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概述高硅球墨鑄鐵的研究與應(yīng)用
概述高硅球墨鑄鐵的研究與應(yīng)用
中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院 張伯明
2004 年 ISO1083/JS 球墨鑄鐵標(biāo)準(zhǔn)公布后，又補(bǔ)充了一個 ISO1083/JS/500-10 的球墨鑄鐵標(biāo)準(zhǔn)，把伸長率從原先的 7%提高到 10%[1],。2012 年 3 月，德國和歐洲的球墨鑄鐵標(biāo)準(zhǔn) DIN EN 1563 在修改時又增加了 3 個牌號（見表 1）[2],，即大幅提高了鐵素體珠光體混合基體球墨鑄鐵的屈服強(qiáng)度和伸長率,，而且這些級別都可在鑄態(tài)獲得，不需要任何熱處理,。他們走的技術(shù)路線是提高成分中的硅量,，強(qiáng)化鐵素體。
表 1 D1N EN 1563 的新牌號
| 牌 號 | |||
| EN-GJS | 450-18 | 500-14 | 600-10 |
| Rm/MPa,，min | 450 | 500 | 600 |
| Rpo.2/MPa,，min | 350（310） | 400（320） | 470（370） |
| A,%, min | 18（10） | 14（7） | 10（3） |
注：括號中是原牌號的性能。
了解它們出臺的背景或存在的必要性以及研究的過程,，對我國球墨鑄鐵企業(yè)的生產(chǎn),、今后我國球墨鑄鐵標(biāo)準(zhǔn)的修改必然會有很大的幫助。
1. 研究背景
由于球墨鑄鐵中的石墨以球狀存在,，所以球墨鑄鐵的力學(xué)性能主要取決于基體組織[3],。鑄態(tài)的球墨鑄鐵基體主要由鐵素體與球光體組成,。通常,，鐵素體量越多,，抗拉強(qiáng)度越低,，伸長率越高,，反之亦然,。球墨鑄鐵標(biāo)準(zhǔn)中，從 QT450 到 QT600 的各個牌號都是混合基體球墨鑄鐵,，只是基體中兩者的比例不同而已,，在 30～70%之間波動。在日常生產(chǎn)中可用 Mn、Cu,、Sn 等珠光體穩(wěn)定元素的含量控制來達(dá)到某一級別的牌號,。
工業(yè)發(fā)達(dá)國家具有良好的廢鋼資源，他們在生產(chǎn)灰鑄鐵時基本都用廢鋼+回爐料作原材料,，走合成鑄鐵的道路,，沖天爐熔煉是這樣，電爐熔煉時也是如此,，只是后者在最后要用增碳劑增碳而已,。但在生產(chǎn)球墨鑄鐵時，人們發(fā)現(xiàn)現(xiàn)代的廢鋼中,，珠光體穩(wěn)定化元素的含量越來越高,，Mn 的含量有時可到 0.8%以上，而且不光有 Mn，還有比 Mn 更強(qiáng)的元素 Cu,、Cr,、V 等元素的存在，這就給獲得高伸長率的球墨鑄鐵增加了困難,，從而不得不使用高質(zhì)量的生鐵,，例如 Sorelmetal 的高純生鐵來壓低這些元素在成分中的總含量,。這無疑增加了生產(chǎn)成本， 減低了競爭力,。尋找另一種技術(shù)途徑,，既能保證各牌號的伸長率，又能降低成本就成為鑄造工作者的努力方向,。
此外,，450-10、500-7 是球墨鑄鐵中用的最多的,、產(chǎn)量最大的牌號,。在生產(chǎn)中也發(fā)現(xiàn)，珠光體穩(wěn)定元素含量的波動和鑄件因壁厚不同而造成的冷卻速度的不同,，既使是同批次,，在不同鑄件的相同部位的性能也會產(chǎn)生很大的波動， 不同批次的鑄件則波動更大,。為此,， ISO/JS/500-7 的硬度范圍不得不規(guī)定在±30HBW，即硬度波動很大,，使軟硬兩種同牌號的球墨鑄鐵機(jī)加工性能相差可高達(dá) 50%,，HBW230 時的進(jìn)刀量要比 HBW170 時小 0.1mm,。所以尋找一種基本上是單相基體的球墨鑄鐵，減少硬度波動,，提高球墨鑄鐵的機(jī)械加工性能也十分必要,。
