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  • 低温球墨铸铁冲击韧度控制分析

    发布时间:2019-06-14 来源:www.coat35.com  作者:博硕论文辅导网

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    低温球墨铸铁冲击韧度控制分析

    摘要:针对我国球墨铸铁行业所面临的构件冲击韧度不足等问题,本文在此基础上,深入分析了影响低温球墨铸铁的冲击韧度影响因素,并提出了针对性的控制措施,可为球墨铸铁冲击韧度控制提供参考借鉴。
    关键词:低温球墨铸铁;冲击韧度;影响因素;控制

    近些年来,随着我国国民经济快速发展,我国交通、风能、矿山、水泥等传统工业对球墨铸铁构件的需求量也是逐年增加,这个我国球墨铸铁行业的发展带来了前所未有的发展机遇。球墨铸铁通过将热高温铁液进行球化处理,并符合石墨形成球状铸铁。然而,由于球墨铸铁构件的自身加工工艺,决定了该类构件,冲击韧性及刚度是判别其工艺性能的重要因素,尤其是在低温环境下,该类构件的冲击及断裂韧度性能,也在一定程度上制约了该类构件的发展。
    如何提高球墨铸铁类构件的冲击韧度,是当前我国球墨铸铁加工行业应急需解决的难题。比如,以风力发电机为例,该类机器构件往往暴露在极低温度环境下,甚至超过-40摄氏度,在该类环境下,球墨铸铁构件必须具备一定的冲击韧度才不至于产生断裂,但是由于我国机械制造行业水平参差不齐,国内许多行业还无法加工出质量较优的球墨铸铁构件,使得该类构件必须依赖国外进口,这也是我国机械制造行业面临的一个重要问题。
    本文在此基础上,深入分析了影响低温球墨铸铁的冲击韧度影响因素,并提出了针对性的控制措施,可为球墨铸铁冲击韧度控制提供参考借鉴。
    1 影响低温球墨铸铁冲击韧度因素分析
    1.1 热处理工艺
    热处理工艺是影响低温球墨铸铁冲击韧度的一个重要因素。对于要求在低温环境下作业的球墨铸铁构件,比如大型履带式起重机中的回转构件,必须在零下40摄氏度环境正常运转,需达到EN-GJS-350-22-LT标准。当构件化学成分碳含量在3.5%~3.9%之间,硅含量在1.8%~2.2%之间,锰含量小于0.25%,硫含量小于0.05%,其铸态与不同热处理工艺,对球墨铸铁常温力学性能及在-40摄氏度下力学性能影响差异较大。通过开展室内实验表明,对于球墨铸铁,最佳热处理工艺应遵循以下措施:升温至880 摄氏度保温超过2小时,再冷却至720摄氏度,再保温超过3小时,最后冷却至600 摄氏度出炉,包含V形缺口球墨铸铁试块在零下40摄氏度时冲击韧度为22.17 J/cm2,抗拉强度超过350 MPa,屈服强度超过250 MPa,伸长率可达到25%,均可满足国家标准及国外欧洲标准相关要求。
    1.2 化学成分
    (1)锰
    锰对球墨铸铁的冲击韧度和脆性转变温度都有影响非常不利。锰可阻碍珠光体和渗碳体的分解过程,对铁素体球墨铸铁而言,每增加0.1%的Mn,常温冲击吸收功也降低,脆性转变温度可提高超过10℃。对于高韧性球墨铸铁,应尽量限制含锰量,铸态高韧性球墨铸铁锰量应低于0.4%,退火高韧性球墨铸铁锰量应低于0.6%。对于等温淬火贝氏体球墨铸铁,如含锰量由0.07%增加到0.74%,冲击吸收功由78.5 J降低到36.3 J。
    (2)碳和硅
    对铸态球墨铸铁来说,硅对韧性的影响有两重性,既能固溶强化铁素体基体,又能增加强度和硬度增加铁素体的数量,提高韧性和塑性。当硅的质量分数超过5%以上时,冲击韧度嗽下降,以至降低到普通灰铸铁的水平。一般在低温(零下40摄氏度)下工作的韧性球墨铸铁中的含硅量不应超过2.7%。
    对铸态球墨铸铁来说,增加含碳量可以减少游离渗碳体,碳的质量分数超过3%时,开始出现铁素体,接近3%时,渗碳体消失。在球墨铸铁的生产中,碳的质量分数范围一般为3.5%~3.8%。球墨铸铁退火后,游离渗碳体分解,基体组织为铁素体,此时,碳通过石墨球圆整度、数量及其球径大小的变化来影响力学性能,一般提高含碳量(碳的质量分数高于3.2%)可以增加冲击韧度。
    (3)磷
    由于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,因此磷对球墨铸铁韧性的影响极为明显。根据我国生铁加工制作情况,常温下工作的铸件含磷量应低于0.1%,低温(零下40摄氏度)下工作的铸件含磷量应低于0.07%。
    (4)硫
    大多金属炉料、燃料往往包含硫,当硫被带入球墨铸铁中,其数量对球化效果影响很大。硫量过高影响球化稳定,严重影响韧性,形成较多硫化物等夹杂,在生产中,可采取使用低硫金属炉料、炉外脱硫、使用含硫低的燃料。
    1.3 石墨形态
    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,即共晶团细化。试验证明,石墨球增多,铁素体量增加,石墨球径减小,冲击韧度有增加的趋势。在基体组织满足要求的条件下(铁素体量大于95%),石墨的形状严重影响了材料的伸长率和冲击值,球化率越高,其韧性也越好,冲击值也越高。高韧性球墨铸铁要求球化率应高于90%,石墨细小且圆整,无聚集分布的厚片状石墨。
    1.4 基体组织
    珠光体数量增加,材料的硬度、强度提高,而伸长率和冲击韧度下降;珠光体超过5%时,开始提高脆性转变温度; 超过10%时显著提高脆性转变温度;珠光体数量减少到一定程度(10%以下时),且呈离散分布时,对韧性影响较小。球墨铸铁基体组织中铁素体数量增多,材料的伸长率随之增高,在化学成分合格的条件下,铁素体含量越多,其冲击值越高,高韧性球墨铸铁的基体组织常以铁素体为主。渗碳体严重影响材料的韧性和塑性,提高脆性,渗碳体超过3%时,将提高脆性转变温度,对于高韧性球墨铸铁,游离渗碳体数量不超过3%。
    2 低温球墨铸铁冲击韧度控制对策
    根据上述影响低温球墨铸铁冲击韧度的相关影响因素,在进行低温球墨铸铁加工时,应遵循以下控制对策:
    (1)确保低温球墨铸铁基体组织95%含量应为铁素体,减少磷共晶、渗碳体等有害组织的产生,从而确保低温球墨铸铁的冲击韧度。
    (2)严格控制低温球墨铸铁化学成分比例,尤其是确保合理的碳含量与硅含量,严格限制磷含量与硫含量,适当条件下可加入适量的镍元素与锌元素,或者其他合金材料,从而改良低温球墨铸铁力学性能,确保一定的冲击韧性与刚度。
    (3)在低温球墨铸铁生产过程中,应对石墨求的形状、粒径及数量进行严格控制,因为这是影响低温球墨铸铁冲击韧性的重要因素。当石墨球球形圆整、粒径较小、数量多且分布较为均匀时,通过加入冷铁进行快速冷却,从而发展出新型孕育剂,从而可提高低温球墨铸铁球化率,从而确保一定的冲击韧度。

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