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固溶强化铁素体球铁件的生产

郭振廷

(郑州大学)

球化处理和孕育处理技术的提高,优质生铁、高纯生铁的大批量生产与应用,生产过程中检测技术及控制手段的完善等新技术的采用,球墨铸铁的综合性能大幅度提高,如表1、表2。表1中序号5与表2中的球铁为固溶强化铁素体球铁。

1、现有国标几个牌号球铁的力学性能

序号

材料

牌号

抗拉强度Rm/MPa

(min)

屈服强度Rp0.2/MPa

(min)

伸长率A/%

(min)

布氏硬度HBW

屈强比Rp0.2/ Rm

主要基体组织

1

QT450-10

450

310

10

160-210

0.69

铁素体

ISO1083-2004

GB/T1348-2009

2

QT500-7

500

320

7

170-230

0.64

铁素体+珠光体

3

QT550-5

550

350

5

180-250

0.64

铁素体+珠光体

4

QT600-3

600

370

3

190-270

0.62

珠光体+铁素体

5

QT500-10

500

360

10

185-215

0.72

铁素体为主

GB/T1348-2009

附录A

 

 

2、固溶强化铁素体球铁的力学性能

序号

材料

牌号

抗拉强度Rm/MPa        (min)

屈服强度Rp0.2/MPa

(min)

伸长率A/%

(min)

布氏

硬度

HBW

屈强比Rp0.2/ Rm

主要

基体组织

1

QT450-18

450

350

18

170-200

0.78

铁素体为主

ZXB/T0102.01

-2015

(EN1563-2012)

2

QT500-14

500

400

14

180-210

0.8

铁素体为主

3

QT600-10

600

450(470)

10

200-230

0.750.78

铁素体为主

 

1. 固溶强化铁素体球铁的特点

1.1 固溶强化铁素体球铁的优点

分析表1、表2中的数据,从机械性能上,固溶强化铁素体球铁的优点如下:

1.1.1 屈服强度高、屈强比高

这类球铁的屈服强度高,屈强比高,表1中球铁的屈强比是0.62-0.69,序号5屈强比为0.72,表2中球铁的屈强比是0.75-0.8。零件的破坏不是断裂,而是发生变形即失效,所以说,球铁的屈服强度高具有更好的实用价值。如汽车零件的设计,材料屈服强度高,零件的厚度就可以减薄,零件的重量就可以减轻,这符合汽车轻量化设计的要求。

1.1.2 断后伸长率高,球铁的韧性好

球铁的断后伸长率高,球铁的韧性好。强度相同,固溶强化铁素体球铁的断后伸长率提高2-3倍还多,如QT600-10的断后伸长率是QT600-33.3倍。使用韧性高的球铁生产出的零件,当受力瞬间或短时间内超过屈服强度而发生变形后断裂的机率大为降低。

1.1.3 同牌号的球铁硬度差别小

混合基体球铁受化学成分的波动,铸件壁厚的不同,基体组织中珠光体与铁素体比例不同,同一铸件,不同部位硬度差别很大。不同批次铸件的硬度差别更大。若控制不当,薄壁小件中还会有渗碳体。固溶强化铁素体球铁的基体以铁素体为主,无渗碳体。不同厚度铸件,晶粒大小不同,不同含硅量对铁素体强化不同,会导致硬度有差别,但其差别不会太大。表1中,GB/T1348-2009中同牌号的硬度差为HBW50-80,表1中序号5与表2的中球铁同牌号硬度差仅为HBW30,相比,强度相同的条件下,表2中硬度比表1(除序号5)中硬度下降HBW10-40,而硬度的下限提高HBW10,并且强度越高,硬度下降越多。这一特点,给生产上带来的好处是:不会出现混合基体球铁中珠光体比例少,硬度低,也不会出现混合基体球铁中珠光体比例高,甚至出现渗碳体而硬度过高的现象,同一铸件,不同部位硬度差小,切削加工性好。

1.2 固溶强化铁素体球铁的缺点

这类球铁虽然有高的综合性能,铸件不同部位的硬度差小,切削加工性能好等优点,但这类球铁也存在一些缺点。

1.2.1 焊接性能差

研究表明:这类球铁的焊接性能差,有焊接要求的铸件不能选用。

1.2.2 不能进行表面或局部硬化

一般表面或局部硬化,热处理加热时,对表面或局部加热时间短,铁素体基体短时间内完不成基体的奥氏体化、然后碳原子从石墨球表面脱离、扩散及在奥氏体内均匀化的过程,冷却时,就达不到对表面或局部淬硬的目的。

1.2.3 低温冲击韧性不如低硅铁素体球铁的好

这类球铁,在常温下具有很好的冲击韧性,但其低温冲击韧性不如低硅铁素体球铁的好,有缺口时,对冲击韧性的影响更大,如图1所示。

2.  固溶强化铁素体球铁的生产

生产优质固溶强化铁素体球铁件,必须按铸件的大小、特点、要求,设计合理的化学成分,选用优质原材料,制定正确的熔炼工艺、先进的球化、孕育处理工艺等。下面仅就化学成分的设计和生产过程应注意的事项进行讨论。

