低温球墨铸铁的研制（下)

青岛四方机车车辆铸造有限公司 沈洪杰

河海大学                 王泽华

四、试验结果及分析

按照表2设计的低温球墨铸铁化学成分范围，采用图2热处理工艺，分别试验了Si、Mn、P对球墨铸铁力学性能，特别是低温冲击韧度的影响。

表3可以看出，由表3可以看出，当WSi由1.98%提高到2.35%时， 球墨铸铁的室温抗拉强度在418-435MPa范围内波动：屈服强度在255 -275MPa范围内波动；伸长率在21.5%-28%范围内波动；-20℃AKV在14.4-17.7J范围内波动，单个试样的最低值为13.6J; -40℃AKV 在9.7-16.6J范围内波动，单个试样的最低值为7J。由此可以得出以下规律：

（1）序号1-5的球墨铸铁室温抗拉强度、屈服强度、伸长率和-20CAKV均符合EN—GJS —400—18LT球墨铸铁的指标要求，且波动范围不大，性能较稳定。

（2）球墨铸铁的低温冲击韧度随温度降低而下降，即-40℃AKV值均小于-20℃AKV值。

（3）-40℃AKV随Si含量增加则发生明显下降，且下降的趋势随Si含量增加而增加。当WSi＞1.982时， -40℃AKV平均值为16.6J,完全符合EN—GJS—350— 22LT的要求；当WSi＞2. 352时，-40℃AKV平均值下降到9.7J,单个试样的最低值达8.5J,己低于EN—GJS350—22LT标准要求。

(4)对照EN—GJS—350—22LT球墨铸铁技术指标

要求，序号1-5球墨铸铁的室温抗拉强度和屈服强度都满足要求，且有一定的余量，但序号2球墨铸铁的伸长率和序号4及序号5球墨铸铁的低温冲击吸收功不能满足要求。

由此可以得到以下结论：

其一，当WSi≤2.0%时，表3化学成分的球墨铸铁经图2工艺热处理后的性能可同时满足EN—GJS— 350—22LT 和 EN—GJS—400—18LT 的要求。

其二，当WSi≥2.0%时，球墨铸铁的性能可满足EN—GJS—400—18LT的要求，但不能满足EN—GJS— 350—22LT的要求。

2、锰含量对性能的影响

表4为Mn含量对球墨铸铁室温抗拉强度、屈服强 度、伸长率和-20℃AKV、-40℃AKV等力学性能影响的 试验结果。

由表4可以看出，当WMn由0.17%提高到0.53%时，球墨铸铁的室温抗拉强度在410 -470MPa范围内波动，屈服强度在253-275MPa,伸长率在21%-26%。 -20℃AKV在11.7-16.1J,单个试样的最低值为11J, -40℃AKV在8.9 -13.9J，单个试样的最低值为6.8J。 由此可以看到以下规律：

1、控制 WSi < 2.26%、WP = 0. 03%左右、WMn由由 0.17%提高至0.53%时，则球墨铸铁的室温抗拉强度、屈服强度和伸长率均符合EN—GJS —400—18LT球墨铸铁的指标要求。

2、球墨铸铁的低温冲击韧度随温度下降而下降，即-40℃AKV值均小于-20℃AKV值。

3、随Mn含量的增加，不论是-20℃AKV值还是 -40℃AKV值都呈下降趋势。当WMn>0.53%时序号10球墨铸铁，-20℃AKV值为11.7J，低于EN—GJS—400—18LT的要求；当WMn>0.35%时序号8-10球墨铸铁，-40℃AKV<12J，低于EN—GJS—350—22LT的要求。

4) WMn <;0.30%的球墨铸铁（序号6-7)，能同时满足EN—GJS—400—18LT 和EN—GJS—350—22LT 的要求；序号8和序号9球墨铸铁能达到EN—GJS— 400—18LT的要求，但因伸长率和-40℃AKV冲击吸收功低，不能满足EN—GJS—350—22LT牌号的要求。

