1、硅强化铁素体球墨铸铁的研究与应用硅强化铁素体球墨铸铁的研究与应用中国农业机械化科学研究院中国农业机械化科学研究院 张伯明张伯明2014.52014.5新情况新情况 2004年年ISO1083/JS球墨铸铁标准公布后，又补充了一个球墨铸铁标准公布后，又补充了一个JS500-10的牌号；的牌号；欧盟在欧盟在2013年年3月修改月修改DIN EN1563球墨铸铁标准时，在原来的球墨铸铁标准时，在原来的铁素体铁素体/铁素体铁素体-珠光体珠光体/珠光体球墨铸铁的基础上，增加了另一类硅珠光体球墨铸铁的基础上，增加了另一类硅强化的铁素体球墨铸铁，它有三个牌号：强化的铁素体球墨铸铁，它有三个牌号：这些新牌号在
2、同样强度下大幅提高了伸长率和屈服强度，而且是不这些新牌号在同样强度下大幅提高了伸长率和屈服强度，而且是不采用热处理，在铸态就可获得。采用热处理，在铸态就可获得。为什么？为什么？如何做？如何做？型号材料编号Rm,MPaRp0.2,MPaA,%壁厚，mmEN-GJS-450-185.310845035018t30EN-GJS-500-145.310950040014t30EN-GJS-600-105.311060047010t30背背 景景1 原先球墨铸铁各牌号的强度与伸长率都取决于原先球墨铸铁各牌号的强度与伸长率都取决于球墨铸铁的基体，即珠光体与铁素体的比例。为获球墨铸铁的基体，即珠光体与铁素体
3、的比例。为获得不同的牌号，可以应用球墨铸铁成分中的得不同的牌号，可以应用球墨铸铁成分中的Mn、Cu、Sn等元素的含量来调整基体中珠光体量而达到等元素的含量来调整基体中珠光体量而达到某一牌号；某一牌号；德国一家公司的做法 国外的铸铁都采取合成铸铁的技术来生产，即金属料都用国外的铸铁都采取合成铸铁的技术来生产，即金属料都用废钢及回炉料组成；废钢及回炉料组成；为减轻产品重量，世界各国都在提高材料性能上下功夫。为减轻产品重量，世界各国都在提高材料性能上下功夫。钢材在提高强度时，使用了不少合金元素。钢材在提高强度时，使用了不少合金元素。Mn量可高达量可高达0.8%以上，同事还有比以上，同事还有比Mn作用
4、更强的珠光体稳定元素作用更强的珠光体稳定元素Cu、Cr、V存存在，从而给获得高伸长率的球墨铸铁牌号增加了困难；在，从而给获得高伸长率的球墨铸铁牌号增加了困难；解决的途径是使用高纯生铁，这无疑会增加铸件的生产成解决的途径是使用高纯生铁，这无疑会增加铸件的生产成本；本；背背 景景2 450-10及及500-7是最常用、用量最大的两个牌号。是最常用、用量最大的两个牌号。Mn、Cu、Cr、V量在成分中的波动以及铸件壁厚不均匀导致铸件的各个量在成分中的波动以及铸件壁厚不均匀导致铸件的各个部位冷却速度不同，最终使铸件的不同部位有不同的性能。为部位冷却速度不同，最终使铸件的不同部位有不同的性能。为此典型混合
5、基体的此典型混合基体的500-7就规定了硬度公差范围是就规定了硬度公差范围是30HBW，而这就使加工时，最高和最低硬度的加工进刀量可差而这就使加工时，最高和最低硬度的加工进刀量可差0.1mm。为此要努力寻找单一组织基体的球墨铸铁；为此要努力寻找单一组织基体的球墨铸铁；背背 景景3 Si可以强化铁素体，提高强度。但过去一直认为可以强化铁素体，提高强度。但过去一直认为Si使球墨铸铁变脆。使球墨铸铁变脆。Millis在在1949年申请第一个球墨铸年申请第一个球墨铸铁美国专利时认为铁美国专利时认为“增加增加Si的含量（的含量（2.5%），明显），明显降低力学性能，特别是韧性、抗拉强度和延展性降低力学性
