球墨铸铁件-50℃低温冲击的研究.doc

-50低温冲击球墨铸铁件的研究与应用摘要：随着球墨铸铁的快速发展，以及优越的物理性能和良好的经济效率，其应用变得极其广泛。目前在一些领域也逐步取代钢，尤其在风电产品行业，全部采用球铁件。QT400-18在风电产品中应用非常普遍，随着风力发电的快速发展，使用环境也会变得广泛，未来较低温度下使用也成可能。-50低温冲击的球墨铸铁的研究，在确保力学性能Rm400Mpa和18的同时，-50低温冲击韧性平均值大于12J。该材料的成功开发，将会使QT400-18风电产品的应用范围越来越来广泛，同时推动我公司对球铁材料的研发能力，为企业带来广泛的市场环境。关键词：球磨铸铁、低温冲击、退火1 前言低温冲击球墨铸铁材料由于在低温下良好的冲击性能, 不但在风力发电领域应用颇广, 在其他机电领域也有较广泛的应用。西门子轨道交通机车用定子架产品为低温冲击球铁材料, 属于典型薄壁球铁壳体类铸件, 其铸件尺寸精度、重量、内部质量要求都非常高, 在铸造工艺方面存在一定难度，现今要求达到-40。对于低温要求球铁件的不断提高，未来更低温度要求的产品将会需要的，在以后-50低温冲击产品的研究，不论是风电球铁件或是其他机电领域都会有需求。材料规范要求-50达到QT400-18性能。-50冲击韧性是材料生产难点, 如何对成分控制及其他合金元素的加入的调整, 使该材料在铸态或退火条件下达到规范要球，是研究此材料的重点内容。2 材料说明球墨铸铁风电件要有良好的低温冲击，必须从成分上作调整。对于-50低温韧性材料，要求是低Si、Mn、P的铁素体基体为主（95%）的球铁，并且石墨球圆整，石墨等级高。然而低Si、Mn的铁素体球铁，其强度比较低。3 化学成分及控制3.1 碳含量 球墨铸铁件的碳含量比较高，过高的碳含量，其延伸率会降低。在球铁生产中正常碳含量范围内，低温冲击值基本不受影响。而较高的含碳量可以增加金属的流动性，一定石墨化膨胀减少收缩缺陷。所以碳含量控制在3.4%3.7%。3.2 Si含量硅一种强化铁素体的基体的元素，由于硅能固溶于Fe中阻碍了铁原子和碳原子之间的化合，同时促进石墨析出，从而有利于获得铁素体组织。对于-50低温冲击球铁件，基体要为全铁素体组织，所以需要一定含量的硅，但是当Si含量高时，会提高低温转变温度。根据满足需求，控制硅的含量在1.9%2.30%之间。3.3 锰含量锰可以稳定奥氏体区，促进碳化物的形成，在共析转变过程，降低共析转变的温度，起稳定和细化珠光体的作用。溶入奥氏体中的锰有强烈偏析的倾向，引起网状碳化物、黑色网状组织、白区德形成，这些在晶界上形成的物质严重降低低温韧性。碳化物、偏析是影响球铁低温转变温度的主要因素，锰每增加0.1%，脆性转变温度大约提高1012。所以锰要越低越好，小于0.28%。3.4 磷含量 球铁中，由于其他成分的影响，磷的溶解度很小，当含磷量超过一定值时，磷将以磷共晶形态析出。由于成分、冷却速度、偏析等原因，球铁中的很容易形成磷共晶。由于磷共晶熔点较低，在凝固时富集于共晶团边界处最后凝固，沿晶界析出。严重时形成网状或断续网状，较严重降低球铁的韧性和塑性，降低低温冲击性能，所以磷要尽可能低。针对我公司生产的球铁件，磷的含量没法进一步降低，其含量低于0.04%。3.5 镍含量 考虑-50低温冲击性能，球铁件得需采用退火消除偏析、渗碳体和一定的珠光体，退火工艺为920高温铁素体退火工艺或920720的两阶退火工艺。为了补偿铸件低Si下的强度，得加入一定的镍，通过退火可以得到完整的铁素体组织。并且它不影响延伸率，还降低脆性转变温度，且在共晶团内分布均匀，不会因偏析而使共晶团边界脆化。镍的加入量控制在0.2%0.8%范围内。4 试验结果与分析4.1 试验方法4.1.1 冲击性能的验证（1）-40低温冲击试验 针对我公司做的西门子高速铁路使用的电机壳，要求-40冲击性能。刚开始想在铸态条件下实现，所以把Si、Mn调到很低，结果其强度不够。为了增加强度，加入了0.250.60的镍，但是这样一来，珠光体含量增加了，致使冲击性能不合格。还有此件产品为一个薄壁件，壁厚度非常不均匀。就算试块性能合格了，但是铸件性能很难得以保证，所以我们在产品不同部位切割做-40低温冲击，发现有的部位性能合格，而有的不合格，并且发现其珠光体含量较大，最后决定通过退火实现-40低温冲击。所以对于-50需经过退火获得。（2）-50低温冲击的探索球墨铸件-50的冲击性能要求要达到-20的要求，先来验证冲击值的可行性。如图表一：序列号退火工艺化学成分-50冲击CSiMnP123平均1920-730退火3.572.210.2800.026101412122920-730退火3.572.210.2040.031141314143920-730退火3.801.980.1400.023151514154920退火3.742.410.1890.028121110115920退火3.522.020.1100.025151514156720退火3.522.020.1100.02599997720退火3.452.010.1260.03012101111在经过退火的条件下，-50低温冲击性能是可以实现的，并且Si和Mn在较大范围内性能都可以达到要求。4.1.2 退火工艺的选择 从图表一可知，采用低温退火的性能不达标。所以退火工艺不能用低温石墨化退火，必须采用高温退火工艺。 （1）920720两阶退火工艺如图4.1所示。高温阶段消除存在的渗碳体和磷共晶，保温时间2-4小时，低温阶段由奥氏体转变为铁素体，最终可获得全铁素体的基体组织，使得低温冲击值增大、延伸率提高，但是同时降低一定的强度。温度9202-4h炉 冷720炉2-4h冷600时间/h空冷图 4.1试验结果： 序列号化学成分机械性能-50冲击CSiMnPNib(MPa)0.2(MPa)(%)HB123平均13.572.210.2040.031-406280201381413141423.482.240.2070.023-404270211351314151433.522.020.1100.0250.500413275181401514141443.722.040.1860.026-3892552412715141515从结果看，经过两阶退火的强度确实较低，有的甚至低于400MP。冲击值都合格，1、2两组Si、Mn含量相对要高，且没加镍元素，各项性能都符合要求，所以在不加Ni的前提下也可经退火实现-50低温冲击。3加镍后在Si、Mn较低的情况下，退火后强度符合要求，比1、2的强度稍高一些。（2）920高温铁素体退火工艺温度把铸件加热到920后，保温一定时间后，随炉冷直接降到600，然后取出空冷。如图4.2所示。9202-4h 炉 冷 600时间/h空冷图 4.2试验结果：序列号化学成分机械性能-50冲击CSiMnPNib(MPa)0.2(MPa)(%)HB123平均13.712.190.2040.027-403265201401313141323.522.020.1100.0250.254042802