鑄態QTRSi4Mo1材料的研制

張欠欠 陳禮年

摘? 要：通過合理的化學成分設計以及適當的熔煉過程工藝參數控制，研制了鑄態QTRSi4Mo1，對其進行金相試驗和常規力學性能試驗。結果表明，該成分的鑄態QTRSi4Mo1的性能優良，符合要求。

關鍵詞：鑄態;硅鉬;球墨鑄鐵;力學性能

中圖分類號：U465? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1005-2550（2020）03-0084-03

Abstract： The as-cast QTRSi4Mo1 was researched and developed through designing rational chemical composition and controlling proper melting process parameter. The metallographic and conventional mechanical properties of the ductile iron were tested. The results show that as-cast QTRSi4Mo1 with this composition has excellent properties and meets the requirements.

前? ? 言

高硅鉬球墨鑄鐵因其具有較高的高溫強度、抗熱疲勞性、優良的耐腐蝕性、抗氧化性、抗生長性和抗高溫蠕變性能[1]，被廣泛的應用于汽車發動機的排氣管及渦輪殼等。

本研究通過合理的化學成分設計以及熔煉過程工藝參數的控制，使得所開發的鑄態QTRSi4Mo1材料的力學性能符合要求：Rm≥550 MPa、Rp0.2≥450 MPa、A≥5%。

1? ? 化學成分設計

（1）碳。球鐵中的含碳量高，則析出的石墨球量多，球徑尺寸小，圓整度增加，提高碳含量可以減少縮孔和縮松，提高鑄件的致密性[2]。含碳量過高時，會出現石墨開花。因此控制碳含量對于獲得高質量的球墨鑄鐵很重要。本試驗選取的碳含量為2.8%-3.2%。

（2）硅。硅是鑄鐵中重要元素之一，對球墨鑄鐵的基體影響十分顯著，主要用來防止白口，控制基體。Si元素不僅可以促進石墨化還可以提高共晶轉變溫度使共晶含碳量降低。Si固溶于基體，通過固溶強化，可以提高鑄件的強度，含硅量在4%左右的球鐵，具有良好有抗高溫氧化性能，較高的強度及伸長率[3]。本試驗選取的硅含量范圍在4%-4.5%以內。

（3）錳。錳是一種擴大奧氏體區且穩定奧氏體的元素，在球墨鑄鐵凝固時，少量的錳可以促進珠光體的生成。但錳含量過高時，使白口傾向增加，還容易發生偏析，如果形成的碳化物呈網狀分布在共晶團邊界處，會使球鐵的力學性能顯著下降，所以錳的質量分數一般不超過0.3%。

（4）磷和硫。P和S是隨金屬爐料進入球鐵中的，P有微弱的石墨化作用，溶解在鐵液中，會降低鐵液的碳當量;S是反石墨球化元素，S與球化元素作用，會生成硫化物，使球化不穩定。因此，為了獲得圓整的石墨球，鐵液中的P含量應控制在0.035%以下，硫含量應控制在0.017%以下。

（5）鉬。鉬是既能縮小奧氏體區同時又能延緩奧氏體轉變的元素，Mo是中強度的碳化物形成元素，Mo溶于鐵素體基體中，可形成碳化物，穩定和細化珠光體及細化石墨，對鑄鐵的強化作用大，Mo的加入還可以提高鑄鐵的耐高溫性能[4]。本試驗選取的Mo含量在1.0%左右。

（6）鎂和稀土元素。鎂是球化能力最強的元素，但用鎂做球化劑時，鎂猛烈氣化，不安全也不經濟，一般采用稀土硅鐵鎂做球化劑，在鐵液中具有強烈的脫氧和脫硫作用，可以抑制微量干擾球化元素的反球化作用，促進石墨球化。本試驗殘余Ce質量分數在0.03%以下。