6、能，特别是韧性、抗拉强度和延展性”。背背 景景4德国1991年百科全书对碳硅的规定硅量对基体和冲击能量的影响 这和以后的实际生产有出入。这和以后的实际生产有出入。通过研究，瑞典首先就规定了可以用通过研究，瑞典首先就规定了可以用3.2%Si来来生产生产450牌号，牌号，3.7%Si来生产来生产500牌号。认为这样伸牌号。认为这样伸长率能提高长率能提高2倍，屈服强度提高，屈服比从倍，屈服强度提高，屈服比从0.6提高到提高到0.8，疲劳强度稍优。，疲劳强度稍优。从而导致大量的研究，最终完成了标准的制定。从而导致大量的研究，最终完成了标准的制定。背背 景景4 对对Si强化球墨铸铁的评价强化球墨铸铁的评
7、价 现在欧洲有人称用现在欧洲有人称用Si强化的球墨铸铁和强化的球墨铸铁和ADI为第二为第二代球墨铸铁；代球墨铸铁；至今美国已收授了至今美国已收授了3个用个用Si强化的球墨铸铁专利；强化的球墨铸铁专利；今年是德国铸造杂志发刊今年是德国铸造杂志发刊100年纪念，认为硅强化年纪念，认为硅强化铁素体球墨铸铁是铁素体球墨铸铁是21世纪铸造材料里排第一的发现。世纪铸造材料里排第一的发现。21世纪德国铸造材料的新成果v硅强化铁素体球墨铸铁；v提高发动机铸件热导性的新铝合金（大幅度降低Ti,Zr,V的含量）；v铝合金铸件和钢板的复合构件；v快速成型；v无机粘结剂；v在线无损检测；v数字模拟；v铸钢件的低压铸造
8、；v砂子再生。试验研究试验研究 德国铸造所与奥地利铸造所联手对德国铸造所与奥地利铸造所联手对Si强化球墨铸强化球墨铸铁铁进行了系统研究，为其成员提供有关概念与生产进行了系统研究，为其成员提供有关概念与生产经验，并于经验，并于2012年年11月作了汇报和公开。月作了汇报和公开。试验的基础成分（试验的基础成分（400-18用的成分）。用的成分）。德国400-18牌号球墨铸铁的典型成分（质量分数，%）元素CSiMnPSMg含量3.53.62.42.50.150.20.020.0090.04试验时保持碳当量在试验时保持碳当量在4.3。图图1 Si量对抗拉强度的影响量对抗拉强度的影响Si在在4.3%时抗
9、拉强度达最高值。时抗拉强度达最高值。图图2 Si量对屈服强度的影响量对屈服强度的影响Si在在4.7%时获最高屈服极限。时获最高屈服极限。图图3 Si量对断后伸长率的影响量对断后伸长率的影响Si量增加，伸长率下降；超过量增加，伸长率下降；超过4.3%时，急剧下降。时，急剧下降。断后伸长率A%图图4 Si量对硬度的影响量对硬度的影响硬度HBWSi量增加，硬度增加。量增加，硬度增加。图图5 温度对力学性能的影响温度对力学性能的影响温度变化时，各牌号性能变化趋势一致，温度变化时，各牌号性能变化趋势一致，400时变化大。时变化大。图图6 不同温度下的冲击性能对比不同温度下的冲击性能对比三种新牌号的变化趋
10、势是一致的，在低温时也无突变现象。三种新牌号的变化趋势是一致的，在低温时也无突变现象。图图7 合金元素对抗拉强度的影响合金元素对抗拉强度的影响图图8 合金元素对屈服强度的影响合金元素对屈服强度的影响图图9 合金元素对断后伸长率的影响合金元素对断后伸长率的影响CrCr在在0.6%0.6%时，才使伸长率有明显下降。时，才使伸长率有明显下降。断后伸长率 A图图10 Y2试样金相组织试样金相组织图图11 Y2试样金相组织（约试样金相组织（约5%珠光体）珠光体）图图12 Y2试样金相组织（约试样金相组织（约25%珠光体）珠光体）图图13 两种途径时不同组织两种途径时不同组织在在600-10600-10时
