球墨铸铁冲击韧性影响因素的分析

徐慧君

摘要:球墨铸铁在许多方面都具有良好的材料性能,但球墨铸铁的冲击韧性较低,使其应用受到限制。因此,提高球墨铸铁的冲击韧性尤其是低温冲击韧性已成为近年来人们关注的热点。本文从化学成分,基体组织等多个文献分析对球墨铸铁冲击韧性的影响,并由此此提醒行业人事从这些方面努力来高球墨铸铁的冲击韧性。

关键词:球墨铸铁;冲击韧性;影响因素

获得具有良好韧性的球墨铸铁是材料制造行业共同追求的目标。根据国内外科学工作者对球墨铸铁的研究,提高球墨铸铁的冲击韧性主要从基体组织,化学成分,石墨组织,制备工艺等几个方面着手。

1 基体组织对球墨铸铁的性能影响

1.1 铁素体

铁素体具有优良的塑性、韧性和较低的强度。球墨铸铁基体组织中铁素体数量增多,延伸率随之增高,在化学成分(主要指硅和磷)合格的条件下,铁素体含量越多,冲击值也越高。高韧性球墨铸铁的基体组织常以铁素体为主。

1.2 渗碳体

渗碳体严重恶化韧性和塑性,引起脆性。渗碳体数量增加,特别是呈网状分布时,将严重影响球墨铸铁韧性。渗碳体超过3%后,将提高脆性转变温度。因此高韧性球墨铸铁中游离渗碳体数量不应超过3%。

1.3 磷共晶

磷共晶是一种硬而脆的组织,它存在于球墨铸铁的共晶团边界,严重恶化韧性和塑性,特别是三元磷共晶严重影响球墨铸铁的韧性。磷共晶呈网状或断续网状分布时影响较大,磷共晶呈粒状时影响较小。磷共晶的数量应控制在1%以下。

2化学成分的选择

合理的化学成分能保证铸件具有良好的性能。由于篇幅限制,以下是主要几种元素对球墨铸铁冲击韧性的影响。

2.1 碳

对于球墨铸铁来说,因为石墨呈球状,含碳量对力学性能的影响就不如灰铸铁的显著。因此,含碳量对球墨铸铁力学性能的影响主要是通过其对金属基体的影响起作用,对于铸态球墨铸铁来说,增加含碳量可以减少游离渗碳体,碳的质量分数接近3%时,渗碳体消失;超过3%时,基体中开始出现铁素体。球墨铸铁石墨化退火后,游离渗碳体分解,基体组织为铁素体。此时,含碳量会影响石墨球数量、球径大小及其圆整度,从而影响球墨铸铁的

力学性能。一般情况下,提高含碳量(碳的质量分数高于3.2%的范围),可以提高球墨铸铁的冲击韧性。在球墨铸铁的生产中,碳的质量分数范围一般为3.5%～3.8%。但是,在球墨铸铁的生产过程中,需要加入一定量的硅,这样会引起碳当量的变化。因此,球墨铸铁的力学性能还必须考虑碳当量的影响。对于退火高韧性球墨铸铁,适当提高碳当量有利于退火过程中基体组织中渗碳体及珠光体的分解,并获得较多的铁素体基体组织,有利于提高韧性和塑性。值得注意的是,碳当量过高容易引起石墨漂浮,为了保证韧性又不产生石墨漂浮,必须选择合适的碳当量范围。

2.2 硅

硅对韧性的影响有两重性,既能增加铁素体数量,提高韧性和塑性,同时又固溶强化铁素体基体,增加强度和硬度。当硅的质量分数超过5%以上时,冲击韧性值kα下降,以至降到普通灰铸铁所具有的水平。一般在低温-40℃下工作的韧性球墨铸铁含硅量不应超过2.7%。因此,在碳当量确定的条件下,应尽量采取高碳低硅方案,这对提高韧性有利。

