（材料加工工程专业论文）锌对低温高韧性墨铸铁组织及性能的影响.pdf

摘要 摘要 低温高韧性球墨铸铁机械性能优良，在工业上的应用非常广泛的，风电设 备的关键零部件如轮毂、轴承座等都是采用的该材料。风电的未来发展趋势对 材料的低温韧性及耐蚀性提出了更高的要求。 本课题在低温高韧性球墨铸铁q t 4 0 0 1 8 l 成分的基础上中加入元素锌，材 料的化学成分( 、肌) 为3 7 3 9c ，0 1 5 6z n ，2 3 2 5s i ，m n 0 3 ，s 0 0 2 5 ，p 0 0 7 ，0 0 2 - - - 0 0 4r e 残，0 0 3 - - - 0 0 6m g 殪，研究了该元素对低温高韧性 球墨铸铁组织、常温力学性能、低温冲击韧度及耐腐蚀性的影响。 研究结果表明，在0 , - - 1 5 6 的范围内，z n 在低温高韧性球墨铸铁中主要以 固溶于铁素体中的形式存在。在铸态下试样的组织为球状石墨+ 铁素体+ 少量珠 光体，并没有出现自由渗碳体和磷共晶，z n 的加入提高了石墨化等级、减小了 石墨球的尺寸，基体中的珠光体量也明显的减少，加z n 后石墨化等级和石墨球 大小等级分别为7 - - - 8 级和1 - - 2 级，珠光体量仅为2 4 ；各成分试样采用 了相同的7 4 0 4 h 低温石墨化退火工艺，退火后，试样都获得了全铁素体基 体组织，石墨球的圆整度增加。 随着锌加入量的增多，铸态试样的布氏硬度有下降趋势，低温石墨化退火 后的硬度低于同成分铸态下的硬度；热处理后的含锌试样拉伸强度略低于未加 锌的试样，但都在4 2 3 m p a 以上；锌加入后试样延伸率有小幅的上升；当锌含 量为0 3 3 时，材料的抗拉强度和延伸率分别为4 2 5 m p a 和2 4 o ，强度和韧性 综合性能良好。 材料的冲击功随着实验温度的降低而降低；加入锌的低温高韧性球墨铸铁 试样的冲击韧性无论是在常温还是在低温下都要高于未加锌试样；当锌含量为 0 3 3 时，材料在2 0 和一4 0 下的低温冲击功都最高，a k v 分别达到1 6 5 j 和 1 4 5 j 。 在3 5 n a c l 溶液的浸泡腐蚀中，试样表面的石墨均未受到腐蚀；腐蚀是 从基体的晶界及基体与石墨球界面处开始的，随着腐蚀时间的增加，基体的晶 粒内部也出现腐蚀；各成分试样的腐蚀速率都小于0 1 9 m 2 h 一，属于全稳定耐 蚀性级别，耐蚀标度都为1 级，具有较好的耐蚀性；随着锌加入量的增加，材 摘要 料的耐蚀性能呈现小幅提高的趋势，锌含量为1 5 6 时，腐蚀电位e 。0 仃最高 ( - 0 6 8 0 8 v ) ，腐蚀速率最小( 0 0 5 2 9 m - 2 h - ) ，耐蚀性能最好。 在低温高韧性球墨铸铁中加入锌元素后，材料的组织性能都得到了一定程 度的改善，退火后试样都获得了全铁素体基体，综合力学性能良好，其耐腐蚀 性及在低温下的冲击性能也能满足试验材料在海洋环境及极寒地区风电场的应 用要求；综合考虑材料的力学性能和耐腐蚀性能，综合考虑材料的力学性能和 耐腐蚀性能，根据本课题的研究，对极寒风电设备，推荐使用0 3 3 锌的低温 高韧性球墨铸，而对沿海风电设备，推荐使用1 5 6 锌的低温高韧性球墨铸铁。 关键词：低温高韧性球墨铸铁锌组织力学性能耐蚀性 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t he x c e l l e n tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，t h el o w - t e m p e r a t u r eh i g h - d u c t i l i t yi r o n h a sb e e nw i d e l yu s e di ni n d u s t r y t h ek e yp a r t so fw i n dp o w e re q u i p m e n t l i k eh u b a n db e a r i n gp e d e s t a l ，a r em a d eo ft h i sm a t e r i a l t h ef u t u r ed e v e l o p m e n tt r e n do f w i n dp o w e rp u t sh i g h e rr e q u i r e m e n t s o nt h el o w - t e m p e r a t u r et o u g h n e s sa n d c o r r o s i o n - r e s i s t a n c e 1 1 1 ee l e m e n tz i n cw a sa d d e db a s e do nt h ec o m p o s i t i o no fq t 4 0 0 18 l ，w h i c hi s t h el o w t e m p e r a t u r eh i g h d u c t i l i t yi r o n t h em a i nc h e m i c a lc