11、，基体基本上都是铁素体。时，基体基本上都是铁素体。图图14 孕育对石墨形状影响的示意图孕育对石墨形状影响的示意图孕育剂不同、孕育方法不同会产生极大的影响。孕育剂不同、孕育方法不同会产生极大的影响。图图15 不同硅量的充型能力不同硅量的充型能力充型能力取决于浇注温度，与硅量无关。充型能力取决于浇注温度，与硅量无关。试样相对重量试样相对重量图图16a 补缩能力用试样补缩能力用试样 图图16b 补缩试验结果补缩试验结果提高硅量不影响充填和补缩提高硅量不影响充填和补缩图图17 2.39%Si时两石墨球之间的偏析时两石墨球之间的偏析MnSiSi图图18 5.0%Si时两石墨球之间的偏析时两石墨球之间的偏
12、析MnSi图图19 Si量增加时偏析值的变化量增加时偏析值的变化Si的最大值与最小值的差，%图图20 Si量增加时，量增加时，Mn偏析值的变化偏析值的变化Mn的最大值与最小值的差，%图图21 4.18%Si，Rm=609MPa，Rp0.2=497MPa，A5=20.9%的断裂表面的断裂表面图图22 4.40%Si，Rm=636MPa，Rp0.2=503MPa，A5=16.9%的断裂表面的断裂表面600-10600-10的断裂完全是正常的穿晶与晶间断裂。的断裂完全是正常的穿晶与晶间断裂。图图23 高硅球墨铸铁的相变曲线高硅球墨铸铁的相变曲线长度变化，m硅高后，相变温度提高硅高后，相变温度提高图图
13、24 切削速度切削速度240m/min的刀具寿命对比的刀具寿命对比 刀具寿命，min图图25 切削性能对比切削性能对比 刀具寿命，min图图26 实际铸件实际铸件刀具磨损，mm刀具磨损，mm提高硅量后，切削性能大为改善提高硅量后，切削性能大为改善图图27 铸件上硬度分布对比铸件上硬度分布对比硬度下降硬度下降68HBW图图28 本体性能对比本体性能对比屈服强度和抗拉强度之比明显提高同样硬度下有更高的屈服强度硅强化铁素体球墨铸铁的化学成分牌号材料编号Si,%P,%Mn,%EN-GJS-450-185.31083.20.050.50EN-GJS-500-145.31093.80.050.50EN-G
14、JS-600-105.31104.30.050.50注意：注意：1.由于其他合金元素的存在，由于其他合金元素的存在，Si量可适当降低；量可适当降低；2.Mn量降低时，例如在量降低时，例如在0.30，机加工性能和伸长率会更好。，机加工性能和伸长率会更好。生产中要注意的问题生产中要注意的问题 1.要优化孕育技术要优化孕育技术:硅量提高后，在铸件的厚壁部分容硅量提高后，在铸件的厚壁部分容易出蠕虫状石墨易出蠕虫状石墨,在其总量不大于在其总量不大于20%时，不影响力学性能。在时，不影响力学性能。在壁厚大于壁厚大于20mm时，要选用合适的孕育剂来保证全部是球状和时，要选用合适的孕育剂来保证全部是球状和团球
15、状石墨；团球状石墨；2.确保光谱试验的样片是白口；确保光谱试验的样片是白口；3.硅是总量（炉料硅是总量（炉料+球化处理球化处理+孕育）；孕育）；4.硅量增加后要降低碳量，使碳当量保持在硅量增加后要降低碳量，使碳当量保持在4.3。优缺点与应用优缺点与应用优点：优点：1.力学性能更好（力学性能更好（Rpo.2和和A大幅提高），可减少铸件大幅提高），可减少铸件 壁厚；壁厚；2.本体性能更均匀；本体性能更均匀；3.单相组织，硬度低又均匀，切削性能好，刀具寿命单相组织，硬度低又均匀，切削性能好，刀具寿命 长；长；4.模样不用改；模样不用改；5.可放宽其它合金元素含量；可放宽其它合金元素含量；6.降低成本
