铸态高韧性球墨铸铁的研制和应用

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1990.06.021 北京科技大学学报 第12卷第G期 Vol,12 No.6 1990年11月 Journal of University of Science and Technology Beijing Nov.1990 铸态高韧性球墨铸铁的研制和应用 连金江·程和法· 刘福来·汪宗沂··杨成光·· 摘要：对铸志直接获得高韧性球铁进行了研究。试验表明，在保证石曼球化良好的情 况下，硅、锰含量是影响侠素体量和延伸率8%的主要因来，%值随老硅的增加和篮的降低 而相应地提高，在Si(2,90~3.20)%、Mn(0.15~0.40)%范固内，8%值可达(19~21)%。 这种钵态高韧性球铁成功地用于生产厚大断面和薄壁铸件。 关键词：铸态，高韧性，球量铸铁，高炉冷却壁 Research on As-Cast High Toughness Ductile Cast Iron and Its Application Lian Jinjiang Cheng Hefa Liu Fulai Wang Zongyi.. Yang Chengguang… ABSTRACT:The high toughness ductile cast iron directly obtained at as-cast state had been studied.It was found that the content of Si and Mn were the main factors 'affecting the amount of ferrite and the value of 6%under the good state of graphite spheroidization.The valuc of 6%raised with the increasing in amound of Si and the decreasing in amount of Mn.When the amount of Si was in the range of (2.90-3.20)wt%and Mn in the range of (0.15-0,40)wt%,the value of 6%rcached (19-21)%.This kind of as-cast high toughness ductile cast iron has been successfuly used in producing heavy section castings and thin section castings. KEY WORDS:as-cast,high toughness.ductile cast iron,cooling wall of blast furnace 1989一02-17收稿 ·冶金系(Department of Metallurgy) ,·本溪铁使公司(Benxi Iron and Steel Comp2ny) ·516·

第 卷第 期 洲 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 。 。 一 — 一— 一一 —— 一———— 一 一 一 — 一 叫 铸态高韧性球墨铸铁的研制和应用 连金江 ’ 程和 法 ’ 刘福来 ’ 汪宗沂 “ 杨成光 ” 户尸 摘 要 对 铸 态直 接获得高韧性球 铁进行 了研 究 。 试脸 表 明 ， 在 保证 石且球化 良好 的 愉 况 下 ，硅 、 锰含 是影响 铁素体且 和 延 伸串 占 的主要 因素 ， 占 值随着硅的增加和锰的降低 而相应 地提高 ，在 。 、 一 。 心。 写 范围内 ， 值可 达 ， 。 这种铸态高韧性球 铁成功地 用于生 产厚大 断 面和薄壁 铸件 。 关扭饲 铸态 ， 高韧性 ， 球墨 铸 铁 ， 高 炉冷 却璧 一 子产 ‘ 。 。 夕 。 夕 “ 牙 ， 夕 夕夕 ‘二 。 夕 夕夕 夕 ’ 以 一 犷 。 。 、、 · 。 一 、 、 。 。 一 。 · ， 。 一 一 、 、 义， 一 ， 卜 。 ， 一 、 ， 一 一 收稿 冶 金系 本澳铁 铁 公 司 ， 矛 · DOI ：10．13374／j ．issn1001—053x．1990．06．021