o m p o s i t i o n so ft h e m a t e r i a la r e ( 州：) ：3 7 3 9 c ，0 1 5 6 z n ，2 3 2 5 s i ，m n 0 3 ，s 0 0 2 5 ，p 0 0 7 ， 0 0 2 0 0 4 r e r 0 0 3 0 0 6 m g r t h er e s e a r c hp u r p o s ei ss t u d yt h ee f f e c to fz i n co n t h em i c r o s t r u c t u r e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa tn o r m a lt e m p e r a t u r e ，l o w - t e m p e r a t u r e i m p a c tt o u g h n e s sa n dc o r r o s i o nr e s i s t a n c eo fl o w t e m p e r a t u r eh i g h - d u c t i l i t yi r o n t h er e s u l t ss h o wt h a t ，w i t h i nt h ea d d i t i o nr a n g e ( o 1 5 6 w t ) ，t h ea d d e dz i n c d i s s o l v e dm a i n l yi nt h ef e r r i t e t h em i c r o s t r u c t u r eo fa sc a s tm a t e r i a li sc o n s i s t e do f g l o b u l a rg r a p h i t e ，f e r r i t ea n das m a l la m o u n to fp e a r l i t e ，w i t hn of r e ec e m e n t i t ea n d p h o s p h o r u se u t e c t i c a l ls a m p l e st h a ta d d e dz i n cw e r eo b t a i n e dw i t h s m a l l e rg r a p h i t e s i z ew i t h i n7 8g r a d ea n dw i t hh i g h e l s p h e r o i d i z a t i o nw i t h i nl 2g r a d e ，a sw e l l0 8 l e s sp e a r l i t e ( o n l y2 4 ) t h a nt h es a m p l ew i t h o u tz i n c a 1 lt 1 1 es a m p l e sw e r e e n d u r e d7 4 0 ( 2x4 hg r a p h i t i z i n ga n n e a l i n gp r o c e s sa n dc o m p l e t e l yf e r r i t em a t r i xa n d g r a p h i t ew i t hh i g h e l s p h e r i c a ld e g r e ew e r eo b t a i n e da f t e rg r a p h i t i z i n ga n n e a l i n g t h eh a r d n e s so ft h ea sc a s ts a m p l e sd e c r e a s e sw i t ht h ea d d i t i o no fz i n c ，a n dt h e m o r ez i n ca d d e d ，t h em o r er e d u c ei sg a i n e d w i t hs a m ec o m p o s i t i o n , t h eb r i n e l l h a r d n e s sd e s c e n d sa f t e rg r a p h i t i z i n ga n n e a l i n g w h i l s tz i n cu n c o n s p i c u o u s l y i m p r o v e st h ee l o n g a t i o n ，t h ea d d i t i o no fz i n cs l i g h t l yr e d u c e st h et e n s i l es t r e n g t h ， a n da l lt h es a m p l e sa l l o y e dw i t hz i n cs t i l lg a i nt e n s i l es t r e n g t hh i g h e rt h a n4 2 3 m p a a f t e rh e a tt r e a t