高韧性球墨铸铁特点及韧性控制因素

专题综述脏诳州低温高韧性球墨铸铁特点及韧性控制因素G：厦门兴才职业技术学院，福建厦门市361024：2合肥工业大学，合肥230009)摘要：低温高韧性球墨铸铁的需求日益增长，然而其生产技术及质量控制有较大难度。本文主要内容：低温高韧性球墨铸铁的性能特点及相关标准，低温断裂的特征及其表征方法，组织及主要成分对其冲击性能的影响规律等。关键词：球墨铸铁，低温冲击功，显微组织，化学成分中图分类号：文献标识码：A；文章编号：10069658(2009)065Gas we|f G温高韧性球墨铸铁的需求日益增长。低温高韧性球墨铸铁主要用于寒冷地区重要设备的部件，比如，风电的变速箱、轮毂、底座等，铁路及地铁配件，机车及车辆配件，石油及石化设备的配件。国内众多铸造企业，对低温高韧性球墨铸铁的需求已经十分了解，甚至拿到这类材料产品的定单。“然而，由于低温高韧性球墨铸铁的生产难度相当大，特别对其成分控制、冶金质量、球化及孕育工艺、热处理工艺、组织控制等方面有严格要求，才能得到符合性能要求的产品。一些企业面对偌大的市场及诱人的利润，却苦于没有掌握其生产技术关键，而坐失良机。本文作者在与有关企业合作解决低温高韧性球墨铸铁生产技术的实践中有诸多感悟，并通过查阅国外相关文献资料，对其特点和生产控制因素有了收稿日期：2009一07一13文章编号：2009一093作者简介：吴金寿(1957一)，男工程师长期在基层企业从事专业技术和管理工作通讯作者简介：祖方道(195“)男，汉族安徽巢湖人。工学硕士，理学博士1996一1997年曾以高级访问学者身份在德国亚琛工业大学从事合作研究。合肥【业大学教授博士生导师，国务院政府特殊津贴专家。主要研究方向：铸造合金，凝固科学与技术，液态金属结构与性质009较为全面的了解。这里将低温高韧性球墨铸铁相关知识内容予以整理归纳，与企业界及其他感兴趣的同行分享，以供在生产或研发中参考。低温高韧性球墨铸铁的相关标准与牌号低温条件下服役的高韧性球墨铸铁，在欧洲标准及日本相应标准中有专门的牌号，表563：1997及其相应牌号，对应的日本标准表1 据欧洲标准5631997)最小冲击功，(一加l2) (402)cc“试 3试样 单试符号 牌号平均值 样值 平均值 样值N2 9N2 9f60 12 950_22U(20010 730a60 12 940UN00 10 7注：符号中带他为单铸试棒的。万方数据为 5502：1995的牌号50221分别给出了2U2给出了其对应的常规力学性能的要求。需要强调的是，在欧洲标准997中，既规定了冲击功平均值的最低要求，又规定了其中最低冲击功的单个试验值的要求，这一点生产商及中间商均须注意。表2对应的常规力学性能欧洲标准563：1997由分体浇注试棒机械加工所得试样测得的常温力学性能材料名称 抗拉强度 O2屈服强度 伸长率相对壁厚(最低) (最低) (最低)t号N圮d(N咖2) ()I30 350 220 22N30f60 330 210 1822U200 320 200 1530 400 240 18O 0t60 390 230 1518U00 370 220 12除欧洲及日本标准外，其他国外标准中没有对于低温条件下球墨铸铁的专门牌号，采用通常的对应牌号，而对低温冲击功的要求，做附加相应规定，或根据定货及生产要求商定，比如，对应于欧洲标准中的牌号国标准、美国标准 536中的牌号60国标准789中的牌号70，17、法国标准01中的牌号大利标准007中的牌号7017。需特别指出的是，虽然国内3481988球墨铸铁标准中有标准中也有一20温度冲击韧性的相应参考值，但通常生产条件下，在常温力学性能完全满足温抗冲击性能却往往远低于表此，我们有必要了解球墨铸铁低温条件下断裂的特点。12球墨铸铁低温断裂的特征及其表征类似大多数铁基合金，球墨铸铁的断裂行为受其成分、组织、温度、应变速率以及应力状态等因素的影响低温受载条件下，球墨铸铁由于解理裂纹的形成而发生脆性破坏，出现光亮的具有刻面的断口特征。因为这类断裂几乎无塑性形变，导致吸收很低的能量而韧性很低。随着温度的提高，材料的破2坏伴随着塑性形变，其断裂面呈暗灰色特征，断裂过程将吸收较高的能量，意味着具有高的断裂韧性。铁基材料的断裂破坏一贯以其断口特征及吸收能量来表征，并借助引征由脆性到塑性的行为(如图除这一塑一脆转变区域的上限韧性(冲击功)也是低温下使用材料的重要参数。