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怎樣生產(chǎn)出合格低溫高韌性球墨鑄鐵,需要注意哪些問題!

球墨鑄鐵作為重要的金屬結(jié)構(gòu)材料已廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域。在某些工況條件下使用的一些零部件,客觀上要求球墨鑄鐵在一定的強度下具有較高的沖擊韌度,尤其是較高的低溫沖擊韌度,以滿足使用要求。低溫高韌性球墨鑄鐵是風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的主要構(gòu)件材料,包括裝置葉片的輪轂、齒輪箱、機械臺架和底座構(gòu)件。據(jù)資料介紹[1,2],1-2MW的機組需15噸球鐵件,4.5MW風(fēng)力發(fā)電機組約需35—50噸球鐵件, 2005-2008年全世界約增加40,000MW,每年需鑄件20萬噸。其材質(zhì)在歐洲牌號是EN-GJS—400—18U—LT,需有良好的抗拉強度、伸長率和剛度,而且還要求在-20℃沖擊韌度平均為10J/cm2。隨著國際貿(mào)易增長和國內(nèi)多種應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Φ蜏馗唔g性球墨鑄鐵需求的擴大,對低溫高韌性球墨鑄鐵的需求日益增長。盡管國內(nèi)一些研究工作者對高韌性球鐵QT400-18進(jìn)行了一些研究[3-6],但這與低溫高韌性球鐵是不同的,即使獲得100%的鐵素體基體,室溫下具有很好的韌性,但低溫性能往往不能滿足要求。國外生產(chǎn)低溫高韌性球墨鑄鐵通常使用高純生鐵材料,在國內(nèi)由于高純原材料的限制以及企業(yè)生產(chǎn)工藝水平的原因,生產(chǎn)過程中有一些工作需要注意并強化,主要體現(xiàn)在對成分控制、鐵液的冶金質(zhì)量、球化及孕育工藝、熱處理工藝、組織控制等方面。本文基于國內(nèi)材料特點,通過有效地控制化學(xué)成分;并且進(jìn)行合理的球化處理和孕育處理;根據(jù)鑄態(tài)組織特點進(jìn)行退火處理,生產(chǎn)出QT400-18L的低溫高韌性球墨鑄鐵,并取得了令人滿意的效果。

2.1
試驗條件

使用的原材料有生鐵、回爐鐵、廢鋼、鐵合金等。使用中頻感應(yīng)電爐熔煉鐵水;選用低稀土球化劑FeSiMg8RE3球化劑,采用沖入法進(jìn)行球化處理;孕育劑為75Si-Fe合金,二次孕育;根據(jù)鑄態(tài)組織特點進(jìn)行退火;用德國產(chǎn)的QSN750光譜儀分析其化學(xué)成分;用萬能試驗機測定抗拉強度;在安徽省鋼鐵材料質(zhì)量監(jiān)督檢驗二站進(jìn)行了低溫沖擊韌性的測定;利用配有數(shù)碼相機的4XB-TV金相顯微鏡金相了組織的觀察和金相照片的拍攝。


2.2
化學(xué)成分的確定

碳:碳高容易產(chǎn)生石墨漂浮、碎塊狀石墨等鑄造缺陷,碳低易出現(xiàn)自由滲碳體且容易產(chǎn)生縮孔、縮松等鑄造缺陷,w(C)應(yīng)控制在3.3~3.8%;硅:硅能減少結(jié)晶過冷和白口的傾向,還能細(xì)化石墨,提高石墨球的圓整度,但硅高易形成異形石墨,提高低溫脆性,終w(Si)控制在2.0~2.3%;錳:錳提高強度、硬度,降低塑性、韌性。錳顯著提高脆性轉(zhuǎn)變溫度,且易形成組織偏析,促進(jìn)碳化物的形成,所以w(Mn)控制在0.3%以下;磷:磷在球墨鑄鐵中有嚴(yán)重的偏析傾向,易在晶界處形成磷共晶,嚴(yán)重降低低溫韌性,提高低溫脆性,同時,磷還增大球墨鑄鐵的縮松傾向,因此w(P)控制在0.04%以下;硫:不僅會與球化元素反應(yīng),消耗球化劑,造成球化不穩(wěn)定,而且使夾雜物數(shù)量增多,導(dǎo)致鑄造缺陷,所有含硫量越低越好,w(S)控制在0.03%以下。


鎂和稀土:鐵液中有一定的鎂和稀土元素的殘留量才能保證石墨成球。但球鐵中球化元素含量過高,石墨球并不圓整,還會使球鐵白口傾向大,皮下氣孔增多,產(chǎn)生夾渣等缺陷。因此,在保證球化的前提下,應(yīng)該盡量降低Mg殘、 RE殘含量,并且使其在小的范圍內(nèi)波動。將它們控制在如下范圍:Mg殘:0.025~0.030% ,RE殘:0.02~0.04%。


根據(jù)化學(xué)元素對球鐵力學(xué)性能以及鑄造性能的影響,化學(xué)成分控制如表1所示。

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2.3
熱處理工藝

針對國內(nèi)原材料的特點,要獲得低溫高韌性的鐵素體球墨鑄鐵,有必要對鑄件進(jìn)行退火,去除鑄態(tài)組織中的自由滲碳體。采用高溫石墨化退火熱處理,具體采用的熱處理工藝根據(jù)鑄態(tài)組織的特點,鑄件加熱到900~950℃、保溫2~5h;在共析轉(zhuǎn)變溫區(qū)緩慢冷卻;,鑄件隨爐冷至600℃后出爐空冷,以免產(chǎn)生緩冷脆性。

