（材料加工工程专业论文）镍对低温高韧性球墨铸铁组织及性能的影响.pdf

所取 体已 已在 根据 或机 可以 或者 或与 保密 摘要 摘要 低温高韧性球墨铸铁作为一种优良的工程材料，在风电设备中的一些关键 零部件如轮毂、底座等方面应用广泛。风电设备恶劣的工况条件对材料的低温 冲击韧性有严格要求，本课题采用镍合金化的方法，在低温高韧性球墨铸铁中 加入0 , - - 1 2 的镍，浇注“y ”型单铸试块并优化材料的热处理工艺，通过金相 组织观察、s e m 扫描及能谱分析、拉伸实验、布氏硬度实验、低温冲击韧性实 验，研究了镍对低温高韧性球墨铸铁的组织和性能的影响规律。 低温高韧性球墨铸铁的铸态组织由石墨、珠光体、铁素体和少量自由渗碳 体组成。镍对石墨球化没有影响，各组成分试样石墨球化等级均在2 级或以上， 石墨球大小等级在6 级或以上。随着镍含量的增加，铸态组织中的珠光体量增 加，铁素体量减少，自由渗碳体量基本不变维持在3 5 。 优化低温高韧性球墨铸铁热处理工艺，得到最佳工艺方案为：9 2 0 高温 4 h + 7 4 0 低温4 h 两阶段石墨化退火。热处理对石墨形貌影响不大，基体中的铁 素体量增多且占到9 8 以上，渗碳体消失，当镍含量超过0 8 8 之后，组织中会 出现少量未分解的珠光体。 材料的抗拉强度、硬度随着试样中镍含量的增加而升高，分别由4 0 3 m p a 升 至4 2 1 m p a 、1 2 7 h b w 升至1 4 6 h b w ；伸长率则先升高后降低，镍含量为0 7 1 时伸长率最高，达到2 7 4 。各拉伸试样断口微观形貌均由大量韧窝组成，呈现 韧性断裂的典型特征。对含n i0 7 1 的热处理态试样组织进行s e m 能谱分析， 发现n i 元素在铁素体基体中均匀分布，强化铁素体基体，并对组织起到微弱的 细化晶粒作用，导致材料抗拉强度、硬度、伸长率随含镍量的增加而升高，但 随着其固溶度不断提高，晶格畸变度增加，导致材料塑性的下降。 低温冲击韧性试验结果表明，镍对低温高韧性球墨铸铁低温冲击韧性影响 不明显。观察冲击试验后试样断口宏观及微观形貌发现，在相同温度下不同镍 含量的试样断口形貌差别不大，断裂机制基本相同。2 0 时冲击断口微观形貌 由大量的韧窝组成，呈现明显的韧性断裂特征；4 0 条件下冲击断口微观形貌 中出现大量河流花样与部分舌状花样，以解理断裂机制为主，发生脆性断裂。 观察组织晶界处聚集的部分异常相并分析其化学成分，发现其中不存在n i ， 多为部分残余渗碳体f e 3 c 、含t i 、p 夹杂物以及一些残余m g 、c a 及c e 等稀土 元素的硫、 冲击断裂过 通过分 织与性能的 转变温度， 添加适量的 从而弥补因 关键词：低 a b s t r a c t a b s t r a c t a sa ne x c e l l e n t t y p eo fe n g i n e e r i n gm a t e r i a l s ，l o w - t e m p e r a t u r eh i g h d u c t i l i t y d u c t i l ei r o nw a sw i d e l yu s e dt op r o d u c ew i n dp o w e re q u i p m e n t ，s u c h 勰w h e e lh u b a n dg e a r b o x b e c a u s eo ft h eh a r s hw o r k i n gc o n d i t i o n s ，t h el o w - t e m p e r a t u r ei m p a c t t o u g h n e s so ft h ee q u i p m e n tm a t e r i a lw a ss t r i c tr e q u i r e d i nt h i sp a p e r , o 1 2 w t n i c k e lw a sa d d e di n t ol o w - t e m p e r a t u r eh i g h - d u c t i l i t yd u c t i l ei r o n , a n dt h e n y m o d e l w a sp o u r e d m o r e o v e r , h e a tt r e a t m e n t p r o c e s s w a s o p t i m i z e d m i c r o s t r u c t u r e o b s e r v a t i o n ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y , s p e c t r u ma n a l y s i s ，t e n s i l