概述高硅球墨鑄鐵的研究與應用

中國農業機械化科學研究院 張伯明

2004 年 ISO1083/JS 球墨鑄鐵標準公布后，又補充了一個 ISO1083/JS/500-10 的球墨鑄鐵標準，把伸長率從原先的 7%提高到 10%[1]。2012 年 3 月，德國和歐洲的球墨鑄鐵標準 DIN EN 1563 在修改時又增加了 3 個牌號（見表 1）[2]，即大幅提高了鐵素體珠光體混合基體球墨鑄鐵的屈服強度和伸長率，而且這些級別都可在鑄態獲得，不需要任何熱處理。他們走的技術路線是提高成分中的硅量，強化鐵素體。

表 1   D1N EN 1563 的新牌號

注：括號中是原牌號的性能。

了解它們出臺的背景或存在的必要性以及研究的過程，對我國球墨鑄鐵企業的生產、今后我國球墨鑄鐵標準的修改必然會有很大的幫助。

1. 研究背景

由于球墨鑄鐵中的石墨以球狀存在，所以球墨鑄鐵的力學性能主要取決于基體組織[3]。鑄態的球墨鑄鐵基體主要由鐵素體與球光體組成。通常，鐵素體量越多，抗拉強度越低，伸長率越高，反之亦然。球墨鑄鐵標準中，從 QT450 到 QT600 的各個牌號都是混合基體球墨鑄鐵，只是基體中兩者的比例不同而已，在 30～70%之間波動。在日常生產中可用 Mn、Cu、Sn 等珠光體穩定元素的含量控制來達到某一級別的牌號。

工業發達國家具有良好的廢鋼資源，他們在生產灰鑄鐵時基本都用廢鋼+回爐料作原材料，走合成鑄鐵的道路，沖天爐熔煉是這樣，電爐熔煉時也是如此，只是后者在最后要用增碳劑增碳而已。但在生產球墨鑄鐵時，人們發現現代的廢鋼中，珠光體穩定化元素的含量越來越高，Mn 的含量有時可到 0.8%以上，而且不光有 Mn，還有比 Mn 更強的元素 Cu、Cr、V 等元素的存在，這就給獲得高伸長率的球墨鑄鐵增加了困難，從而不得不使用高質量的生鐵，例如 Sorelmetal 的高純生鐵來壓低這些元素在成分中的總含量。這無疑增加了生產成本， 減低了競爭力。尋找另一種技術途徑，既能保證各牌號的伸長率，又能降低成本就成為鑄造工作者的努力方向。

此外，450-10、500-7 是球墨鑄鐵中用的最多的、產量最大的牌號。在生產中也發現，珠光體穩定元素含量的波動和鑄件因壁厚不同而造成的冷卻速度的不同，既使是同批次，在不同鑄件的相同部位的性能也會產生很大的波動， 不同批次的鑄件則波動更大。為此， ISO/JS/500-7 的硬度范圍不得不規定在±30HBW，即硬度波動很大，使軟硬兩種同牌號的球墨鑄鐵機加工性能相差可高達 50%，HBW230 時的進刀量要比 HBW170 時小 0.1mm。所以尋找一種基本上是單相基體的球墨鑄鐵，減少硬度波動，提高球墨鑄鐵的機械加工性能也十分必要。

硅是鑄鐵中較為常用的元素。它可以強化鐵素體，從而能提高鐵素體的強度。但過去一直以為 Si 使球墨鑄鐵變脆，在 Millis1949 年申請的美國第一個球墨鑄鐵文章中就表述“增加Si 的含量（＞2.5%）明顯降低力學性能，特別是韌性、拉伸強度和（或）延展性……”。在實際生產以及隨后的研究中則發現上述表述有很大的局限性。通過研究，1998 年瑞典就規定了用(w)Si＝3.2%來生產 450 的牌號，(w)Si＝3.7%來生產 500 的牌號。瑞典 Indexator 公司進行的研究，認為“對于抗拉強度 500MPa 級別，Si 固溶強化鐵素體球墨鑄鐵的延展性（用斷后伸長率表示），是常規鐵素體-珠光體球墨鑄鐵的兩倍，同時屈服強度增加，屈服比從

