低温球墨铸铁的研制（上)

青岛四方机车车辆铸造有限公司 沈洪杰

河海大学                 王泽华

—、概述

球墨铸铁具有优良的力学性能、加工性能、耐磨性能，吸震性能及制造成木低等优点.不仅被广泛使用， 而且不断替代铸钢枓料制造高要求的结构件。但普通球墨铸铁的缺点是低温抗冲击性能差，因而在应用于低温下承受动载荷的工件方而受到--定制约。

重要的机车车辆结构件、汽车结构件、远洋集装箱锁具和磁悬浮列车轨道梁连接件，以及近几年快速发展的风机铸件等，不仅要有较髙的常温性能，而且要冇良好的低温抗冲击性能，以避免在低温环境下运行时发生脆性断裂。s西方发达国家对球墨铸铁的低温性能研究较早,开发了相应牌号的低温球墨铸铁，并制订了相应的标准。表1为了适应低温环境下使用的球墨铸铁牌号及相应的低温冲击性能指标。

长期以来，我国对球墨铸铁的低温持性没有引起重视，对低温球墨铸铁的研究较少，应用到今天的球墨铸铁标准GB/T1348—1988中甚至没有低温球墨铸铁的牌号。近年来，随着机车车辆和汽车工业的快速发展，对球墨铸铁的低温性能越来越引起人们的注意，机车车辆工业对相关技术的引进、消和吸收，加速了对低低温球铁的研究与开发。凯发登录的研究目标就是满足庞巴迪机客车铸件的使用 要求，达到EN1563: 1997标准的低温球墨铸铁。

二、技术难点和研究内容

  EN-GJS-350—22LT和EN-GJS-400—18LT球墨铸铁的杭拉强度分别为350MPa和400MPa，屈限强度分别为220MPa和240MPa，是典型的铁素体基体球墨铸铁的力学性能，因此EN-GJS-350—22LT和EN-GJS-400—18LT球墨铸铁的抗拉强度一般易于达到，难点是低温冲击性能，EN-GJS-350—22LT球墨铸铁-40°C的冲击吸收功要求达到12J,单个试样最低值应＞9J,EN-GJS-400—18LT球墨铸铁-20°C的冲击吸收功要求达到12J，单个试样最低值应＞9J。

耍使球蜗铸铁达到上述忭能，必须进彳7以下两个方 1M的研究：

(1)化学成分的确定  化学成分决定了球墨铸铁的基体组织和铁素体中合金元素的固溶量，不同的基体组织及其固溶度决定了不同的力学性能。常见的球墨铸铁基体组织为铁素体、珠光体和奥氏体。奥氏体具有良好的塑性和韧性，特别是低温冲击韧度，但是奥氏体球墨铸铁需要加入大量的合金元素。制造成本高；珠光体球墨铸铁具有高的强度和良好的塑性、韧性，但其无法达到EN-GJS-350—22LT和EN-GJS-400—18LT球墨铸铁的塑性、轫性要求；铁索体基体本身具有优良的塑性和韧性，但铁索体球墨铸铁由于有其它元索的存在，使铁素体基体得到固溶强化，所以铁素体基体球墨铸铁的塑性和韧性取决于铁素体基体中合金元素的固溶量。因此，有必要对球墨铸铁的化学成分进行系统研究，确保得到稳定的强度和塑性，以及泜温冲击韧度全部合格的球墨铬铁材料。

(2)热处理工艺的确定球 铸铁的铸态组织-般为铁素体和珠光体的混合组织.但因为珠光体组织强度高，塑性及韧性差，所以在低温球铁中要尽量消除珠光体组织。除在成分设计上尽可能减少促进珠光体形成的元素，还要对球墨铸铁进行高温退火热处理，**限度地减少珠光体的存在。

三、试验研究方案

1.化学成分的选择

(1)Si 硅是球墨铸铁中控制石墨化和铁素体数量的重要因素。其主要作用如下：硅是促进石墨化元素，使铸铁中的碳元素以石墨形式存在；促进渗碳体分解，减少铸铁中珠光体含量，能固溶铁素体，强化铁素体；促进铁素体的作用以孕肓处理效果最为明显。