es t r e n g t ht e s t ， b r i n e uh a r d n e s st e s ta n dl o w t e m p e r a t u r ei m p a c tt o u g h n e s st e s tw e r e d o n et o r e s e a r c ht h ee f f e c to fn i c k e lo nt h em i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f l o w - t e m p e r a t u r eh i g h - d u c t i l i t yd u c t i l ei r o n t h ea s c a s t o r g a n i z a t i o n o 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 yd u c t i l ei r o nw a s c o n s t i t u t e do fs p h e r o i d a lg r a p h i t e ，p e a r l i t e ，f e r r i t ea n dl i t t l ec e m e n t i t e g r a p h i t e s p h e r o i d i z a t i o nw a sn o ti n f l u e n c e db yn i c k e l t h eg r a p h i t es i z ec l a s so f e a c hs a m p l e w a ss i xd e g r e e0 1 o v e r ，a n dt h es p h e r o i d i z a t i o nc l a s sw a st w od e g r e eo ro v e r f e r r i t e o c c u r r e di nm a t r i xd e c r e a s e si nv a l u ew i t ht h ei n c r e a s eo fn i c k e l ，w h i l ep e a r l i t ew a s j u s to p p o s i t e 1 1 1 ec o n t e n to fc e m e n t i t ew h i c hh a dn or e l a t i o n s h i pw i t hn i c k e lw a s b e t w e e n3 a n d5 1 h eh e a tt r e a t m e n to fl o w - t e m p e r a t u r eh i l g h - d u c t i l i t yd u c t i l ei r o nh a d b e e ns t u d i e d a n dt h eb e s tp r o c e s ss c h e m ew a s9 2 0 。cx4 h + 7 4 0 cx4 ht w o - s t a g eg r a p h i t i z a t i o n a n n e a l i n g m o r p h o l o g yo f t h eg r a p h i t eh a dn oc h a n g e dw i t ha n n e a l i n g t h ec o n t e n to f f e r r i t ew a ss i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e d ，w h i c hr e a c h e d9 8 o ro v e r a n dc e m e n t i t e d i s a p p e a r e d l i t t l en o n d e c o m p o s e dp e a r l i t ea p p e a r e dw h e n t h ec o n t e n to fn i c k e lw a s a b o v e0 8 8 t e n s i l es t r e n g t ha n db r i n e l lh a r d n e s so ft h em a t e r i a lw e r ee n h a n c e dg r a d u a l l yw i t h n i c k e l ，a n dr e s p e c t i v e l yi n c r e a s e df r o m4 0 3 m p at o4 2 1 m p aa n df r o m1 2 7 h b wt o 14 6 h b w b u tt