硅是鑄鐵中較為常用的元素。它可以強(qiáng)化鐵素體,，從而能提高鐵素體的強(qiáng)度,。但過去一直以為 Si 使球墨鑄鐵變脆，在 Millis1949 年申請的美國第一個球墨鑄鐵文章中就表述“增加Si 的含量（＞2.5%）明顯降低力學(xué)性能,，特別是韌性,、拉伸強(qiáng)度和（或）延展性……”。在實(shí)際生產(chǎn)以及隨后的研究中則發(fā)現(xiàn)上述表述有很大的局限性,。通過研究,，1998 年瑞典就規(guī)定了用(w)Si＝3.2%來生產(chǎn) 450 的牌號，(w)Si＝3.7%來生產(chǎn) 500 的牌號,。瑞典 Indexator 公司進(jìn)行的研究,，認(rèn)為“對于抗拉強(qiáng)度 500MPa 級別，Si 固溶強(qiáng)化鐵素體球墨鑄鐵的延展性（用斷后伸長率表示）,，是常規(guī)鐵素體-珠光體球墨鑄鐵的兩倍,，同時屈服強(qiáng)度增加，屈服比從
0.6 增加到 0.8,，沖擊性能與常規(guī)鐵素體-珠光體球墨鑄鐵相同,，而疲勞性能稍優(yōu)”。從而克服了前面所提的生產(chǎn)難點(diǎn),。他們稱這種 Si 強(qiáng)化的球墨鑄鐵和 ADI 為第二代球墨鑄鐵,。至今美國等已收授了 3 個用 Si 強(qiáng)化的球墨鑄鐵技術(shù)。芬蘭等國也在生產(chǎn)中開始應(yīng)用,。
為方便其所屬成員單位的生產(chǎn)和普及基本概念,，德國鑄造學(xué)會與奧地利鑄造學(xué)會聯(lián)手， 在德國科技部和一些企業(yè)的資助下,，對高硅球墨鑄鐵進(jìn)行了深入的研究,，并于 2012 年 11 月向會員單位匯報了工作。了解他們的研究會對我們認(rèn)識和生產(chǎn)應(yīng)用這種球墨鑄鐵也會有很大的幫助,。
2. 研究的主要方法和結(jié)論
2.1 試驗(yàn)方法
在德國生產(chǎn) GJS-400-18 牌號的成分上（見表 2）利用增硅來進(jìn)行試驗(yàn),。
表 2 德國 400-18 牌號球墨鑄鐵的典型成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）
| 元素 | C | Si | Mn | P | S | Mg |
| 含量 | 3.5～3.6 | 2.4～2.5 | 0.15～0.2 | ～0.02 | ＜0.009 | ～0.04 |
使用加拿大 Sorel 生鐵 60%,，廢鋼 40%,，增硅是用 FeSi90，出鐵溫度 1520～1550℃， 澆注溫度 1380～1390℃,。用蓋包法進(jìn)行球化處理,，球化劑為 Elmag 公司的 6039，FeSiMg5～ 6,，用不同成分的孕育劑 0.3%孕育,。
在增 Si 試驗(yàn)時，保持 Mn,、P,、S、Mg 不變,。而 C 量則隨 Si 量增加而減低,，使共晶飽和度 Sc 接近 1。試驗(yàn)時 Sc 按下式計(jì)算：
Sc=C/(4.26－0.31Si－0.33P－0.4S＋0.027Mn)
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圖 1 試驗(yàn)用試塊
圖 1 是試驗(yàn)用試塊的兩種樣式,。
2.2 試驗(yàn)結(jié)果
圖 2 顯示了 Si 對抗拉強(qiáng)度的影響,，在 w(Si)=4.3%時，抗拉強(qiáng)度達(dá)到了最大值,。