m e n t w i t ht h e4 2 5 m p at e n s i l es t r e n g t ha n d2 4 o e l o n g a t i o n ，t h e i r o nc o n t a i n i n g0 3 3 z i n ce x h i b i t st h ee x c e l l e n tc o m b i n a t i o np r o p e r t i e s t h ei m p a c te n e r g yi sr e d u c e dw i t ht h er e d u c t i o no ft h ee x p e r i m e n t a l i i i 垒! ! 塑! ! 一 _ 一 t e m p e r a t u r e t h ei m p a c tt o u g h n e s so f t h el o w - t e m p e r a t u r eh i g h - d u c t i l i t yi r o nt h a t a l l o v e dw i t i lz i n ci sh i g h e rt h a nm a t e r i a lw i t h o u tz i n c t h ei r o nc o n t a i n i n g 0 3 3 z i n cs h o w st h eb e s ti r n p a c tt o u g h n e s s ，a n dt h ei m p a c tt o u g h n e s sv a l u e sa k vo f t h e s 锄p l e sr e a c h e d16 5 ja t 2 0 。c ，1 4 5 ja t - 4 0 。cr e s p e c t i v e l y a 1 1 蓼州t eo nt h es u r f a c eo ft h es a m p l e sw a s n o tc o r r o d e di nt h e3 5 n a c l s o l u t i o n n ec o 舯s i o nc o u r s eb e g a n w i t ht h ec o r r o s i o ni nt h eg r a i nb o u n d a r y 踟m 也ei n t e r f 弛b e 咐e e nm 撕xa n dg r a p h i t e a l o n gw i t ht h e i n c r e a s eo ft h ec o 盯o s l o n o ft i m e t l l ei n t 锄a io ft h em a t r i xg r a i nw a s a l s oc o r r o d e d w i t hc o r r o s l o nr a t el o w e r t h a n0 1g - m 2 h 1 ，a l ls a m p l e s a r el i s t e di nt h e e n t i r es t a b i l i t yr a n k ，锄dm e c 0 玎e s 口o n d i n gc o r r o s i o nl e v e li s o n ed e g r e e ，w h i c hr e p r e s e n t se x c e l l e n tc o n o s l o n r e s i s t a r l c e t h ec o r r o s i o nr e s i s t a n c es l i g h t l yg r o w sw i t h t h ei n c r e a s i n go fz i n c c o n t e n t 啪e i lt h ec o n t e n to fz i n ci s1 5 6 ，t h eh i g h e s tc o r r o s i o np o t e n t i a i e c 0 1 1 ( - 0 6 8 0 8 v ) a n dl o w e s t c o r r o s i o nr a t e ( 0 0 5 2 9 m - 2 h 一) w h i c hs u g g e s t s t h eb e s t c o r r o s i o nr e s i s t a n ta m o n ga 1 1s a m p l e s 1 nc o n c l u s i o n ，t h ea d d i t i o no fz i n ci m p r o v e sp e r f o r m a n c e so fl o w t 锄p e r a t u r e h i g h d u c t i l i t yi r o nb o t ho nt h e m i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e s c o m p l e t e l yf e m t c m 撕xa