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原创 汪文涛等 铸造工程 2022-01-25 17:00 GUIDE 编辑导语 通过不同Si和Mn含量对硅固溶强化球墨铸铁的金相组织和力学性能影响试验发现，随着Si和Mn含量的提高，硅固溶强化球墨铸铁的力学性能上升、冲击性能下降，但当Mn含量达到一定量时，基体组织中开始形成珠光体，低温冲击性能下降变缓,由试验得出适合企业的硅固溶球墨铸铁化学成分配方和熔炼工艺，指导生产。 硅固溶强化球墨铸铁具有铸态下屈强比高，断后伸长率高、硬度均匀、切削性能好的特点，由此越来越受到人们的关注和青睐。早在2012年德国和欧洲在修订球墨铸铁标准时就增加了ISO 1083/JS/500-10、EN-GJS450-18、EN-GJS500-14、EN-GJS600-10等硅固溶球墨铸铁牌号;近年，我国也有很多研究机构、企业在研究硅固溶球墨铸铁和参与其相应标准的编制工作。 目前多项研究]表明，Si、P和Mn元素含量的提高对球墨铸铁的低温冲击性能有严重的损害，因此要严格控制其含量。在高Si固溶铁素体球墨铸铁中一般控制P的质量分数低于0.05%，Mn的质量分数低于0.3%。笔者基于公司产品技术要求和生产成本的考虑，研究Mn和Si元素含量变化对硅固溶球墨铸铁的组织和性能的影响规律，试验得出适合企业的硅固溶球墨铸铁化学成分配方和熔炼工艺，并指导生产。 1 化学成分及熔炼工艺控制 试验产品为连接桥壳和轮毂之间的过渡套，铸件重50.5 kg，壁厚均匀，功能使用部位为厚25 mm，产品要求本体抗拉强度≥450 MPa，伸长率≥10%，硬度180～210 HB。 熔炼使用的主要炉料有生铁、压块废钢、剪切废钢和回炉料，生铁中含P量相对废钢的含P量要高，对低温冲击性能影响较大。因此，在W(P)≤0.03%前提下，可适当提高剪切废钢的使用量，降低生铁使用量来降低生产成本。生铁加入量为10%左右，剪切废钢加入量25%～40%，根据Mn含量要求的不同而调整，其他为压块废钢和回炉料，硅铁和增碳剂等根据需要加入。其中生铁和两种废钢化学成分见表1。 表1 生铁和废钢主要元素化学成分(质量分数，%) 图片 采用5 t中频感应炉熔炼铁液，熔炼出铁温度为1 520～1 540 ℃，喂丝球化孕育，球化线喂丝长度为18 m/t，孕育喂丝长度为9 m/t;喂丝球化孕育后，倒入浇注包中添加0.4%的硅钡钙孕育剂进行二次孕育;浇注时再用0.2～0.8 mm的FeSi75进行随流孕育，孕育剂加入量为0.1%。球化后铁液化学成分如表2，将铁水转运至HWS潮模砂生产线，浇注温度为1 390～1 330 ℃，浇注后4～6 h开箱。 表2 球化后铁液化学成分(质量分数，%) 图片 2 试验结果测试及分析 2.1 金相组织 试验方案1～6试样腐蚀前金相组织如图1所示，图1(a)Si含量为3.99%时，石墨球化率为85%，存在小块破碎状石墨;图1(b)、1(c)Si含量降低到3.6%后，球化率提高到90%以上，破碎状石墨略有减少;图1(d)、1(f)继续降低Si含量到3.4%左右时，破碎状石墨呈减少趋势，但仍存在。由此这说明随着Si含量的提高，金相组织中更易出现破碎状石墨。 图片 图1 6种方案试样腐蚀前金相组织 试验方案1～6试样腐蚀后的金相组织如图2所示。图2(a)、2(b)、2(c)方案的基体组织中均没有珠光体出现，即Si含量在3.6%以上，W(Mn)≤0.6%时，基体组织为铁素体组织;图2(d)当Si含量降低到3.4%时，W(Mn)为0.54%，基体组织中没有出现珠光体;但当Mn含量提高到0.63%时，开始出现珠光体，珠光体含量小于3%;图2(e)、2(f)当Mn含量继续提高到0.74%时，珠光体含量略有增加，达到3%。 图片 图2 6种方案试样腐蚀后金相组织 2.2 力学性能 各方案的性能检测试样均取自每包铁液浇注的首尾箱，取自铸件壁厚25 mm部位，试棒直径为10 mm，硬度检测均为本体试棒上中下三段的硬度值，同一试棒3个点的硬度值偏差≤12 HBW，力学性能具体检测结果见表3。 