h er e g u l a t i o no fe l o n g a t i o nw a sd i f f e r e n t w i t ht h ei n c r e a s i n go f n i c k e l ，e l o n g a t i o ni m p r o v e di nt h eb e g i n n i n g a f t e r w a r d ，w h e nt h ec o n t e n to fn i c k e l 1 i i a b s t r a c t r e a c h e do 71 ，e l o n g a t i o nw a su pt o2 7 4 a n dt h e ni td r o p p e d t h ct e n s i l ef r a c t u r e m o r p h o l o g yo fe a c hs a m p l ew h i c hw a sm a d eu pw i t hal a r g ea m o u n to fd i m p l e p r e s e n t e dd i m p l em o d e n i c k e lw a sf o u n du n i f o r md i s t r i b u t i o ni nt h ea n n e a l i n gt i s s u e b ys c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p es p e c t r u ma n a l y s i s f e r r i t ew a ss t r e n g t h e n e d ，a n d t h em i c r o s t r u c t u r ew a sa l s or e f i n e dw h i c hl e a dt ot h er i s eo ft e n s i l es t r e n g t h , e x t e n s i b i l i t ya n db r i n e uh a r d n e s s w i t ht h ei n c r e a s e do fs o l i ds o l u b i l i t y , d e g r e eo f p a t t e r nd i s t o r t i o nw a sg r o w i n g ，w h i c hi n d u c e dt h ee x t e n s i b i l i t yf a l l i n gd o w n 1 1 1 er e s u l t so ft h el 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 se x p e r i m e n ts h o w e dt h a te f f e c t o fn i c k e lo nl o w t e m p e r a t u r ei m p a c tt o u g h n e s so ft h em a t e r i a l sw e r eo b s c u r e t h e m a e r o g r a p h ya n dm i c r o s c o p i cv i e wo ft h es a m p l ef r a c t u r eh a db e e na n a l y s i s e d i t s h o w e dt h a tf r a c t u r ep a t t e r n sa n dm e c h a n i s mw e r en e a r l yt h es a m ea m o n gt h e d i f f e r e n tn i c k e lc o n t e n ts a m p l eu n d e rt h es i m i l a rt e m p e r a t u r e n em i c r o s c o p i cv i e w o ft h ef r a c t u r e sw h i c hw e r eu n d e r 一2 0 。