n de x c e l l 饥tc o m b i n a t i o np r o p e r t i e sw e r eo b t a i n e d ，a n db o t ht h ec o 仃0 s l o n r e s i s t a n c ep r o p e r t i e sa n dt h el o wt e m p e r a t u r ei m p a c tp e r f o r m a n c e s s a t l s f y t h e a p p l y i n g c o n d i t i o n so fm a r i n ea n de x t r e m e l yc o l dw i n dp l a n t s t a k e b o t ht h e m e c h a n i c a la n dc o 们s i o nr e s i s t a n c ep r o p e r t i e si n t oc o n s i d e r a t i o n , t h em a t e r i a lw l t h 0 33 z i n cc o n t e n tc 锄b eu s e dt op r o d u c ep a r t so fw i n dg e n e r a t o r i nc o l dw m d p l a n t s ，a n dt h ed u c t i l ei r o nw i t h1 5 6 z i n cc a n b ea p p l i e di no f fs h o r ew i n dp o w c r e q u i p m e n t 1 ( e vw o r d s ：l o w t 锄p e r a t l l r eh i g h - d u c t i l i t y d u c t i l ei r o n z i n cm i c r o s t r u c t u m e ：c h a n i c a lp r o p e r t y c o r r o s i o nr e s i s t a n c e i v 1 绪论 1绪论 1 1选题背景 风能资源很早就被开发利用，中国是世界上最早利用风能的国家之一，用 风车提水、灌溉、舂米、磨面，以及风力助航在公元前2 0 0 年已经出现【l j 。几 千年来，风能技术没有引起人们足够的重视，其发展十分的缓慢。直到1 9 7 3 年 出现世界石油危机以来，常规能源日益稀缺、全球生态环境日趋恶化，在这双 重的压力下，风能作为新能源的一部分，才开始得到了长足发展。作为一种可 再生、无污染的新能源，风能，对于交通不发达的偏远山区、沿海岛屿、地域 辽阔但人口稀少的草原和牧场以及远离电网或短时间内电网还无法铺设的农村 或边疆有着巨大的发展潜力。风能的大力开发是解决生产以及生活能源的可靠 途径，因此，风能的发展有着十分重要的意义。在发达国家，风能也受到越来 越多的重视。作为一种重要的绿色清洁可再生能源，风能可以被反复不竭的使 用，并且没有残渣处理、燃料运输等问题，且对减少温室气体排放、减轻环境 污染、促进可持续发展等方面具有突出的作用【2 j 。 风能资源产能丰富，根据气象组织的估算，在地球上，风能资源大约是水 能资源的1 0 倍，若按照8 0 米高度处风速6 9 米秒进行计算，全球可利用的风能资 源量高达7 2 万亿k w h 。预计至1 j 2 0 2 0 年，世界电力的需求将会上升到约2 6 力亿k w h ， 到那时即使只有1 3 的风能资源得到成功的利用，就可以满足全球的电力需求【3 】。 目前，风能的利用已取得很大进展，但要真正充分发挥风能的潜力，许多技术 难题仍有待克服【3 j 。国家电力监管委员会近期发布的风电安全监管报告( 2 0 1 1 年) 指出了风电产业存在的另一重要问题，即风电设备的核心技术以及管理的 缺失。报告指出，在我国，不仅风电建设的规划缺少统筹，风电装备的技术水 平、产品的质量也有待提高，此外，风电并网技术的标准及检测工作也相对滞 后，在风电场的设计、建设、运行和调度方面的管理也较薄弱。国内风电装机 容量在连续几年实现急速增长后，在2 0 1 1 年迎来由迅猛激增向平稳增长的过渡 期，但是每年风电装机增量的绝对值依然较大。出现这种现象的重要原因之一 就是国内风电资源迎来了开发的过渡期。目前，国内陆地上风力资源富集 之处都基本上建设了风电场，但海上和陆上的风速相对较低及环境恶劣的风电 1 绪论 场所因技术条件限制，现阶段还未进入大规模的开发期。 中国不仅是陆地大国，也是海洋大国。中国幅员辽阔，陆上风能资源比较 丰富，但主要集中在“三北 地区，这些地区中待开发的风电场地气候寒冷， 对风电设备部件在低温下的性能有很高的要求。我国大陆海岸线绵长，从鸭绿 江口到北仑河口，长度达1 8 万多千米，位居世界第四，近海风能资源十分丰 富，其可开发量约是陆上风电可开发量的3 倍。因此，海上风电作为一种新能 源形式，战略意义越来越大【4 】。大规模开发这些地区的风力资源具有很强的可 行性，研制开发满足在寒冷、海洋腐蚀气氛等工况条件下使用的风电设备部件 拥有广阔的市场前景。 ( a ) 轴承座 ( c ) 底庳 ( b ) 轮毂 图1 1 风电设备部件 ( d ) 齿轮箱体 风力发电设备的重要部件铸件如齿轮箱体、安装叶片的轮毂、轴承座、底 座等构件( 见图1 1 ) 都是要求很高的铁素体基体的球墨铸铁件5 1 ，此类球墨铸 铁j 爿j 有铁素体基体，因而具有良好的抗拉强度和伸长率，并且在温度低至2 0 。c ， 2 1 绪论 甚至4 0 时仍有良好的低温韧性，这类以铁素体为基体的球墨铸铁被称为低温 高韧性球墨铸铁。 风电铸件工作环境恶劣，常年曝露在几十米甚至一百多米的高空，工作温 度有时低至2 0 。c 甚至4 0 。c ；而海上风电场的风电设备则要常年的经受海洋腐 蚀环境的侵蚀，铸件的腐蚀导致的失效严重的影响风电设备的正常运行，这对 其耐海水及盐雾腐蚀能力提出了很高的要求；此外，风电设备大都安装在高处 及海上，维修非常不便且维修代价很高，有的铸件要求在安装环境下服役2 0 年 及以上。因此，对风电铸件的质量、性能除了有常规性能指标的要求，还要有 低温冲击性能、耐蚀性的要求。 目前，虽然国内对2 0 1 2 下工作的风电球墨铸铁件的生产应用已得到满足， 对4 0 c 下使用的球铁件亦有少量的研究，但对低温高韧性球墨铸铁在海洋环境 下耐蚀性的研究却很少，因此，要满足国内外风电产业的持续发展及对新能源 战略形势下风力发电装备的要求，研究开发应用于风电装备的具有一定耐蚀性 的低温高韧性球墨铸铁是十分必要的。 1 2 低温高韧性球墨铸铁的研究 1 2 1 低温高韧球墨铸铁的发展 球墨铸铁是指铁液经过球化处理浇铸后基体中的石墨大多数或全部为球状 的铸铁。球墨铸铁综合性能接近于钢，也像钢一样可以通过热处理、合金化等 进一步提高材料的机械性能和获得某些特别的物理化学性能 6 】。1 9 4 7 年，英国 的h m o r r o g h 发明了球墨铸铁，其诞生使铸铁材料性能产生了巨大的飞跃，并 开始了这种新型结构材料应用于生产的历史。球墨铸铁的推广应用，对开展材 料节约代用、减少加工台时、提高生产效率具有重要的意义【6 | 。球墨铸铁优良 的机械性能 7 , 8 1 ，使其在国内外范围都发展得很快。1 9 4 9 年全球的球墨铸铁产量 是5 万吨，1 9 8 0 年是7 6 0 万吨，到2 0 0 0 年则达到了1 5 0 0 万吨，随着时间的推 移，全球的球墨铸铁产量还会持续的增长。球墨铸铁的发展速度在黑色金属铸 件中占据首位。 球墨铸铁具有优良的力学性能、耐磨性性、j n - r 性能、吸震性能及低制造 成本等优剧9 , 1 0 ，是强度、韧性、耐磨性、耐腐蚀性都较高的新型工程材料。球 墨铸铁在机床、纺织机械、汽车、通用机械、机车及车辆、农业机械、动力机 3 1 绪论 械、城市工程机械及配件、铸铁管、冶金机械等生产中获得了广泛的应用。随 着我国机械制造业，特别是高端装备制造业的快速发展，球墨铸铁的使用量激 增。我国球墨铸铁行业在经过2 0 多年的实践使用之后，从生产技术到产量发展 迅速，2 0 1 0 年产量已达9 0 0 万吨，位居世界第一位。但是，其在铸铁家族中的 应用比例与发达国家相比仍然较低。以2 0 1 0 年为例，世界排名前十位的铸造生 产大国球墨铸铁件的平均应用比例为2 6 4 ，法国为5 0 ，美国为3 5 ，日本 为3 3 3 ，德国为3 0 ，而我国为2 4 6 ，尚达不到平均水平。随着我国社会 经济的不断进步，现代制造业的快速发展，高铁、轨道交通、风电、核电等机 械制造业对耐低温铸件的需求越来越强烈，其应用的范围也越来越广。 随着球铁质量的不断提高，我国关于球铁牌号的国家标准也在不断进行修 订更新，以与国际接轨。2 0 0 9 年颁布的球墨铸铁牌号标准g b t 1 3 4 8 2 0 0 9 t i i 给 出了1 4 种球墨铸铁的牌号，按照组织不同可将球墨铸铁分为铁索体球铁、珠光 体球铁、混合基体型球铁以及等温淬火球墨铸铁( 奥贝球铁) 。在这四大类球墨 铸铁中，铸态铁素体球铁具有良好的力学性能和铸造性能，在铸件生产选材中 占据优势地位。 表l - 1 试块上加t 的试样力学性能 风电用球墨铸铁件的工况条件十分恶劣，必须选用低温高韧性球墨铸铁来 生产风电设备。在近几年，我国对球墨铸铁低温特性的研究才予以足够的重视， 在这方面的研究还不够充实。西方发达国家对球铁的低温性能的研究丌始的较 早，成功的开发了相应的低温球墨铸铁的牌号，并制订了相关行业标准。我国 4 1 绪论 在2 0 1 0 年底发布了风力发电机组球墨铸铁件国家标准：g b t2 5 3 9 0 2 0 1 0 1 2 】， 标准中给出了在试块上加工的试样的力学性能( 见表1 1 ) 及低温冲击功( 见表 1 2 ) 。 表1 2 试块上加： 的试样的低温冲击功 然而，目前不但是我国还没有系统的4 0 。c 、5 0 c 、6 0 低温铁素体球墨 铸铁的标准，在国际和欧洲也没有出现相应的标准可依，这在一定程度上制约 了低温铁素体球墨铸铁在更广领域的应用，因此对球墨铸铁低温性能投入更多 的研究是很有意义的。 