0.6 增加到 0.8，沖擊性能與常規鐵素體-珠光體球墨鑄鐵相同，而疲勞性能稍優”。從而克服了前面所提的生產難點。他們稱這種 Si 強化的球墨鑄鐵和 ADI 為第二代球墨鑄鐵。至今美國等已收授了 3 個用 Si 強化的球墨鑄鐵技術。芬蘭等國也在生產中開始應用。

為方便其所屬成員單位的生產和普及基本概念，德國鑄造學會與奧地利鑄造學會聯手， 在德國科技部和一些企業的資助下，對高硅球墨鑄鐵進行了深入的研究，并于 2012 年 11 月向會員單位匯報了工作。了解他們的研究會對我們認識和生產應用這種球墨鑄鐵也會有很大的幫助。

2. 研究的主要方法和結論

2.1 試驗方法

在德國生產 GJS-400-18 牌號的成分上（見表 2）利用增硅來進行試驗。

表 2 德國 400-18 牌號球墨鑄鐵的典型成分（質量分數，%）

使用加拿大 Sorel 生鐵 60%，廢鋼 40%，增硅是用 FeSi90，出鐵溫度 1520～1550℃， 澆注溫度 1380～1390℃。用蓋包法進行球化處理，球化劑為 Elmag 公司的 6039，FeSiMg5～ 6，用不同成分的孕育劑 0.3%孕育。

在增 Si 試驗時，保持 Mn、P、S、Mg 不變。而 C 量則隨 Si 量增加而減低，使共晶飽和度 Sc 接近 1。試驗時 Sc 按下式計算：

Sc=C/(4.26－0.31Si－0.33P－0.4S＋0.027Mn)

圖 1 試驗用試塊

圖 1 是試驗用試塊的兩種樣式。

2.2 試驗結果

圖 2 顯示了 Si 對抗拉強度的影響，在 w(Si)=4.3%時，抗拉強度達到了最大值。

   圖 2 Si 量對抗拉強度的影響

Si 量增加對屈服極限的影響如圖 3 所示，即最高屈服值的 Si 量不在 4.3%，而在 4.7% 左右。圖 4 則是硅量對斷后伸長率的影響，在 Si 量超過 4.3%后，伸長率急劇減少。而 Y 鑄樣上的硬度則隨 Si 量的增加而一直增加（見圖 5）。圖 6 的 a)、b)、c)顯示了 4 種牌號球墨鑄鐵性能隨溫度升高而出現的變化。其新增的 3 個牌號與原先 500-7 的變化形式是一致的， 即 400℃對于球墨鑄鐵的各項性能都是個較大的轉折點。

             圖 3 Si 量對屈服強度的影響

           圖 4 Si 量對斷后伸長率的影響

     圖 5 Si 量對硬度的影響

           圖 6 4 種牌號球墨鑄鐵性能隨溫度升高而出現的變化

圖 7 是沖擊試驗的結果。幾種牌號在不同溫度下有不同的沖擊力，但可以看到它們的變

化趨勢，尤其是室溫以下的變化趨勢是一樣的。新增的三種牌號與 500-7 無多大區別，即無特變的規律出現。

              圖 7 不同溫度下的沖擊性能對比

現在的廢鋼含有較多的珠光體穩定元素與碳化物形成元素，為此在試驗中安排了添加Mn、Cr、V 的試驗。圖 8～圖 10 是試驗結果。結果表明，在 Si 強化鐵素體后的球墨鑄鐵中加入的合金元素對抗拉強度、屈服強度不起作用，對于斷后伸長率也基本不起作用，只有在Cr 的質量分數到 0.6%時，才使伸長率降低。