由此可以得到以下结论：

其一，当WMn≤0.30%时，表4化学成分的球墨铸铁经图2工艺热处理后的性能可同时满足EN—GJS—350—22LT和EN—GJS—400—18LT的要求。

其二，当WMn≥0.35%时，球墨铸铁的性能可满足EN—GJS—400—18 LT的要求，但伸长率和低温冲击韧度不能满足EN—GJS—350—22LT的要求。

3、磷含量对性能的影响

表5为P量对球墨铸铁室温抗拉强度、屈服强度、伸长率和-20℃AKV、-40℃AKV等力学性能影响的试验结果。

由表 5 可以看出，当 WSi=2.03%-2.17%、WMn=0.46%- 0.52%时，WP由0.022%提高到0.056%，球墨铸铁的室温抗拉强度在410 -470MPa范围内波动，屈服强度在254-267MPa,伸长率在21%-26%。-20℃AKV=9.8-14.7J,单个试样最低值为9.6J，-40℃AKV=6.5-14.7J，单个试样最低值为6.6J由试验结果可以看到以下规律：

1、WP由0.022%提高到0.056%时，球墨铸铁室温抗拉强度、屈服强度及伸长率变化不大。

2、P显著降低球墨铸铁的低温冲击韧度，低温冲击吸收功，-20℃AKV、-40℃AKV值随P含量提高而明显降低，且温度越低，冲击吸收功下降趋势越明显。

3、WP≤%0.022%的球墨铸铁(序号11)室温抗拉强度、屈服强度、伸长率，以及低温冲击吸收功-20℃AKV和-40℃AKV同时能达到 EN—GJS—400—18LT 和 EN—GJS—350—22LT要求；WP≥0.042% 的球墨铸铁(序号12、13)室温抗拉强度、屈服强度、伸长率和低温冲击吸收功-20℃AKV达到EN—GJS—400—18LT要求，但不能满足EN—GJS—350—22LT要求；WP≥0.049%时，球墨铸铁(序号14、15)的低温冲击吸收 功-20℃AKV和-40℃AKV不能满足EN—GJS—400—18LT和EN—GJS—350—22LT的要求。

由此可以得到以下结论：

**，当WP≤0.031%时，表5化学成分的球墨铸铁经图2工艺热处理后的性能可同时满足EN—GJS—400—18LT和EN—GJS—350—22LT的要求。

第二，当WP≤0.042%时，球墨铸铁能满足EN— GJS—400—18LT的要求，但不一定满足EN—GJS— 350—22LT的要求。

第三，当WP≥0.049%时，表5化学成分的球墨铸铁经图3热处理工艺处理的性能不能满足EN—GJS—400—18LT和 EN—GJS—350—22LT的要求。

第四，P和Mn、Si—样，显著降低球墨铸铁的低温冲击韧度，因此必须严格控制，但三者之间又可以相互调整。当原材料P偏高时，必须降低Si、Mn含量；当原材料Mn偏高时，必须控制Si、P含量。总之，降低 Si、Mn、P量，有利于提高球墨铸铁的低温冲击韧度。

第五，按图2热处理工艺处理的(序号1-15)球墨铸铁，其室温抗拉强度、屈服强度和伸长率都能达到 EN—GJS—400—18LT指标要求；在低温冲击韧度方面，只有WMn达0. 53%的球墨铸铁(序号10 )和WP≥0.049%的球墨铸铁(序号14、15)的-20℃低温冲击吸收功未能达到EN—GJS—400—18LT的技术指标要求。

第六，在按图2热处理的15个序号的球墨铸铁中，含Si、Mn、P元素较少的5个序号的球墨铸铁能同时满足 EN—GJS—400—18LT 和 EN—GJS—350—22LT 的技术指标要求，有10个序号的球墨铸铁达不到EN— GJS—350—22LT技术指标要求。

