Ａｐｒ．２０１５ Ｖｏ１．６４ ＮＯ．４ 铸 造 ＦＯＵＮＤＲＹ 低合金铁素体球墨铸铁的研制 苟华强，雷强，涂建平，张鸿，孙存忠 （浙江佳力风能技术有限公司，浙江杭州３１ １２４１） 摘要：用正交设计法进行试验设计，成功研发出一种高强度、高韧性、高屈强比的含Ｎｉ低合金铁素体球墨铸铁。通 过一系列试验，球墨铸铁附铸试块的抗拉强度为４６５ ＭＰａ，屈服强度为３５５ ＩＶ［Ｐａ，伸长率为１８．８６％，冲击吸收功（室 温，ｖ型缺口）的平均值为１２．３ Ｊ，单个值≥９ Ｊ，球化率≥９０％，石墨大ｄｘ６级，铁素体数量＞９５％，完全符合客户 的技术要求。 关键词：铁素体球墨铸铁；屈强比；固溶强化 中图分类号：ＴＧ１４３．５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—４９７７（２ｏ１５）０４—０３５３—０３ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｌｏｗ Ａｌｌｏｙ Ｆｅｒｒｉｔｅ Ｄｕｃｔｉｌｅ Ｉｒｏｎ ＧＯＵ Ｈｕａ—ｑｉａｎｇ，ＬＥＩ Ｑｉａｎｇ，ＴＵ Ｊｉａｎ—ｐｉｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｈｏｎｇ，ＳＵＮ Ｃｕｎ－ｚｈｏｎｇ （Ｚｈ＠ａｎｇ Ｊｉａｌｉ Ｗｉｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１ １２４１，Ｚｈｅｊｉａｎｇ，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｌｏｗ ａｌｌｏｙ ｆｅｒｒｉｔｅ ｄｕｃｔｉｌｅ ｉｒｏｎ ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ Ｎｉ ｗｉｔｈ ｈｉ曲ｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｈｉｇｈ ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ，ａｎｄ ｈｉｇｈ ｙｉｅｌｄ ｒａｔｉｏ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ ｂｙ ｏ￣ｈｏｇｏｎａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ ｓｅｒｉｅｓ ｏｆ ｔｒｉａｌ ｗｅｒｅ ｄｏｎｅ．ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆａ￣ａｃｈｅｄ ｔｅｓｔ ｂａｒ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｃｕｓｔｏｍｅｒ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｉｓ ４６５ ＭＰａ，ｙｉｅｌｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｉｓ ３５５ ＭＰａ，ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ ｉｓ １８．８６％，ａｖｅｒａｇｅ ｖａｌｕｅ ｏｆｉｍｐａｃｔ ａｂｓｏｒｂｉｎｇ ｅｎｇｅｒｇｙ ｉｓ １２．３ Ｊ，ｓｉｎｇｌｅ ｖａｌｕｅ ｉｓ ｎｏｔ ｌｅｓｓ ９ Ｊ， ｎｏｄｕｌａｒｉｔｙ ｉｓ ｎｏｔ ｌｅｓｓ ９０％．ｓｉｚｅ ｏｆｇｒａｐｈｉｔｅ ｓｉｚｅ ｉｓ ｇｒａｄｅ ６．