硅在强化铁素体基体的同时还会使球墨铸铁的低温冲击韧度降低。退火状态球墨铸铁含硅量 (质量分数）由2.35%提高到2.8%时，其脆性转变温度由-56°C提高到-20°C。当wSi＞3.2%时，球墨铸铁的脆性转变温度将高于室温，会显著降低球墨铸铁的断裂韧性。因此，对于低温状态下使用的球墨铸铁，应严格控制含硅量。考虑到铸造工艺性能和生产成本，应控制wSi= 1.8% -2.3% 。

2) C   碳是强化石墨形成的元索，促进石墨化， 减少白口,增加基体铁素体含量，改善韧性，使脆性转变温度略有降低，能改善耐磨性、减震性.增加体积膨胀。碳量的选样主要着眼于改铸造性能，消除铸造缺陷，以获得健全的铸件。

碳和硅对铸件性能影响很大，除各自的作用外,，还与碳当量的高低密切相关，下图是碳当量与铸件壁厚的关系。从铸造工艺性能出发，球墨铸铁的碳当量宜选择在共晶点附近，这时铁液的流动件性好，充型能力最强，而且可以允分利用石墨化膨胀的自补缩作用。碳当量过高时，特别是后壁铸件，易产生石墨漂浮，因此碳当量的选择很大程度上取决于铸件壁厚。

对于薄壁铸件，碳当量可以选择在共晶点附近，即4.6-4.7%,当 $ 〜=I 6% -2.3%(HT 应拧制 ％ = 3.7% -4.0%,wSi=1.6-2.3%时，应控制wC=3.7%-4.0%

(3）Mn 锰稳定且细化珠光体，提高强度、硬度，但降低塑性、韧性，显著提高脆性转变温度，对于低温球墨铸铁来说，铸造技术的关键不是强度问题，Mn（质量分数）每增加0.1%,铁素体球墨铸铁的脆性转变温度10-12°C,因此,低温球墨铸铁应严格拧制，必须WMn＜0.45%。

（4）P  磷是有害元素，易在共晶团边界偏析，生成磷共晶.强烈降低球墨铸铁的低温韧性。磷量（质量分数）每增加0.0l%,脆性转变温度上升4-4.5°C,磷量由0.08%增加到0.1% - 0.12%时，球墨铸铁的-40°C冲击韧度下降50%以上。wp ＞0.2%时易产生冷裂，因此应控制wp <0.04%。

（5）S 球墨铸铁中硫是极有害元素，控制硫是稳定球化率、提高铸件球化质量的关键。硫越低越好，一般控制在ws＞0.02%。

(6）合金元素  球墨铸铁中常用的合金化元素有钼、铜和镍，其中钼、铜可以显显著增加加珠光体含量，提高球墨铸铁的强度，但会使塑性下降。显然，在低强度，高冲击韧度的低温球墨铸铁中加入钼、铜合金元素是不合适的。而加入少量的镍可强化铁素体基体，提高屈服强度，且可降低脆件转变溫度，加入wNi=0.3%时，球墨铸铁经过热处理后具有良好的冲击韧度。在室温、-20°C、-40°C和-60°C的温度下，其冲击吸收功Akv分别达到18.8J、19J、16.7J和12.7J。

镍是昂贵的金属元素，是否需加入应视具体铸件大小而定。对于一般薄壁小件，球墨铸铁的强度容易达到，不需加合金元素镍。但对于厚大件，由于铸件的冷却速度低，球墨铸铁的强度难以保，这时需加入少量的镍，一般加入量为wNi25%-0.7%。

由以上分析可知，低温球墨铸铁化学成分的控制十分重要，特别是对Si、Mn、P、S等元素的控制，其含量越低则越有利于球墨铸铁塑性和韧性的提髙，但考虑到生产成本和生产实际的可行性，本试验选择的球墨铸铁的化学成分范闱见下表。

低温球墨铸铁化学成分试验范围（质量分数)（％)

2.球化剂和孕育剂的选择

（1）球化剂   镁和稀土都是强力促进碳化物形成的元素，在保证达到球化效果的前提下，镁和稀土含量越少越有利于提高球墨铸铁的塑性。但镁是球墨铸铁达到石墨球化不可缺少的元素.因此残余Mg（质量分数）应捽制在0.03%以上。稀土可以降低反球化元素的影响，对低质量的生铁，适量的稀土可以提高球化率，稀土的作用是有益的；但对于高质量的铸造生铁，由于有害元素的减少，过量的稀土会降低球化率。