高韧性球铁是指有一定抗拉强度的具有较高塑性和良好冲击韧性的球墨铸铁。标准要 求：抗拉强度分别为450N/mm2、400N/mm2、400N/mm2,延伸率分别为10%、15%、18% 三个等级，冲击韧性不要求，只作参考。它主要用于承受动载荷、有少量塑性变形和经受热 冲击的场合。长期以来，多是采用退火方法来满足高韧性的要求，这样不仅增加能耗，特别 是由于铸件内腔的氧化铁难于清理而导致不能输送纯净的介质油或水。因此，取消热处理， 铸态下直接获得高韧性的球铁件就成为在国内外引人注目的课题。 几年来，结合高炉冷却壁、蒸气往复热油泵油缸体和地沟盖等铸件，研究了铸态高韧性 球铁及其影响因素，并取得了延伸率达(19~21)%的满意结果，机械性能完全达到并超过了 碳素钢铸件的指标。 冷却壁是高炉的重要备件，我国长期用的是灰铸铁件，由于其塑性低、脆性大，则导致高 炉一代炉龄八年中要中修1或2次。国外对冷却壁的材质和结构作了多次改进，高炉寿命已 达8年而无中修。蒸气往复热油泵油缸体是输送250℃介质油的内腔复杂的铸件，用中碳钢 制造时，由于渗漏严重，退火后内腔氧化铁难清理，而无法保证介质油的纯净。地沟盖厚度 约6mm,且承受动载荷，因此要求高韧性的球铁t1~3)。 综上所述，研究和生产铸态高韧性球铁对推动我国新技术的发展具有重要意义。 1试验方法 实验室模拟试验采用的是厚度100mm的楔形试样，从其取样做机械性能、金相组织观 察、热冲击试验等。试样经感应炉熔炼和低稀土镁合金处理。生产上试制了上述几种铸件， 采用附体标准试样作为观察金相组织和检测机械性能的比较依据，冲天炉熔炼，压力加镁或 稀土镁合金处理。孕育剂均采用硅铁。 2试验 结果 2,1化学成分对铸态球铁组织和性能的影响 模拟试验结果列于表1(8)，并分别叙述如下。 2.1.1硅对基体组织的影响表1数据表明，在石墨球化良好情况下，锰为(0,12~0.15)% 时，试验中心的铁素体随硅量增加而增多，其变化关系示于图1。石墨球化和基体组织见 图2、图3。试验还发现，试样表面的铁素体量要比中心部位多。 2.1,2锰对基体组织的影响当硅在一定范围情况下，随着锰的增加，铁素体量将相应地减 少。其影响示于图4。 2.1.3硅对机械性能的影响球铁的机械性能主要取决于石墨球化状况和基体组织，在石墨 球化良好时，基体组织的性能得以充分发挥。从试验可知，硅是影响铁素体量的重要因素， 因此，它必然对性能产生影响。现将本试验所得硅与σ。、6%关系示于图5，与硬度HB和 显微硬度HT下的关系示于图6。 ·517

高韧性球铁是指有一定抗拉强度的具有较高塑性和 良好 冲击韧性的球墨 铸 铁 。 标 准 要 求 抗 拉强 度分别为理 。 二 “ 、 厂 二 “ 、 延 伸率分别为 、 、 三个等级 ， 冲击韧性不 要求 ， 只作参考 。 它 主要 用 于承受动载荷 、 有 少量塑性变形和经 受热 冲击 的场合 。 长期以来 ， 多是采 用退火 方法来满足高韧性的要求 ， 这样不仅增加 能耗 ， 特 别 是 由 于铸 件 内腔的氧化铁难 于清理而 导致不能 输送 纯净的介质油或水 。 因此 ， 取消热 处理 ， 铸态 下直接获得高韧性的球 铁件就成 为在国 内外引人 注 目的课题 。 几 年来 ， 结合高炉 冷却壁 、 蒸 气往复热油泵油缸体和地沟 盖等铸件 ， 研究了铸态 高韧性 球铁 及其影响 因素 ， 并取得 了延伸 率达 的满 意结果 ， 机 械性能 完全达到 并超过 了 碳素钢铸件的指标 。 冷却壁是高炉 的重要备件 ， 我 国 长期 用的是灰 铸铁件 ， 由于其塑性 低 、 脆性大 ，则 导致高 炉一代 炉龄 八年中要 中修 或 次 。 国外对 冷 却壁 的材质和结构作 了多次改 进 ， 高炉 寿命已 达 年而无 中修 。 蒸 气往复热油泵油 缸体是输送 ℃ 介 质油 的 内腔复杂 的 铸 件 ， 用 中碳钢 制造 时 ， 由于渗漏 严重 ， 退 火后 内腔氧化铁难清理 ， 而无法 保证介 质油 的纯净 。 地沟 盖 厚度 约 二 ， 且承 受动载荷 ， 因此要求高韧性的球铁 仁 ‘ 一 ” ’ 。 综上 所述 ， 研究 和生 产铸态 高韧性球铁对推 动我 国新技 术 的发 展具有重要意义 。 试 验 方 法 实验室模拟试验采用 的是厚度 ” 的楔形试样 ， 从其取 样做机 械性能 、 金相组 织 观 察 、 热 冲击试验等 。 试样经 感应炉熔炼和低稀土镁合金处理 。 生产上试制 了上述几种铸 件 ， 采用附体标准试样作为观察金相组织和检测机械性能 的比较 依据 ， 冲天炉熔炼 ， 压 力加 镁或 稀土 镁合 金处理 。 孕育剂均采用 硅铁 。 试 验 结 果 化 学成分对 铸态球铁组 织 和性 能的影 晌 模 拟试验结果列于 表 〔 “ ’ ， 并分别叙述如下 。 硅对基体组织 的影响 表 数据 表 明 ， 在石 墨球化 良好 情况下 ， 锰 为 一 写 时 ， 试验 中心的铁素体随硅量增加而增 多 ， 其变化关 系示于 图 。 石 墨球化 和基 体 组 织 见 图 、 图 。 试 验还 发现 ， 试样表 面的铁素体量要 比 中心部位多 。 锰对基体组织 的影响 当硅 在一定 范围情况下 ， 随着锰 的增 加 ， 铁素体量将相应地减 少 。 其影响示于 图 。 硅对机 械性能 的影 响 球铁 的机 械性能 主要取决 于石 墨 球 化 状况和基体组织 ， 在石墨 球化 良好 时 ， 基体组织 的性能得 以充分发挥 。 从试验可知 ， 硅是影 响铁素体量 的重要 因素 ， 因此 ， 它必然对性能产生影响 。 现将本试验所得 硅 与 『 、 关系 示于 图 ， 与硬 度 和 显微硬 度 的关系示于 图