ｆｅｒｒｉｔｅ ｍｏｕｎｔ ｉｓ ｎｏｔ ｌｅｓｓ ９５％． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｆｅｒｒｉｔｅ ｄｕｃｔｉｌｅ ｉｒｏｎ；ｙｉｅｌｄ ｒａｔｉｏ；ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ 双馈式风力发电机组的主轴是用于将风机的叶轮 产生的动力传递变速箱，然后驱动发电机运转发出电 力。它通常是用低合金钢锻造，再机加工而成。其加 工余量大，生产周期长，成本较高。为此客户提出了 铸铁，就需要采用金属强韧化的方法来全面提高材料 的力学性能，比较可行的方法还是选择传统的固溶强 化方法。 １．１ 几种常见固溶强化元素对球墨铸铁力学性能的 影响 研制球墨铸铁新材料主轴铸件的要求。要求力学性能 （厚７０ ｍｍ的Ｄ型附铸试块）：抗拉强度９４４０ ＭＰａ，屈 服强度≥３２５ ＭＰａ，伸长率≥ｌ２％，冲击吸收功的（室 常见的具有固溶强化作用的元素有硅、锰、铜、 镍等。 温，Ｖ型缺口）平均值≥ｌ２ Ｊ，单个值≥９ Ｊ。金相组 织：球化率≥９０％，石墨大小５～７级，珠光体数量≤ １０％。 硅是石墨化元素，对石墨球化以及球墨铸铁的力 学性能有重要的影响。一般来说，随着含硅量的增加， 球墨铸铁的抗拉强度、屈服强度和硬度增加，伸长率 和冲击韧度下降。有试验结果表明Ｅ２１，硅对铸态球铁冲 击性能的影响呈倒ｕ形曲线。一方面，硅的增加使铁 素体量增加而导致冲击性能提高；另一方面，硅以置 换形式固溶于铁素体中，引起固溶体点阵畸变，硅含 从以上要求看，既要求材料具有高强度，又要求 较高的伸长率和冲击值，特别是要求较高的屈强比， 达Ｎｏ．７４，而铁素体基体球墨铸铁的屈强比约为０．６［１］。 如果要用７０ ＹｎｌＴＩ厚度的附铸试块达到上述的力学性能， 参考ＧＢ／Ｔ １３４８－－２００９对球墨铸铁附铸试块力学性能的 要求可见，该材质相当于ＱＴ５５０—１８ＡＲ。另外，要求 这种球墨铸铁的基体组织是铁素体。要研发这样一种 量过高使铁素体强化，同时增加其脆性，从而对铸态 球铁的低温冲击性能产生不利影响。 锰是反石墨化元素，促进珠光体和渗碳体的形成。 锰和硅一样，可以提高球墨铸铁的抗拉强度、屈服强 度和硬度，但对伸长率和冲击韧度的不利影响较硅更 为严重。根据试验［２１，锰对冲击韧度的影响与硅不同。 锰的增加使珠光体量增加，而且锰固溶于铁素体中并 强化铁素体，此外锰还容易出现微区偏析。因此当硅 高强度、高韧性、高屈强比的铁素体球墨铸铁，显然 具有较大的难度。 １材料成分设计分析 要研发高强度、高韧性、高屈强比的铁素体球墨 收稿日期：２０１４－０８—１８收到初稿，２０１５－０１０７收到修订稿。－ 作者简介：苟华强（１９５６一），男，高级工程师，主要研究方向为低温铁素体球墨铸铁熔炼技术、铸造工艺和质量控制。Ｅ—ｍａｉｌ：ｇｏｕｈｑ６０８０＠ｑｑ．ｔｏｍ Ａｐｒ．２０１５ ・３５４・ ＦＯＵＮＤＲＹ Ｖｏ１．６４ Ｎｏ．４ 保持不变而锰量增加时，冲击性能持续降低。当锰很 低时（如０．１％），即使硅高达２．８％，采用含钡孕育剂、 低稀土球化剂处理的试样在一４０℃下，冲击韧度仍达 ４６ Ｊ／ｃｍ ；而锰较高（如Ｏ．６％）、其他条件相同时，冲 击值仅为２９ Ｊ／ｃｍ 。由此可见，对高韧性球墨铸铁来 说，应当尽可能将含锰量控制在较低的水平。 铜也是一种促进珠光体形成的固溶强化元素。无 论是对于铁素体基体还是珠光体基体球墨铸铁，随着 铜含量的增加，其强度和硬度均相应增加，但伸长率 的变化则有所不同，铁素体基体的球墨铸铁随着铜含 量的增加，伸长率明显下降，而珠光体基体的球墨铸 铁则变化不大［３］。 