2.1、固溶强化铁素体基体球铁的化学成分

化学成分影响球铁的金相组织,机械性能以及铸造性能等。球铁的主要成分有:CSiMnPS,还有MgRe等。

1、几种材料不同温度下的冲击韧性[1]

碳:碳含量高,保证石墨球化所需的残留镁量要增加[2];碳高有利于促进石墨化,减小白口倾向,消除渗碳体,增加基体中铁素体比例,适当提高碳量有利于改善铸造性能;碳量过高容易产生石墨漂浮,不利于减少缩松;碳量高低还与铸件的大小、壁厚、球化处理及孕育处理等因素有关。固溶强化铁素体球铁含硅量高,碳量应适当降低,综合考虑碳硅含量,其碳当量接近共晶点或者球铁的共晶度Sc接近于1Sc的计算式如下:

 Sc=C/(4.26-0.31Si-0.33P-0.4S+0.027Mn) [1]

硅:硅是石墨化元素,随着含硅量的提高,球铁的白口倾向减小,基体中铁素体比例增加,即硅量的高低,对控制石墨化和铁素体量起决定作用,特别是以孕育方式增加的硅量能强烈促进石墨化和渗碳体的分解,细化石墨球,增加石墨球数。硅固溶于铁素体中,起固溶强化作用,使球铁的强度和硬度提高。所以,在球铁中,硅促进石墨化,超过一定含量,既促进石墨化,又起固溶强化作用。随着含硅量的提高,固溶强化作用增强,球铁的强度提高,韧性降低,Si量过高,球铁变脆,即球铁产生Si脆。

锰:高温下,锰溶于奥氏体中,室温时,锰少量溶于铁素体中;锰有细化和稳定珠光体的作用;锰是弱碳化物形成元素,溶于奥氏  体中的锰在共晶凝固过程中有强烈偏析倾向,而富集于晶界,容易在晶界形成碳化物,降低球铁的韧性。

硫:硫与镁、稀土元素亲和力很强,铁液中的硫与镁、稀土发生反应,消耗铁液中的镁、稀土,由于硫的消耗使铁液中有效的球化元素过低,导致球化不良或球化衰退、所以称硫是石墨反球化元素,硫与镁、稀土反应生成的镁、稀土的硫化物生成夹渣,导致铸件产生缺陷。硫属有害元素,S应控制<0.015%.

磷:磷属有害元素,含量越低越好。

镁、稀土:镁、稀土属球化元素,铁液中有一定的镁、稀土的残留量才能保证石墨球化。在稀土镁球铁中,镁起主要球化作用,稀土起辅助球化作用,并起脱硫去气、净化铁液,抗球化干扰元素的反球化作用。球铁中球化元素不足,会造成球化不良或球化衰退过快,适宜的球化元素的残留量还与铸件的厚度、铁液的含硫量有关。

镁、稀土残留量也不能过高,过高石墨球形态变差,铁液的白口倾向大,铸件容易产生反白口、夹渣、气孔等多种铸造缺陷。特别是稀土,若稀土过量还会产生碎块状石墨2。有人建议Mg+Re<0.06%3,且镁比稀土高0.015-0.02%

合金元素、微量元素:合金元素、微量元素在球铁中的作用:有的固溶于基体组织中起固溶强化作用;有的影响球铁的共晶转变过程,影响球化质量;有的影响共析结晶过程的组织转变,影响基体中珠光体与铁素体的比例;有的形成微观碳化物、氮化物或低熔点的化合物分布在晶界,最终都将明显的影响球铁的综合机械性能,影响球铁的韧性脆性转变温度。表3列出了一些元素对球铁韧性脆性转变温度的影响。

3、化学成分对球铁韧性脆性转变温度的影响2

元素名称

P

Si

C

Mn

Ni

Cu

Sn

加入量(%)

±0.01

±0.1

±0.1

±0.1

±0.1

±0.1

±0.01

韧性脆性转变温度(℃)

±4-4.5

±5.5-6.0

±2.0-2.5

±10-12.0

±3.5-4.0

±0.8-1.0

≈±6.0

说明:1碳含量3.4-4.0%2铜含量0.1-1.0%3锡含量0.01-0.06%

 

在固溶强化铁素体球铁中,硅含量高,既能促进石墨化,又起固溶强化作用。含硅量高的球铁基体以铁素体为主,强度高,硬度高。含硅量过高,球铁变脆,球铁的韧性脆性转变温度不仅与含硅量有关,还与锰、磷以及钒、钛等微量元素有关。因此,要保证在较高含硅量,能获得球铁有较高的强度又不产生脆性,球铁中的锰、磷、钛等元素含量应尽量低。

2.2 应注意的几个问题

2.2.1 选择合适的产品

这类球铁虽然有较高的综合性能,铸件不同部位的硬度差小,切削加工性能好等优点,但并不是机械性能满足要求的铸件都适用。在1.2中已指出,这类球铁焊接性能差,局部和表面都无法硬化等,因此,这类球铁不适用生产有焊接要求或表面要进行硬化的铸件。

