耐-40℃低溫沖擊材料的研發(fā)

王 蒙，張守全，王 佳

（共享裝備有限公司，寧夏銀川 750021）

近年來，由于寒冷地區(qū)工程機(jī)械、船運(yùn)、汽運(yùn)、火車運(yùn)輸設(shè)備的發(fā)展及風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，具有低溫沖擊韌性要求的球墨鑄鐵件廣泛應(yīng)用于上述領(lǐng)域，而且需求量逐年遞增。近一兩年，顧客要求的低溫沖擊材料標(biāo)準(zhǔn)更加苛刻，超出材料規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，哪家公司掌握了這項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)哪家公司就能贏得訂單。筆者所在公司對于低溫沖擊材料的研發(fā)較早，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。項(xiàng)目組全體成員通過試驗(yàn)、改進(jìn)、研發(fā)成功超規(guī)范的耐-40℃低溫沖擊球墨鑄鐵材料，對于公司占領(lǐng)低溫材料領(lǐng)域的市場、創(chuàng)造利潤增長點(diǎn)、增強(qiáng)公司競爭實(shí)力具有重大而深遠(yuǎn)的意義。

1 規(guī)范介紹

按歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN1563（見表1和表2）的相關(guān)規(guī)定，取鑄件主體壁厚＜60 mm，牌號為EN-GJS-400-18-Lt的材料的機(jī)械性能：抗拉強(qiáng)度≥400 MPa，屈服強(qiáng)度≥240 MPa，延伸率≥18%，低溫-20℃沖擊單值≥9 J，平均≥12 J；牌號為EN-GJS-350-22Lt的材料的機(jī)械性能：抗拉強(qiáng)度≥350 MPa，屈服強(qiáng)度≥220 MPa，延伸率≥22%，低溫-40℃沖擊單值≥9 J，平均≥12 J.

表1 V缺口試樣的最小沖擊功

共享裝備有限公司研發(fā)的西門子CRH3定子架鑄件的主體壁厚為28mm，如圖1所示。顧客對CRH3定子架鑄件材料的要求是：在環(huán)境溫度為-20℃時(shí)的機(jī)械性能和-40℃時(shí)的沖擊性能，如表3所示。

表2 對應(yīng)的常規(guī)機(jī)械性能

圖1 西門子CRH3定子架鑄件模型

表3 CRH3定子架鑄件的材料要求

2 設(shè)計(jì)方案及實(shí)施

根據(jù)顧客規(guī)范及鑄件壁厚，選擇Y25試塊達(dá)到性能EN400-18要求，耐-40℃低溫沖擊達(dá)到EN350-22要求，這要求基體組織主要是鐵素體，珠光體含量<5%，球化級別1～2，石墨球數(shù)100個(gè)/mm2～150個(gè)/mm2；并且從工藝及熔煉上保證鑄件主要檢驗(yàn)位置縮松缺陷符合規(guī)范級別。

由于全鐵素體的基體組織對低溫沖擊是最理想的，而獲得高鐵素體含量的基體勢必降低鑄件的強(qiáng)度。低溫高韌性是強(qiáng)度和塑性的綜合表現(xiàn)，所以獲得高塑性的基體保證鑄件的強(qiáng)度是必要的。目前國際上和國內(nèi)-40℃材料沖擊達(dá)到要求的主要措施是通過0.5%～1.0%的Ni合金強(qiáng)化強(qiáng)度，在強(qiáng)度高于415 MPa時(shí)亞臨界退火處理以獲得高含量鐵素體的球墨鑄鐵從而達(dá)到低溫下的高韌性。