表1铸态球铁化学成分、组织和机械性能 Table 1 Chemical composition,microstructures and mechanical properties of samples 化学成分，wt% 铁素体% 机械性能 号 C Si Mn P S RE Mg中心 表面ob,N/mm2d,%ax,J/cm2HB M13.632.10 0.130.0430.0090.0530.04765 95 467 10.9 76 178 M23.612.400.15 0.0090.0620.08370 100 428 12.4 161 M33.622.56 0.150.0370.0080.0610.07575 100 443 15.2 65 154 M43.602.82 0.15 0.0080.0610.08090 100 459 18.0 78 155 M53.603.100.15 0,0080.0610.07295 100 467 19.5 110 165 M63.603.27 0.15 0.0070.0510.06095 100 481 19.4 100 173 M83.613.38 0.140.0330.0070.0580.066100 100 517 18.6 103 184 M93.613.630.12 0.0060.0560.066100 100 548 17.6 101 193 N23.602.600.410.0370.0080.0530.07265 90 473 12.8 61 170 N33.602.59 0.59 0.0080.0610.06060 8盼 481 12.1 60 181 N43.602.620.390.0290.0100.0520.055 65 90 512 13.2 55 175 N53.602.54 0.48 0.0080.0580.07660 85 512 12.4 55 183 3.612.94 0.400.0360.0080.0580.07695 100 497 21.0 112 170 T2 3.612.95 0.75 0.0080.0600.07790 100 529 18.4 97 187 100 识 0 0 60 40 2.2 2.63.0 3.l Si,wto 100日 图1硅对侠素体量的影响 图2试样M4金相组织 Fig.1 The influence of silicon content Fig.2 Microstructure of M4 specimen on ferrite content oSi:2,3,1U 10 十 5:2,502. 80 4 .1 i.3 0.5 0.7 100um Mu,wt% 图3试样M9金相组织 图4锰对铁素体量的彩响 Fig.3 Microstructure of Mg specimen Fig.4 The influence of Mn content on ferrite content 518

表 铸态球铁化学成分 、 组 织和机械性能 一 化 学 成 分 ， 铁素体 机 械 性 能 中心 表面 ， ， ， 试验号 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 ， 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 ， 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 ， 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 理 。 。 曰口汽匕 匕︺一﹄ 曰几口八 月确 八几山︺ 山， 己︸匕的 自件内 产 口 甘材公八品 勺八﹄八甘﹄甘︸ 竹介城 晒睽了 惫 袅 馨 粼 犷淮 ，廊擎 卜 欲 用 一 飞 曝 馒 瞩 、 豁嚓 一 丫挤 ，一 一 一 一司 八恃 曰日︹ 名角﹄翻。价 ， 甘 。 势 、 、 澎 〕 滋 健 图 试样 金相组织 呈 奕慈燕漏‘ 饰珍必 图 硅 对铁素体量的影响 皿 一 一 下 铡 ‘ 一 雄 一 〕 势铆呵 攘 臀俩喃介哗 · 腻 豁承 一 — — 份 牙 一 一 ‘ 、 不兀二 吸 罗 ， 翻 臀 曝彝 气瘫 肇 窿 求 生、 『村一 如户 峨口 豆 胜竺鱼 钓︹ 曰曰 卜 ︸闷召﹄。 华窦 熟 黔 奏礴 馨 臀 鲡书 颧赓夔蠢 一 嗜夔 黔嚷 价 图 试样 金相 组织 黯遇 图 锰 对 铁素体量 的影响 · ·

