青岛四方机车车辆铸造有限公司 沈洪杰
河海大学
四、试验结果及分析
按照表2设计的低温球墨铸铁化学成分范围,采用图2热处理工艺,分别试验了Si、Mn、P对球墨铸铁力学性能,特别是低温冲击韧度的影响。
表3可以看出,由表3可以看出,当WSi由1.98%提高到2.35%时,球墨铸铁的室温抗拉强度在418-435MPa范围内波动:屈服强度在255-275MPa范围内波动;伸长率在21.5%-28%范围内波动;-20AKV在14.4-17.7J范围内波动,单个试样的最低值为13.6J;-40AKV
(1)序号1-5的球墨铸铁室温抗拉强度、屈服强度、伸长率和-20CAKV均符合EN—GJS—400—18LT球墨铸铁的指标要求,且波动范围不大,性能较稳定。
(2)球墨铸铁的低温冲击韧度随温度降低而下降,即-40AKV值均小于-20AKV值。
(3)-40AKV随Si含量增加则发生明显下降,且下降的趋势随Si含量增加而增加。当WSi>1.982时,-40AKV平均值为16.6J,完全符合EN—GJS—350—22LT的要求;当WSi>2.352时,-40AKV平均值下降到9.7J,单个试样的最低值达8.5J,己低于EN—GJS350—22LT标准要求。
(4)对照EN—GJS—350—22LT球墨铸铁技术指标
要求,序号1-5球墨铸铁的室温抗拉强度和屈服强度都满足要求,且有一定的余量,但序号2球墨铸铁的伸长率和序号4及序号5球墨铸铁的低温冲击吸收功不能满足要求。
由此可以得到以下结论:
其一,当WSi≤2.0%时,表3化学成分的球墨铸铁经图2工艺热处理后的性能可同时满足EN—GJS—350—22LT 和 EN—GJS—400—18LT 的要求。
其二,当WSi≥2.0%时,球墨铸铁的性能可满足EN—GJS—400—18LT的要求,但不能满足EN—GJS—350—22LT的要求。
2、锰含量对性能的影响
表4为Mn含量对球墨铸铁室温抗拉强度、屈服强度、伸长率和-20AKV、-40AKV等力学性能影响的试验结果。
由表4可以看出,当WMn由0.17%提高到0.53%时,球墨铸铁的室温抗拉强度在410-470MPa范围内波动,屈服强度在253-275MPa,伸长率在21%-26%。-20AKV在11.7-16.1J,单个试样的最低值为11J,-40AKV在8.9-13.9J,单个试样的最低值为6.8J。 由此可以看到以下规律:
1、控制 WSi
2、球墨铸铁的低温冲击韧度随温度下降而下降,即-40AKV值均小于-20AKV值。
3、随Mn含量的增加,不论是-20AKV值还是-40AKV值都呈下降趋势。当WMn>0.53%时序号10球墨铸铁,-20AKV值为11.7J,低于EN—GJS—400—18LT的要求;当WMn>0.35%时序号8-10球墨铸铁,-40AKV<12J,低于EN—GJS—350—22LT的要求。
4) WMn
由此可以得到以下结论:
其一,当WMn≤0.30%时,表4化学成分的球墨铸铁经图2工艺热处理后的性能可同时满足EN—GJS—350—22LT和EN—GJS—400—18LT的要求。
其二,当WMn≥0.35%时,球墨铸铁的性能可满足EN—GJS—400—18LT的要求,但伸长率和低温冲击韧度不能满足EN—GJS—350—22LT的要求。
3、磷含量对性能的影响
表5为P量对球墨铸铁室温抗拉强度、屈服强度、伸长率和-20AKV、-40AKV等力学性能影响的试验结果。
1、WP由0.022%提高到0.056%时,球墨铸铁室温抗拉强度、屈服强度及伸长率变化不大。
2、P显著降低球墨铸铁的低温冲击韧度,低温冲击吸收功,-20AKV、-40AKV值随P含量提高而明显降低,且温度越低,冲击吸收功下降趋势越明显。
3、WP≤%0.022%的球墨铸铁(序号11)室温抗拉强度、屈服强度、伸长率,以及低温冲击吸收功-20AKV和-40AKV同时能达到EN—GJS—400—18LT 和 EN—GJS—350—22LT要求;WP≥0.042%的球墨铸铁(序号12、13)室温抗拉强度、屈服强度、伸长率和低温冲击吸收功-20AKV达到EN—GJS—400—18LT要求,但不能满足EN—GJS—350—22LT要求;WP≥0.049%时,球墨铸铁(序号14、15)的低温冲击吸收功-20AKV和-40AKV不能满足EN—GJS—400—18LT和EN—GJS—350—22LT的要求。
由此可以得到以下结论:
第一,当WP≤0.031%时,表5化学成分的球墨铸铁经图2工艺热处理后的性能可同时满足EN—GJS—400—18LT和EN—GJS—350—22LT的要求。
