低温高韧性球墨铸铁的生产技术

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1.引言

球墨铸铁作为重要的金属结构材料已广泛应用于许多领域。在某些工况条件下使用的一些零部件，客观上要求球墨铸铁在一定的强度下具有较高的冲击韧度，尤其是较高的低温冲击韧度，以满足使用要求。低温高韧性球墨铸铁是风力发电设备的主要构件材料，包括装置叶片的轮毂、齿轮箱、机械台架和底座构件。据资料介绍[1，2]，1-2MW的机组需15吨球铁件，4.5MW风力发电机组约需35—50吨球铁件， 2005-2008年全世界约增加40，000MW，每年需铸件20万吨。其材质在欧洲牌号是EN-GJS—400—18U—LT，需有良好的抗拉强度、伸长率和刚度，而且还要求在-20℃冲击韧度平均为10J/cm2。随着国际贸易增长和国内多种应用领域对低温高韧性球墨铸铁需求的扩大，对低温高韧性球墨铸铁的需求日益增长。尽管国内一些研究工作者对高韧性球铁QT400-18进行了一些研究[3-6]，但这与低温高韧性球铁是不同的，即使获得100%的铁素体基体，室温下具有很好的韧性，但低温性能往往不能满足要求。国外生产低温高韧性球墨铸铁通常使用高纯生铁材料，在国内由于高纯原材料的限制以及企业生产工艺水平的原因，生产过程中有一些工作需要注意并强化，主要体现在对成分控制、铁液的冶金质量、球化及孕育工艺、热处理工艺、组织控制等方面。本文基于国内材料特点，通过有效地控制化学成分；并且进行合理的球化处理和孕育处理；根据铸态组织特点进行退火处理，生产出QT400-18L的低温高韧性球墨铸铁，并取得了令人满意的效果。

2.试验过程

2.1试验条件

使用的原材料有生铁、回炉铁、废钢、铁合金等。使用中频感应电炉熔炼铁水；选用低稀土球化剂FeSiMg8RE3球化剂，采用冲入法进行球化处理；孕育剂为75Si-Fe合金，二次孕育；根据铸态组织特点进行退火；用德国产的QSN750光谱仪分析其化学成分；用万能试验机测定抗拉强度；在安徽省钢铁材料质量监督检验二站进行了低温冲击韧性的测定；利用配有数码相机的4XB-TV金相显微镜金相了组织的观察和金相照片的拍摄。

2.2化学成分的确定

碳：碳高容易产生石墨漂浮、碎块状石墨等铸造缺陷，碳低易出现自由渗碳体且容易产生缩孔、缩松等铸造缺陷，w(C)应控制在3.3～3.8％；硅：硅能减少结晶过冷和白口的倾向，还能细化石墨，提高石墨球的圆整度，但硅高易形成异形石墨，提高低温脆性，终w(Si)控制在2.0～2.3％；锰：锰提高强度、硬度，降低塑性、韧性。锰显著提高脆性转变温度，且易形成组织偏析，促进碳化物的形成，所以w(Mn)控制在0.3％以下；磷：磷在球墨铸铁中有严重的偏析倾向，易在晶界处形成磷共晶，严重降低低温韧性，提高低温脆性，同时，磷还增大球墨铸铁的缩松倾向，因此w(P)控制在0.04％以下；硫：不仅会与球化元素反应，消耗球化剂，造成球化不稳定，而且使夹杂物数量增多，导致铸造缺陷，所有含硫量越低越好，w(S)控制在0.03％以下。

镁和稀土：铁液中有一定的镁和稀土元素的残留量才能保证石墨成球。但球铁中球化元素含量过高，石墨球并不圆整，还会使球铁白口倾向大，皮下气孔增多，产生夹渣等缺陷。因此，在保证球化的前提下，应该尽量降低Mg残、 RE残含量，并且使其在小的范围内波动。将它们控制在如下范围：Mg残：0.025～0.030％ ,RE残：0.02～0.04％。

根据化学元素对球铁力学性能以及铸造性能的影响，化学成分控制如表1所示。

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2.3热处理工艺

针对国内原材料的特点，要获得低温高韧性的铁素体球墨铸铁，有必要对铸件进行退火，去除铸态组织中的自由渗碳体。采用高温石墨化退火热处理，具体采用的热处理工艺根据铸态组织的特点，铸件加热到900～950℃、保温2～5h；在共析转变温区缓慢冷却；，铸件随炉冷至600℃后出炉空冷，以免产生缓冷脆性。