材料的塑一脆转变温度及上限冲击功受很多因素影响。夏氏冲击试验(年来用于球墨铸铁的脆一塑转变温度及断裂冲击功的测试，而且已经积累了大量的球墨铸铁夏氏冲击功的数据|2I。夏氏冲击试验是一种动力学实验方法，以下落摆锤冲断预制缺口或无缺口的试样来获得冲击功(A。J)或冲击韧度(，试样是否预开缺口(铁素体球墨铸铁的冲击断裂行为的影响，在图一缺口底部形成复杂三轴应力并增加应变速率，图1中可见，使脆一塑转变温度提高70(110下)，并降低上限冲击功70左右。除了标准夏氏冲击试验以外，由于断裂力学的发展，材料韧性的测试还出现了其他更为科学的测试方法。比如，改进型夏氏冲击试验，在缺口低部预制微裂纹并加工出凹槽，使裂纹扩展的初期形成平面应变状态，604的得399的断裂韧性实验(获得但标准夏氏冲击试验目前仍然是球墨铸铁韧性测试的最常见方法，比如前述欧洲标准及日本标准中冲击功均是以标准夏氏冲击试验为依据的。鲁蠢柑量测试温度，一160120一8040 O 40无缺 试样 ，一H 制缺口试 样 ，一一 一200 100 0 100测试温度，F)图l =18+32，355J，编者注，下同)0()9f，尽啊是卯巧，762阳加韧性高低受生产过程中多方面因素的影响，包括材料的主要成分及微量元素，造型工艺，熔炼、球化与孕育处理等工艺因素，以及热处理制度等，这些因素决定了其最终组织及性能。下面主要就组织因素及成分因素对球墨铸铁韧性的作用规律做概要归纳。21组织对球铁冲击性能的影响规律球墨铸铁的冲击性能包括塑一脆转变温度(上限冲击功、塑一脆转变区域的冲击功一温度行为等【4】。因此，要掌握球墨铸铁的冲击性能，仅仅知道单一特定温度下的冲击功数据是不全面的，如果测定温度处于塑一脆转变区域，温度稍有变化即可出现冲击功的较大变化，使用上会带来较大的盲目性。这一点对于生产者进行低温球墨铸铁的质量控制也是值得关注和考虑的问题。首先，球墨铸铁的基体组织对其冲击性能有非常显著的影响。如图2所示，退火铁素体基体的球墨铸铁具有最低的塑一脆转变温度以及最好的上限冲击功。随着珠光体比例的增加，这两方面的冲击性能都会随之变差。所以，保证球墨铸铁为全铁索体基体，是低温高韧性球墨铸铁的基本前提。20j15雷怊量一。一20 O 20 40 60 80 100 120枷 0 40 80 120 40测试温度，下3025唇20柑量15缸蹦拉强度在414退火或亚临界退火的铁素体球是铸铁，往往对缺口韧性及低温抗冲击要求高的情况是值得推荐的【l5】。这类球墨铸铁0，取决于成分、热处理工艺及石墨球尺寸及球化率的影响；其上限冲击功通常在1624 得到很好的低温冲击性能，即使在铸态下获得很高的铁素体比率，往往也需要辅以合适的退火工艺，这一点在欧美也为业界所共识。除了基体组织以外，球墨铸铁的石墨球化率及球数对冲击性能影响也十分显著，其效果及规律见009图3及图4。石墨球数在碳量一定的情况下实际反映了石墨球的尺寸大小。要获得高球化率及细小的石墨球，球化处理及孕育工艺必须严格控制，同时注意原材料微量元素含量的限制，特别对反球化及干扰元素。温度，下毒蚤柑量皿峨温度，图3球铁球化率对其0 0 +20+40+60+80穹雷柑量鲁雷柑量图4球墨铸铁石墨球数对其球墨铸铁成分对冲击性能的影响在工艺一定的情况下，球墨铸铁的成分对组织会产生决定性的作用【5时影响退火铁素体球墨铸铁的断裂行为。下面就C、：5l。如图5所示，上限冲击功随球墨铸铁原因在于，在其温度区域，球墨铸铁断裂的发生，是通过石墨球上形成空位及其聚集生长而进行的。因此，而空位生长及聚集过程的塑性形变降低，导致断裂过程塑性形变能的减小，表现为上限冲击功的下降。但是，而影响低温冲击功。硅：于强烈地推高塑一脆转变温度图6所示。此外，一，可从图73二86442。蕾宿量戗腻温度，下皇雷冉量出耐温厦，图5球墨铸铁含图中明湿的河流花样、舌状花样等特征表明，提高发生脆性断裂。因此，为了获得优越的低温韧性，需要尽可能降低球墨铸铁毡|0j|：量一5UU +U+OU+图6球墨铸铁含低了成功地使球罨铸铁获得铸态无碳化物、全铁素体基体，需要降低原材料中促进珠光体及碳化物的元素，控制熔炼及球化处理工艺，并进行高效孕育处理以强化石墨形成能力、增加石墨球数。低铁素体球墨铸铁的抗拉及屈服强度，可以配合添加对铁素体形成无害的强化元素(如以满足其强度需求。考虑到其他4成分：余类似韧窝+解理因素，特别是微观组织的控制，低温球铁的终锰：与在灰铸铁中不同，而由于其严重的偏析倾向，并引起基体中碳化物形成和增加珠光体，对韧性十分不利，尤其对低温球墨铸铁的冲击功有严重的损害156I。