低温高韧性球墨铸铁用生铁的生产实践与应用.pdf
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1、山东工业技术2 0 2 3年第4期(总第312 期)低温高韧性球墨铸铁用生铁的生产实践与应用张志义,于瑞水,崔士选(临沂玫德庚辰金属材料有限公司,山东临沂2 7 6 6 2 4)【摘要】随着风力发电、汽车、高速列车等行业的高速发展,对高韧性球墨铸铁铸件的需求量快速增长,并且要求在一40 及以下仍需具有较好的低温冲击韧性,因此对生产该球铁所用的生铁质量提出了更高的要求。本文结合生产实践、基于高炉冶炼工艺分析了生铁中各种化学元素对低温高韧性球墨铸铁的影响,以及有害元素在高炉冶炼中的形成和控制方法,通过“四优工艺”进行了工艺创新和技术融合,生产的低温高韧性球墨铸铁用生铁具有低磷、低钛、低硫、低杂质元
2、素的特点,能够满足全铁素体低温高韧性球墨铸铁金相组织、低温强韧性的要求,同时分析了高炉冶炼工艺在原材料选择、降碳、降钛方面的局限性。【关键词低温高韧性球墨铸铁;生铁;低温冲击韧性;化学成分中图分类号TF593D0I:10.16640/ki.37-1222/t.2023.04.017文献标识码A【文章编号】10 0 6-7 52 3(2 0 2 3)0 4-0 0 9 7-0 6毂、机仓座等铸件,要求在-40 运转2 0 年至前言30年不坏;汽车底盘悬挂架,高速列车转向架轴球墨铸铁是将铁水经过球化处理及孕育处理而获得的一种石墨形态呈球状的铸铁,屈强比(0.2/b)约为0.7 0.8,是钢的两倍左
3、右,其组织可以看作是钢的组织加球状石墨组成,兼有钢和铸铁的优点,通过热处理可以在较大范围内改变球墨铸铁的性能,获得较高的强度、韧性、耐磨性、优良的低温性能。因此,球墨铸铁以其独特的综合机械性能和工艺性,在装备制造业重点零部件中得到应用。随着风力发电、汽车、高速列车等行业在我国乃至全球化的高速发展,对高韧性球墨铸铁铸件的需求量快速增长,同时对低温冲击韧性提出了更高的要求,特别在高纬度地区,风电机组轮箱、齿轮箱等关键部件,要求在-40-6 0 的高寒条件下仍然能保持抗拉强度与低温冲击功的平衡。某些风电装备的球墨铸铁件要求-40 时三个V型缺口试样冲击功平均值12 J/cm;高铁京哈线、哈大线和出口
4、俄罗斯等高寒地区的高铁关键球铁零部件已要求QT400-18AL在-60时的冲击功 12 J/cm 2。冲击韧性反映材料断裂时吸收的能量,也反映快速形变条件下,材料抵抗裂纹萌生、发展和断裂的能力。材料断裂往往是穿晶或沿晶断裂,材料晶粒内部或晶粒间有如果有夹杂物,在冲击载荷作用下很容易在夹杂物处形成裂纹源或成为裂纹传播的通道,降低材料在低温下的抗冲击能收稿日期】2 0 2 3-0 4-19【作者简介】张志义(19 7 1一),男,临沂玫德庚辰金属材料有限公司,工程师;于瑞水(19 7 2 一),男,临沂玫德庚辰金属材料有限公司,工程师。通讯作者:崔士选(19 6 9 一),男,临沂玫德庚辰金属材料
5、有限公司,高级工程师。-97-低温高韧性球墨铸铁用生铁的生产实践与应用力。近年来我国铸造行业对低温高韧性球墨铸铁的生产工艺研究及应用取得了较大进展,但国内对低温高韧性球墨铸铁用生铁的研究起步较晚,铸造企业一般采用精选废钢增碳熔炼或进口特种生铁作为原材料,少数企业探索采用融熔还原法或氧化法生产此种生铁,但技术成熟度、生产稳定性仍有大量需要解决的问题。我们基于高炉冶炼工艺进行了工艺创新和技术融合,旨在探索低温高韧性球墨铸铁用生铁经济化生产的可行性。一、生铁化学成分的确定1.基本化学元素影响分析及控制范围铁素体基体球墨铸铁在低温下具有优良的强韧性,是较为理想的低温用球墨铸铁材料,但对生产该类铸铁的生
