耐磨高韌性球墨鑄鐵的研制及應用

趙強++張元華++王玲玲++許曉坤++武玉海

摘 要：等溫淬火球墨鑄鐵優異的綜合力學性能已經得到了廣泛的認可，并在工程領域得到應用。該文根據產品的要求，通過嚴格地控制材料的成分、熔煉工藝和熱處理工藝，采用“三明治”的球化孕育工藝，加上嚴格的過程管理，在現有設備及原材料的條件下，可生產出滿足性能要求的曲軸用等溫淬火球墨鑄鐵材料，各項指標達到和超過國家標準。

關鍵詞：球墨鑄鐵 等溫淬火 耐磨 高韌性

中圖分類號：TG255 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）10（a）-0057-02

隨著汽車工業的進步，商用車、重卡朝著重載、高速、低耗、低成本及良好的舒適性等方向發展，汽車曲軸對高強度、高伸長率材料的綜合性能要求越來越高[1]。等溫淬火球鐵曲軸具有良好的綜合性能備受青睞，但對于汽車用曲軸不僅要求高強度、高伸長率，還要求較高的硬度、韌性和高疲勞性能。文章通過化學成分和生產工藝的調整，研制滿足汽車曲軸用球墨鑄鐵材料[2]。

1 化學成分的選擇

1.1 成分設計思想

調整球鐵的C、Si含量，加入合金元素，使材料鑄態基體組織為鐵素體+珠光體混合基體組織，通過熱處理工藝獲得混合貝氏體+殘余奧氏體的組織，以提高材料的強度、硬度、韌性，獲得綜合力學性能較好的汽車用曲軸材料。

1.2 基本元素和合金元素的作用

碳：促進石墨化，減少白口傾向，提高流動性。硅：強烈促進石墨化和滲碳體分解，有利于石墨細化和圓整，增加且強化鐵素體。錳：穩定且細化珠光體，提高強度、硬度、耐磨性，降低韌性，提高淬透性。鉬：細化石墨，強烈促成碳化物，強化基體，均化組織，改善綜合性能，提高淬透性。鉬和銅合用促進珠光體、細化組織、提高淬透性效果更明顯。銅：細化石墨球改善石墨圓整度，穩定且細化珠光體，提高強度和硬度，提高耐磨性和耐蝕性。

1.3 確定化學成分

綜合分析各元素的作用，球墨鑄鐵的化學成分見表1。

2 原材料選擇及熔煉工藝

2.1 原材料的選擇

要想獲得滿足汽車曲軸用高性能球墨鑄鐵，鐵液的純凈度和化學成分必須保證，選用高純生鐵，按要求加入無銹的鋼筋頭廢鋼，并且加入Ni、Cu、Mo、B等合金元素，來降低雜質元素的帶入。

2.2 熔煉

想要獲得穩定的化學成分和理想的金相組織，研究人員采用100 kW容量為50 kg中頻感應電爐熔煉，爐前用快速C、Si檢測儀檢測原鐵液的含量，通過檢測結果調整成分，按合理順序添加合金元素，保證合金元素在鐵液中的含量，用測溫槍測出出爐溫度和澆注溫度。

2.2.1 原鐵液熔煉

球墨鑄鐵的原鐵液熔煉要注意碳的燒損和氧化，需要在以下幾方面注意：（1）熔煉溫度要控制在1 550 ℃以下。過高的溫度會造成嚴重的碳燒損，最終導致球化不良；（2）生鐵和廢鋼的加入前，要進行除銹處理，防止大量的夾渣，造成鑄造缺陷；（3）合金元素加入前，要進行預熱，可以放到爐邊進行烘烤，防止鐵液飛濺出來，產生安全事故；（4）在熔煉過程中會產生黏糊狀的雜質，覆蓋在爐口，可以起到保溫和防止氧化的作用；（5）取樣時采用小砂鍋進行取樣，要提前進行預熱，防止取樣過程中，砂鍋受熱不均，破碎，造成安全事故；（6）快速檢測鐵液溫度，及時調整，防止熔煉時間過長造成元素的燒損；（7）金屬液完全熔化，及時進行測溫，溫度達到1 520 ℃，出爐。

2.2.2 孕育球化處理

球化孕育前，要用液化氣進行烤包，澆包采用堤壩包，球化劑、孕育劑經過采用“三明治”孕育球化工藝，出爐溫度為1 500 ℃～1 520 ℃，澆鑄溫度為1 370 ℃～1 400 ℃。球化劑選用FeSiMg6RE2，采用堤壩式蓋包法進行球化處理，球化劑加入量為1.7%。孕育劑選用Si-Ba孕育劑。采用包內孕育的處理工藝，孕育劑的加入量為1.0%。

2.3 澆注

出爐，靜置、打渣后，進行測溫和隨流孕育，并用渣棍擋渣減少夾渣缺陷的產生，澆注的Y型試塊，采用水玻璃砂造型。

3 熱處理工藝

不同的熱處理工藝參數，對基體組織的影響比較大，要得到滿足的性能要求，合適的加熱與保溫、等溫淬火與保溫溫度顯得尤為重要[3]。該工藝添加了合金元素，減低了奧氏體轉變臨界溫度，考慮強度和伸長率的整體要求，經過多次試驗和查閱相關文獻[4]，確定如下熱處理工藝，見圖1所示。

等溫淬火后得到的組織為混合貝氏體+殘余奧氏體。

4 試驗結果

4.1 試樣的金相照片

（1）曲軸用球墨鑄鐵的鑄態組織，如圖2所示。

（2）球墨鑄鐵經過等溫淬火后得到的組織為混合貝氏體+殘余奧氏體，如圖3所示。

4.2 試驗的力學性能

如表2所示，按照以上工藝生產等溫淬火球墨鑄鐵能滿足曲軸應用的性能指標。力學及金相要求：抗拉強度Rm≥900 MPa，伸長率A≥6%，硬度≥300 HBW，球化級別2級，球徑大小6級。

5 結語

通過嚴格控制材料的成分、熔煉工藝和熱處理工藝，采用“三明治”的球化孕育工藝，成功地試驗出滿足客戶要求的曲軸用等溫淬火球墨鑄鐵材料，各項指標達到和超過國家標準。

參考文獻

[1] 柳建國，曾大新.鑄態QT700-10技術初探[J].鑄造，2014，63

（5）：507-509.

[2] 王修強，張永亭.鑄態QT550-10材料的試驗研究[J].金屬鑄鍛焊技術，2011，40（9）：62-64.

[3] 張軍，李志華.高強度等溫淬火球鐵件的生產[J].現代鑄鐵，2013（5）：23-25.

[4] 朱世杰，王利國.球墨鑄鐵曲軸等溫淬火工藝的研究[J].鑄造技術，2005，26（9）：760-762.