表3 6种方案试样力学性能测试结果 图片 从方案1、2、4检测结果分析，当Mn含量约0.5%时，随着Si含量的降低，抗拉强度、屈服强度、硬度均下降，伸长率略有提高，硅固溶强化铁素体基体作用减弱。 从方案2、3检测结果分析，当Si含量约3.65%时，Mn含量提高0.11%，铸件的抗拉强度平均提高了5 MPa、屈服强度平均提高了5.5 MPa、硬度和伸长率也略有提高;当Si含量约3.4%时，Mn含量从0.54%提高到0.63%，抗拉强度平均提高了14.5 MPa,屈服强度平均提高了17 MPa,硬度也略有提高，伸长率相当;继续提高Mn含量到0.74%时，抗拉强度平均值与Mn含量为0.63%时相当，屈服强度平均提高了5.5 MPa,硬度平均提高了6 HBW，但伸长率急剧下降，相对Mn含量为0.63%时，平均下降了32.8%，这与上文中描述的金相组织中形成了珠光体相吻合。 试验方案1～6试样屈强比趋势变化如图3所示。 图片 图3 6种试验方案试样屈强比变化趋势 由图3可知，当Si含量为3.99%时，屈强比达到80.2%，相对于普通QT500-7屈强比65%，提高了23.4%，随着Si含量的降低，屈强比呈现下降的趋势;方案3比方案2的屈强比略高，方案4、5、6的屈强比呈现逐渐上升的趋势，说明当Si含量相当时，随着Mn含量的提高，屈强比也提高，且在Si含量较低时，屈强比的提升幅度较大。当Si含量为3.4%左右时，Mn含量每提高0.1%，屈强比值提高1%左右，屈强比较QT500-7材质提高了10%～15%。 为研究Si和Mn元素对硅固溶强化球墨铸铁的冲击性能影响，每种试验方案首尾箱的铸件各取3个试样，测试V型缺口试块在(20±2) ℃、(-20±2) ℃、(-40±2) ℃的冲击吸收能量。同时取不同珠光体含量的铁素体+珠光体混合基体的球墨铸铁材料做对比测试，混合基体的球墨铸铁基体组织中珠光体含量分别为15%、30%和45%，其试验结果如图4所示。 图片 图4 多种试验方案冲击吸收能量对比 由图4可知，常温下混合基体球墨铸铁的冲击性能随着珠光体含量的提高而下降，且珠光体含量高的球墨铸铁相比珠光体含量低的球墨铸铁的低温冲击性能下降得更缓慢，甚至基本不变，即混合基体球墨铸铁的珠光体含量达到45%时，-20 ℃和-40 ℃的冲击性能基本不变。 常温下，硅固溶强化球墨铸铁的冲击性能则介于珠光体含量为15%和45%的混合基体球墨铸铁之间，当Si含量约3.4%时，硅固溶强化球墨铸铁的冲击性能优于珠光体含量为30%和45%的混合基体球墨铸铁，低于珠光体含量为15%的混合基体球墨铸铁;-20 ℃下，Si含量约为3.4%时，其冲击性能则与珠光体含量为30%的混合基体球墨铸铁相当，Si含量更高时，则冲击性能略低，与珠光体含量为45%的混合基体球墨铸铁相当;试验温度从-20 ℃下降到-40 ℃时，硅固溶强化球墨铸铁的冲击性能仍呈明显下降的趋势。 另外，由方案4、5和6的冲击性能曲线可知，随着Mn含量的提高，冲击性能下降，但当Mn含量达到0.63%以上时，其低温冲击性能下降幅度变缓，当Mn含量为0.74%时，-20 ℃和-40 ℃的冲击性能相当，分析与基体组织中出现珠光体有关，珠光体的出现使硅固溶强化球墨铸铁的低温冲击性能下降变缓。 3 结论 硅固溶强化球墨铸铁中，随着Si含量的下降，抗拉强度、屈服强度、硬度均下降，伸长率上升。Si含量为3.65%时，力学性能达到QT500-14的性能;Si含量为3.4%时，力学性能达到QT450-18的性能;当Si含量为3.4%，W(Mn)≤0.63%时，随着Mn含量的提高，力学性能提升，但当Mn含量达到0.74%时，抗拉强度提升不大，伸长率急剧下降。 当3.4%≤W(Si)≤3.99%时，随着Si和Mn含量的提高，硅固溶强化球墨铸铁的屈强比相对QT500-7材质提升10%～23.4%，且当Si含量较低时，Mn含量的提高对屈强比的提升更显著。 当3.4%≤W(Si)≤3.99%时，随着Si和Mn含量的提高，硅固溶强化球墨铸铁的冲击性能下降，但当Mn含量达到一定量时，基体组织中开始形成珠光体，低温冲击性能下降变缓。 END |
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