熔模鑄造鑄態(tài)QT800-5開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

陳娟 金柱 馬波 李喬

摘要：本文主要介紹了采用熔模鑄造工藝實(shí)現(xiàn)鑄態(tài)性能達(dá)成抗拉強(qiáng)度≥800MPa，延伸率≥5%，主要的技術(shù)措施是：1、利用合金元素Mn和Cu等合金強(qiáng)化基體組織;2、通過(guò)采用低鎂低稀土球化劑FeSiMg6Re2，包內(nèi)孕育采用75SiFe，倒包孕育采用4-8mm的鋇硅鐵孕育劑，三次型內(nèi)孕育采用2—4mm的鋇硅鐵孕育劑;3、球鐵原鐵液化學(xué)成分控制為：W（C）：3.3%一3.5%，W（Si）：2.3%一2.5%，W（Mn）：0.8%一1.0%，W（Cu）：0.7%-0.9%。試驗(yàn)結(jié)果表明，基體組織中珠光體含量≥85%，球化等級(jí)≤2級(jí)，力學(xué)性能能夠滿足要求。

關(guān)鍵詞：鑄態(tài);熔模鑄造;QT800-5;合金化

中圖分類號(hào)：TG255 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1005-2550（ 2018） 02-0105-04

引言

隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，人們對(duì)整車的性能要求越來(lái)越高，為了進(jìn)一步提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)產(chǎn)品輕量化，提高整車的NVH性能，本公司對(duì)熔模鑄造高強(qiáng)度高延伸率球鐵進(jìn)行了大量的探究與試制。本文主要對(duì)熔模鑄造鑄態(tài)QT800-5生產(chǎn)工藝進(jìn)行探討，為熔模鑄造高性能球鐵提供理論依據(jù)及技術(shù)指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.1化學(xué)成分依據(jù)

（1）含碳量

碳能促進(jìn)鎂吸收率提高，改善球化，含碳量的選擇應(yīng)從保證球墨鑄鐵具有良好的力學(xué)性能和鑄造性能兩個(gè)方面考慮。含碳量高，鐵液的流動(dòng)性好，凝固析出石墨數(shù)量越多，石墨球數(shù)多，石墨化膨脹體積增大，減小縮孔體積，縮松面積，使鑄件致密;但含碳量過(guò)高，降低縮松的作用不明顯，反而出現(xiàn)嚴(yán)重的石墨漂浮。另一方面，含碳量過(guò)高，則為保證球化所需的殘余鎂量要增多，例如碳含量從3.0%提高到4.0%時(shí)，殘余鎂量從0.028%增加到0.044%，才能保證球化。

（2）含硅量

硅明顯促進(jìn)石墨化，以孕育劑的方式添加硅的作用更顯著。對(duì)于鑄態(tài)球鐵，增加含硅量有雙重作用。一方面使?jié)B碳體、珠光體、三元磷共晶減少，鐵素體量增加，因而改善塑性;另一方面硅固溶強(qiáng)化鐵素體，使屈服點(diǎn)和硬度提高。但是，硅顯著增加球鐵韌一脆轉(zhuǎn)變溫度;并且當(dāng)硅增加到一定含量以后，球鐵的脆性隨其含量的增加而明顯增加。

（3）含錳量

錳是珠光體的促成元素，但錳比銅、錫促進(jìn)珠光體形成趨勢(shì)稍弱。可以提高鑄件的強(qiáng)度和硬度，降低塑性韌性。隨著錳含量的增加，鑄態(tài)時(shí)更容易出現(xiàn)共晶滲碳物。當(dāng)錳量小于0.4%時(shí)，得到的鐵素量體越多，斷后伸長(zhǎng)率越大。抗拉強(qiáng)度和硬度隨錳量的增加而增大。在考慮錳對(duì)基體組織和力學(xué)性能影響的同時(shí)，要注意錳會(huì)使鑄件白口傾向增加，是偏析傾向特別顯著的元素，易形成碳化物并富集在共晶團(tuán)邊界。

（4）含銅量

銅是很強(qiáng)的促進(jìn)珠光體形成元素，在共析轉(zhuǎn)變時(shí)，銅顯著細(xì)化和穩(wěn)定珠光體，其促進(jìn)珠光體的能力為錳的3倍，銅在共晶轉(zhuǎn)變時(shí)，促進(jìn)石墨化，可減少或消除游離滲碳體的形成，在共析轉(zhuǎn)變時(shí)，促進(jìn)珠光體的形成，可抑制鐵素體的形成，對(duì)基體起固溶強(qiáng)化、沉淀硬化的作用;同時(shí)隨著銅含量的增加，球墨鑄鐵抗拉強(qiáng)度和硬度相應(yīng)增加，但斷后伸長(zhǎng)率有所下降為中等促進(jìn)石墨化元素，它能穩(wěn)定奧氏體，提高奧氏體的穩(wěn)定性及石墨的圓整度。

根據(jù)化學(xué)元素對(duì)球鐵力學(xué)性能以及鑄造性能的影響，為了滿足高性能QT800-5抗拉強(qiáng)度≥800MPa，同時(shí)延伸率≥5%性能要求，在保證球化等級(jí)的前提下，還需進(jìn)一步強(qiáng)化基體組織，保證基體組織具有一定的珠光體含量，為實(shí)現(xiàn)性能穩(wěn)定達(dá)成，且綜合考慮到成本因素，本文加入了一定量的Mn和Cu提高鑄態(tài)組織珠光體含量，并強(qiáng)化細(xì)化珠光體組織。化學(xué)成分控制見(jiàn)表1。

