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随着汽车工业的进步，商用车、重卡朝着重载、高速、低耗、低成本及良好的舒适性等方向发展，汽车底盘支架、托臂梁等零部件对高强度、高伸长率材料的综合性能要求也越来越高。就材料的综合性能和成本而言，高强度、高伸长率球墨铸铁备受青睐，目前国家标准中关于球墨铸铁的要求，一般是低强度高伸长率或是高强度低伸长率，对于那些不仅要求高强度、还要求高韧性、高疲劳性能等的铸件，传统国标的球墨铸铁材料不能满足性能要求。因此我公司与湖北汽车工业学院联合开展了高强度、高伸长率球墨铸铁研究工作，以满足汽车零部件轻量化需求。 目前球墨铸铁的生产，都是根据GB/T 1348-2009《球墨铸铁件》标准，球墨铸铁的力学性能从QT350-22L到QT900-2共14个牌号，生产工艺己非常成熟，随着铸造企业质量控制水平的提高，绝大多数企业都能大批量稳定地生产。然而，国内对高强度、高伸长率球墨铸铁技术研究与应用的报道并不多。通过对国外球墨铸铁技术检索发现，SiboDur球墨铸铁是GF公司最新研发的铸态高强度高韧性球墨铸铁，对其化学成分及性能进行解读，SiboDur球墨铸铁形成了SiboDur450-17、SiboDur550-12、SiboDur700-10、SiboDur800-5系列，力学性能指标在传统球墨铸铁力学性指标中分布见图1 。 SiboDur球墨铸铁以Si和B作为合金化元素，其综合力学性能远远高于传统珠光体-铁素体球铁，适合制造承受冲击的铸件，广泛应用国外汽车行业。 SiboDur球墨铸铁是以Si和B作为合金化元素，实现铸态球铁高强度、高韧性综合力学性能，据此我们设计铸态QT700-10的主要化学成分见表1。金相组织：球化等级1-2级，石墨球大小6-7级，珠光体含量25%~85%。 金属材料的力学性能主要决定于其基体组织，要生产铸态高强度、高伸长率球墨铸铁，首先需要分析这种球铁应该具有的组织结构特点，然后考虑技术方案和措施。球墨铸铁的金相组织可分为石墨和金属基体，其力学性能主要决定于金属基体，但也受到石墨的影响，要同时获得高强度和高伸长率，石墨和基体组织都应有严格要求。 石墨球化良好，金属基体性能才能得到充分发挥，因此，铸态高强度、高伸长率球墨铸铁生产要严格控制铁液中球化和反球化元素，保证球化率在90%以上。 细化石墨球对高强度、高伸长率球墨铸铁十分重要，一方面，细化石墨球能提高石墨的圆整度和球化率；另一方面，细化石墨球能减小晶间偏析程度，防止晶间析出脆性相，保证材料的塑性和韧性。细化石墨球的技术措施是强化孕育，选用高效孕育剂，如含Ba、Bi的孕育剂。 球墨铸铁的基体可通过合金化和热处理调控为多种组织，从而获得不同的性能。为使铸态球墨铸铁在获得高强度的同时获得高伸长率，需要在不改变组织类别的条件下寻求强韧化方法。固溶强化、细晶强化可在铸态条件下实现，而且细晶强化在提高强度的同时还提高塑性。固溶强化、细晶强化通过合金化来实现，Si、Cu、Ni是首选的合金化元素，它们都有固溶强化作用，都促进一次结晶石墨化，没有晶间偏析。Cu、Ni促进形成珠光体，还有细化珠光体的作用，Si是促进铁素体形成的元素。控制其含量可调控基体组织中珠光体和铁素体比例，获得不同的强度和伸长率。 根据上述分析，选择基体组织为珠光体+铁素体混合基体，一定量的铁素体保证伸长率，增加固溶强化作用，弥补珠光体量减少对强度的影响。选择Cu、 Si为主要合金化元素，验证Ni 、 B的作用。 生产高强度、高伸长率的球墨铸铁，最大的工艺难度在于要保证强度的同时必须有-定的铁素体含量，尤其是石墨球化良好、球径细小，基体组织充分固溶强化、晶粒细化，夹杂物少、晶间偏析小，这涉及到化学成分设计、低磷低钦生铁原料、铁液熔炼和处理工艺、冷却条件等因素，是实现稳定生产高强度、高伸长率的铸态球墨铸铁工艺的关键。 采用生铁和碳素废钢配料，100 kg无芯中频感应炉熔炼，稀土镁合金球化剂、冲入法球化处理，硅铁孕育剂进行型内孕育(00.1%)和随流孕育(00.1%)，Si、Cu、Ni加入球化处理包中，B（0.0025%）在包内或随孕育剂加入，浇注标准(GB/T 1348-2009) Y型试棒，性能测试数据绘制出抗拉强度与伸长率的关系曲线见图2。试制的球铁力学性能指标远高于国家标准 牌号，从趋势线上看到，抗拉强度达到700 MPa时，伸长率可达10%。加B的Si-Cu合金化球铁力学性能指标略低于不加B的球铁。 Si、Cu合金化的球墨铸铁中加Ni的力学性能与不含Ni的比较(图3)，加Ni能获得更高的强度，且镍对伸长率影响小。另外，随着试块增厚，冷却速度下降，同等抗拉强度下伸长率略有下降。 （1）在本试验条件下，用Si-Cu和Si-Cu-Ni合金化生产铸态球墨铸铁，抗拉强度达到700 MPa时，伸长率可达10%，实际生产中铸件本体及附铸试块性能略有下降。 （2）铁液中各元素及交互作用非常敏感且复杂，除了通过加入合金元素来控制合适化学成分外，还须在工艺上采取纯净炉料，严格控制熔炼、浇注工艺及冷却，强化球化及孕育处理等措施，才能稳定生产高强度、高伸长率铸态球墨铸铁。 |
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