00 6U0 20 180 190 170 180 500 69 160 170 】50 160 400 2. 3.0 3.4 140L 150 2.2 2.63.0 3.4 Si.wt Si,wt% 图5硅对06和6%的影响 图6硅对HB和HV的彩响 Fig.5 The influence of Si content on Fig.6 The influence of Si contcot on ob and 8% HB and HV 该图表明，σ。和HB先是随硅量增加而降低，这是因为此时硅使铁素体量不断增加而导 致的结果。尔后，σ。和HB随硅的增加而提高，这是因为此时基体组织已经大部分为铁素 体，进一步增加硅，其固溶度增大，则硅的固溶强化作用就表现了出来，这点可以由图6非 的增加使显微硬度HV随之提高而得到了证实。 硅对延伸率也有重要的影响，随着硅的不断增加，延伸率也随之有较大的提高，这是因 为铁素体量不断增加而导致的结果，当Si为(3.10~3.27)%时，值达最大，约为19.5%， 冲击韧性ax值为110一-112J/cm2。尔后，则延伸率下降，因为此时硅的固溶度过大，可能 引起晶格的扭曲，导致基体组织的脆性增加，因而使延伸本降低。由此可知，铸态高韧性球 铁中的硅量应该有一个最佳范围，其过高成过低都不能获得高的延伸率指标。 根据本试验数据，对硅量与延伸克的关系进行了回门分析，得出以下结果，可作为生产 铸态高韧性球铁件的参考。 6(%)=-47.467+40.622Si-6.208Si2 2.1.4锰对机械性能的影啊机械性能数据 与锰的关系已列于表1，现将锰对延伸率的 0Si:2.95%3.10% ●S:2.56%~2.62% 影响示于图7。试验表明，当硅为(2.56~ 2.62)%时，随着锰的增加，延伸率明显降低， 18 锰为0.15%时，延伸率最大值才只有15%，而当 16 硅为(2.95-3.10)%时，锰在(0.15~0.75)% 范围内，延伸率可达(18~21)%。由此可见， 14 在含锰量较高时，提高硅含量是获得高延伸率 12 0.10.20.30.40.50.60.7 的必要条件。当生产中难于找到低锰铸造生 Mn,wt% 铁，而选用含锰较高的铸造生铁时，要想获得 图7锰对延仲(8%)的影响 铸态高韧性的球铁件，必须将硅含量选择在 Fig.7 The influence of Mn content on 3.0%左右为宜。 2,2铸态高韧性球铁的高温性能 、 有时这种铸铁要在一定的温度下使用，为此，将制备的标准试样放入箱式电阻炉，在 ·519●

绷 ，愧 八匕互口﹃‘ 汽日八八曰 ，二叮︹‘ 曰︹ 孟 土，一， ‘工产︹ 一 … 一 一心卜伴千疥 一 曰八﹃ 叭么匕产。卜 图 硅对 和 的影响 下 ， 。 己 ， 图 硅 对 和 的影响 己 该图表明 ， 。 和 先是随硅量增加而降低 ， 这是 因为此时硅使铁素体量不 断增加 而导 致 的结果 。 尔后 ， 。 。 和 随 硅的增加而提高 ， 这是 因为此时基体组织 已经 大部 分 为 铁 素 体 ， 进一步增加硅 ， 其固溶度增大 ， 则 硅的固溶强化 作用就表现 了 出来 ， 这 点可 以 由图 硅 的增加使显微硬度 随之提高而得到 了证实 。 硅对延伸率也有重要 的影 响 ， 随着 硅 的不 断增加 ， 延 伸率也随之有较大 的提 高 ， 这是 因 为铁素体量不断增加而导致的结果 ， 当 为 一 时 ， 值达最大 ， 约 为 ， 冲击韧性 值为 一 。 尔后 ， 则延 伸 率下 降 ， 因为此 时硅的 固溶 度过大 ， 可 脂 引起 晶格的 扭 曲 ， 导致基体组织 的 脆性增加 ， 因而 使延 伸率降 低 。 由此可知 ， 铸 态 高韧性 求 铁 中的 硅量 应 该有 一 个 最佳 范 围 ， 其过高或 过低都不 能 获得高的延伸率指标 。 根 据本试验数据 ， 对 硅 量 与延 伸率的 关 系进 行了 回 归分析 ， 得 出 以下 结果 ， 可作 为生产 铸 态 高韧性 球铁件 的参 考 。 刁 二 一 理 滩 。 一 锰对机 械性能 的影响 机 械 性 能 数 据 与锰的 关系 已列 于 表 ， 现将锰对 延 伸 率 的 影响示于图 。 试验表明 ， 当 硅 为 一 时 ， 随着锰 的增加 ，延伸率明显降低 ， 锰为 时 ， 延 伸 率最大值才只有 ，而 当 硅为 一 。 石时 ， 锰在 一 。 范围 内 ， 延伸 率可达 一 。 由此可见 ， 在含锰量较 高时 ， 提高硅 含量是获 得高延伸率 的必要条件 。 当生产 中难 于找到 低 锰 铸 造 生 铁 ， 而选 用含锰较高的 铸造生铁 时 ， 要想获得 铸态 高韧性的球铁件 ， 必须将硅 含 量 选 择 在 。 左右 为宜 。 护 ， 杯 、 … 水 产、 心 」 〔 夕 叮 ， 图 锰对 延 伸 占 的 影响 铸 态高韧性球铁的高温性 能 有 时这种铸铁要在一定的温 度下使 用 ， 为此 ， 将制备的标准试样放入箱 式 电 阻 炉 ， 在