由以上试验可知，通过控制球墨铸铁的化学成分，可以控制球墨铸铁的力学性能。从生产实际考虑，控制材料力学性能的方法除控制化学成分外，还可以从热处理方面采取办法。

4、热处理工艺对性能的影响

按图2、图3所示的热处理工艺分别对5组球墨铸 铁试样进行热处理，测定其拉伸性能和低温冲击初度，其结果见表6。

从表6中可以看出：

1)经720℃保温的球墨铸铁的抗拉强度和屈服强度均比由920℃直接炉冷到600+的球墨铸铁的强度低7-55MPa，伸长率则高出1% -2%。因此，经720+保温的图3热处理工艺使球墨铸铁的强度降低，塑性略有提高。

2)与920℃直接炉冷到600℃的球墨铸铁相比， 经720℃保温的球墨铸铁的低温冲击吸收功则有升有降。 在5组试样中，有两组试样的-20℃AKV值下降，最多下降0.7J,有3组试样的-20℃AKV值上升，最多上升1.9J;有4组试样的值提高，最多提高1.9J，一组保持不变。因此，无论是在-20℃AKV还是在-40℃AKV的试验结果，图3的热处理工艺均有利于提高球墨铸铁的 低温冲击朝度。

图4和图5分别是按图2和图3热处理工艺处理后的球墨铸铁的金相组织。从中可以清楚地看到，基体为铁素体，几乎看不到珠光体和碳化物。就金相组织而言，二者看不出差异。因此，图2、图3所示的热处理 工艺对球墨铸铁性能的影响是较小的。

由以上试验研宄结果表明，低温球墨铸铁的性能主要取决于化学成分，特别是Si、Mn、P含量，而高温退火工艺对低温球墨铸铁的性能影响不大。考虑到EN— GJS—350—22LT球墨铸铁要求较高的伸长率和-40℃AKV值，图3热处理工艺在720℃保温，使奥氏体转变为铁素体更充分，有利于铁素体中过饱和的Si、Mn等元素的析出，也有利于提高材料的塑性，因此宜采用图3 所示的热处理工艺。但只要成分控制合适，二者可以采用相同的高温退火工艺。

五、结语

通过对球墨铸铁化学成分、热处理工艺与常温力学性能和低温冲击韧度关系的研宄，可以得到以下结论：

1）Si、Mn、P含量对低温球墨铸铁的力学性能，特别是低温冲击韧度有显著的影响。在wsi=1.98% - 2.35%、）WMn =0.17%-0.53%、WP=0.022%-0.056% 范围内，随着Si、Mn、P含量的提高，低温球墨铸铁的常温强度变化较小，但-20℃AKV和-40℃AKV冲击吸收AKV值显著下降。

2）低温球墨铸铁经920℃奥氏体化后，随炉直接冷却到600℃出炉，或720℃保温一定时间，然后再炉冷到600℃出炉，前者得到的球墨铸铁的强度高于后者，但塑性和低温冲击韧度略低于后者。

通过控制球墨铸铁的化学成分和热处理工艺，可以稳定得到符合EN1563: 1997标准规定的EN— GJS—400—18LT 和 EN—GJS—350—22LT 技术指标的球墨铸铁，其化学成分见表7。

对于EN—GJS—400—18LT球墨铸铁建议采用 920℃奥氏体化后，直接随炉冷却到600℃出炉，这样可以缩短热处理时间，提高生产效率；对于EN—GJS— 350—22LT球墨铸铁建议采用920℃奥氏体化后，随炉冷却至720℃，保温一定时间后再随炉冷到600℃出炉，这样有利于提高材料的塑性和韧性。如果化学成分控制合适，二者可以采用相同的高温退火工艺。

C含量主要考虑材料的铸造性能，以确保获得健全的铸件。Si、Mn、P含量应尽可能低，但考虑到生产成本，当Mn、P含量为下限时，Si含量可以在上限；当 Mn、P含量在上限时，应控制WSi<2.0%。