2.1 化學(xué)成分及基體組織選擇

圖2 Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)對球墨鑄鐵沖擊性能的影響

圖3 球墨鑄鐵基體組織對沖擊性能的影響

因CE值在共晶點(diǎn)附近鐵水的收縮量最小，同時(shí)高碳當(dāng)量利于鑄件的補(bǔ)縮，故選擇在4.3%～4.4%；Si元素降低韌脆性轉(zhuǎn)變溫度的作用明顯，但又是主要的合金元素，可促進(jìn)基體的鐵素體化，同時(shí)也影響鑄件的抗拉強(qiáng)度，故選擇Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1.90%～2.1%（圖2、圖3）.高的碳含量雖然能促進(jìn)石墨化，并促進(jìn)鐵素體形成，但高碳含量會(huì)降低鑄件的強(qiáng)度，同時(shí)高的石墨數(shù)量也會(huì)降低鑄件的塑性，所以選擇C質(zhì)量分?jǐn)?shù)在 3.6%～3.8%.對 Mn、Cr、Cu、Sn及 Ti、Sb等促進(jìn)珠光體的有害元素應(yīng)盡量控制在較低的范圍。合金元素Ni有利于固溶、強(qiáng)化基體且促進(jìn)珠光體的傾向最小，而Ni的不利影響可通過熱處理消除，但據(jù)悉Ni的加入量在0.5%以上且通過熱處理的方式才能彌補(bǔ)性能合格的情況下低溫沖擊的欠缺。

試驗(yàn)條件：主要元素 w（C）：3.6%～3.8%、w（Si）：19%～2.1%、w（CE）：4.3%～4.4%、其他 Mn、Cr、Cu、Sn及Ti、Sb盡可能低情況下，試驗(yàn)分三種情況：無Ni、w（Ni）：0.3%～0.4%、w（Ni）：0.5%～0.6%，鑄態(tài)下檢測，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。

試驗(yàn)結(jié)果：試塊強(qiáng)度波動(dòng)較大，雖然強(qiáng)度合格、球化率符合顧客要求，但是低溫沖擊值全不合格，基體組織中存在15%～30%的珠光體；且隨著Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，試樣的強(qiáng)度增加、延伸率降低、低溫沖擊降低。從表4中的數(shù)據(jù)可知，按此條件生產(chǎn)的試樣無法滿足顧客的規(guī)范要求。為了進(jìn)一步改進(jìn)試樣的機(jī)械性能和沖擊性能，計(jì)劃對試樣進(jìn)行熱處理。

2.2 熱處理

鑒于試樣在鑄態(tài)下無法達(dá)到超顧客規(guī)范的材料要求，決定對試樣進(jìn)行熱處理。如2.1所述試驗(yàn)熔煉工藝及成分，鑄態(tài)組織中不存在自由滲碳體，所以不需要做高溫石墨化退回，直接進(jìn)行低溫石墨化退火即可。采用低溫石墨化退火的目的是在共析溫度區(qū)間將組織中的珠光體分解成鐵素體和石墨，由Fe-C-Si三元相圖可知，其共析轉(zhuǎn)變有一個(gè)較寬的溫度范圍，又知Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高會(huì)使A c1溫度升高，故將Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在1.9%～2.0%，選擇Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.5%～0.6%，制作試樣，將制作的試樣先后在720℃、600℃和700℃的溫度下進(jìn)行熱處理，熱處理后對試樣進(jìn)行檢測，具體檢測結(jié)果見表5.

表4 鑄態(tài)性能及耐-40℃低溫沖擊統(tǒng)計(jì)

表5 熱處理后試樣機(jī)械性能及耐-40℃低溫沖擊統(tǒng)計(jì)

由表5可以看出：

①在720℃的溫度下保溫2 h的熱處理（1～2爐次）后，試樣的抗拉強(qiáng)度降低幅度較大，最大相差85 MPa（第2爐次），致使抗拉強(qiáng)度不符合要求；而沖擊值不同程度的上升，平均值最大上升6.4 J（第2爐次）。由此可知720℃的熱處理溫度過高。

②在600℃的溫度下保溫4 h熱處理（從3～4爐次）后，試樣的抗拉強(qiáng)度和沖擊值的變化不大，沖擊值仍未達(dá)到顧客的規(guī)范要求。由此可知，600℃熱處理溫度偏低，即使保溫4 h也未起到相應(yīng)的作用。