第二,当WP≤0.042%时,球墨铸铁能满足EN—GJS—400—18LT的要求,但不一定满足EN—GJS— 350—22LT的要求。
第三,当WP≥0.049%时,表5化学成分的球墨铸铁经图3热处理工艺处理的性能不能满足EN—GJS—400—18LT和EN—GJS—350—22LT的要求。
第四,P和Mn、Si—样,显著降低球墨铸铁的低温冲击韧度,因此必须严格控制,但三者之间又可以相互调整。当原材料P偏高时,必须降低Si、Mn含量;当原材料Mn偏高时,必须控制Si、P含量。总之,降低Si、Mn、P量,有利于提高球墨铸铁的低温冲击韧度。
第五,按图2热处理工艺处理的(序号1-15)球墨铸铁,其室温抗拉强度、屈服强度和伸长率都能达到EN—GJS—400—18LT指标要求;在低温冲击韧度方面,只有WMn达0.53%的球墨铸铁(序号10 )和WP≥0.049%的球墨铸铁(序号14、15)的-20低温冲击吸收功未能达到EN—GJS—400—18LT的技术指标要求。
第六,在按图2热处理的15个序号的球墨铸铁中,含Si、Mn、P元素较少的5个序号的球墨铸铁能同时满足EN—GJS—400—18LT 和 EN—GJS—350—22LT 的技术指标要求,有10个序号的球墨铸铁达不到EN—GJS—350—22LT技术指标要求。
由以上试验可知,通过控制球墨铸铁的化学成分,可以控制球墨铸铁的力学性能。从生产实际考虑,控制材料力学性能的方法除控制化学成分外,还可以从热处理方面采取办法。
4、热处理工艺对性能的影响
按图2、图3所示的热处理工艺分别对5组球墨铸铁试样进行热处理,测定其拉伸性能和低温冲击初度,其结果见表6。
从表6中可以看出:
1)经720保温的球墨铸铁的抗拉强度和屈服强度均比由920直接炉冷到600+的球墨铸铁的强度低7-55MPa,伸长率则高出1%-2%。因此,经720+保温的图3热处理工艺使球墨铸铁的强度降低,塑性略有提高。
2)与920直接炉冷到600的球墨铸铁相比, 经720保温的球墨铸铁的低温冲击吸收功则有升有降。在5组试样中,有两组试样的-20AKV值下降,最多下降0.7J,有3组试样的-20AKV值上升,最多上升1.9J;有4组试样的值提高,最多提高1.9J,一组保持不变。因此,无论是在-20AKV还是在-40AKV的试验结果,图3的热处理工艺均有利于提高球墨铸铁的低温冲击朝度。
图4和图5分别是按图2和图3热处理工艺处理后的球墨铸铁的金相组织。从中可以清楚地看到,基体为铁素体,几乎看不到珠光体和碳化物。就金相组织而言,二者看不出差异。因此,图2、图3所示的热处理工艺对球墨铸铁性能的影响是较小的。
由以上试验研宄结果表明,低温球墨铸铁的性能主要取决于化学成分,特别是Si、Mn、P含量,而高温退火工艺对低温球墨铸铁的性能影响不大。考虑到EN—GJS—350—22LT球墨铸铁要求较高的伸长率和-40AKV值,图3热处理工艺在720保温,使奥氏体转变为铁素体更充分,有利于铁素体中过饱和的Si、Mn等元素的析出,也有利于提高材料的塑性,因此宜采用图3所示的热处理工艺。但只要成分控制合适,二者可以采用相同的高温退火工艺。
五、结语
通过对球墨铸铁化学成分、热处理工艺与常温力学性能和低温冲击韧度关系的研宄,可以得到以下结论:
1)Si、Mn、P含量对低温球墨铸铁的力学性能,特别是低温冲击韧度有显著的影响。在wsi=1.98%- 2.35%、)WMn
2)低温球墨铸铁经920奥氏体化后,随炉直接冷却到600出炉,或720保温一定时间,然后再炉冷到600出炉,前者得到的球墨铸铁的强度高于后者,但塑性和低温冲击韧度略低于后者。
通过控制球墨铸铁的化学成分和热处理工艺,可以稳定得到符合EN1563:1997标准规定的EN— GJS—400—18LT 和 EN—GJS—350—22LT技术指标的球墨铸铁,其化学成分见表7。
对于EN—GJS—400—18LT球墨铸铁建议采用920奥氏体化后,直接随炉冷却到600出炉,这样可以缩短热处理时间,提高生产效率;对于EN—GJS—350—22LT球墨铸铁建议采用920奥氏体化后,随炉冷却至720,保温一定时间后再随炉冷到600出炉,这样有利于提高材料的塑性和韧性。如果化学成分控制合适,二者可以采用相同的高温退火工艺。
C含量主要考虑材料的铸造性能,以确保获得健全的铸件。Si、Mn、P含量应尽可能低,但考虑到生产成本,当Mn、P含量为下限时,Si含量可以在上限;当Mn、P含量在上限时,应控制WSi<2.0%。
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