1 2 2 球墨铸铁的低温韧性的研究 低温高韧性球墨铸铁主要是用在寒冷地区重要设备的部件上，如风电的轮 毂、变速箱、底座等，机车及车辆配件，铁路及地铁配件，石油及石化设备的 配件【1 3 】。低温高韧性球墨铸铁的生产难度相当大，要对其化学成分、基体组织、 石墨大小及形态、制备工艺等几个方面严格控制，才能够得到符合性能要求的 产品【1 3 , 1 4 】。 ( 1 ) 化学成分的选择 合理的化学成分是获得良好性能铸件的保证。 碳 碳含量对球墨铸铸铁的铸造性能和球化效果有一定程度的影响。含碳量高 时，析出的石墨球数就多，球径尺寸小且圆整度高；提高碳含量可以减少缩松 面积，减小缩孔体积，使铸件致密，碳含量为4 o 4 3 时，缩松倾向最小， 含碳量继续增加则会出现严重的石墨漂浮【15 1 。含碳量对球化效果的影响见图 1 2 ，含碳量越高，则保证球化所需的残余镁量越岁1 6 1 。 5 1 绪论 x 巅 焱 落 塌 密 潞 镊 硼( e ) ( ) 图1 2 球墨铸铁的含碳量、残余镁量与石墨形状的关系 碳对球墨铸铁的力学性能也有影响。含碳量对球墨铸铁力学性能的影响作 用主要是通过对金属基体的影响产生的【1 4 。1 1 7 1 。铸态球墨铸铁的含碳量超过3 时，基体中开始出现铁素体。增加含碳量引起硬度下降，断后伸长率增加；当 碳含量为3 时，材料的抗拉强度最大【l5 1 。碳对于冲击韧性的影响主要是对上 限冲击功产生影响【1 8 j 9 ，碳含量增加则上限冲击功降低。研究表明，球墨铸铁 的断裂存在石墨基体( g m ) 界面的丌裂过程，即断裂过程中微裂纹首先在 g m 界面上萌生并沿着界面扩展，然后再向基体中扩展【2 0 啦】。一般来说，石墨 球不受力时与周围的基体连接的较好，没有裂纹；基体变形、受力后，因石墨 球相当于孔洞的薄弱环节，其所在的孔洞因力的作用而被拉长，成为微裂纹的 重要萌生源【2 3 1 。碳含量增加则石墨球数量增多、尺寸增大，引起空位生长和聚 集过程的塑性形变降低，进而导致断裂过程的塑性形变能降低【l9 1 ，最终表现为 上限冲击功下降。但过低的碳量会使韧脆转变温度的区问向更高温度偏移，反 而影响低温冲击功【2 训。 硅 硅强烈的推高韧脆转变温度，因而会影响球墨铸铁的冲击性能，见图1 3 【2 5 1 。 硅对球墨铸铁的冲击断裂机制的影响，则主要体现在硅含量的提高促使球墨铸 铁更倾向于解理断裂，即断裂性质为脆性断裂【1 3 , 2 6 】。要得到低温韧性优越的球墨 6 1 绪论 铸铁，需要尽可能的降低硅的含量，同时降低促进珠光体及碳化物元素的含量， 并控制熔炼、球化、孕育工艺，以增加球墨铸铁的数量和获得无碳、全铁素体 基体的球墨铸铁。但考虑到其他因素尤其是微观组织的控制，低温球墨铸铁的 终硅量通常要高于2 【1 3 】。当硅含量超过5 时，冲击韧性甚至会下降到普通狄铁 的水平【2 7 1 。高韧球墨铸铁在4 0 。c 低温下工作时，其含硅量应低于2 7 t 1 7 1 。 图1 3 球墨铸铁含s i 量对v 一缺口夏氏冲击行为的影响 锰 锰是扩大y 区的元素，促进碳化物和珠光体的形成并使原材料产生偏析， 所以对球墨铸铁的冲击韧性及韧脆转变温度都有非常不利的影响。锰对渗碳体、 珠光体分解的阻碍作用也增加了球墨铸铁退火的难度。在高韧性球墨铸铁中， 每增加o 1 的猛，其韧脆转变温度就会升高1 0 , - , 1 2 。c ，这严重影响材料的冲击 韧性，因此应尽可能的降低材料中锰的含量。锰含量在铸态高韧球铁中应低于 o 4 ，在退火态高韧球铁中应低于o 6 【2 8 】。 硫 硫是反石墨化的元素，为有害杂质，随着金属炉料进入球墨铸铁。硫的含 量对球化效果有很大的影响。硫与镁、稀土有较强的亲和力，因此含硫量过高 会严重的消耗球化剂，造成球化不稳定且易形成m g s 、r e s 等硫化物央渣，严 重影响球墨铸铁的韧性。降低铁液中硫的含量是保证球化处理成功的前提，同 时也是获的高质量球墨铸铁件的基础。但当含量适当的时候，硫可以减少球墨 7 1 绪论 铸铁组织中的碳化物，获得具有数量多且球形好的石墨球，碳化物少、缩孔倾 向小的球墨铸铁件，因此，硫的含量也不宜过低。生产上可以采用炉外脱硫、 使用低硫炉料和燃料等措施来控制硫的含型 斟】。 磷 磷不会影响球化效果，但可以溶解在铁液中，进而降低铁碳合金的共晶含 碳量( 降低的碳量与磷自身含量的1 3 相当) ，是有害的元素【2 9 1 。磷不仅显著 的升高使韧脆转变温度，也强烈的减低球铁的上限冲击功【1 8 2 6 1 。因此，降低铁 液中的磷含量也是生产上获得低温高韧性球墨铸铁的前提条件。当材料中磷的 含量超过了磷的溶解度，就会在球铁铸铁组织中形成磷共晶。磷共晶硬而脆， 并且在组织呈多角状分布于共晶团边界，是球墨铸铁中裂纹的发源地【l3 1 。此外， 磷的加剧球墨铸铁缩松倾向的作用也对韧性有不利的影响。根据我国的生铁情 况，在低温( - 4 0 。c ) 下工作的铸件，其含磷量应小于0 0 7 ，常温下的铸件则 应低于0 1 【划。 镍 镍的晶体结构为面心立方，因其具有较多的滑移面和滑移方向，能够降低 材料中位错运动的阻力，使应力松弛，因而对塑性、韧性有较大的贡献【3 。