耐磨高韧性球墨铸铁的研制及应用

赵强++张元华++王玲玲++许晓坤++武玉海

摘 要：等温淬火球墨铸铁优异的综合力学性能已经得到了广泛的认可，并在工程领域得到应用。该文根据产品的要求，通过严格地控制材料的成分、熔炼工艺和热处理工艺，采用“三明治”的球化孕育工艺，加上严格的过程管理，在现有设备及原材料的条件下，可生产出满足性能要求的曲轴用等温淬火球墨铸铁材料，各项指标达到和超过国家标准。

关键词：球墨铸铁 等温淬火 耐磨 高韧性

中图分类号：TG255 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）10（a）-0057-02

随着汽车工业的进步，商用车、重卡朝着重载、高速、低耗、低成本及良好的舒适性等方向发展，汽车曲轴对高强度、高伸长率材料的综合性能要求越来越高[1]。等温淬火球铁曲轴具有良好的综合性能备受青睐，但对于汽车用曲轴不仅要求高强度、高伸长率，还要求较高的硬度、韧性和高疲劳性能。文章通过化学成分和生产工艺的调整，研制满足汽车曲轴用球墨铸铁材料[2]。

1 化学成分的选择

1.1 成分设计思想

调整球铁的C、Si含量，加入合金元素，使材料铸态基体组织为铁素体+珠光体混合基体组织，通过热处理工艺获得混合贝氏体+残余奥氏体的组织，以提高材料的强度、硬度、韧性，获得综合力学性能较好的汽车用曲轴材料。

1.2 基本元素和合金元素的作用

碳：促进石墨化，减少白口倾向，提高流动性。硅：强烈促进石墨化和渗碳体分解，有利于石墨细化和圆整，增加且强化铁素体。锰：稳定且细化珠光体，提高强度、硬度、耐磨性，降低韧性，提高淬透性。钼：细化石墨，强烈促成碳化物，强化基体，均化组织，改善综合性能，提高淬透性。钼和铜合用促进珠光体、细化组织、提高淬透性效果更明显。铜：细化石墨球改善石墨圆整度，稳定且细化珠光体，提高强度和硬度，提高耐磨性和耐蚀性。

1.3 确定化学成分

综合分析各元素的作用，球墨铸铁的化学成分见表1。

2 原材料选择及熔炼工艺

2.1 原材料的选择

要想获得满足汽车曲轴用高性能球墨铸铁，铁液的纯净度和化学成分必须保证，选用高纯生铁，按要求加入无锈的钢筋头废钢，并且加入Ni、Cu、Mo、B等合金元素，来降低杂质元素的带入。

2.2 熔炼

想要获得稳定的化学成分和理想的金相组织，研究人员采用100 kW容量为50 kg中频感应电炉熔炼，炉前用快速C、Si检测仪检测原铁液的含量，通过检测结果调整成分，按合理顺序添加合金元素，保证合金元素在铁液中的含量，用测温枪测出出炉温度和浇注温度。

2.2.1 原铁液熔炼

球墨铸铁的原铁液熔炼要注意碳的烧损和氧化，需要在以下几方面注意：（1）熔炼温度要控制在1 550 ℃以下。过高的温度会造成严重的碳烧损，最终导致球化不良；（2）生铁和废钢的加入前，要进行除锈处理，防止大量的夹渣，造成铸造缺陷；（3）合金元素加入前，要进行预热，可以放到炉边进行烘烤，防止铁液飞溅出来，产生安全事故；（4）在熔炼过程中会产生黏糊状的杂质，覆盖在炉口，可以起到保温和防止氧化的作用；（5）取样时采用小砂锅进行取样，要提前进行预热，防止取样过程中，砂锅受热不均，破碎，造成安全事故；（6）快速检测铁液温度，及时调整，防止熔炼时间过长造成元素的烧损；（7）金属液完全熔化，及时进行测温，温度达到1 520 ℃，出炉。

2.2.2 孕育球化处理

球化孕育前，要用液化气进行烤包，浇包采用堤坝包，球化剂、孕育剂经过采用“三明治”孕育球化工艺，出炉温度为1 500 ℃～1 520 ℃，浇铸温度为1 370 ℃～1 400 ℃。球化剂选用FeSiMg6RE2，采用堤坝式盖包法进行球化处理，球化剂加入量为1.7%。孕育剂选用Si-Ba孕育剂。采用包内孕育的处理工艺，孕育剂的加入量为1.0%。

2.3 浇注

出炉，静置、打渣后，进行测温和随流孕育，并用渣棍挡渣减少夹渣缺陷的产生，浇注的Y型试块，采用水玻璃砂造型。

3 热处理工艺

不同的热处理工艺参数，对基体组织的影响比较大，要得到满足的性能要求，合适的加热与保温、等温淬火与保温温度显得尤为重要[3]。该工艺添加了合金元素，减低了奧氏体转变临界温度，考虑强度和伸长率的整体要求，经过多次试验和查阅相关文献[4]，确定如下热处理工艺，见图1所示。

等温淬火后得到的组织为混合贝氏体+残余奥氏体。

4 试验结果

4.1 试样的金相照片

（1）曲轴用球墨铸铁的铸态组织，如图2所示。

（2）球墨铸铁经过等温淬火后得到的组织为混合贝氏体+残余奥氏体，如图3所示。

4.2 试验的力学性能

如表2所示，按照以上工艺生产等温淬火球墨铸铁能满足曲轴应用的性能指标。力学及金相要求：抗拉强度Rm≥900 MPa，伸长率A≥6%，硬度≥300 HBW，球化级别2级，球径大小6级。

5 结语

通过严格控制材料的成分、熔炼工艺和热处理工艺，采用“三明治”的球化孕育工艺，成功地试验出满足客户要求的曲轴用等温淬火球墨铸铁材料，各项指标达到和超过国家标准。

参考文献

[1] 柳建国，曾大新.铸态QT700-10技术初探[J].铸造，2014，63

（5）：507-509.

[2] 王修强，张永亭.铸态QT550-10材料的试验研究[J].金属铸锻焊技术，2011，40（9）：62-64.

[3] 张军，李志华.高强度等温淬火球铁件的生产[J].现代铸铁，2013（5）：23-25.

[4] 朱世杰，王利国.球墨铸铁曲轴等温淬火工艺的研究[J].铸造技术，2005，26（9）：760-762.