為了生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品,先后進(jìn)行了多次試驗。試驗研究過程對鑄件的化學(xué)成分、機械性能、金相組織進(jìn)行了檢測和分析。結(jié)果分述如下:


3.1
試驗結(jié)果

化學(xué)成分 研制過程中分別采用了3種生鐵(普通的球鐵生鐵、本溪生鐵和低錳生鐵)。試驗結(jié)果表明:原材料對最終的性能有十分重要的影響,盡管制備的多組試樣的成分都處于表1所列的范圍,試樣的性能有很大的差別,試驗也嘗試加入少量的鎳,但對性能影響不大。


力學(xué)性能 研究中測定了每次試驗所澆鑄試樣的抗拉強度、延伸率以及-20℃條件下沖擊韌度值(αk)。力學(xué)性能測試用試樣取自于“Y”型單鑄試塊,具體數(shù)據(jù)見表2。 

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顯微組織  圖1(a)、(b)反映出鑄態(tài)下5號試樣拉伸試棒的組織,圖2(a)、(b)反映出鑄態(tài)下5號試樣拉伸試棒的組織。圖3是6號試樣“Y”試塊鑄態(tài)組織;圖4是7號試樣“Y”試塊退火后的組織;

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3.2
分析討論

從表2中我們可以看出:1#與2#試樣采用的普通生鐵,雜質(zhì)含量相對較高(Ti高達(dá)0.048%),因此在鑄態(tài)下其抗拉強度高達(dá)500MPa,延伸率則在18%左右,經(jīng)過高溫?zé)崽幚磉^后,抗拉強度有少量下降,降幅為30~40MPa左右,延伸率也只有少量提高,但其低溫韌性也非常低,在-20℃的情況下沖擊韌性在5J/cm2左右。文獻(xiàn)[6]研究了元素Ni對球墨鑄鐵低溫沖擊韌度的影響,我們在3#、4#、5#試樣中都加入了0.1%的Ni,由于3#試樣依然采用的是普通生鐵,而4#、5#試樣采用的是雜質(zhì)含量更少的本溪生鐵,可以看出,3# 試樣的化學(xué)成分與1#、2#試樣的化學(xué)成分接近,與4#、5#試樣相比Si、Ti含量依然很高,但由于加入了Ni,所以從力學(xué)性能上可以看出延伸率有了很大的提高,退火后高達(dá)24%,而且低溫沖擊韌性也有少量提高,達(dá)到6J/cm2左右。5#試樣中雖然有0.15%的Ni,而且有效的降低了S、Ti的含量,但是其中Mn的含量卻很高,達(dá)到0.285%,而我們知道Mn是有嚴(yán)重的正偏析傾向的,會顯著降低球墨鑄鐵的韌性,所以5#試樣的低溫沖擊韌性并不理想,相對4#試樣反而有所下降。


6#和7#試樣采用了低錳(0.10%)、低硅(1.0%)的生鐵,沒有添加合金元素Ni,由表2可見其低溫性能非常優(yōu)異,退火后抗拉強度達(dá)到420MPa,延伸率在24%以上,低溫沖擊韌性更是達(dá)到了13J/cm2,這是因為材質(zhì)中Si、Mn含量很低,有效的控制了不利球化元素的含量,生產(chǎn)中采用強化孕育措施,孕育效果好。圖3、圖4是相應(yīng)試樣的金相照片組織中石墨球細(xì)化并均勻,球化等級達(dá)到1級,石墨大小達(dá)到1級。鑄態(tài)下的基體組織幾乎全部為鐵素體。圖5是6#試樣“Y”試塊退火后的組織,經(jīng)過高溫退火處理后,其抗拉強度有所下降,由鑄態(tài)下的470MPa降為420MPa,延伸率則由19%提高到24%。而低溫沖擊韌性由鑄態(tài)下的4J/cm2升高到 13J/cm2。這也說明在生產(chǎn)低溫高韌性球鐵時熱處理是十分重要的。

我們通過多次試驗研究表明:對生產(chǎn)出高質(zhì)量的低溫高韌性球墨鑄鐵,需要注意以下幾點:


(1)要控制好化學(xué)成分,其中重要的是控制好原材料的化學(xué)成分,選用低錳、低硅生鐵。化學(xué)成分控制在:w(C) 3.3~3.8%,w(Si)2.0~2.3%,w(Mn)≤0.3%,w(P)≤0.04%,w(S)≤0.03%。


(2)采用電爐熔煉鐵液、保證鐵液的冶金質(zhì)量;使用低稀土的稀土鎂球化劑;采用二次孕育,即爐前孕育和轉(zhuǎn)包孕育相結(jié)合來強化孕育、提高孕育效果,這樣可以減少孕育劑的加入量,有利于控制終硅量,獲得細(xì)小、均勻的石墨球,有利獲得低溫高韌性。


(3)根據(jù)鑄態(tài)組織特點,合理地進(jìn)行熱處理,進(jìn)一步提高QT400-18的韌性,尤其是低溫韌性,確保力學(xué)性能達(dá)到要求。


作者:

劉蘭俊 祖方遒 李先芬


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