cc o n d i t i o nt e s t ，c o n s t i t u t e da l a r g eq u a n t i t yo f d i m p l e , s h a r p l yr e p r e s e n t e dd u c t i l er u p t u r e w 1 l i l e ，t h es a m p l ew h i c hw e r eu n d e r - 4 0 c o n d i t i o nt e s ts h o w e db r i t t l ef r a c t u r e v a s ts c a l eo fr i v e rp a t t e r n sa n ds o m e t o n g u e - s h a p e dp a t t e r n sw e r et u r n e du pi nt h ef r a t u r e af e wa b n o r m a lp h a s e sw h i c ha c c u m u l a t e do nt h eg r a i nb o u n d a r yw e r eo b s e r v e d ， a n dt h e i rc o m p o n e n tw e r ea l s oa n a l y s e d t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h e s ea b n o r m a l p h a s e sw h i c he m b o d i e dr e s i d u a le e r n e n t i t e ( f e 3 c ) ，o c c l u d e df o r e i g ns u b s t a n c ew h i c h c o n t a i n e dt i t a n i u m ( t i ) a n dp h o s p h o r u s ( p ) ，o x y s u l f i d es u l f o x i d ew h i c hc o n t a i n e d r e s i d u a lm a g n e s i u m ( m g ) ，c a l c i u m ( c a ) a n ds o m er a r e e a r t h ( r e ) ，c e r i u m ( c e ) f o r e x a m p l e ，w o u l dh i n d r a n c ed i s l o c a t i o n - s l i p p i n ga n db et h ec h i e fr e a s o nt h a tr e d u c et h e l o w t e m p e r a t u r ei m p a c tt o u g h n e s so f t h em a t e r i a l s 1 1 l ee f f e c tr e g u l a r i t yo fn i c k e lo nm i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f l o w t e m p e r a t u r eh i g h - d u c t i l i t y d u c t i l e i r o nw a sg e n e r a l i z e db ya n a l y s i n gt h e d i s t r i b u t i o na n ds h a p eo fn i c k e li nd u c t i l ei r o n t h ec o n s e q u e n c ei n d i c a t e dt h a tn i c k e l c o u l d n to b v i o u s l yi n f l u e n c et h ed u c t i l e b r i t t l et r a n s i t i o n ( t c ) a d d i n gs u i t a b l ed o s a g e o fn i c k e lc o u l di n t e n s i f yt e n s i l es t r e n g t ha n db r i n e l lh a r d n e s so ft h em a t e r i a lo nt h e p r o m i s eo fs a t i s f i n gt h el o w t e m p e r a t u r ei m p a c tt o u g h n e s s ，t h u sc o m p e n s a t e df o rt h e s i l i c o nd e c l i n e d k e yw o r d s ：l o w t e m p e r a t u r eh i g h - d u c t i l i t yd u c t i l ei r o n ；n i c k e l ；l o w t e m p e r a t u r e i v i m p a c tt o u g h n e s s ；m i c r o s t r u c t u r e ； 目录 目录 摘要。