 MPab (%)-20,

11、 a (J/cm2)k MPa (%)b-20, a (J/cm2)k1#50018-470195,5,62#51017-480204,5,53#52320-470246,5,64#51021-460247,6,75#46520-430246,6,56#470194,4,44202413,13,147#46520-4202514,13,13显微组织 图 1a、b反映出铸态下 5 号试样拉伸试棒的组织，图 2a、b反映出铸态下5 号试样拉伸试棒的组织。图3 是 6 号试样“Y”试块铸态组织； 图 4 是 7 号试样“Y”试块退火后的组织；a 400未腐蚀b 400腐蚀3的硝酸酒精图 15 号试样

12、的铸态组织3a 400未腐蚀b 400腐蚀3的硝酸酒精图 24 号试样的铸态组织a 边缘部位 100未腐蚀b中心区域100 未腐蚀图 3 6 号试样“Y”试块铸态组织a 边缘部位 100未腐蚀b中心区域100 未腐蚀图 4 7 号试样“Y”试块铸态组织4a400未腐蚀b 400 腐蚀3的硝酸酒精图 5 7 号试样退火后组织分析争辩从表 2 中我们可以看出：1#与 2#试样承受的一般生铁，杂质含量相对较高Ti 高达 0.048，因此在铸态下其抗拉强度高达 500MPa,延长率则在 18左右，经过高温热处理过后，抗拉强度有少量下降，降幅为 3040MPa 左右，延长率也只有少量提高，但其低温韧性也

13、格外低，在-20的状况下冲击韧性在 5J/cm2 左右。文献6 争辩了元素 Ni 对球墨铸铁低温冲击韧度的影响，我们在 3#、4#、5#试样中都参与了0.1的 Ni，由于 3#试样照旧承受的是一般生铁，而 4#、5#试样承受的是杂质含量更少的本溪生铁，可以看出，3# 试样的化学成分与 1#、2#试样的化学成分接近，与4#、5#试样相比 Si、Ti 含量照旧很高，但由于参与了 Ni，所以从力学性能上可以看出延长率有了很大的提高，退火后高达 24，而且低温冲击韧性也有少量提高，到达6J/cm2 左右。5#试样中虽然有 0.15的 Ni，而且有效的降低了 S、Ti 的含量，但是其中 Mn 的含量却很

14、高，到达 0.285，而我们知道 Mn 是有严峻的正偏析倾向的， 会显著降低球墨铸铁的韧性，所以 5#试样的低温冲击韧性并不抱负，相对 4#试样反而有所下降。6#和 7#试样承受了低锰0.10、低硅(1.0)的生铁，没有添加合金元素 Ni，由表 2 可见其低温性能格外优异，退火后抗拉强度到达 420MPa，延长率在 24以上，低温冲击韧性更是到达了 13J/cm2，这是由于材质中 Si、Mn 含量很低，有效的把握了不利球化元素的含量，生产中承受强化孕育措施，孕育效果好。图3、图4 是相应试样的金相照片组织中石墨球细化并均匀，球化等级到达 1 级，石墨大小到达 1 级。铸态下的基体组织几乎全部为

15、铁素体。图 5 是 6#试样“Y”试块退火后的组织， 经过高温退火处理后，其抗拉强度有所下降，由铸态下的470MPa 降为 420MPa，延5伸率则由 19%提高到 24%。而低温冲击韧性由铸态下的 4J/cm2 上升到 13J/cm2。这也说明在生产低温高韧性球铁时热处理是格外重要的。结 论我们通过屡次试验争辩说明：对生产出高质量的低温高韧性球墨铸铁，需要留意以下几点：要把握好化学成分，其中重要的是把握好原材料的化学成分，选用低锰、低硅生铁。化学成分把握在： w(C) 3.33.8，w(Si)2.02.3，w(Mn)0.3， w(P)0.04，w(S)0.03。承受电炉熔炼铁液、保证铁液的冶

16、金质量；使用低稀土的稀土镁球化剂； 承受二次孕育，即炉前孕育和转包孕育相结合来强化孕育、提高孕育效果，这样可以削减孕育剂的参与量，有利于把握终硅量，获得细小、均匀的石墨球，有利获得低温高韧性。依据铸态组织特点，合理地进展热处理，进一步提高 QT400-18 的韧性， 尤其是低温韧性，确保力学性能到达要求。参考文献Shannon Kruse, winds cast group. MODERN CASTING 25-29 / September 2022鼎文, 风能的利用和所需铸件的动向, 铸造纵横,2022,2 22-23朱能山，孙元状，鹿志刚，谢金波，邱泽义，王桂明.铸态 QT400-18 铁素体球墨铸铁的生产应用