球墨鑄鐵沖擊韌性影響因素的分析

徐慧君

摘要:球墨鑄鐵在許多方面都具有良好的材料性能,但球墨鑄鐵的沖擊韌性較低,使其應用受到限制。因此,提高球墨鑄鐵的沖擊韌性尤其是低溫沖擊韌性已成為近年來人們關(guān)注的熱點。本文從化學成分,基體組織等多個文獻分析對球墨鑄鐵沖擊韌性的影響,并由此此提醒行業(yè)人事從這些方面努力來高球墨鑄鐵的沖擊韌性。

關(guān)鍵詞:球墨鑄鐵;沖擊韌性;影響因素

獲得具有良好韌性的球墨鑄鐵是材料制造行業(yè)共同追求的目標。根據(jù)國內(nèi)外科學工作者對球墨鑄鐵的研究,提高球墨鑄鐵的沖擊韌性主要從基體組織,化學成分,石墨組織,制備工藝等幾個方面著手。

1 基體組織對球墨鑄鐵的性能影響

1.1 鐵素體

鐵素體具有優(yōu)良的塑性、韌性和較低的強度。球墨鑄鐵基體組織中鐵素體數(shù)量增多,延伸率隨之增高,在化學成分(主要指硅和磷)合格的條件下,鐵素體含量越多,沖擊值也越高。高韌性球墨鑄鐵的基體組織常以鐵素體為主。

1.2 滲碳體

滲碳體嚴重惡化韌性和塑性,引起脆性。滲碳體數(shù)量增加,特別是呈網(wǎng)狀分布時,將嚴重影響球墨鑄鐵韌性。滲碳體超過3%后,將提高脆性轉(zhuǎn)變溫度。因此高韌性球墨鑄鐵中游離滲碳體數(shù)量不應超過3%。

1.3 磷共晶

磷共晶是一種硬而脆的組織,它存在于球墨鑄鐵的共晶團邊界,嚴重惡化韌性和塑性,特別是三元磷共晶嚴重影響球墨鑄鐵的韌性。磷共晶呈網(wǎng)狀或斷續(xù)網(wǎng)狀分布時影響較大,磷共晶呈粒狀時影響較小。磷共晶的數(shù)量應控制在1%以下。

2化學成分的選擇

合理的化學成分能保證鑄件具有良好的性能。由于篇幅限制,以下是主要幾種元素對球墨鑄鐵沖擊韌性的影響。

2.1 碳

對于球墨鑄鐵來說,因為石墨呈球狀,含碳量對力學性能的影響就不如灰鑄鐵的顯著。因此,含碳量對球墨鑄鐵力學性能的影響主要是通過其對金屬基體的影響起作用,對于鑄態(tài)球墨鑄鐵來說,增加含碳量可以減少游離滲碳體,碳的質(zhì)量分數(shù)接近3%時,滲碳體消失;超過3%時,基體中開始出現(xiàn)鐵素體。球墨鑄鐵石墨化退火后,游離滲碳體分解,基體組織為鐵素體。此時,含碳量會影響石墨球數(shù)量、球徑大小及其圓整度,從而影響球墨鑄鐵的

力學性能。一般情況下,提高含碳量(碳的質(zhì)量分數(shù)高于3.2%的范圍),可以提高球墨鑄鐵的沖擊韌性。在球墨鑄鐵的生產(chǎn)中,碳的質(zhì)量分數(shù)范圍一般為3.5%～3.8%。但是,在球墨鑄鐵的生產(chǎn)過程中,需要加入一定量的硅,這樣會引起碳當量的變化。因此,球墨鑄鐵的力學性能還必須考慮碳當量的影響。對于退火高韌性球墨鑄鐵,適當提高碳當量有利于退火過程中基體組織中滲碳體及珠光體的分解,并獲得較多的鐵素體基體組織,有利于提高韌性和塑性。值得注意的是,碳當量過高容易引起石墨漂浮,為了保證韌性又不產(chǎn)生石墨漂浮,必須選擇合適的碳當量范圍。

2.2 硅

硅對韌性的影響有兩重性,既能增加鐵素體數(shù)量,提高韌性和塑性,同時又固溶強化鐵素體基體,增加強度和硬度。當硅的質(zhì)量分數(shù)超過5%以上時,沖擊韌性值kα下降,以至降到普通灰鑄鐵所具有的水平。一般在低溫-40℃下工作的韌性球墨鑄鐵含硅量不應超過2.7%。因此,在碳當量確定的條件下,應盡量采取高碳低硅方案,這對提高韌性有利。

2.3 磷

磷是鑄鐵中的常存元素,它對球墨鑄鐵的機械性能,尤其是沖擊韌性和塑性有明顯的不良影響,因此總是作為有害元素對待。其主要原因是共晶團晶界產(chǎn)生的磷共晶脆相,磷共晶呈多角狀分布于共晶團邊界,急劇惡化球墨鑄鐵的力學性能,使球墨鑄鐵韌性下降;其次是磷阻礙珠光體的分解,又能固溶于鐵素體中,這些都能降低韌性。磷的質(zhì)量分數(shù)每增加0.01%時,脆性轉(zhuǎn)變溫度升高4.0～4.5℃。當磷的質(zhì)量分數(shù)超過0.16%時,脆性轉(zhuǎn)變溫度已在室溫以上,沖擊斷口出現(xiàn)脆性斷裂。生產(chǎn)高韌性球墨鑄鐵時,含磷量應盡可能地低。低溫(-40℃)下工作的鑄件含磷量應低于0.07%,常溫下工作的鑄件含磷量應低于0.1%。熱力學表明,在鑄鐵中是不可脫磷的,生產(chǎn)球墨鑄鐵就必須采用低磷生鐵。