镍在球墨铸铁中能无限溶解，可以提高球墨铸铁 的强度和冲击韧度。镍强化铁素体，每增加质量分数 ０．５％的镍，可使铁素体基体的球墨铸铁的屈服强度提 高１８ ＭＰａ。当硅含量在２％～３ 时，镍降低脆性转变 温度，即含镍的球墨铸铁在低温时具有更高的冲击韧 性【３】ｏ １．２合金元素的选择 由以上分析可见，锰、铜都是促进珠光体形成元 素，不适用于铁素体球墨铸铁的固溶强化，只有硅和 镍可以作为固溶强化元素。考虑到成本等因素，选定 硅含量２．００％～３．００％，镍含量０．５０％～２．００％的范围 进行材料试验。 ２试验设计和试验方法 ２．１试样和试块制备 用呋喃树脂砂进行铸造。试样的木模是一个长、 宽、高均为２５０ ｍｍ的立方体，试样的三个侧面分别附 铸１个Ｄ型附铸试块，另一个侧面引入底注式浇注系统。 ２．２材料熔炼 材料化学成分的设计值是（质量分数）：Ｍｎ≤ ０．３０％、Ｐ≤０．０４％、Ｓ≤０．０１５％、０．０１０％～０．０２０％ＲＥ、 ０．０４０％～０．０６０％Ｍｇ。Ｃ、Ｓｉ、Ｎｉ等其余成分根据正交表 来设计，范围是：３．４５％～３．６５％Ｃ、２．００％～３．００％ ｓｉ、０．５ ～２．００％Ｎｉ。取成分范围的最大值、最小值、 中间值作为该成分的三个水平。 用１５０ｋｇ中频电炉进行熔炼，炉料化清取样化验， 调整成分并加入镍，最后升温到１ ５００ １ ５２０℃。球 化处理方法同一般风电铸件的球化处理工艺。 考虑到球化处理的铁液重量较小，镁的烧损较大， 适当增加球化剂用量到１．５％。球化处理后在炉前取光 谱分析试样。孕育处理的方法是，因铁液处理量较小， 直接将孕育剂加入铁液包内，进行包内孕育处理，在 浇注时进行随流孕育处理。 ２．３试样的检测 浇注后冷却到３ｏ０℃开箱，对附铸试块取样进行 理化试验。分析球墨铸铁中的碳、硅、锰、磷、硫、 稀土、镁和镍含量；测试抗拉强度、屈服强度、伸长 率和冲击值（试验温度（２３￣５）℃，Ｖ型缺口）；金相 分析：分析球化率、石墨尺寸、基体组织。 ２．４试验数据处理和分析 用正交设计软件对试验数据进行分析处理，根据 其结果调整ｃ、ｓｉ、Ｎｉ的范围，安排下一轮试验，直至 材料的力学性能、金相分析结果完全符合要求。 共进行了１０轮试验。正交因素 水平见表１，其中， 第１０轮的正交试验设计见表２。 表１正交因素一水平表 Ｔａｂｌｅ １ Ｔｈｅ ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ ｆａｃｔｏｒ－ｌｅｖｅｌ ｔａｂｌｅ 表２第１Ｏ轮试验的正交试验设计表 Ｔａｂｌｅ ２ １０ ｒｏｕｎｄｓ ｏｆ ｔｅｓｔ ｏｆ ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｄｅｓｉｇｎ 第１０轮试验，附铸试块的力学性能试验结果见表 ３，金相分析结果见表４。第１０轮试验的正交试验设计 方案及试验结果分析见表５。 从表３、表４可见，所有轮次的力学性能试验和金 相分析结果，除了屈服强度一项之外，其余各项都符 合要求，故只针对屈服强度做正交试验设计结果分析。 采用直观分析法进行试验结果分析，分析计算的结果 见表５。从表５可见，在三个因素中，对屈服强度影响 最大的是ｓｉ，其次是Ｎｉ，Ｃ的影响最小；优方案是 ３．５５％Ｃ、２．６０％Ｓｉ，１．２０％Ｎｉ。 考虑到实际生产中化学成分总是在一个范围内变 动，就没有进行优方案的对比试验，而是参照优方案， 并从降低生产成本考虑，适当提高硅含量，放宽镍含 量，直接进行生产验证试验。 ３生产验证 ３．１生产验证方案 在生产现场进行试验，用５ ｔ ｚ０天炉和中频电炉作