圖 2 Si 量對抗拉強(qiáng)度的影響
Si 量增加對屈服極限的影響如圖 3 所示,，即最高屈服值的 Si 量不在 4.3%，而在 4.7% 左右,。圖 4 則是硅量對斷后伸長率的影響,，在 Si 量超過 4.3%后，伸長率急劇減少,。而 Y 鑄樣上的硬度則隨 Si 量的增加而一直增加（見圖 5）,。圖 6 的 a)、b),、c)顯示了 4 種牌號球墨鑄鐵性能隨溫度升高而出現(xiàn)的變化,。其新增的 3 個牌號與原先 500-7 的變化形式是一致的， 即 400℃對于球墨鑄鐵的各項(xiàng)性能都是個較大的轉(zhuǎn)折點(diǎn),。
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圖 3 Si 量對屈服強(qiáng)度的影響
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圖 4 Si 量對斷后伸長率的影響
圖 5 Si 量對硬度的影響
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圖 6 4 種牌號球墨鑄鐵性能隨溫度升高而出現(xiàn)的變化
圖 7 是沖擊試驗(yàn)的結(jié)果,。幾種牌號在不同溫度下有不同的沖擊力,，但可以看到它們的變
化趨勢,，尤其是室溫以下的變化趨勢是一樣的。新增的三種牌號與 500-7 無多大區(qū)別,，即無特變的規(guī)律出現(xiàn),。
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圖 7 不同溫度下的沖擊性能對比
現(xiàn)在的廢鋼含有較多的珠光體穩(wěn)定元素與碳化物形成元素，為此在試驗(yàn)中安排了添加Mn,、Cr,、V 的試驗(yàn)。圖 8～圖 10 是試驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果表明,，在 Si 強(qiáng)化鐵素體后的球墨鑄鐵中加入的合金元素對抗拉強(qiáng)度,、屈服強(qiáng)度不起作用，對于斷后伸長率也基本不起作用,，只有在Cr 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)到 0.6%時,，才使伸長率降低。
圖 8 合金元素對抗拉強(qiáng)度的影響
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圖 9 合金元素對屈服強(qiáng)度的影響
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圖 10 合金元素對斷后伸長率的影響
圖11～圖14 列出了幾種典型成分的金相組織,?？梢钥吹剑捎?/span>Si 的強(qiáng)化,，直至GJS600-10
的牌號基本上都是鐵素體,。
圖 11 Y2 試樣金相組織
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圖 12 Y2 試樣金相組織（約 5%珠光體）
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圖 13 Y2 試樣金相組織（約 25%珠光體）
圖 14 兩種途徑時不同組織
圖 15～圖 19 展示了孕育技術(shù)對石墨形狀的影響。在德國把石墨形狀分為 5 級,。球墨鑄鐵要求Ⅴ+Ⅳ級的石墨比例大于 80%,，力爭 85%以上。一般企業(yè)都在 90%左右,。圖 15 表明不同孕育劑效果*不同,。圖 16 和圖 17 是兩種孕育劑在不同 Si 量時的孕育效果。圖 18 是在 1#孕育劑加 Bi 后的情況,，少量的 Bi 有明顯效果,，而太多了也不見得更好。圖 19 的示意圖部分充分表明硅量增加后要求有相應(yīng)的孕育劑和孕育方法,。