850℃下保温150h,做氧化和生长性能武验，其结果列于表2。 表2球铁和灰铁的氧化和生长性能 Table 2 The properties of oxidation and the grow for ductile 球 铁 钻铁 试样号 M2 M3 M4 M6 M9 HT Six 2.10 2.40 2.56 2.82 3.27 3.63 氧化增重，g/m2 612.3437.5 30.34 260.6 152.4 1701.5 氧化陕厚度，um 590 390 331 248 199 1950 生长率，% 0.873 0.575 0.455 0.428 0.374 2.54 此外，还制备了有缺口的板形试样，做了耐热冲击性能试验，试样在20~700℃之间反 复加热及水淬，循环若千次，观测试样的裂纹扩展，其试验结果示于图8。 由表2数据可知，灰铸铁的氧化增重、氧化膜厚度和生长率要比球铁大得多。球铁的上 述性能是随着硅量的增加而减少。图8还表明，灰铸铁的抗裂纹扩展性要比球铁差的多。而 球铁的裂纹长度受硅量的影响较大，硅量越高，裂纹越长，其原因在于硅量越高则球铁的导 热系数越小，热膨胀系数略有增加，而导热应力增大。因此，要根据工作温度等条件，合理 地选择硅含量。 2.3生产实例 根据实验室模拟试验所取得的数据和经验，在工厂生产了一批铸态高韧性球铁件，即质 量1500~2000kg、厚度75~150mm的高炉冷却壁，结构方面也作了改进，质量为580kg, 尺寸为840mm×536mm×581mm、厚度26~50mm的内腔复杂的蒸气往复热油泵油缸体， A9 表3高炉冷却壁的机械性能 …。1 Table 3 Mechanical properties of colling walls of blast furnace 状验炉 抗拉强度 延仰米 ibN/mm2 1 34 公 4G界 公 470 18 463 17 0 3 5 475 2 443 22 图8球铁和灰铸铁的耐热冲击性能 418 21.5 Fig.8 The propertics of thermal shoci resistance for ductile and gray cast iron 520

℃ 卜保 温 ， 做氧化和生 长性 能 试验 ， 其结果列 于表 。 裹 球铁和灰铁的权化 和 生 长性 能 球 铁 铸 铁 试 样 号 纬 氧化增重 ， 气化膜厚度 ， ‘ 生 长率 ， 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 ‘ 不 此 外 ， 还 制备了有缺 口 的板形 试样 ， 做 了耐热 冲击性能试验 ， 试样 在 一 ℃ 之 间 反 复加热 及水淬 ， 循环 若千次 ， 观侧试样的裂纹扩展 ， 其试验结果示于 图 。 由表 数 据可知 ， 灰 铸铁 的氧化增重 、 氧化膜厚度和生长率要 比球铁大得 多 。 球铁 的上 述性能是随着硅量 的增加 而减少 。 图 还 表明 ， 灰铸铁 的抗裂纹扩展性要 比球铁差的多 。 而 球铁 的裂纹长度受硅量的影响较大 ， 硅量越高 ， 裂纹越 长 ， 其 原因在于硅量越高 则球铁 的 导 热系数越小 ， 热 膨胀 系数略有增加 ， 而 导热应 力增大 。 因此 ， 要 根 据工作温 度等条件 ， 合 理 地选择硅含量 。 生产实 例 根据实验室模拟 试验所取得 的数 据和经验 ， 在工厂 生 产了一批铸态 高韧性球铁件 ， 即 质 量 一 、 厚度 一 的高炉 冷却壁 ， 结构方面也作 了改 进 质量为 ， 尺 寸 为 一 、 厚度 一 的 内腔 复杂 的燕 气往 复热 油泵油 缸 体 表 高炉 冷却竺 的机械性 能 、 认 犬验炉 勺 抗 拉弧 度 ‘ 延 仲率 ‘ 、 ， 夕百 刁 卜 艺 户 丫 到 、 图 球 铁 和 灰铸铁的耐 热 冲 击性能 。 ， ·