3 石墨對球墨鑄鐵機械性能的影響

在基體組織滿足要求的條件下,石墨的形狀對延伸率和沖擊值的影響極大,球化越好,韌性也越好,沖擊值也越高。石墨大小對沖擊韌性也有影響,在一定的含碳量范圍內(nèi),碳基本上呈游離狀態(tài)存在時,石墨球徑減小就意味著數(shù)量增多,也就是共晶團細化。試驗證明,石墨球增多,鐵素體量增加,石墨球徑減小,沖擊韌性有增加的趨勢。高韌性球墨鑄鐵要求球化率應高于80%,石墨細小,不得有聚集分布的厚片狀石墨。

4 冷卻速度對球墨鑄鐵性能的影響

冷卻速度影響鑄態(tài)基體組織和石墨大小、形狀,從而影響韌性。球墨鑄鐵的性質(zhì)對冷卻速度的不同是非常敏感的。文獻[2]指出,當球墨鑄鐵中磷含量為0.09～0.12%時,以30℃/h的速率冷卻,沖擊韌性會劇烈下降。對于退火球墨鑄鐵,雖然熱處理可改善組織,但冷卻速度的影響仍不可忽略。冷卻速度太快造成較多的滲碳體、三元磷共晶,增加了熱處理的難度。冷卻速度過慢將使石墨和共晶團尺寸增大,球徑加大,偏析嚴重,退火后韌性也較低。

5 球墨鑄鐵的熱處理

5.1 退火

退火的目的是獲得高韌性的鐵素體球墨鑄鐵。當鑄態(tài)組織中滲碳體超過3%、磷共晶的體積分數(shù)大于等于1%或出現(xiàn)三元及復合磷共晶時,應進行兩階段石墨化退火[3],滲碳體不超過3%時應進行低溫石墨化退火。兩階段退火中,高溫階段是消除滲碳體、三元或復合磷共晶,低溫階段是奧氏體轉(zhuǎn)變成鐵素體,最終獲得以鐵素體為主的基體組織。

5.2 等溫淬火

等溫淬火的全稱是奧氏體等溫淬火。標準的奧氏體化溫度為900℃,保溫時間為30～90min。根據(jù)對鑄件的組織及各種性質(zhì)的要求,可以配合不同的鹽浴溫度及保溫時間。隨著等溫淬火溫度的升高,球墨鑄鐵沖擊韌性值逐漸增大,當?shù)葴卮慊饻囟冗_到340℃時,沖擊韌性值達最大值。也可以在較低的奧氏體化溫度(≤850℃)下進行處理,以保留少量分散的鐵素體,采用這種部分奧氏體化等溫淬火,可以改善韌性。

貝氏體球墨鑄鐵中含有體積分數(shù)為20～40%呈面心立方的奧氏體相,它在低溫時并不像呈體心立方的鐵素體那樣,從塑性到脆性具有明顯的轉(zhuǎn)變。因此,貝氏體球墨鑄鐵的低溫沖擊韌性有可能超過鐵素體球墨鑄鐵的低溫沖擊韌性。由于貝氏體球墨鑄鐵性能良好,可以降低成本,所以已經(jīng)引起世界范圍內(nèi)工程技術(shù)界的關(guān)注。

6 球化處理

在工業(yè)生產(chǎn)中,主要的球化劑是鎂、稀土合金和鈣,鎂是眾多球化劑中最經(jīng)濟的一種。球化處理中,Mg加入量、Mg殘留量對石墨球數(shù)均有影響。Mg殘在0.02～0.05%范圍內(nèi),隨Mg加入量增加,石墨球數(shù)增加。當Mg殘達到0.058%時,石墨球數(shù)下降,石墨形態(tài)也開始變壞。一般地,當Mg殘>0.05%時,碳化物增加,石墨球數(shù)下降。在工業(yè)發(fā)達國家,由于鐵液含硫量低,一般使用含4.5%～5.0%Mg或4.0%～4.5%Mg的合金,大都不含稀土。基于試驗研究的結(jié)果,大致應將球化劑的稀土含量調(diào)低至2%左右,殘留鎂或殘留稀土過高,會促進滲碳體和珠光體的產(chǎn)生。

參考文獻

[1]冶金工業(yè)部建筑研究院,摩擦焊,冶金工業(yè)出版社,1958

[2]Y.S Lerner,Temper Embrittlement of Ferritic Ductile Cast Iron,AFS Trans,1994:715～719

[3]駱曉綱,球墨鑄鐵低溫沖擊韌性的改善,鑄造,1994(10):28～32