③在700℃的溫度下保溫2 h熱處理（從5～6爐次）后，試樣的抗拉強(qiáng)度降低20 MPa左右，而沖擊能夠升高4 J左右，保證了試樣的機(jī)械性能、沖擊性能符合顧客的規(guī)范要求，達(dá)到了目標(biāo)控制值。

綜上所述，在 w（Si）為 1.9%～2.0%、w（Ni）為0.5%～0.6%時(shí)，采用700℃的熱處理溫度是最好的。但是經(jīng)過實(shí)際生產(chǎn)顯示，鑄態(tài)下沖擊值也必須在8 J以上，否則這樣的熱處理也不會(huì)使沖擊合格。為了使試樣鑄態(tài)下的沖擊值能夠達(dá)到8 J以上，計(jì)劃進(jìn)行無鎳試驗(yàn)。

2.3 無鎳試驗(yàn)

為了進(jìn)行無鎳試驗(yàn)，購入德國西門子定子架鑄件，并對樣件的化學(xué)成分及實(shí)體進(jìn)行檢測（鑄態(tài)檢測），檢測結(jié)果見表6.

從表6可知，1）因樣件中CE的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是4.19%，故該樣件的成分是亞共晶成分；2）樣件的耐-40℃低溫沖擊結(jié)果合格；3）機(jī)械性能方面，解剖1#樣件的延伸率不符合要求，解剖2#樣件的抗拉強(qiáng)度不符合要求。

參照德國樣件成分的控制范圍，設(shè)計(jì)了多種熔煉工藝方案以探索無鎳狀態(tài)下的鑄態(tài)性能指標(biāo)。試驗(yàn)的方案及試塊（鑄態(tài)檢測）結(jié)果如表7所示。

表7中的5種方案的不同之處在于主料生鐵、廢鋼、機(jī)鐵的配比變化及合金Ni的配比變化，而熔煉工藝沒有變化。從表7中試塊的檢測結(jié)果看出，均為鑄態(tài)檢測，其中方案5的試塊合格率最高，配料方案中加26%的機(jī)鐵澆注10爐，共16組Y25單鑄試塊，鑄態(tài)檢測合格率最高達(dá)到75%，其他方案鑄態(tài)檢測合格率比較低，有的甚至為0.

通過對比表7中各試驗(yàn)方案，可知，方案5加26%的機(jī)鐵的結(jié)果較好，取得的試驗(yàn)結(jié)果見表8.

表6 德國樣件檢測結(jié)果

表7 無Ni試驗(yàn)方案及結(jié)果

從表8中可以看出，采用方案制得的試塊耐-40℃低溫沖擊值取得了較大的提高，個(gè)別值達(dá)到近16 J，平均值為15.7 J，這是以前從未取得的成果。沖擊功不合格的試塊的強(qiáng)度均大于415 MPa，完全可以通過熱處理獲得顧客要求的沖擊功指標(biāo)。通過對此方案的整理、完善與再驗(yàn)證，將會(huì)為成功批量生產(chǎn)符合顧客需求的CRH3定子架鑄件奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

表8 方案5試驗(yàn)化學(xué)成分及性能結(jié)果

3 結(jié)論

從配料、熔煉、變質(zhì)處理及試塊、鑄件實(shí)體上進(jìn)行了一系列的改進(jìn)，針對問題不斷調(diào)整，試驗(yàn)的工藝從傳統(tǒng)的生鐵加廢鋼工藝到合成球鐵工藝（w（Ni）：0.5%～0.6%，700℃熱處理），以及獲得的無鎳加機(jī)鐵方案，探索了一條低成本獲得高韌性材料的工藝，經(jīng)過后續(xù)驗(yàn)證，加機(jī)鐵試驗(yàn)方案可得到機(jī)械性能、-40℃沖擊性能全部合格，且合格率達(dá)到80%以上的鑄件，為公司市場競爭力的提高做出了巨大貢獻(xiàn)。

［1］陸文華.鑄造合金及其熔煉［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.