圖 8   合金元素對抗拉強度的影響

         圖 9   合金元素對屈服強度的影響

                                        圖 10   合金元素對斷后伸長率的影響

圖11～圖14 列出了幾種典型成分的金相組織。可以看到，由于Si 的強化，直至GJS600-10

的牌號基本上都是鐵素體。

圖 11    Y2 試樣金相組織

              圖 12 Y2 試樣金相組織（約 5%珠光體）

               圖 13 Y2 試樣金相組織（約 25%珠光體）

圖 14   兩種途徑時不同組織

圖 15～圖 19 展示了孕育技術對石墨形狀的影響。在德國把石墨形狀分為 5 級。球墨鑄鐵要求Ⅴ+Ⅳ級的石墨比例大于 80%，力爭 85%以上。一般企業都在 90%左右。圖 15 表明不同孕育劑效果*不同。圖 16 和圖 17 是兩種孕育劑在不同 Si 量時的孕育效果。圖 18 是在 1#孕育劑加 Bi 后的情況，少量的 Bi 有明顯效果，而太多了也不見得更好。圖 19 的示意圖部分充分表明硅量增加后要求有相應的孕育劑和孕育方法。

                 圖 15 不同孕育劑對石墨形狀的影響（翼型試樣）

             圖 16  1#孕育劑對石墨形狀的影響

             圖 17    2#孕育劑對石墨形狀的影響

          圖 18 Bi 對石墨形狀的影響(翼型試樣)

圖 19   孕育對石墨形狀影響的示意圖

                                        圖 21   不同硅量的充型能力

為了能了解實際應用時會產生的問題，試驗中也包括了鑄造性能與金屬切削加工性能的比較。圖 21 是充型能力或流動性的試驗結果，結果表明，充型能力僅取決于澆注溫度，而與硅量無關。

用圖 22 的試樣，驗證不同含硅量對產生縮孔縮松的影響。圖 23 的結果表明，硅量對縮松也沒有影響。

                  圖 22 補縮能力用試樣

     圖 23 補縮試驗結果

用 REM/WDX（X 線波譜儀）對增硅后，硅錳在基體中的偏析進行了檢測。發現球墨鑄鐵基體中基本沒有宏觀偏析，在兩個石墨球之間有微觀偏析，硅在石墨球處聚集。低硅與高硅的球墨鑄鐵的規律是一樣的（見圖 24、25），但隨硅量的增加，硅的偏析減少（見圖 26），錳的偏析增加（見圖 27）。

                                圖 24   2.39%Si 時兩石墨球之間的偏析

                                            圖 26   Si 量增加時偏析值的變化

                                  圖 27   Si 量增加時，Mn 偏析值的變化

試驗中沒有發現，硅量提高會增加開花狀石墨的趨勢。圖 28、29 是用高硅生產的 600-10

球墨鑄鐵的斷裂斷面，*是正常的晶間斷裂（圖 28）與穿晶斷裂（圖 29）。

研究了增硅后，硅高時α→γ的相變（圖 30）。發現硅高后相變溫度也提高，在相變時

沒有任何脆相出來。

新鑄造材料能否推廣應用還必須看其有否良好的切削性能。用鍍 Ti（C,N）/Al2o3 的HC-K05 刀具進行了車削試驗。刀具參數是 Kr=95°， α0=6°，γess=-1°,λ0=-6°；切削參數是 f=0.55mm，δp=0.5mm，用 8%的切削液。切削速度再 240m/min 時，500-7 與 500-14， 600-3 與 600-10 的對比如圖 31 所示，刀具壽命（磨損 200μm）要長 60%以上.