每 增加1 的镍，韧脆转变温度提高约1 0 ，所以镍可以作为低温球墨铸铁的铁 素体强化元素【1 8 】。镍的加入量每增加0 5 ，铁素体基体球铁的屈服强度可以提 高1 8 m p a 2 8 】。镍可以提高球墨铸铁的强度和冲击韧度，尤其是与钼结合使用时 效果更明显。但镍的价格较高，会提高生产成本。 锌 锌的加入对基本化学成分相近的铸态的铁素体球墨铸铁起到了提高球化级 别、细化石墨球、增加基体中的铁素体及显著增加石墨球数量的作用。锌是活 泼的金属元素，与硫、氧有较强亲和力，具有较强的脱氧、脱硫的作用，减少 了球化元素的消耗，球化级别得以提高；另一方面锌原子与相界面的硫、氧、 氮等化合，进而消弱甚至消除了了这些元素的反石墨化作用，扫清了碳原子向 石墨扩散的道路，促进了石墨化和基体的铁素体化【3 2 1 。锌加入后，球墨铸铁的 组织得到了改善，塑性和韧性得到了明显的提高。 1 2 3 球墨铸铁的耐海水腐蚀性研究 铸铁的腐蚀是指铸铁与其周围的坏境因素以物理和化学的方式发生相互作 8 1 绪论 用，致使铸铁的结构完整性受到破坏的现象。金属浸入导电的溶液后，金属的 表面与溶液的表面会产生电位差，金属表面不同的相、晶界、晶体缺陷以及央 杂、应力等存在电化学不均匀性造成金属材料的腐蚀。铸件的腐蚀失效分为全 面腐蚀和局部腐蚀，全面腐蚀也叫做普遍腐蚀亦或均匀腐蚀，指的是铸件经受 腐蚀的整个表面受到了较均匀的破坏，铸件厚度在宏观上呈现普遍的减薄。 海洋占地球总面积的7 0 9 ，海水是含有多种盐类的天然电解质，常用的金 属和合金如船舶的外壳和螺旋桨、海港码头的金属设施、海上采油及金属设施 等，在海水中的腐蚀都十分严重。我国的海岸线长度超过1 8 万千米，海洋资源 如近海风能等非常丰富。随着能源问题的日益凸显，开发海上风电新能源引起 各国的重视，因此研究和解决风电球墨铸铁件的海水腐蚀问题，对我国甚至对 世界上海洋资源的开发和国民经济的可持续发展都是意义重大的。 海洋环境特定，其腐蚀系统极为复杂，海水是一种非常复杂的溶液，含有 悬浮泥沙、生物、溶解气体、腐烂有机物和多种盐类等物质。海水中含盐浓度 为3 5 9 0 0 ，是一种弱电解质的液体，会对金属材料产生较大的腐蚀【3 3 彤】。海水的 高盐度使其列入天然腐蚀剂中腐蚀性最强的介质之类。 ( 1 ) 球墨铸铁的海水腐蚀机理 海水属于天然的强电解质溶液，有较大的电导率和较小的电阻性阻滞，其 微观电池活性和宏观电池活性也较大，所以球墨铸铁在海水中的腐蚀形式主要 是电化学腐蚀。在海水中，球墨铸铁的阳极钝化比较困难，这是因为大量的c l 离子阻碍了球墨铸铁的阳极钝化【3 6 】。 电化学腐蚀实际上是电池作用。铁素体基体的球墨铸铁中的主要组成相， 即铁素体( f ) 、石墨( g ) 、渗碳体( f e 3 c ) 置于电解质溶液中时，由于它们间 的电极电位互不相同( f ：- 4 4 v f e 3 c ： 3 挣z n1 - 2 1 4 z n1 5 6 图3 1 铸态试样的砑墨形貌 表3 2 铸态试样的干i 墨形貌分析结果 由各个铸态试样的石墨形貌可以看出，石墨的球化良好，球化等级都高于 2 级；单个试样中的石墨球大小及分布都较均匀，石墨大小等级都在6 级以上。 z n 属于弱球化元素，具有提高球化效果的能力。此外，z n 的加入降低了s 对 球化元素的消耗，在一定程度上也提高了球化级别【3 2 】。加入z n 元素后，石墨 球得到了细化，与未合金化试样相比，石墨球的大小增加了一级。z n 含量在 0 3 3 - - - 一1 5 6 范围内变化时，石墨球大小变化不明显，这可能是因为z n 的加 入量超过了其对试样中石墨球大小产生显著影响的范围。 3 2 2 铸态基体组织 3 锌对低温高韧球墨铸铁组织的影响 0 撑未加锌 l 撑z no 3 3 2 j | z n 0 7 9 3 撑z n12l4zn 1 5 6 图3 2 铸态组织 o f 朱加锌 2 拌z n 0 7 9 幽3 3 铸态试样中的珠光体 将铸态下的试样经4 硝酸酒精腐蚀后就得到铸态下的组织，如图3 2 所示， 各成分试样中均未出现渗碳体和磷共晶。 对铸态高韧性球墨铸铁试样组织中的珠光体数量及组织中珠光体形貌( 见 图3 3 ) 参照g b t9 4 4 1 2 0 0 9 进行评定，结果见表3 3 。 2 5 3 锌对低温高韧球墨铸铁组织的影响 表3 3 铸态组织的分析结果 由图3 2 可知，铸态下的低温高韧性球墨铸铁的显微组织都是由球状石墨+ 铁素体+ 少量珠光体组成。金相组织中黑色的圆球状物质为石墨球，白色的块状 物质为铁素体相，铁素体相晶界交汇处暗灰色的物质相为珠光体，其在5 0 0 倍 显微镜下观察，呈现片层状( 如图3 3 所示) 。由于石墨的标准电极电位比基体 的电极电位高，使用4 硝酸酒精溶液腐蚀金相的过程中基体被腐蚀而石墨球没 有被腐蚀，在试样的金相表面上石墨球的会略微高出基体，所以在5 0 0 倍的光 学显微镜下石墨球的成像稍显模糊。 由表3 - 3 的铸态组织分析结果可知，未加z n 的试样中珠光体的含量最多， z n 加入后，试样组织中珠光体的含量明显减少，s i 含量相同时，随着z n 加入 量的增多，组织中珠光体量没有显著的变化。