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圖 15 不同孕育劑對石墨形狀的影響（翼型試樣）
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圖 16 1#孕育劑對石墨形狀的影響
圖 17 2#孕育劑對石墨形狀的影響
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圖 18 Bi 對石墨形狀的影響(翼型試樣)
圖 19 孕育對石墨形狀影響的示意圖
圖 21 不同硅量的充型能力
為了能了解實(shí)際應(yīng)用時會產(chǎn)生的問題,，試驗(yàn)中也包括了鑄造性能與金屬切削加工性能的比較。圖 21 是充型能力或流動性的試驗(yàn)結(jié)果,，結(jié)果表明,，充型能力僅取決于澆注溫度，而與硅量無關(guān),。
用圖 22 的試樣,，驗(yàn)證不同含硅量對產(chǎn)生縮孔縮松的影響。圖 23 的結(jié)果表明,，硅量對縮松也沒有影響,。
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圖 22 補(bǔ)縮能力用試樣
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圖 23 補(bǔ)縮試驗(yàn)結(jié)果
用 REM/WDX（X 線波譜儀）對增硅后，硅錳在基體中的偏析進(jìn)行了檢測,。發(fā)現(xiàn)球墨鑄鐵基體中基本沒有宏觀偏析,，在兩個石墨球之間有微觀偏析，硅在石墨球處聚集,。低硅與高硅的球墨鑄鐵的規(guī)律是一樣的（見圖 24,、25）,，但隨硅量的增加，硅的偏析減少（見圖 26）,，錳的偏析增加（見圖 27）,。
圖 24 2.39%Si 時兩石墨球之間的偏析
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圖 26 Si 量增加時偏析值的變化
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圖 27 Si 量增加時，Mn 偏析值的變化
試驗(yàn)中沒有發(fā)現(xiàn),，硅量提高會增加開花狀石墨的趨勢,。圖 28、29 是用高硅生產(chǎn)的 600-10
球墨鑄鐵的斷裂斷面,，*是正常的晶間斷裂（圖 28）與穿晶斷裂（圖 29）,。
研究了增硅后，硅高時α→γ的相變（圖 30）,。發(fā)現(xiàn)硅高后相變溫度也提高,，在相變時
沒有任何脆相出來。
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圖 28 4.18%Si,，Rm=609MPa,，Rp0.2=497MPa，A5=20.9%的斷裂表面 |
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新鑄造材料能否推廣應(yīng)用還必須看其有否良好的切削性能,。用鍍 Ti（C,N）/Al2o3 的HC-K05 刀具進(jìn)行了車削試驗(yàn),。刀具參數(shù)是 Kr=95°， α0=6°,，γess=-1°,λ0=-6°,；切削參數(shù)是 f=0.55mm，δp=0.5mm,，用 8%的切削液,。切削速度再 240m/min 時，500-7 與 500-14,， 600-3 與 600-10 的對比如圖 31 所示,，刀具壽命（磨損 200μm）要長 60%以上.
