Si与C对铸态无Ni低温球墨铸铁低温冲击韧性的影响

2013-11-20喻光远徐贵宝

铸造设备与工艺 2013年1期

喻光远，徐贵宝

（南车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司，江苏常州 213011）

以铸态无Ni低温球墨铸铁为研究对象，在硅含量为1.6%～2.3%，碳当量为4.2%～4.7%的成分范围内，进一步深入的研究了在此成分范围内，Si与C比值对铸态低温冲击韧性的影响，同时，也从原材料的选用和金相组织辅助分析Si与C对低温冲击韧性的影响。从而探明规律为我部生产的中薄壁低温球墨铸铁如风电轴承座、电机盖等产品在配料、熔炼工艺及生产工艺上提供技术支持，稳定产品质量降本增效。

1 试验方法

选用生铁、废钢、增碳剂、铁合金、低稀土镁硅铁球化剂、孕育剂等为原料，在100 kg中频感应电炉内熔炼，采用包底冲入法球化、包底孕育、出铁随流孕育及浇注随流孕育的方法浇注Y型试块（220mm×25 mm Y型），试块选取的QT 400-18 LT化学成分如表1所示。

表1 QT400-18LT化学成分（质量分数，%）

1.1 低温冲击吸收能量检测方法

将试块切割加工成标准的带有V型缺口的夏比冲击试样，尺寸为10 mm×10 mm×55 mm,如图1所示。其中，低温冲击吸收能量K V 2的检测方法为：冲击试样在-20℃及-40℃的液氮中至少冷却5 min，然后在J N B-300 B摆锤式冲击试验机上进行冲击试验，从表盘中读出低温冲击吸收能量值。每组试样为3件，最后取算术平均值[1]。

1.2 冲击断口微观形貌检测方法

选取冲断后的铸态夏比冲击试样，用SE M电子显微镜观察断口的微观形貌，低温冲击断口SE M观察拍照后，截取冲断试样底部打磨、抛光、腐蚀，在光学显微镜下观察其金相组织和石墨形态。

2 试验结果及分析

2.1 w（Si）/w（C）对铸态低温冲击韧性的影响

以本溪生铁、T型废钢料、增碳剂为炉料、选取H 2球化剂、Y 3及75硅铁孕育剂、低铝硅钙钡为预处理剂，分别熔炼 w（Si）/w（C）比值分别为 0.421、0.470、0.482、0，490、0，495、0.512、0.541、0.563、0.591、0.620的硅含量为1.6%～2.3%，碳当量为4.2%～4.7%的Q T 400-18 L T低温球墨铸铁，分别做-20℃及-40℃的低温冲击吸收能量试验，试验结果如图2所示。

由图2可知，在硅含量为1.6%～2.3%，碳当量为4.2%～4.7%，在零下20℃的低温环境里，冲击吸收能量随着w（Si）/w（C）的增大呈现先增大后降低，最后有一点翘尾缓慢升高的趋势；在-40℃的低温环境里，冲击吸收能量随着w（Si）/w（C）比值的增大呈现先增大后降低的规律。根据标准，要求-20℃低温冲击吸收能量单个大于9 J，平均大于12 J，-40℃低温冲击吸收能量单个大于7 J，平均大于10 J的要求[2]，应选择 w（Si）/w（C）在 0.47～0.65之间，最佳值在 0.49～0.50之间。从试验数据来看，当 w（Si）/w（C）大于0.6，-40℃的冲击吸收能量小于10J，如果有要求-40℃的冲击性能时，尽量使 w（Si）/w（C）小于0.6；为防止石墨漂浮，根据中薄壁铸件的实际厚度，偏厚一点的铸件应选下限，偏薄一些的铸件应选上限值。

2.2 w（Si）/w（C）对铸态低温冲击断口断裂方式的影响

选取 w（Si）/w（C）分别为 0.455、0.496、0.588、0.649的铸态冲击断口，用扫描电镜观察断口的形貌及金相组织，如图3、图4、图5、图6所示。从图3可以看出，w（Si）/w（C）为 0.455的低温冲击断口为准解理断裂特征，在准解理小平面上有明显的撕裂棱，且撕裂棱上分布有大小不一的韧窝结构，-40℃的冲击断口比-20℃的冲击断口的韧窝少，解理断裂更明显；从图 4可以看出，w（Si）/w（C）为 0.496的低温冲击断口韧窝结构较多且有少量的解理小平面，-20℃与-40℃的冲击断口主要以韧窝韧性断裂为主的复合断裂；从图 5可以看出，w（Si）/w（C）为 0.588的低温冲击断口为准解理断裂方式，解理小平面比图3多，同时出现河流样花纹，-20℃与-40℃的冲击性能较图 3低一些；从图 6可以看出，w（Si）/w（C）为0.449的低温冲击断口呈现大面积的解理小平面，且分布较多的河流样花纹，撕裂棱较少，断口微观形貌为解理脆性断裂，尤其是-40℃的冲击断口为脆性断裂，低温冲击吸收能量比-20℃的下降较多。

图 3 w（Si）/w（C）为 0.455 的冲击断口微观形貌

2.3 金相组织对铸态低温冲击断口断裂方式的影响

选用优质的废钢料和晶体型石墨增碳剂进行废钢增碳熔炼铁液，采取复合孕育、随流孕育等后孕育及复合球墨变质工艺，浇注后保温处理工艺，试验结果如图7所示。从图7 a）微观金相组织可以看出，选取优质原材料和合理的孕育工艺可以减少生铁的粗大石墨的遗传[3-4]，细化石墨提高金相组织，从而提高铁液品质和铁素体含量，不仅提高常温力学性能，在相同的 w（Si）/w（C）的前提下，对低温冲击性能也有很好的提高，从图7 b）可以看出，在w（Si）/w（C）为 0.592时，微观断口为较好的准解理断裂，-20℃和-40℃的低温冲击吸收功分别为：13 J、10.3 J，比图 5中的 w（Si）/w（C）为 0.588的 -20℃和-40℃的低温冲击吸收功12.6 J、10.1 J的高。