概述高硅球墨鑄鐵的研究與應用

中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院張伯明

2004 年 ISO1083/JS 球墨鑄鐵標準公布后，又補充了一個 ISO1083/JS/500-10 的球墨鑄鐵標準，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準 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，強化鐵素體。

表 1   D1N EN 1563 的新牌號

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準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，抗拉強度越低，伸長率越高，反之亦然。球墨鑄鐵標準中，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到某一級別的牌號。

工業(yè)發(fā)達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 是球墨鑄鐵中常用、產(chǎn)量較大的牌號。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加工性能相差可高達 50%，HBW230 時的進刀量要比 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。它可以強化鐵素體，從而能提高鐵素體的強度。但過去一直以為 Si 使球墨鑄鐵變脆，在 Millis1949 年申請的美國個球墨鑄鐵中就表述“增加Si 的含量（＞2.5%）明顯降低力學性能，特別是韌性、拉伸強度和（或）延展性……"。在實際生產(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 公司進行的研究，認為“對于抗拉強度 500MPa 級別，Si 固溶強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。他們稱這種 Si 強化的球墨鑄鐵和 ADI 為第二代球墨鑄鐵。至今美國等已收授了 3 個用 Si 強化的球墨鑄鐵專項技術(shù)。芬蘭等國也在生產(chǎn)中開始應用。

為方便其所屬成員單位的生產(chǎn)和普及基本概念，德國鑄造學會與奧地利鑄造學會聯(lián)手， 在德國科技中心和一些企業(yè)的資助下，對高硅球墨鑄鐵進行了深入的研究，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識和生產(chǎn)應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）利用增硅來進行試驗。

表 2 德國 400-18 牌號球墨鑄鐵的典型成分（質(zhì)量分數(shù)，%）

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℃。用蓋包法進行球化處理，球化劑為 Elmag 公司的 6039，F(xiàn)eSiMg5～ 6，用不同成分的孕育劑 0.3%孕育。

在增 Si 試驗時，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。試驗時 Sc 按下式計算：

Sc=C/(4.26－0.31Si－0.33P－0.4S＋0.027Mn)

圖 1 試驗用試塊

圖 1 是試驗用試塊的兩種樣式。

2.2 試驗結(jié)果

圖 2 顯示了 Si 對抗拉強度的影響，在 w(Si)=4.3%時，抗拉強度達到了大值。

圖 2 Si 量對抗拉強度的影響

Si 量增加對屈服極限的影響如圖 3 所示，即大屈服值的 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性能都是個較大的轉(zhuǎn)折點。

                  圖 3 Si 量對屈服強度的影響

                        圖 4 Si 量對斷后伸長率的影響

                                                         圖 5Si 量對硬度的影響

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)。

                           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，為此在試驗中安排了添加Mn、Cr、V 的試驗。圖 8～圖 10 是試驗結(jié)果。結(jié)果表明，在 Si 強化鐵素體后的球墨鑄鐵中加入的合金元素對抗拉強度、屈服強度不起作用，對于斷后伸長率也基本不起作用，只有在Cr 的質(zhì)量分數(shù)到 0.6%時，才使伸長率降低。

圖 11    Y2 試樣金相組織

圖 12 Y2 試樣金相組織（約 5%珠光體）

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的孕育劑和孕育方法。

圖 15 不同孕育劑對石墨形狀的影響（翼型試樣）

圖 16  1#孕育劑對石墨形狀的影響

為了能了解實際應用時會產(chǎn)生的問題，試驗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。

用圖 22 的試樣，驗證不同含硅量對產(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。

                           圖 22 補縮能力用試樣

                          圖 23 補縮試驗結(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）。

    · 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)澆口及冒口頸處進行相應修改， 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。

4.高硅球墨鑄鐵也存在有一些缺點：

·生產(chǎn) GJS-600-10 的窗口比較小，即 Si 要嚴格控制在 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，少量有機車、卡車及風電鑄件。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年前就應用球墨鑄鐵制造。現(xiàn)在他們正應用高硅球墨鑄鐵做試驗，靜載試驗已過，也通過了德國跑車試驗，現(xiàn)正組織低溫跑車試驗。

參考文獻

1. Larker Richard.  固溶強化鐵素體球墨鑄鐵. [J].  鑄造，2010（6）：622-627.

2. Herbert Loeblich. Grundlagen der Herstellung and Anwendung von hochsiliziumhaltigem Gusseisen mit Kugelgraphit. Vortrag in Giessereitagung Deutschland. 2012.11.23.

3. 張伯明主編.鑄造手冊：第 1 卷鑄鐵[M]，3 版.北京：機械工業(yè)出版社，2011.

4. Herbert Loeblich.usw. Hoch siliciumhaltiges Gusseisen mit Kugelgraphit toleriert groessere Anteile an carbidbildenden Elementen. Giesserei[J],99,2012.04.28-32.