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圖 29 4.40%Si，Rm=636MPa,，Rp0.2=503MPa,，A5=16.9%的斷裂表面
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圖 30 高硅球墨鑄鐵的相變曲線
圖 31 切削速度 240m/min 的刀具壽命對比
圖 32 是兩種切削速度下的切削性能對比。GJS500-14 要優(yōu)于 500-7,。圖 33 則是實(shí)際鑄件,，300kg 重的行星齒輪架的切削對比，可以看出 GJS-600-10 要比 GJS-600-3 要好,。
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圖 32 切削性能對比
圖 33 實(shí)際鑄件
圖 34～圖 36 表示了兩種材質(zhì)在實(shí)際鑄件上的本體性能情況,。GJS-600-3 基本上是珠光體基體硬度要比高硅的 GJS-600-10 要高 6～8HBW,，因后者基本都是 Si 強(qiáng)化了的鐵素體,。同時本體抗拉強(qiáng)度和硬度受鑄件壁厚的影響很小或沒有,。
圖 34 鑄件上硬度分布對比
圖 35 本體取樣位置
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圖 36 本體性能對比
2.2 生產(chǎn)中要注意的問題
通過試驗(yàn)，報告人提請大家在應(yīng)用時要注意以下幾點(diǎn)：
·要優(yōu)化孕育技術(shù),。孕育劑的化學(xué)成分要和鑄件中硅的總量和鑄件主要壁厚相匹配,；
·要確保直讀光譜儀的試樣是白口組織（減薄或注意金屬模結(jié)構(gòu)），否則分析會出錯,；
·為確保鑄件質(zhì)量的均一性與穩(wěn)定性,，直讀光譜儀必須要校正到和相應(yīng)的硅量匹配；
·注意硅量應(yīng)包括三個部分：配料,、球化處理及孕育處理中的硅量總和,。
2. 高硅球墨鑄鐵的優(yōu)缺點(diǎn)與應(yīng)用
根據(jù)德國的研究報告和本人同德國公司的座談，可以歸納用 Si 合金化了的球墨鑄鐵與原先混合基體球墨鑄鐵相比有如下優(yōu)點(diǎn)：
·高硅球墨鑄鐵有更好的力學(xué)性能組合（抗拉強(qiáng)度,、屈服極限以及高的伸長率）,，可使設(shè)計(jì)人員減少鑄件壁厚，從而減輕鑄件重量,；
·鑄件本體中硬度與抗拉強(qiáng)度分布均勻,；
· 基體基本上都是鐵素體，鑄件的硬度范圍窄,，切削性能好,，刀具壽命長，降低機(jī)械加工成本,；
·鑄件模樣不需要任何變動,。但因韌性的提高，必須在內(nèi)澆口及冒口頸處進(jìn)行相應(yīng)修改,， 否則在打澆冒口時會損害鑄件造成鑄件缺肉,；
·可以放寬化學(xué)成分中珠光體穩(wěn)定元素和碳化物形成元素的含量。從而可以放心使用大量的廢鋼,，降低生產(chǎn)成本,。
高硅球墨鑄鐵也存在有一些缺點(diǎn)：
·生產(chǎn) GJS-600-10 的窗口比較小，即 Si 要嚴(yán)格控制在 4.3%以下,；
·鑄件表面至今還無法硬化,；
·焊接性能差；
·高硅鐵素體的沖擊性能不如低硅鐵素體的好,。
德國某鑄造廠每年生產(chǎn) 22000t 球墨鑄鐵件,，大部分是球墨鑄鐵管件，少量有機(jī)車,、卡車及風(fēng)電鑄件,。過去生產(chǎn) GJS-500-7 使用的成分是 Si1.9～2.1%，C3.6%,，為控制住 Mn 等元素的含量使用 10%～15%的生鐵,，現(xiàn)在提高硅至 3.4%～3.5%,，碳在 3.0%左右，使用 廢鋼及切屑,，可在保證質(zhì)量情況下,，每噸鑄件降低 25 歐元，即 200 元人民幣（德國切屑 150
歐元/t,，廢鋼 340 歐元/t,，生鐵 435 歐元/t）。過去他們生產(chǎn)的 500-7 含珠光體量約 80%,，現(xiàn)在僅 5%左右,。對于他們的鑄件（壁厚在 6～20mm）使用的是含 Zr 孕育劑，加入量為 2%,。對于 GJS-600-10 的生產(chǎn),，他們的經(jīng)驗(yàn)是控制 Si 在 3.8%以上就可以。
大型卡車上的離合器板（Kupplungsplatte）,，在中國使用鑄鋼制造,，德國 Jose 公司在 25年前就應(yīng)用球墨鑄鐵制造。現(xiàn)在他們正應(yīng)用高硅球墨鑄鐵做試驗(yàn),，靜載試驗(yàn)已過,，也通過了德國跑車試驗(yàn)，現(xiàn)正組織低溫跑車試驗(yàn),。
參考文獻(xiàn)
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