2.3 磷

磷是铸铁中的常存元素,它对球墨铸铁的机械性能,尤其是冲击韧性和塑性有明显的不良影响,因此总是作为有害元素对待。其主要原因是共晶团晶界产生的磷共晶脆相,磷共晶呈多角状分布于共晶团边界,急剧恶化球墨铸铁的力学性能,使球墨铸铁韧性下降;其次是磷阻碍珠光体的分解,又能固溶于铁素体中,这些都能降低韧性。磷的质量分数每增加0.01%时,脆性转变温度升高4.0～4.5℃。当磷的质量分数超过0.16%时,脆性转变温度已在室温以上,冲击断口出现脆性断裂。生产高韧性球墨铸铁时,含磷量应尽可能地低。低温(-40℃)下工作的铸件含磷量应低于0.07%,常温下工作的铸件含磷量应低于0.1%。热力学表明,在铸铁中是不可脱磷的,生产球墨铸铁就必须采用低磷生铁。

3 石墨对球墨铸铁机械性能的影响

在基体组织满足要求的条件下,石墨的形状对延伸率和冲击值的影响极大,球化越好,韧性也越好,冲击值也越高。石墨大小对冲击韧性也有影响,在一定的含碳量范围内,碳基本上呈游离状态存在时,石墨球径减小就意味着数量增多,也就是共晶团细化。试验证明,石墨球增多,铁素体量增加,石墨球径减小,冲击韧性有增加的趋势。高韧性球墨铸铁要求球化率应高于80%,石墨细小,不得有聚集分布的厚片状石墨。

4 冷却速度对球墨铸铁性能的影响

冷却速度影响铸态基体组织和石墨大小、形状,从而影响韧性。球墨铸铁的性质对冷却速度的不同是非常敏感的。文献[2]指出,当球墨铸铁中磷含量为0.09～0.12%时,以30℃/h的速率冷却,冲击韧性会剧烈下降。对于退火球墨铸铁,虽然热处理可改善组织,但冷却速度的影响仍不可忽略。冷却速度太快造成较多的渗碳体、三元磷共晶,增加了热处理的难度。冷却速度过慢将使石墨和共晶团尺寸增大,球径加大,偏析严重,退火后韧性也较低。

5 球墨铸铁的热处理

5.1 退火

退火的目的是获得高韧性的铁素体球墨铸铁。当铸态组织中渗碳体超过3%、磷共晶的体积分数大于等于1%或出现三元及复合磷共晶时,应进行两阶段石墨化退火[3],渗碳体不超过3%时应进行低温石墨化退火。两阶段退火中,高温阶段是消除渗碳体、三元或复合磷共晶,低温阶段是奥氏体转变成铁素体,最终获得以铁素体为主的基体组织。

5.2 等温淬火

等温淬火的全称是奥氏体等温淬火。标准的奥氏体化温度为900℃,保温时间为30～90min。根据对铸件的组织及各种性质的要求,可以配合不同的盐浴温度及保温时间。随着等温淬火温度的升高,球墨铸铁冲击韧性值逐渐增大,当等温淬火温度达到340℃时,冲击韧性值达最大值。也可以在较低的奥氏体化温度(≤850℃)下进行处理,以保留少量分散的铁素体,采用这种部分奥氏体化等温淬火,可以改善韧性。

贝氏体球墨铸铁中含有体积分数为20～40%呈面心立方的奥氏体相,它在低温时并不像呈体心立方的铁素体那样,从塑性到脆性具有明显的转变。因此,贝氏体球墨铸铁的低温冲击韧性有可能超过铁素体球墨铸铁的低温冲击韧性。由于贝氏体球墨铸铁性能良好,可以降低成本,所以已经引起世界范围内工程技术界的关注。

6 球化处理

在工业生产中,主要的球化剂是镁、稀土合金和钙,镁是众多球化剂中最经济的一种。球化处理中,Mg加入量、Mg残留量对石墨球数均有影响。Mg残在0.02～0.05%范围内,随Mg加入量增加,石墨球数增加。当Mg残达到0.058%时,石墨球数下降,石墨形态也开始变坏。一般地,当Mg残>0.05%时,碳化物增加,石墨球数下降。在工业发达国家,由于铁液含硫量低,一般使用含4.5%～5.0%Mg或4.0%～4.5%Mg的合金,大都不含稀土。基于试验研究的结果,大致应将球化剂的稀土含量调低至2%左右,残留镁或残留稀土过高,会促进渗碳体和珠光体的产生。

参考文献

[1]冶金工业部建筑研究院,摩擦焊,冶金工业出版社,1958

[2]Y.S Lerner,Temper Embrittlement of Ferritic Ductile Cast Iron,AFS Trans,1994:715～719

[3]骆晓纲,球墨铸铁低温冲击韧性的改善,铸造,1994(10):28～32