鑄態高強度高沖擊韌性球墨鑄鐵機體熔煉工藝研究

（中車大連機車車輛有限公司，遼寧大連 116021）

鑄態高強度高沖擊韌性球墨鑄鐵機體熔煉工藝研究

孫公軍，毛正石，李澤，李凌醫

（中車大連機車車輛有限公司，遼寧大連 116021）

實際生產中高溫石墨化退火是保證鐵素體基球墨鑄鐵機體強度和沖擊韌性的常用工藝方法，為了縮短生產周期，節約成本，通過控制鐵液的化學成份（特別是Si和Cu的含量）和重新選擇試塊位置得到鑄態下鑄件及其附鑄試塊均滿足其力學性能和金相組織的所有要求，經濟效益顯著。

鑄態；抗拉強度；常溫沖擊；球墨鑄鐵

0 前言

我公司為某船廠生產的中低速船用柴油機機體．對抗拉強度、屈服強度、伸長率、硬度特別是常溫下的沖擊韌性要求較高（如表1）。為了滿足該材料規范，原工藝中鑄件都需經過高溫石墨化退火，整個熱處理工藝耗時較長，且高溫退火后，鑄件上的氧化皮增加拋丸的難度和清理時間，降低效率和產能。隨著該產品訂單量加大，現有工藝已不能滿足客戶要求。為此，我公司特別進行該球墨鑄鐵機體的熔煉工藝研究，以期得到鑄態下的鑄件及其附鑄試塊能滿足其力學性能和金相組織的所有要求，從而縮短工藝流程，降低生產成本。

表1 SPA型中低速船用柴油機機體材質技術要求

1 工藝原理

球墨鑄鐵的化學成份、球化率和石墨球數、熱處理工藝等是沖擊韌性的主要因素：

（1）碳含量高，石墨球數多對球墨鑄鐵的低溫沖擊韌性是有利的，但對于常溫環境下，石墨球數過多反而會導致沖擊值的下降，因為斷裂是從石墨球上形成的孔洞開始的，碳含量高，增加了由石墨形成的孔洞的數量和尺寸，降低了孔洞的產生和合并所需要的塑性變形量，從而降低了沖擊吸收功（如圖1）。

（2）硅強烈影響脆性轉變溫度，因此對于具有沖擊韌性要求的鑄件硅含量應盡可能低（如圖2所示），但隨硅含量的降低，抗拉強度和屈服強度也隨著下降[1]。

圖1 石墨球數對鐵素體球鐵沖擊值得影響

（3）在各類基體組織中鐵素體沖擊韌度最好（如表2），因此為保證沖擊韌性，需保證足夠的鐵素體含量，例如該機體金相組織要求鐵素體含量≥90%，而錳有形成珠光體和碳化物的作用而且偏析傾向嚴重，所以要盡可能低。

圖2 Si含量對鐵素體球鐵沖擊值得影響

表2 各基體組織常溫沖擊韌度（無缺口試樣）

（4）銅雖然也是促進珠光體元素，但是銅可促進石墨化，不形成碳化物，且呈負偏析[2]。實際生產中，可用適量銅來強化鐵素體球墨鑄鐵，但要嚴格控制含量（＜0.2%）。因為銅會提高球墨鑄鐵脆性轉變溫度，使沖擊值下降（如圖3）。

圖3 含銅量對鐵素體球墨鑄鐵脆性轉變溫度的影響

另外，對于柴油機機體這樣的大型鑄件，為了保證附鑄試塊質量穩定且冷卻條件與鑄件一致從而真實反映鑄件的各項理化性能，試塊位置的選擇必須合理。至于原材料的優選，低錳、低硫、低磷及球化孕育處理過程的控制等原工藝已經滿足較高要求，在本研究中保持不變。

2 實施方案

2.1 鐵液熔煉

根據本項目的基本原理，鐵液的化學成份調整是工藝試驗的關鍵控制點，特別是Si和Cu的含量（見表3）。試驗中根據每臺鑄態試塊的理化檢測結果可在規定范圍內進行微調。

表3 試驗的鐵液化學成份控制范圍 %

2.2 試塊位置

根據之前初步試驗的結果，試塊位置決定試塊內部質量及其冷卻條件，因此附鑄試塊的位置選擇是本次工藝試驗的另一個關鍵控制點。經過分析對比，我們確定了如下方案：

（1）原工藝試塊位置（8個），試塊編號為鑄號，例如“021”；

（2）試驗位置①：機體底面端頭平臺處（4～6個），試塊編號為“鑄號-1”，例如“021-1”；

（3）試驗位置②：側面兩側中間位置（每側各帶3個）。試塊編號為“鑄號-2”例如“021-2” 。

圖4 試塊位置方案簡單示意圖

3 試塊檢測結果及分析

020、 021機體試驗位置①帶4個試塊。T020機體是首臺試驗，所以落砂清理后三個位置均取樣檢測，其中試驗位置①4個全部送檢（按圖5所示順序編號），側面試驗位置②取3個，原工藝正常位置取1個，打上鋼號后切割下送檢。021機體僅取試驗位置①和試驗位置②，試驗結果見表4。