i a b s t r a c t i i i 1 绪论。1 1 1 研究背景1 1 2 低温高韧性球墨铸铁的发展及应用。2 1 2 1 低温高韧性球墨铸铁的发展2 1 2 2 低温高韧性球墨铸铁的应用5 1 3 课题的研究意义6 1 4 研究目标、内容7 1 4 1 研究目标。7 1 4 2 研究内容7 1 5 研究技术路线7 2 试验过程及试验方法。9 2 1 成分设计及原材料的选择9 2 1 1 成分设计：9 2 1 2 原材料的选择1 2 2 2 试样制备1 3 2 2 1 砂型制备。1 3 2 2 2 熔炼及浇注工艺1 4 2 2 3 球化及孕育j 艺1 4 2 2 4 热处理r 艺1 5 2 2 5 切样方案。1 6 2 3 组织观察及分析1 8 2 3 1 金相组织观察。1 8 v i 目录 2 3 2s e m 扫描电镜采集照片1 8 2 3 3s e m 扫描电镜能谱分析1 8 2 4 力学性能检测1 9 2 4 1 抗拉强度与伸长率1 9 2 4 2 布氏硬度1 9 2 4 3 低温冲击韧性2 0 3 镍对低温高韧性球墨铸铁组织的影响2 1 3 1 化学成分分析结果2 l 3 2 铸态组织分析2 l 3 2 1 石墨2 l 3 2 2 基体组织2 2 3 3 热处理工艺方案的确定2 4 3 4 热处理后组织分析2 6 4 镍对低温高韧性球墨铸铁力学性能的影响2 8 4 1 镍对低温高韧性球墨铸铁常温力学性能的影响。2 8 4 1 1 拉伸试验结果及分析。2 8 4 1 2 硬度试验结果及分析3 0 4 2 镍对低温高韧性球墨铸铁低温冲击韧性的影响3 1 4 2 1 低温冲击试验结果及分析3 1 4 2 2 影响低温冲击韧性的因素及解决对策一3 6 5 主要结论3 9 参考文献4 l 致谢4 4 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果4 5 v i i 1 绪论 1 绪论 1 1 研究背景 随着全球经济的发展，煤、石油等化石能源日益稀缺，全球生态环境不断 恶化，开发可再生清洁能源已经成为各国的能源目标。其中，风能作为一种重 要的绿色清洁能源，同时也是最具工业开发潜力的可再生新能源，在新能 源中发展速度最快，年增长量可达3 5 。2 0 0 9 年，全球风电装机总量达到1 5 7 9 干兆瓦，已能满足上亿个家庭，即两亿人的用电需求。 我国风能资源丰富，但是风电产业的发展同国外发达国家相比，起步较晚。 自从2 0 0 5 年国家颁布可再生能源法重点支持发展可再生能源发电以来，风 力发电作为重点扶持产业发展迅速。到2 0 0 9 年，我国累计装机容量己超过2 0 0 0 万千瓦，提前完成了”十一五”规划目标，并且0 9 年新增装机容量占全球新增装 机容量近三分之一。根据这个增速，同时在国家不断加大政策支持力度和对环 境问题日益重视的背景下，我国风电装机将继续保持快速增长，预计至2 0 2 0 年 我国风电累计装机将可以达到2 2 4 9 2 3 m w ，占当时国内电力装机总量的1 4 0 6 。 球墨铸铁作为一种重要的工程材料，凭借其优良的综合力学性能、加工性 能以及制造成本低等优点，在代替铸钢件、某些锻钢件以及其他材料时，无论 从提高使用性能和降低成本等方面都具有其独特的优越性。因此，近几十年来 大型球墨铸铁件的产量不断增加，在风电设备中的一些关键零部件，如轮毂、 底座、齿轮箱体、力矩支撑等方面也得到了广泛的应用【l 】。如下图1 1 所示。 图1 1 风力发电机零部件( 左：轮毂右：底座) 1 绪论 在风电设备成本中，轮毂、底座、齿轮箱体等球墨铸铁件的成本占到 了总成本的2 0 以上。风力发电设备所需的铸件量，平均每1 m w 容量约1 5 吨， 市场开发潜力很大。 但是，风电设备由于其自身结构特点以及恶劣的工况条件等因素的限制， 对铸件材料性能和铸件质量都提出了严格的要求。这是因为：风电装备用球 墨铸铁件具有断面大、轮廓尺寸大、重量大，同时结构复杂，壁厚差异大不均 匀等结构特点；我国的风电设备工况条件十分恶劣，一般安装在高山、荒原、 戈壁、海岛等风口处，经常受变向的、无规律的、变负荷的风力作用以及强阵 风的冲击，风电机起停频繁、受冲击大；对材料低温性能有严格要求。考虑 我国北方地区冬季低温气候条件要求，铸件材质必须确保在低温2 0 甚至 4 0 条件下具有良好的冲击韧性；设备维修期长。由于风电设备往往都架 设在高处运行，不便于经常维修，通常确定的维修期为2 0 年，甚至3 0 年。 随着国内外风力发电迅速发展的需要和对大功率风力发电装备的要求，有 必要对风电装备用低温高韧性球墨铸铁进行系统深入的研究。 1 2 低温高韧性球墨铸铁的发展及应用 1 2 1 低温高韧性球墨铸铁的发展 球墨铸铁是指铁液经过球化处理，使石墨大部分或全部呈球状的铸铁。