2? ? 熔煉過程工藝參數的控制

2.1? ?生產設備和爐料配比

生產設備采用中頻感應爐熔煉;爐料選用Q10生鐵，廢鋼選用合金元素含量較低的碳鋼，回爐料選用低牌號的球墨鑄鐵和硅鉬球墨鑄鐵，再加入一定含量的鉬鐵。

2.2? ?熔煉工藝

加料順序按廢鋼-生鐵-回爐料的順序加入，保證材料質量穩定;熔化完成后取樣檢測，出爐溫度控制1500℃～1530℃之間;澆注溫度為1350℃～1370℃。

2.3? ?球化處理和孕育處理

爐料全部熔化后除去鐵水上面浮渣，升溫至1500～1530℃，靜置、扒渣，隨后出爐，出爐溫度為1520℃，采用沖入法進行球化，球化包為堤壩式處理包，加入1.4%稀土鎂硅鐵球化劑，球化劑成分如表1所示，粒度6～25mm，上面覆蓋0.4%75硅鐵孕育劑，再用小塊生鐵將孕育劑壓實，防止球化反應不充分，球化時間為60s，球化完畢將鐵液轉至加有0.6%75硅鐵孕育劑的澆包中，加入一定量的聚渣劑進行扒渣，扒渣次數≥2次，澆注溫度為1370℃，將澆包中的鐵液以一定的速度澆注成Y型單鑄試塊，所鑄Y型試塊尺寸為25mm×55mm×140mm。澆注時間控制在4min以內。試驗材料的化學成分見表2。

3? ? 試驗方法及結果分析

從Y型試塊上截取拉伸試樣，金相試樣和硬度試樣，通過光學顯微鏡分析試樣的顯微組織，采用CMT5305萬能拉伸試驗機、HB-3000-I布氏硬度計分別測定拉伸性能及硬度。

3.1? ?顯微組織

按照上述化學成分及工藝生產的鑄態QTRSi4Mo1的金相組織如圖1所示，由圖1（a）可知，鑄態QTRSi4Mo1的球化率為90%以上，球墨圓整度較高，球化級別為2級，石墨大小6級;由圖1（b）和（c）可知，鑄態QTRSi4Mo1的基體為鐵素體基體，鐵素體含量約90%，少量碳化物分布在鐵素體晶界處。因為鑄鐵的凝固的過程中，Mo是中強度的碳化物形成元素，Mo溶于基體中，與碳原子相結合可形成碳化物。富Mo的碳化物的熔點高、組織穩定，一定程度上有利于材料的組織穩定和性能的提高。當球鐵基體的珠光體、晶間碳化物少時，能使機械強度、伸長率等力學性能得以提高[5]。

3.2? ?力學性能

表3為鑄態QTRSi4Mo1的力學性能，由表可知，所獲得的鑄態QTRSi4Mo1的屈服強度為527.6MPa，抗拉強度為633.1MPa，延伸率為6.94%，布氏硬度為229HB，性能均符合要求。

4? ? 結論

（1）通過試驗，獲得生產高性能鑄態QTRSi4Mo1材料的最佳化學成分。

（2）通過合理的化學成分設計以及熔煉過程工藝參數的控制，所開發的鑄態QTRSi4Mo1材料的力學性能均符合要求：Rm≥550MPa、Rp0.2≥450MPa、A≥5%。

參考文獻：

[1]韓軍，尤國慶. 硅鉬球墨鑄鐵材料的研發[J]. 鑄造設備與工藝，2017（2）：37-38.

[2]中國機械工程學會鑄造分會. 鑄造手冊第1卷： 鑄鐵[M]. 北京：機械工業出版社. 2002：338-371.

[3]李春海. 中硅鉬球墨鑄鐵的研制[J]. 熱加工工藝，2007，36（17）：38-40.

[4]韓軍，尤國慶. 高硅鉬球墨鑄鐵的研發[J]. 金屬加工：熱加工，2015（13）：39-40.

[5]洪新旺，鄒衛，楊湘杰，等. 鑄態鐵素體基硅鉬球墨鑄鐵的研制[J]. 熱加工工藝，2008， 37（19）：64-67.