圖5 020、021位置①試塊送檢編號

表4 020、021號機體各位置附鑄試塊理化檢測結果

由表4可知：(1)正常位置試塊吃砂量太小，幾乎貼到砂箱，冷卻太快，鑄態下其力學性能和金相組織完全不合格；(2)側面試驗位置②冷卻速度可以，5%～10%的珠光體含量不超標，也保證了強度和硬度均合格，但是各試塊內部質量不好，相互差異較大，延伸率和沖擊韌性不合格，基本確定側面位置可以放棄；(3)底面試驗位置①冷卻速度比較理想， 金相組織完全合格，保證了沖擊韌性和延伸率。但是強度和硬度偏低，甚至低于標準值，而且沖擊值剛剛合格。

根據以上結論，從022號機體開始鐵液成份適當微調，C走下限，Cu走中上限。另外側面試驗位置②取消，位置①試塊數量增加為6個。落砂后仍然第一時間編號送檢（見圖6），結果如表5所示。

圖6 022、023、024位置①試塊送檢編號

表5 022號機體位置①附鑄試塊理化檢測結果

由表5可知，適當微調后，加上氣溫等因素對冷卻速度的影響，試塊的強度和硬度，以及沖擊值均有所提高，各項指標均合格。據此，現在基本確保機體本體和試塊均符合材料規范。正常位置的試塊單獨進行高溫石墨化退火，退火后檢測結果見表6。

表6 020號機體原工藝附鑄試塊高溫退火后理化檢測結果

4 效果對比

與原工藝相比主要效果體現在熱處理工藝的不同（如表7）。

表7 改進前后熱處理工藝對比

5 結論

（1）3.75%～3.80% C， 0.15%～0.2% Cu, 1.9%～2.1%Si終是合適的鐵液成份，試驗位置①是較適合的試塊位置，其冷卻條件與機體本體接近，且試塊質量較穩定，相互之間差異不大。試驗位置②放棄。

（2）通過合適的化學成份和試塊位置保證了附鑄試塊鑄態下的各項力學性能和金相組織指標均符合材料規范的要求，從而替代原來高溫熱處理的方法，大大提高生產效率，降低成本，經濟效益顯著。

（3）原工藝位置試塊鑄態力學性能和金相均不合格，但單獨高溫熱處理后，與試驗位置①試塊各項指標一致。所以在后續試驗中可以設計方案改善原工藝位置試塊的冷卻條件，得到合格的試塊，例如加設保溫板。

[1] 孫玉福,于廣文,崔金鶴，等.硅對鑄態厚斷面高韌性球墨鑄鐵組織及性能的影響[J].鑄造,2008,57(2):114-116.

[2] 陶令桓.鑄造手冊:鑄鐵[M].北京：機械工業出版社，2000.

[3] 王潘興，于建忠，畢海香，等. 大功率柴油機球鐵機體鑄造工藝探討[J]. 中國鑄造裝備與技術,2015(2).

Research on as-cast high strength and high impact toughness ductile iron block melting process

SUN GongJun；MAO ZhengShi；LI Ze；LI LingYi
（CRRC Dalian Co.,Ltd.，Dalian 116021，Liaoning, China）

High temperature graphite annealing is a common process to ensure the strength and impact toughness of ferrite ductile cast iron in actual production.In order to shorten the production cycle and saving costs,the casting and its test lug can meet all the requirements of the mechanical properties and microstructure by controlling the chemical composition of the iron liquid(especially the content of silicon and copper) and reselecting the position of the test lug，and the economic benefit is remarkable.

as-cast;tensile strength;normal temperature impact;ductile cast

TG143.9;TQ021.2；

A；

1 006-9658（201 6）04-0031-04

10.3969/j.issn.1 006-9 658.2016.04.008

2016-01-18

稿件編號: 1601-1218

孫公軍(1972—），男，高級工程師．主要從事球墨鑄鐵工藝研究及技術管理工作.