球 墨铸铁于1 9 4 7 年由英国人h m o r r o g h 发明，它的诞生使铸铁材料的性能产生了 质的飞跃，因此在国内外都发展得很快。1 9 4 9 年全世界球墨铸铁产量是5 万吨， 到2 0 0 0 年则已达到1 5 0 0 万吨，且随着时间的推移，全世界的球墨铸铁产量还 将继续增长。球墨铸铁的生产发展速度在工业发达国家特别快，特别是美、日、 德、意、英、法等六国。 我国球墨铸铁生产起步很早，1 9 5 0 年已研制成功并投入生产，是世界上较 早生产、应用球铁的国家之一，但直到1 9 9 2 年以后才真正进入了注重球铁品质 的快速增长期。随着我国改革开放和国民经济的快速发展，球墨铸铁的质量也 得到不断地提高，生产品种、应用范围扩大，产量迅速增加。球墨铸铁的一些 特殊性能如强韧性、疲劳强度、低温冲击韧性以及质量稳定性等都在不断地得 到改善，能够提供优质稳定球铁铸件厂不断增多。自2 0 0 0 年以后我国的球铁产 量连续多年位于世界第一，2 0 0 7 年球墨铸铁产量达到7 6 9 8 万吨，约占当年世 2 l 绪论 界球铁产量的1 3 ，成为球墨铸铁产量最多的国家【2 】。球墨铸铁在汽车、机车及 车辆、纺织机械、机床、农业机械、动力机械、通用机械、冶金机械、城市工 程机械及配件、铸铁管等生产中获得了广泛的应用【3 】。 随着球铁质量的不断提高，以及考虑到与国际接轨等因素，我国球铁牌号 的国家标准也不断在进行修订更新，2 0 0 9 年新颁布并开始推广应用的球墨铸铁 牌号标准g b t 1 3 4 8 2 0 0 9 4 】规定了1 4 种球墨铸铁牌号，按照组织的不同要求可 将球墨铸铁分为铁素体球墨铸铁、珠光体球墨铸铁、混合基体型球墨铸铁以及 等温淬火球墨铸铁( 奥氏体贝氏体球墨铸铁) 四大类。在国内球墨铸铁的生产中， 铁素体基体球铁约占6 0 ，珠光体基体球铁约占1 5 ，铁素体珠光体混合基体 的球铁约占2 0 ，其它基体球铁约占5 ，奥氏体基体球铁( a d i ) 占1 2 【5 j 。其 中，铸态铁素体球铁由于具有良好的力学性能和铸造性能，在整个铸件生产选 材中占据优势地位。由于铁素体组织塑韧性要高于珠光体，因此铁素体球铁又 被称为高韧性球墨铸铁。 与结构钢材【6 j 相同，随着温度的降低，球墨铸铁的屈服强度( ) 、极限强度 ( ) 、弹性模量( e ) 上升，塑性下降，在温度降低至一定程度时，韧性急剧下 降，在很小的温度范围内，破坏形态由韧性破坏转向脆性破坏。因而使得普通 球墨铸铁在应用于低温条件下承受动载荷的工件方面受到一定制约。考虑到风 电用球墨铸铁件恶劣的工况条件，生产风电设备铸件须选用低温高韧性球墨铸 铁。而长期以来，我国对球墨铸铁的低温特性没有受到足够重视，对其研究较 少。西方发达国家对球墨铸铁的低温性能研究较早，成功开发了相应牌号的低 温球墨铸铁，并制订相关的行业标准。近年来，随着我国机车车辆、汽车工业 以及风电产业的快速发展，球墨铸铁的低温特性越来越引起人们的关注。为了 使材料的冲击韧性能敏感反映出材料内部因素的微小变化，将试样加工成“v 型缺口使材料处于韧脆过渡的半脆性状态进行试验。缺口试样承受单向应力后 在缺口附近造成应力和应变集中，形成三向不等应力状态，使塑性变形得不到 充分发展，缺口是促使材料脆化的形状因素。经过长期的实践证明，现用的“v 型缺口形状可以满足半脆性状态的要求。下表1 1 所示为“v 型缺口单铸试样 冲击功标准【4 1 。 3 i 绪论 表1 1 低温高韧性球墨铸铁牌号及力学性能( 单铸试样) 由于我国地域辽阔，纬度跨度很大，寒冷地区冬季的极端温度达到4 0 以 下，而低温高韧性球墨铸铁件往往都在这类恶劣的条件下工作，这使得材料不 仅要有较高的常温性能，而且要有良好的低温抗冲击性能，以避免在低温环境 下运行时发生脆性断裂。因此，低温冲击韧性是影响机件在低温条件下安全服 役的重要性能，必须严格控制。而影响材料低温冲击韧性的因素主要有以下四 个方面： ( 1 ) 晶体结构 金属的晶格结构对材料在低温下的冲击性能有重大影响。最简单最典型的 晶格结构有面心立方点阵、体心立方点阵和密排六方结构。具有面心立方晶体 结构的金属和合金，在低温下一般不会失去韧性，发生从韧性状态到脆性状态 的转变。具有体心立方晶格结构的金属和合金，在低温下往往具有冷脆性，这 是因为铁素体在低温区域内存在着脆性转变温度( 在低温下韧性几乎会产生垂 直下降) ，这个温度直接决定铁素体基体球墨铸铁件在低温下的使用范围【7 】。 ( 2 ) 合金元素及杂质的影响 铁素体基体材料的低温冲击性能可以通过合金化的方法来改善。例如在铁 素体不锈钢中加入适量的镍或锰等可形成置换固溶体的元素，能显著地降低冷 脆转变温度，提高材料qk 值。材料组织中若存在晶间夹杂物的偏析( 如s 、p 、 p b 、s n 、a s 等) ，会使其位错运动受阻，大大降低材料的塑性及韧性。 ( 3 ) 晶粒大小的影响 晶界总表面积增大，晶界上杂质偏析浓度下降，对材料塑韧性的有害影响 4 1 绪论 减少，脆性转变温度则可能会降低。由于晶粒大小与晶界总表面积成反比，故 细化晶粒可提高材料的塑性，并降低冷脆转变温度。如下图1 2 所示，铁素体晶 粒大小和韧脆性转变温度t c 之间呈线性关系。根据h a l l p e t c h 关系式，可以推 导出韧脆转变温度t c 与晶粒尺寸d 的关系：t c 。1 = a + b d 2 ，细化晶粒是降低冷 脆转变温度的有效措施之一。 菇，室参静m 幽 基 鬣 蒌 瓮 a 溅赫黻 图1 2 铁素体晶粒尺寸与韧一脆性转变温度t 。的关系6 1 ( 4 ) 金属强度等级的影响 金属的固溶强化、析出强化和形变强化可以提高材料强度指标os 、0b ，但 与此同时这些强化方式都会不同程度地增加材料的冷脆倾向，提高韧脆转变温 度t c 。 综上所述，低温冲击韧性实质上是指材料在外力作用下抗脆性破坏，抵抗 裂纹萌生及扩展的能力r 7 1 。铁素体球墨铸铁材料的脆性破坏是在低温低负荷下发 生的，缺陷和低温是发生脆性破坏的必要条件。而材料本身的化学组成、晶格 结构、杂质浓度、应力集中及加工情况等，均是影响脆性破坏的重要因素【8 1 。 1 2 2 低温高韧性球墨铸铁的应用 低温高韧性球墨铸铁主要应用于低温气候条件下运行的机车及车辆结构 件，远洋集装箱锁具和磁悬浮列车轨道梁连接件，寒冷地区石油、天然气工业 及配套的存储运输等工程配件以及近几年快速发展的风机铸州9 1 等。 5 1 绪论 ( 1 ) 铁路机车的曲轴箱体 经济的快速发展，促进了我国铁路的现代化建设，高速铁路建设工作已全 面展开。“十一五 期间，我国将加快发展铁路运输，铁路货车重载、提速已经 迫在眉睫。减轻车辆自重、提高承重能力和使用寿命是实现铁路运输提速与重 载的重要手段，这就要求未来铁路机车车辆用金属材料应主要采用高强度耐候 材料。目前铁路车辆用材料普遍采用的主要是耐候铸钢，其已经远不能满足铁 路快速发展的要求。目前国内外钢铁行业正在发展新一代钢铁材料尤其是球墨 铸铁作为铁道车辆用金属材料，充分利用其比铸钢更好的吸震性、高耐蚀性、 冷加工性能及其使用寿命长的特点，挖掘球墨铸铁的性能潜力i 增大火车机车 曲轴箱体等结构件的承载能力，保证铁路机车的安全性，降低成本【1 0 1 。 ( 2 ) 远洋集装箱锁具 远洋集装箱船常年航行于北冰洋，对所需锁具不但要求具备较高的强度、 塑性而且特别要求良好的低温冲击性能，以免在低温下航行时由于船舶颠簸引 起锁具剪切脆蝌。由于低温高韧性球墨铸铁具有优良的常温力学性能及低温 冲击性能，吸震性优越、制造成本低，被广泛地用来生产远洋集装箱锁具。 1 3 课题的研究意义 ( 1 ) 通过分析镍对低温高韧性球墨铸铁组织及性能的影响规律，优化镍加入 量，制定了风电装备用低温高韧性球墨铸铁件的成分规范，满足实际生产需求。 ( 2 ) 论证了利用镍合金化提高低温高韧性球墨铸铁低温冲击韧度方案的可 行性，分析影响材料低温冲击韧度的主要因素及解决对策。 在本课题的方案制定过程中，通过查阅国内外大量文献资料，发现一直以 来关于在球墨铸铁中加镍的研究都存在较大的争议【1 2 1 3 1 。这些争论的焦点主要 是针对镍是否可以降低铁素体基体球墨铸铁的韧脆转变温度t c ，大幅提高材料 的低温冲击韧性【1 4 , 1 5 】。本课题为了能够澄清这一问题，在合理设计低温高韧性球 墨铸铁化学成分的基础上，加入肚1 2 的镍，选用合适的球化孕育工艺并优化 材料热处理工艺，研究了镍对低温高韧性球墨铸铁组织及性能的影响规律。 ( 3 ) 本课题具有广泛的推广应用价值。 本课题虽然主要针对风力发电装备用低温高韧性球墨铸铁的研究，但鉴于 目前低温高韧性球墨铸铁在铁路机车结构件、汽车结构件，远洋集装箱锁具和 6 1 绪论 磁悬浮列车轨道梁连接件，寒冷地区石油、天然气工业及配套的存储运输工程 等方面的大量使用以及其未来良好的应用前景，因此，本课题的研究具有广泛 的推广应用价值。 1 4 研究目标、内容 1 4 1 研究目标 通过优化试样中的n i 含量及热处理工艺，使低温高韧性球墨铸铁材料的组 织及力学性能达到以下要求： ( 1 ) 组织 铁素体含量大于9 8 ； 石墨球化等级达到3 级以上，石墨球大小等级达到5 级以上； 渗碳体和磷共晶含量 ，4 0 0 m p a 、伸长率6 2 2 、硬度h b w 飞 5 m m ，必须 无锈蚀、油漆、油污以及焊缝等； ( 3 ) 增碳剂：选用微硫增碳剂，其成分要求固定碳量 9 8 ，硫份 0 0 3 ，灰份0 2 ，挥发份o 2 ，粒度在2 6 m m 【3 6 】； ( 4 ) 球化剂：球化剂包括镁硅系合金、钙系合金，镍镁系合金、纯镁合金、 稀土合金，目前应用最广泛的是稀土镁硅铁合金【3 7 】。