此外，以，低温高韧性球墨铸铁需限制产中可以通过高纯或低锰生铁的稀释作用降低最终减弱制珠光体基体及碳化物的形成。磷：如图8所示，强烈降低球墨铸铁的卜限冲击功【12】。因此，低的对球墨铸铁的脆化有害作用，主要是由于球铁组织温度，下毒雷碟菰稻督l _2加sioo?少 6一，f2 60S r7，一196一100730 38 66 93温度鲁圭雷群菰柏帽图8球墨铸铁含铁中磷共晶主要包含两类：一种是三元磷共晶(a50)，另一种是二元磷共晶(a，二者均属于硬脆成分：，余类似解理断裂图7不同温度下的夏氏冲击断口组织并在晶间分布，所以成为球墨铸铁裂纹的发源地。由于共晶在铸铁凝固后期的初始奥氏体共晶团之间形成。金相观察时，以孤立岛状形式存在(图9也可在(图9近出现(图9甚至在外，009o甜勰甜鹌强佑0万方数据专题综述雎叫(a)孤立岛状 (b)附近250(c)铸念球墨铸铁中的磷共晶图9铸铁中的磷共晶形态与分布特征铸铁的缩松倾向，这同时也对韧性有不利影响。铜与镍：除了基本元素之外，这里对低温球墨铸铁中，为1的8】。而每l根据稳定珠光体的不利因素可通过退火予以克服。但需要指出，期望用适量则上是错误的，实践中也难以起有效作用，反而无益地大大增加成本。因此，如果球墨铸铁的强度可以达到要求，不推荐在低温球墨铸铁中用结论(1)类似大多数铁基合金，球罢铸铁的断裂行为特征表现为，存在一塑一脆转变区域，其转变温度区间的高低、上限韧性(冲击功)是低温下使用材料的重要参考数据。(2)在组织方面，保证球墨铸铁为全铁素体基体，是低温高韧性球墨铸铁的基本前提。对缺口韧性及低温抗冲击要求高的情况，推荐采用经退火或亚临界退火的铁素体球墨铸铁，并注意采用合理的球化及孕育处理工艺控制石墨球化率和尺寸，高的球化率及细小石墨球有利于球墨铸铁的低温冲击性能。009(3)而导致断裂过程塑性变形能的减小，表现为上限冲击功的下降，但此，为了获得优越的低温韧性，需要尽可能降低球墨铸铁的含考虑到抑制白口，低温球墨铸铁的终(4)强烈降低上限冲击功，导致脆性严重。因此，低5)引起基体中碳化物形成和增加珠光体，对低温球墨铸铁的冲击功有严重的损害；果球墨铸铁的强度可以达到要求，不推荐在低温球墨铸铁中用考文献【l】 et ，2998【2】 JRD“sSM 996【3】N I 563zu 693一l：1973一lO 6932：197777【4】 ENP，Efme d 6，1988，p64560【5】 Set 妇f 8of G 01102，1994，p126】 A et in 小997，3，13817【7】 JABret g 粕t 0gs of 5002【8】 Met 8of ow 04 26，2007，万方数据低温高韧性球墨铸铁特点及韧性控制因素作者： 吴金寿， 席赟， 祖方遒作者单位： 吴金寿(厦门兴才职业技术学院,福建厦门市,361024)， 席赟,祖方遒(合肥工业大学,合肥,230009)刊名： 中国铸造装备与技术英文刊名： (期)： 2009，(6)引用次数： 0次参考文献(8条)et SM N 1563 zu 693973693of on of 988,et of on G 994,of in 997,et 5et of at 4007,条)宏运 高韧性球铁的电炉合成铸铁生产技术 2007风电是世界上增长较快的环保能源,预计今后20年中国的风电将以20度发展。风力发电机的箱体、轮毂由于工作环境在高空,部分时间工作在较低温度下的特殊性,维修较为困难,成本较高,对风电铸件的内在质量及伸长率、低温冲击功等力学性能要求较为严格,铸件所有部位要进行磁粉探伤和超声波检查,不允许有超过标准的缺陷,铸件更不得有缩孔(松)及力学性能不合的缺陷。处理对球墨铸铁冲击韧性的影响 7(4),这种球墨铸铁具有较高的冲击值;经740低温退火处理的冲击功能达到13J,经920两阶段退火处理的低温冲击功能达到15J,经800两阶段退火处理的启宇 高韧性球墨铸铁的退火工艺 2007高韧性球墨铸铁是指在一定强度下有良好塑性和韧性的球墨铸铁，它广泛用于汽车、农机行业。本文研发的高韧性球墨铸铁具有如下的力学性能：抗拉强度400服强度250长率18，准2J。通过研究热处理工艺、微量铜、瞬时孕育、退火阶段的冷却速度等影响球墨铸铁组织和性能的因素，成功制备这种高韧性球墨铸铁。经过试验研究，取得了以下