2.2.2 球铁铸件供需双方的沟通

机械零件的设计是以满足机械性能要求为依据。固溶强化铁素体球铁综合性能高,选用这类球铁,铸件壁厚可以减薄,铸件重量可以减轻。铸件材料的研究与设计应用铸件之间有一个时间差,传统的设计,选用QT500-7QT600-3等牌号的球铁,到目前为止,球铁件的供需双方,多数在技术合同中规定球铁金相检验中要求珠光体和铁素体的比例。如QT500-7的球铁,验收产品时检验金相,珠光体的比例多为15-40%。在改用固溶强化铁素体基体球铁QT500-14时,基体组织以铁素体为主,珠光体小于5%,所以在改用前,供需双方应很好的沟通,双方应达成共识。

2.2.3 合金元素对固溶强化铁素体基体球铁性能的影响较小

Si固溶强化铁素体基体球铁含Si量高达4.3%,为防止球铁变脆,PSTi等元素含量要低,如2.1所述。回顾以前,由于生铁质量差(就是生铁中有害元素含量高,成分的稳定性差),对铁素体基体球铁件的生产,规定了Si3.0%,若Si3.0%,便作为判废的依据[2][4]。研究还发现:Si固溶强化铁素体球铁基体以铁素体为主(铁素体比例大于95%),仅有少量珠光体。MnCrV等合金元素在混合基体球铁中,是通过改变铁素体与珠光体的比例影响球铁的性能。在固溶强化铁素体基体球铁中MnCrV等合金元素对球铁的RmRp0.2A 影响较小,换句话说,这些元素的含量可以放宽,如图2—图4

   

2合金元素对抗拉强度的影响1

3合金元素对屈服强度的影响1

 

2.2.4 不同牌号球铁的生产与控制

汽车零件、农机零件等中小球铁件多选用铁素体基体球铁或混合基体球铁,即国标GB/T1348-2009《球墨铸铁件》中的QT450-10QT500-7QT550-5QT600-3等几个牌号。与这些牌号的球铁相比,固溶强化铁素体基体球铁具有综合性能高、硬度均匀性好,切削加工性好等优点,推广应用很快。笔者与一些企业合作过程中,向企业提出:为了便于生产管理,选择合适的产品,获得铸件采购商的同意,以机械性能作为验收依据,按GB/T1348-2009《球墨铸铁件》中规定的性能,改为固溶强化铁素体球铁,生产中可以简化一些,如表4、表5中的数据。

        

4合金元素对断后伸长率的影响1

 

4QT500-14等牌号球铁的力学性能

序号

牌号

抗拉强度Rm/MPa

(min)

屈服强度Rp0.2/MPa

(min)

伸长率

A/%

(min)

屈强比

Rp0.2/ Rm

布氏

硬度

HBW

硬度差

HBW

主要

基体组织

1

QT450-5

450

310

10

0.69

160-210

50

铁素体

GB/T1348-2009

IS01083-2004

2

QT500-7

500

320

7

0.64

170-230

60

铁素体+珠光体

3

QT500-14

500

400

14

0.8

180-210

30

以铁素体为主

EN1563-2012

ZXB/T0102.01-

2015

 

 

 

 

 

 

5QT600-10等牌号球铁的力学性

序号

牌号

抗拉强度Rm/MPa

(min)

屈服强度Rp0. 2/ MPa

(min)

伸长率A/%

(min)

屈强比Rp0. 2/ Rm

布氏硬度HBW

硬度差HBW

主要基体组织

1

QT550-5

550

350

5

0.64.

180-250

70

铁素体+珠光体

GB/T1348-2009

IS01083-2004

2

QT600-3

600

370

3

0.62

190-270

80

珠光体+铁素体

3

QT600-10

600

450

(470)

10

0.75

(0.78)

200-230

30

以铁素体为主

EN1563-2012

ZXB/T0102.01-2015

 

分析表4、表5,就是生产QT500-14的球铁取代QT450-10QT500-7两个牌号的球铁,生产QT600-10的球铁取代QT550-5QT600-3两个牌号。笔者不是否定对球铁零件按性能进行个性化的设计,只是目前生产的QT500-14可以满足设计或铸件采购商所需QT450-10QT500-7两个牌号性能的需求;生产的QT600-10可以满足设计或铸件采购商所需的QT550-5QT600-3两个牌号性能的要求,这样可以简化对铁液的管理。当设计部门或铸件采购商选用固溶强化铁素体球铁时,仍应严格按需方要求进行生产。

3.结束语

固溶强化铁素体基体球铁具有综合性能高,不同厚度铸件的硬度差小,切削加工性能好等优点,应加快推广应用。固溶强化铁素体基体球铁有优点,也有缺点,推广应用中应选用合适的产品,铸件的供需双方达成共识后进行生产为好。

(参考文献:  略)