16、。降低成本。优缺点与应用优缺点与应用缺点：生产缺点：生产600-10的窗口小；的窗口小；铸件表面无法硬化；铸件表面无法硬化；焊接性能差；焊接性能差；高硅铁素体的低温冲击性能不如低硅铁素体的好。高硅铁素体的低温冲击性能不如低硅铁素体的好。优缺点与应用优缺点与应用应用：应用：1.国外某公司国外某公司22000t件（管件、风电件、卡车件）。件（管件、风电件、卡车件）。过去，生产过去，生产500-7用用Si1.9%2.1%，C3.6%，因废钢中的，因废钢中的 Mn量等元素过高，为确保必要的伸长率必须用量等元素过高，为确保必要的伸长率必须用10%15%的优质生铁。现在全部用废钢、成分是的优质生铁。现在全
17、部用废钢、成分是Si3.4%3.5%，碳，碳3.0%，每吨件降低成本每吨件降低成本25欧元，而且生产控制简化。欧元，而且生产控制简化。2.德国已有德国已有5家企业大批量应用。家企业大批量应用。其他国家的研究 2013年，日本九州大学和日之出水道机器公司技术开发部也对此进行了试验研究。铸铁编号CSiMnPSCuMgCrSiQT13.223.820.240.0200.0090.010.0420.031QT13.652.240.400.0160.0060.220.0400.024SiQT23.044.400.270.0220.0040.010.0370.036QT23.682.120.410.013
18、0.0090.340.0340.023铸铁编号球化率，石墨球平均直径，m石墨球所占的面积，铁素体与珠光体之比SiQT196.020.220.2全铁素体QT196.416.716.7约64SiQT295.914.014.0全铁素体QT294.918.618.6约2 8在同样强度时有更高的伸长率硅强化铁素体球墨铸铁的疲劳强度高硅强化铁素体球墨铸铁的屈强比高在同样伸长率时，硅强化铁素体球墨铸铁的屈服强度高 硅强化铁素体球墨铸铁的冲击吸收能量的转变温度高日本这次研究结果得出一个结论 在冲击转变温度以上时，硅强化铁素体在冲击转变温度以上时，硅强化铁素体球墨铸铁的所有力学性能和机械加工性能都球墨铸铁的所有
19、力学性能和机械加工性能都比普通球墨铸铁的好。适用于无应力集中和比普通球墨铸铁的好。适用于无应力集中和低温无冲击要求的零件。低温无冲击要求的零件。中国菲美德公司的试验牌号C,%Si,%Mn,%P,%QT450-183.23.33.13.20.150.03QT500-143.13.23.63.80.250.03QT600-102.93.04.24.30.300.03力学性能牌号RmRp0.2AHBW 20冲击，J负20冲击，JQT450-1849037322.02035.83.4QT500-1451241019.52033.82.4QT600-1060548415.52352.01.6石墨与基体（
20、600-10）试制铸件（1050 x320 x210,80kg)硬度分布牌号位置1位置2位置3壁厚，mm231528QT-450-18180,188203,203203,203QT-500-14173,175203,203203,203QT-600-10173,175241,235203,203保定华龙 长期以来都用高硅来生产长期以来都用高硅来生产500-7的的 球墨铸铁：在球墨铸铁：在Mn量量0.36%0.4%时，用时，用 Si3.06%3.20%，抗拉强度在，抗拉强度在509 540MPa，伸长率都在，伸长率都在12%14%。山东一家铸造企业今后的研究方向1.各种元素组合对力学性能的影响；2.讨论和研究冲击性能指标对零件设计有多大的功效？有趋势不用冲击性能指标，而用屈服强度和断裂韧性来取代；3.扩大应用的试验。