3.试验结果与分析

为了生产出合格的产品，先后进行了多次试验。试验研究过程对铸件的化学成分、机械性能、金相组织进行了检测和分析。结果分述如下：

3.1试验结果

化学成分 研制过程中分别采用了3种生铁（普通的球铁生铁、本溪生铁和低锰生铁）。试验结果表明：原材料对最终的性能有十分重要的影响，尽管制备的多组试样的成分都处于表1所列的范围，试样的性能有很大的差别，试验也尝试加入少量的镍，但对性能影响不大。

力学性能 研究中测定了每次试验所浇铸试样的抗拉强度、延伸率以及-20℃条件下冲击韧度值（αk）。力学性能测试用试样取自于“Y”型单铸试块，具体数据见表2。 

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显微组织 图1（a）、（b）反映出铸态下5号试样拉伸试棒的组织，图2（a）、（b）反映出铸态下5号试样拉伸试棒的组织。图3是6号试样“Y”试块铸态组织；图4是7号试样“Y”试块退火后的组织；

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3.2分析讨论

从表2中我们可以看出：1#与2#试样采用的普通生铁，杂质含量相对较高（Ti高达0.048％），因此在铸态下其抗拉强度高达500MPa,延伸率则在18％左右，经过高温热处理过后，抗拉强度有少量下降，降幅为30～40MPa左右，延伸率也只有少量提高，但其低温韧性也非常低，在-20℃的情况下冲击韧性在5J/cm2左右。文献[6]研究了元素Ni对球墨铸铁低温冲击韧度的影响，我们在3#、4#、5#试样中都加入了0.1％的Ni，由于3#试样依然采用的是普通生铁，而4#、5#试样采用的是杂质含量更少的本溪生铁，可以看出，3# 试样的化学成分与1#、2#试样的化学成分接近，与4#、5#试样相比Si、Ti含量依然很高，但由于加入了Ni，所以从力学性能上可以看出延伸率有了很大的提高，退火后高达24％，而且低温冲击韧性也有少量提高，达到6J/cm2左右。5#试样中虽然有0.15％的Ni，而且有效的降低了S、Ti的含量，但是其中Mn的含量却很高，达到0.285％，而我们知道Mn是有严重的正偏析倾向的，会显著降低球墨铸铁的韧性，所以5#试样的低温冲击韧性并不理想，相对4#试样反而有所下降。

6#和7#试样采用了低锰（0.10％）、低硅(1.0％)的生铁，没有添加合金元素Ni，由表2可见其低温性能非常优异，退火后抗拉强度达到420MPa，延伸率在24％以上，低温冲击韧性更是达到了13J/cm2，这是因为材质中Si、Mn含量很低，有效的控制了不利球化元素的含量，生产中采用强化孕育措施，孕育效果好。图3、图4是相应试样的金相照片组织中石墨球细化并均匀，球化等级达到1级，石墨大小达到1级。铸态下的基体组织几乎全部为铁素体。图5是6#试样“Y”试块退火后的组织，经过高温退火处理后，其抗拉强度有所下降，由铸态下的470MPa降为420MPa，延伸率则由19%提高到24%。而低温冲击韧性由铸态下的4J/cm2升高到 13J/cm2。这也说明在生产低温高韧性球铁时热处理是十分重要的。

结论

我们通过多次试验研究表明：对生产出高质量的低温高韧性球墨铸铁，需要注意以下几点：

（1）要控制好化学成分，其中重要的是控制好原材料的化学成分，选用低锰、低硅生铁。化学成分控制在：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）采用电炉熔炼铁液、保证铁液的冶金质量；使用低稀土的稀土镁球化剂；采用二次孕育，即炉前孕育和转包孕育相结合来强化孕育、提高孕育效果，这样可以减少孕育剂的加入量，有利于控制终硅量，获得细小、均匀的石墨球，有利获得低温高韧性。

（3）根据铸态组织特点，合理地进行热处理，进一步提高QT400-18的韧性，尤其是低温韧性，确保力学性能达到要求。

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