圖 29   4.40%Si，Rm=636MPa，Rp0.2=503MPa，A5=16.9%的斷裂表面

               圖 30 高硅球墨鑄鐵的相變曲線

     圖 31  切削速度 240m/min 的刀具壽命對比

圖 32 是兩種切削速度下的切削性能對比。GJS500-14 要優于 500-7。圖 33 則是實際鑄件，300kg 重的行星齒輪架的切削對比，可以看出 GJS-600-10 要比 GJS-600-3 要好。

                                              圖 32   切削性能對比

      圖 33 實際鑄件

圖 34～圖 36 表示了兩種材質在實際鑄件上的本體性能情況。GJS-600-3 基本上是珠光體基體硬度要比高硅的 GJS-600-10 要高 6～8HBW，因后者基本都是 Si 強化了的鐵素體。同時本體抗拉強度和硬度受鑄件壁厚的影響很小或沒有。

圖 34   鑄件上硬度分布對比

圖 35    本體取樣位置   

圖 36    本體性能對比

2.2 生產中要注意的問題

通過試驗，報告人提請大家在應用時要注意以下幾點：

·要優化孕育技術。孕育劑的化學成分要和鑄件中硅的總量和鑄件主要壁厚相匹配；

·要確保直讀光譜儀的試樣是白口組織（減薄或注意金屬模結構），否則分析會出錯；

·為確保鑄件質量的均一性與穩定性，直讀光譜儀必須要校正到和相應的硅量匹配；

·注意硅量應包括三個部分：配料、球化處理及孕育處理中的硅量總和。

2. 高硅球墨鑄鐵的優缺點與應用

根據德國的研究報告和本人同德國公司的座談，可以歸納用 Si 合金化了的球墨鑄鐵與原先混合基體球墨鑄鐵相比有如下優點：

·高硅球墨鑄鐵有更好的力學性能組合（抗拉強度、屈服極限以及高的伸長率），可使設計人員減少鑄件壁厚，從而減輕鑄件重量；

·鑄件本體中硬度與抗拉強度分布均勻；

· 基體基本上都是鐵素體，鑄件的硬度范圍窄，切削性能好，刀具壽命長，降低機械加工成本；

·鑄件模樣不需要任何變動。但因韌性的提高，必須在內澆口及冒口頸處進行相應修改， 否則在打澆冒口時會損害鑄件造成鑄件缺肉；

·可以放寬化學成分中珠光體穩定元素和碳化物形成元素的含量。從而可以放心使用大量的廢鋼，降低生產成本。

高硅球墨鑄鐵也存在有一些缺點：

·生產 GJS-600-10 的窗口比較小，即 Si 要嚴格控制在 4.3%以下；

·鑄件表面至今還無法硬化；

·焊接性能差；

·高硅鐵素體的沖擊性能不如低硅鐵素體的好。

德國某鑄造廠每年生產 22000t 球墨鑄鐵件，大部分是球墨鑄鐵管件，少量有機車、卡車及風電鑄件。過去生產 GJS-500-7 使用的成分是 Si1.9～2.1%，C3.6%，為控制住 Mn 等元素的含量使用 10%～15%的生鐵，現在提高硅至 3.4%～3.5%，碳在 3.0%左右，使用  廢鋼及切屑，可在保證質量情況下，每噸鑄件降低 25 歐元，即 200 元人民幣（德國切屑 150

歐元/t，廢鋼 340 歐元/t，生鐵 435 歐元/t）。過去他們生產的 500-7 含珠光體量約 80%，現在僅 5%左右。對于他們的鑄件（壁厚在 6～20mm）使用的是含 Zr 孕育劑，加入量為 2%。對于 GJS-600-10 的生產，他們的經驗是控制 Si 在 3.8%以上就可以。

大型卡車上的離合器板（Kupplungsplatte），在中國使用鑄鋼制造，德國 Jose 公司在 25年前就應用球墨鑄鐵制造。現在他們正應用高硅球墨鑄鐵做試驗，靜載試驗已過，也通過了德國跑車試驗，現正組織低溫跑車試驗。

參考文獻

1. Larker Richard.  固溶強化鐵素體球墨鑄鐵. [J].  鑄造，2010（6）：622-627.

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3. 張伯明主編.鑄造手冊：第 1 卷鑄鐵[M]，3 版.北京：機械工業出版社，2011.

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