-40°低温低温冲击球墨铸铁的研究和开发

                吴树伟 曲泽茂 陆建斌 吴建文

                   ;  （长城须崎铸造有限公司）

材料简介

 低温冲击球铁材料（EN.GJS-400-18U-LT-EN.GJS-350-22U-LT)由于其在低温下良好的冲击性能，不但在风力发电领域应用颇广，且在轨道交通领域内亦得到广泛应用。本课题研究的-40°低温冲击球墨铸铁要求：在确保力学性能Rm≥40PM的同时，-40°低温冲击韧性平均值＞12J,不仅为国家标准中未有的材料，同时超过ENGJS-350-22LT的性能要求。

化学成分的影响及选择

2.1碳含量

对于碳的选择，根据查找的文献资料显示，“高延展值”随着碳含量的增加而减少。在球铁的正常碳含量范围内，转换温度几乎不受影响。而流动性、金相和减少收缩通常需要较高的碳含量以增加石墨膨胀，

所以碳含量控制在3.4%-3.7％

2.2硅含量

硅能固熔于 Fe中阻碍铁原子和碳原子的化合，可促进石墨析出，硅高有利于获得铁素体，但硅超过一定范围，会提高球铁的韧——脆性转变温度，会降低低温冲击韧性，根据调研结果，硅含量应控制在 1.90% -2.4%之间。

2.3锰含量

锰扩大奥氏体区，降低共析转变温度，熔入奥氏体中的锰有强烈的正偏析倾向，可在晶界上形成晶间碳化物，能显著降低球铁韧性，所以锰含量控制在 0.15%以下

2.4磷含量

有很严重的脆化影响（降低延展值和提高转换温度），在晶界上形成磷共晶，严重降低球铁的延伸率和韧性，必需尽可能的低，因此磷含量控制在 0.03%以下。

2.5硫含量

硫和球化元素中的MgCe(有很强的结合能力，生成硫化物和氧化物等杂质，能消耗大量球化剂使球化不良，且易使铸件产生夹杂缺陷，在保证球化数量的前提下，硫含量要尽可能低，硫控制在0.02%下。

2.6镍含5量

镍增加屈服强度，因此，它可以补偿较低的硅含量，但是需要进行热处理以获得完整的铁素体结构。它不影响延伸率，但降低球铁的韧——脆性转变温度，起稳定和细化珠光体组织的作用，且在共晶团内分布均匀，不会因偏析而使共晶团边界脆化 。

2.7石墨形态：球化和石墨球数

球化要尽可能的高，以获得好的“高延展值”。转换温度几乎没有变化。高石墨球数有利于铁素体的形成，并减少碳化物的危险。它也可以降低转换温度。但是，高石墨 球数降低“高延展值”和转换温度。应该在“高延展值”和转换温度间达成平衡。对于壁厚为2 5mn-40mm的截面，建议的石墨球数为7O-100/mm2以上。

2.8原材料选择

通过对我公司内部-20°C低温冲击材料的技术调研，为了达到低温冲击韧性的要求，要求炉料必须纯净，原材料中的锰，磷、硫、钛等杂质必须控制在最低水平，所以凯发登录采用优质的球铁生铁。其中微量元素Pb、Bi、S、Te 的含量在 10PP以下，且废钢中的杂质元素含量控制在最低水平。

3 试验方法

3.1材料验证

对于铁素体球墨铸铁-40°C低温冲击韧性值及理论成分的验证，要通过多次试验进行验证。凯发登录对炉料配比和成分进行调整，确定适合我公司的生产工艺。

3.2熔炼设备及熔炼工艺

采用1T中频电炉熔化。将炉料加热到1500 -1520°C化验、调整好成分后升温到1500°左右出炉，浇注温度在1350-1390°C之间。试验中球化处理工艺采用成熟的冲入法球化处理工艺 ，球化剂采用特殊配制的球化剂，加入量控制在1.2-2.0,采用二次孕育处理。

3.3试验：确定当前球铁熔炼工艺 ，确定Ni对强度、冲击值的影响。

3.4试验条件：适量Ni炉内加入。

3.5处理工艺：OGRC球化剂为1.2％,CALBAL孕育剂总量为 0.9%

3.6成分控制目标：C3.35-3.36%，Si1.9-2.2%.

3.7验试块：用1.5吨球铁包浇低N的Y2试块4个，用小抬包浇高 N的Y2试块4个。

3.8热处理工艺：采用高温铁素体化热处理工艺

4结论

4.1试块镍含量的不同，导致试块屈服强度、低温冲击性能的差异，为了得到合格的冲击韧性，必须将N含量控制在适当范围 ；

4.2球化级别、石墨球个数直接影响材料的低温冲击性能，球化级别应达到在 9 0%以上，球墨个数达到 90个/mm2以上。

4.3在高温铁素体化热处理工艺条件下获得很好的冲击性能，说明热处理工艺曲线符合要求 。

5结果

5.1对影响-40°低温冲击的各种影响因素有了一个明确的认识，掌握了该材料的基本特性 。

5.2 -40°低温冲击球墨铸铁材料经过三次试验 ，其各项性能指标及冲击韧性均达到规范要求 。

5.3通过试验验证了原材料的选择及炉料配比 ，满足了 -40°低温冲击球墨铸铁材料要求 。

5.4通过试验验证了熔炼工艺及球化孕育工艺，满足-40°低温冲击球墨铸铁材料要求。

5.5对磷、硅、镍及镁的成分有了明确控制范围 ，其范围如下：C:3.34-3.37％，Si1.9 -2.4%，Mg0. 03- 0.05% .

5.6通过试验验证了-40°低温冲击球墨铸铁材料热处理曲线，在高温铁素体化热处理条件下，试块的力学性能和低温冲击韧性均满足 -40°低温冲击球墨 铸铁铸件的各项性能要求 。

5.7通过对材料试块和铸件实体试验表明 ，凯发登录在-40°低温冲击球墨铸铁的熔炼工艺 、炉料配比工艺等方面都达到本课题试验目的。

6 结束语

通过对-40°低温冲击球墨铸铁材料的研发，在确保力学性能 Rm≥4 00PM的同时，使-40°低温冲击韧性平均值大于 12J该材料不仅是国家标准中未有的材料，同时也超过 ENJS—350-22LT的性能要求。另外通过对铸件实体进行了解剖试验 ，铸件的力学性能和低温冲击韧性均满足规范要求，虽然公司目前对该材料的铸件还没有订货意向 ，但该材料的开发成功，将非常有力地推进我公司在球铁材料研发方面 的能力，同时其市场开发前景及未来的经济效益将非常广阔，并能为公司带来很好的社会效益。