z n 具有细化铸铁组织中珠光体的 作用f 5 5 】，所以含z n 试样组织中珠光体的片间距较小，为细片状珠光体。z n 促 进石墨化，增加基体中铁素体含量的作用是通过其达到一定浓度时与晶界处的 硫、氧、氮等元素作用，减弱或消除这些元素的反石墨化作用而实现的1 5 6 。在 试验中的z n 的合金化范围内，随着z n 加入量的增多，组织中石墨球大小及基 体中的珠光体量没有出现显著变化，这可能是由于分布在晶界处的z n 量是有限 的，由其固溶带来的石墨化作用在其加入量达到某一具体值时不会继续增加。 3 3 热处理及热处理后组织分析 3 3 1 热处理工艺的确定 考虑到低温高韧性球墨铸铁的塑性指标( 延伸率达l8 以上) 、及低温冲击 韧度要求，要求基体组织为接近1 0 0 铁素体基体( 全铁素体或至少9 8 铁素 体) 。为获得上述基体组织，需要对铸态球墨铸铁试样进行石墨化退火。所有的 试样中均未出现渗碳体，因此无需选择高温石墨化两阶段退火来消除渗碳体， 对试样进行低温石墨化退火就足以分解组织中的含量不多的珠光体。综合考虑 试验结果的可比性及材料中各元素的含量及组织中珠光体量，对各个成分的试 2 6 3 锌对低温高韧球墨铸铁组织的影响 样采用统一的低温石墨化退火工艺，具体热处理工艺见图3 4 ，将试块加热到接 近共析的温度7 4 0 。c ，保温4 个小时充分分解珠光体，保温结束后，炉冷到6 0 0 。c 后再空冷到室温，以防止出现回火脆性。 图3 4 低温石墨化退火工艺 3 3 2热处理后的组织分析 l j z n 0 3 3 2 存z n0 7 9 3 撑z n12l4撑zn1 5 6 图3 5 热处理后各试样的组织 将各试样按照图3 4 所设定的工艺进行热处理后，得到各组试样的组织如 图3 5 所示。 2 7 3 锌对低温高韧球墨铸铁组织的影响 碳原子具有沿石墨表面扩散至生长前沿的能力【5 1 7 1 ，各组试样在经历了 7 4 0 保温4 小时炉冷至6 0 0 出炉空冷后，碳原子进行了充分的扩散，石墨球 更加圆整【5 8 1 ，但石墨球尺寸变化并不显著。各试样中石墨球大小等级仍都不小 于6 级，石墨球化等级也在2 级以上，这达到了对低温高韧性球墨铸铁组织的 要求。铁素体球墨铸铁退火时加热到接近共析的温度，铁素体不发生转变，基 体中的碳在退火温度下能够通过扩散聚集于石墨球表面，片状共析渗碳体在足 够的保温时问下分解为铁素体和石墨，析出的石墨通过固态扩散沉积在石墨球 表面【5 9 1 ，这导致了退火后石墨球圆整度的增加。 经热处理后，试样基体组织发生了明显的变化，珠光体消失，基体全部转 化为铁素体，而且可以明显的看到加z n 试样组织中铁素体比不加z n 试样组织 中的铁素体更加细小。s i 是石墨化元素，对渗碳体的分解有很强的促进作用， 将含硅量2 3 的球墨铸铁加热到接近共析温度保温足够的时间，绝大部分 的共析渗碳体就会分解【5 9 1 。所以，热处理后得到了全铁素体基体组织。 3 4 本章小结 按照试验设定的工艺操作制得成分不同的试样共5 个，光谱分析得出各试 样的成分符合试验要求。对各组试样进行石墨球大小、石墨球化等级、珠光体 量及形态进行分析、评定，所得结果如下： ( 1 ) 低温高韧性球墨铸铁铸态下的组织为球状石墨+ 铁素体+ 少量珠光体， 试样中都没有出现自由渗碳体和磷共晶。试样石墨球的大小等级都不小于6 级， 石墨球化等级都在2 级或者以上。z n 的加入细化了石墨球，且与未合金化的球 墨铸铁相比，石墨球大小等级增加了一级。 ( 2 ) 铸态试样中珠光体量在加入z n 后明显减少。铸态未加z n 试样组织 中珠光体量最多，约为1 0 ，加入z n 元素的试样珠光体量相近，为2 4 。 ( 3 ) 试样经热处理后组织中珠光体消失，石墨球大小没有明显变化但更加 圆整，加z n 试样中铁素体与未加z n 试样相比更细小，全部试样在经过低温石 墨化退火后都获得了全铁素体基体组织。 2 8 4 锌对低温高韧性墨铸铁力学性能的影响 4 锌对低温高韧性球墨铸铁力学性能的影响 4 1 锌对低温高韧性球墨铸铁常温力学性能的影响 4 1 1 硬度测试及分析 硬度是表征金属材料软硬程度的一种力学性能指标，其试验设备简单，操 作方便、迅速，同时敏感的反映出金属材料的化学成分和组织结构的差异，被 广泛应用于检查金属材料的性能、热加工工艺的质量或研究金属组织结构的变 化【硎。分别对铸态和热处理后的试样进行布氏硬度测试，每组试样测量五次数 据，硬度取最后的算术平均值。各组试样的布氏硬度测试结果见表4 1 。 表4 1 试样布氏硬度测试结果( h b w ) 0 ( 朱加z n ) l ( z n o 3 3 ) 2 ( z n o 7 9 ) 3 ( z n l 2 1 ) 4 ( z n l 5 6 ) 1 6 5 1 6 4 1 6 7 1 6 3 1 6 8 1 5 8 1 6 2 1 6 1 1 6 0 1 6 4 1 5 8 1 6 0 1 5 3 1 5 5 1 5 4 1 5 6 1 5 2 1 5 8 1 5 3 1 5 6 l6 0 l5 2 l5 6 15 0 15 4 1 6 51 4 1 1 4 5 1 4 4 1