1.2熔煉工藝

采用中頻感應(yīng)電爐中性爐襯熔煉，生鐵：其塊度小于爐膛內(nèi)徑的3/4，表面無(wú)銹蝕、油污和水漬，牌號(hào)為Q10，爐料配比為;生鐵45～ 60%、回爐料25～ 40%，其余為廢鋼。

1.3球化處理

本文采用一次出鐵進(jìn)行球化處理，采用沖入法，球化劑選用FeSiMg6RE2，粒度為10-30 mm，加入量為處理鐵水重量的1.2%～1.4%，球化處理溫度控制在1490～ 1530℃，球化反應(yīng)時(shí)間在45～70s。

1.4孕育處理

孕育處理工藝效果的好壞直接影響鑄件的力學(xué)性能，研究表明，多次孕育效果好于單次孕育，且孕育處理工藝越接近澆注，孕育效果越好;為保證孕育效果穩(wěn)定，孕育時(shí)間亦要穩(wěn)定控制，若孕育時(shí)間越長(zhǎng)，孕育衰退就越嚴(yán)重，石墨球化等級(jí)可達(dá)到4級(jí)，石墨圓整度越差。為達(dá)成具有較高抗拉強(qiáng)度的同時(shí)，具有較高的延伸率，須要增強(qiáng)球化孕育效果，提高球化等級(jí)。本文孕育處理采用三次孕育方式，球化處理時(shí)選用粒度為4-8mm的FeS175孕育劑進(jìn)行初次孕育，加入量為處理鐵水重量的0.4%;轉(zhuǎn)包時(shí)選用粒度在4-8mm的鋇硅鐵孕育劑，通過(guò)沖入法進(jìn)行二次澆包孕育，加入量為鐵水重量的0.4%;澆注時(shí)選用粒度在2-4mm的鋇硅鐵進(jìn)行三次型內(nèi)孕育，孕育量為模組重量的0.2%。鋇硅鐵孕育劑化學(xué)成分見(jiàn)表2。

1.5試驗(yàn)方法

根據(jù)GB/T1348-2009《球墨鑄鐵件》標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)時(shí)采用微機(jī)控制電子30 t萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)儀，Y形單鑄試塊，加工試樣形狀與尺寸如圖1。金相檢驗(yàn)依據(jù)GB/T9441-2009球墨鑄鐵金相檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

本文是在Y型試塊上取試棒做鑄態(tài)性能試驗(yàn)，并截取試棒金相進(jìn)行檢測(cè)。在上述化學(xué)成分下進(jìn)行了3輪次試驗(yàn)驗(yàn)證，每輪次取2根試棒進(jìn)行性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3。

由試驗(yàn)結(jié)果可得，通過(guò)Mn與Cu的合金化作用，并通過(guò)加強(qiáng)球化孕育工藝控制，可使基體組織中石墨球化等級(jí)達(dá)到1-2級(jí)，珠光體含量≥85%，滿足QT800-5抗拉強(qiáng)度≥800 MPa;延伸率≥5%性能要求，基體石墨形態(tài)及組織珠光體含量見(jiàn)圖2-圖5。

由圖2和圖4可以看出，采用“球化包孕育+倒包孕育+型內(nèi)孕育”三次孕育方式，基體中石墨球數(shù)明顯增多，球徑減小，石墨球圓整度提高，能夠顯著促進(jìn)石墨形核。這是因?yàn)樵阼F水中未完全溶解的起合金作用的硅，這部分硅能起到孕育作用，完全溶解到鐵水中的硅不能作為石墨形核質(zhì)點(diǎn)，起不到孕育效果。

在采用“球化包孕育+倒包孕育”后，鐵水中的硅含量會(huì)升高，但隨著孕育時(shí)間的延長(zhǎng)，孕育劑不斷溶解于鐵液中，活性硅的含量會(huì)逐漸降低，鐵液中不能提供足夠的形核質(zhì)點(diǎn)供石墨晶體形核，孕育效果隨鐵液停留時(shí)間的延長(zhǎng)而衰退，單位面積上的石墨球數(shù)逐漸減少，當(dāng)采用“球化包孕育+倒包孕育+型內(nèi)孕育”三次孕育方式后，能夠補(bǔ)充鐵液中的活性硅含量，減緩了因澆注時(shí)間延長(zhǎng)而出現(xiàn)孕育衰退現(xiàn)象，使熔體在凝固前均存在大量的形核核心，增強(qiáng)了石墨的形核能力，可使石墨球大小等級(jí)達(dá)到8級(jí)。

由圖3和圖5可以看出，在采用合金元素Cu和Mn后，可顯著提高基體中的珠光體含量，促進(jìn)珠光體的形成，抑制鐵素體的形成，對(duì)基體起固溶強(qiáng)化、沉淀硬化的作用，提高球墨鑄鐵的抗拉強(qiáng)度;另一方面，與砂型鑄造相比，熔模鑄造型殼較薄，鑄態(tài)組織在凝固過(guò)程中，冷卻速度較快，冷卻速度對(duì)基體組織影響較大，外界冷卻速度越快，基體中珠光體含量增大，兩方面綜合因素，使基體組織的珠光體含量穩(wěn)定控制為≥85%，實(shí)現(xiàn)抗拉強(qiáng)度≥800MPa。

3結(jié)論

（1）熔模鑄造QT800-5合金化及強(qiáng)化孕育操作，球化級(jí)別可達(dá)到1～2級(jí)，球化率≥95%;熔模鑄造生產(chǎn)鑄態(tài)QT800-5，珠光體含量控制≥85%為宜，應(yīng)盡量提高球化等級(jí)和石墨大小等級(jí);

（2）合理控制化學(xué)成分、嚴(yán)格并精細(xì)球化與孕育工藝操作，能夠?qū)崿F(xiàn)熔模鑄造高性能QT800-5的穩(wěn)定生產(chǎn)。