产低温球墨铸铁需选用优质铸造生铁和中镁球化剂，降低球化反应激烈程度，以得到高而稳定的镁吸收率、球化剂的稀土含量要低，应控制wRE=1.0% -2.0%, 使wRE残余＜0 02%。

（2)孕育剂    孕育处理能有效地减少铸铁自由渗碳体的析出，促使碳以石墨形态析出，提高石墨形核能力，细化石墨和共晶团组织，还能显著提高石墨球化率和铁素体含量。75SiFe具有良好的孕育效果，也是最常用的孕育剂，但其缺点是孕育效果容易衰退，不适于浇注时间长、凝固速度慢的涛件生产。对于薄壁小件.只要加快浇注速度，缩短浇注时间，75SiFe作为孕育剂有其不可替代的效果，因此本试验研究采用的孕育剂为75SiFe。

3.热处理

EN-GJS-350—22LT和EN-GJS-400—18LT为铁素体基体球墨铸铁，要得到100%铸态铁素体，必须严格控制含Mn量，在铸态下要保证低温韧件和塑性，应使Wp ＜0.02％ ，但就目前我国不稳定的的铸造原材料质量状况来说，这是比较困难的。因此，生产的EN-GJS-350—22LT和EN-GJS-400—18LT 球墨铸铁需要经过热处理。

为彻底消除基体中的碳化物和珠光体，必须将试样或铸件加热到完全奥氏体区，并保持适当的时间，使基体组织完全转变为均匀的奥氏体，在冷却过程中，特别是在奥氏体向铁素体转变区域，必须缓慢冷却.使奥氏体充分向铁素体转变，以得到100%铁素体基体。

典型的铁素体球墨铸铁热处理工艺见图1、图2.图1所示热处理工艺的特点是在720°C保溫一定时间，使奥氏体有足够的时间向铁素体转变。优点是可以得到100%的铁素体，有利于得到高的塑性和韧性；缺点是热处理周期长，费用大，生产率低。图2所示热处埋工艺的持点是在随炉冷却过程中发生奥氏体向铁素体转变，可以缩短热处理时间，提高效率，但该工艺的缺点是可能发生奥氏体向铁素体的转变不充分，在随后的冷却过程中出现珠光体，影响铸件或试样的塑性和韧性。

图二 球墨铸铁高温退火工艺二

综合考虑到低溫球墨铸铁的性能及生产成本，确定用图1和图2所示的两种高温退火热处理工艺，对EN-GJS-350—22LT和EN-GJS-400—18LT球墨铸铁进行热处理试验。

实验室的热处理试验采用SX—5—12箱式热处理炉。试样装炉后通电加热，按图1和图2所示工艺进行试验，保温时间分别为2h和4h。

生产性验证试验在高温退火窑上进行，试样随同铸件一并装入炉内，随后通电加热，进行热处理。

4.试验用原材料

选用优质低锰Q10生铁和优质废钢，为保证含Si量的技木要求，不使用冋炉料。

选用OGRC-6B球化剂，主要成份为：WCa=1.65%，WSi=44. 3% ,WMg= 7. 22% , WAl= 0.89％ ,WTi=0.10% ,WRE = 2. 96% ，孕育剂为优质75SiFe。

5.铁液的熔炼和处理

采用150kg中频感应电炉，熔炼工艺类同一般牌号的球墨铸铁。采用冲入法球化处理，球化剂放置在浇包底坑中，用草木灰和铁板或钢板覆盖，球化剂加入量为1.0%，—次出铁，注满铁液包，球化反应开始。采用 75SiFe二次孕育处理，孕育剂总量为0.6-0.8%，其中0.4%-0.6%的孕育剂加入铁液包底，0.1-0.2%的孕育剂作瞬吋孕育。

6.检测仪器

金相检测：采用XJG-05型光学金相显微镜。

常温拉伸试验： WE—30型万能材料试验机

低温冲击试验：JB--300型冲击试验机,试样用液氮加酒精冷却。(待续）