6、铁材料有着严格的成分要求,因此必须综合分析生铁中碳、硅、锰、磷、硫五大元素及微量元素对铁素体球墨铸铁低温性能的影响程度及合理的控制范围,从而冶炼出满足要求的生铁材料。碳:C含量高会使铸铁中石墨球数量增加、尺寸增大,甚至出现石墨漂浮现象,造成塑性形变降低,形变能减少,表现为上限冲击吸收能量的下降;碳含量过低会使韧脆转变温度区间向高温方向移动,同样会降低冲击吸收能量。综合考虑,将铁素体球墨铸铁中碳含量定为3.6 0%3.90%,此时铁水流动性较好,铸件形成缩孔、缩松的倾向也较小。硅:Si是强烈促进石墨化的元素,并强化铁素体基体,提高球墨铸铁的强度和韧性,但随着硅的增高,韧脆转变温度上升。减少0.1
7、%的硅可使脆性转变温度降低约5。要获得优越的低温韧性,需要尽可能降低球墨铸铁的Si含量;但Si量减少,会降低铁素体球墨铸铁的抗拉强度和屈服强度。综合考虑,将铁素体球墨铸铁中的硅含量定为1.8 0%2.0 0%。锰:Mn在球墨铸铁中促进基体中碳化物和珠光体的形成,同时存在严重偏析倾向,对韧性十分不利,尤其对低温球墨铸铁的冲击吸收能量有严重的损害。因此需要限制Mn含量,尽可能-98-控制到0.0 5%以下,上限不超过0.0 8%。钛:Ti与C易形成TiC,T iC 熔点318 0,以孤立块状形态存在。当铁水中存在C、N时,Ti与C、N更易形成化合物TiC、T iN。当形成针状Mo-Ti-V晶间复合
8、碳化物时,会削弱力学性能。要求铁素体球墨铸铁中Ti0.02%。硫:硫是反球化元素,硫与球化元素有很强的结合能力,大部分以硫化亚铁(FeS)和其它硫化夹杂物(MnS、Ce S)的形式存在于铸铁中,并分布于晶界上,使材料的强度值和冲击功大幅下降。要求铁素体球墨铸铁中S0.02%。磷:P为有害元素,P既显著升高韧脆性转变温度,又强烈降低球墨铸铁的上限冲击功。减少0.0 1%的磷可使脆性转变温度降低约4。因此,降低P含量是生产低温高韧性球墨铸铁的关键因素之一,因此要求P0.02%3综上所述,铁素体低温高韧性球墨铸铁主要元素的最佳控制范围为C:3.6 0%3.9 0%、Si:1.80%2.00%、M n
9、 0.1%、P 0.0 2%,S 0.02%,Ti 0.02%。2.微量元素含量控制生铁冶炼中常存在一些非特意加人的微量元素,如Sn、Sb、A s、Pb、A l、Bi、Cr、V、B等。这些元素即使含量很低,也会导致球墨铸铁塑性和韧性急剧下降。低熔点元素Sn、Sb 吸附在石墨金属界面上,形成阻碍碳原子向石墨球扩散的薄层,阻止铁素体的产生;过量的Sn、Sb 偏析于最后凝固的液体中,形成晶间化合物,导致强度和韧性均下降。Cr、V、B等形成碳化物分布于晶界处,造成晶界偏析,降低塑性和韧性 4。因此,低温高韧性球墨铸铁用生铁必须对微量元素进行总量上限控制。3.低温高韧性球墨铸铁用生铁成分确定低温高韧性球
10、墨铸铁对生铁成分的要求远远高于普通生铁,由于高炉冶炼的工艺特性所致,难以将生铁中的碳降至4.0%以下,因此该类铸件在铸造生产时通常采用电炉熔化生铁,同时添加一定比例精选的低碳废钢,以便对生铁中的碳进行稀释。另外,高炉冶炼时,Si的还原同时伴1.高炉冶炼工艺流程山东工业技术六2 0 2 3年第4期(总第312 期)随着Ti的还原,为了限制Ti的含量,必须采用二、低温高韧性球墨铸铁用生铁的低硅冶炼工艺。而P在高炉冶炼中基本全部进入冶炼工艺铁水,无法通过高炉造渣方式去除。S可以通过炉渣碱度和精选炉料进行限制,并且可通过造渣的方式对铁水二次脱硫。基于高炉工艺特性,低温高韧性球墨铸铁用生铁采用高炉冶炼工
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