为保证材料中残余m g 和 r e 的适当比例，根据以往熔炼过程中的元素吸收率，根据国家标准g b t 4 1 3 8 9 3 成分要求选用牌号为f e s i m 9 8 r e 3 球化剂，加人量为1 6 ，粒度要求为1 3 r a m 。 ( 5 ) 孕育剂：选择孕育作用时间长的孕育剂如含b a 剂、含石墨的孕育剂或 1 2 2 试验过程及试验方法 在孕育剂中适当地添加r e s i f e t 3 8 】，同时还可以充分发挥不同元素的孕育作用， 孕育剂总加入量为1 3 ，其中f e s i 7 5 硅铁占1 o 、硅钡为0 3 t 3 9 1 。钡的衰退 时间比硅要长，虽然不及s r 、y ，但有很强的形核能力，可显著增加石墨球数， 细化晶粒，改善石墨形态，含b a 孕育剂熔点低，易被吸收，处理时浮渣少，而 且b a 还可有效促进铁素体的形成，但加入量过多，组织中的铁素体含量反而减 少，这可能与b a 对c 、s i 元素扩散有严重的阻碍作用有关【柏1 。 ( 6 ) 镍：选用含镍为9 9 的电解镍板。 本试验的配料方案如下表2 2 所示。 表2 2 配料方案 生铁 废钢 增碳剂 硅铁 孕育剂 硅钡 球化剂4 4 6 4 2 9 3 5 7 l 1 3 2 l o 3 1 6 9 5 o 1 8 4 o 1 4 0 0 4 2 o 2 2 4 2 2 试样制备 2 2 1 砂型制备 由于树脂砂造型时砂粒之间树脂膜的存在及浇注时树脂的燃烧，使得树脂 砂的热导率要远低于粘土砂，保温效果好，促进凝固时共析反应相变按稳定系 转变，更有利于防止渗碳体的出现、促进铁素体的形成。同时，树脂砂良好的 退让性使得铸件残余应力小，无需进行人工时效热处理【4 1 1 。因此，选用呋喃树 脂砂造型，混制配方为树脂是砂子的0 6 , - 0 8 ，固化剂为树脂的5 0 。 根据g b t1 3 4 8 2 0 0 9 要求浇铸y 型单铸试块，依据单铸试块的尺寸及标准 中关于最小吃砂量为4 0 m m 的要求，设计砂型的尺寸如下图2 2 所示。 1 3 舫 哪 舛 m 2 6 叱 - - ：2 3 d 研 吣 踟 ” 2 眵 记 们 吣 2 试验过程及试验方法 图2 2 砂型尺寸( 单位：i l u l l ) 2 2 2 熔炼及浇注工艺 采用1 0 0 k w 中频感应炉熔炼，添加合金元素须在球化、孕育处理前7 - 1 0 m i n 加入炉内。熔炼前须对原材料进行烘干，熔炼时注意加料顺序，大块废钢放在 炉底，周围用小块料填实，这样有利于提高初始送电功率，缩短熔化的时间。 当送电功率达到1 5 2 0 k w 时，再加入大块生铁及其它原料。加料的顺序为：废 钢、生铁，熔清后再加入电解镍。 铁水出炉温度控制在1 4 8 0 1 5 2 0 ，浇注温度为1 3 4 0 1 3 8 0 c 。浇注前要 扒净浮渣，浇注要平稳、连续、迅速。为防止球化衰退及孕育衰退，每包铁液 浇注时间不超过2 分钟。 2 2 3 球化及孕育工艺 采用冲入法球化处理工艺，球化温度控制在1 4 8 0 , - - - 1 5 2 0 。这是因为过高 的球化温度会增加球化剂的熔炼损耗，温度过低则不利于球化剂熔解、吸收， 更不利于浇注充型。进行球化处理时，先出铁2 3 左右，待球化反应结束后，立 即扒渣，补加剩余铁液。 良好的孕育有利于消除碳化物，增加石墨数量及圆整度并细化石墨，同时 使共晶团细化，减小共晶团间的偏析程度，提高铸铁的塑性和韧性【4 2 1 。为强化 孕育效果，本课题在试验过程中采用包内+ 随流孕育相结合的孕育工艺：其中包 内孕育量为1 1 5 。1 2 ，方法为将孕育剂覆盖在球化剂上面，其粒度要求为 2 ，4 m m ；随流孕育量为0 1 0 1 5 ，颗粒度为o 8 5 0 4 2 5 m m ，要求合金不得有 1 4 2 试验过程及试验方法 粉化【4 3 】。 2 2 4 热处理工艺 考虑到“y 型试块壁厚较小，冷却速度快，铸态下球墨铸铁组织中可能会 出现自由渗碳体或者铁素体量不达标，这时就需要对材料进行退火处理。根据 对铸态下组织观察的结果，制定不同的退火工艺方案，并优化出最优方案。 ( 1 ) 退火的目的：基体组织的改变：降低组织中的珠光体量，提高铁素体 量并使其达到9 8 以上；消除组织中存在的渗碳体、磷共晶( 如果存在) 【删； ( 2 ) 退火工艺的选择： 表2 3 球墨铸铁两种石墨化退火工艺区别 铸态球墨铸铁组织中的渗碳体的体积分 条件 数大于等与3 、磷共晶的体积分数大 于等于l 或出现三元及复合磷共晶。 高温阶段消除渗碳体、三元或复合磷共 作用 晶；低温阶段奥氏体a 一铁素体f 。 铸态组织中渗碳体的体积分数小于 3 ，无三元或复合磷共晶，铁素体 的体积分数小于9 8 的目标。 使珠光体p 一铁素体f + 石墨g ，改 善材料塑性和冲击韧度 球墨铸铁的退火工艺包括高温两阶段石墨化退火和低温石墨化退火两种 【1 。二者的区别如上表2 3 所示，工艺如下图2 3 所示。 低温石墨化退火丁艺