高硅球墨铸铁材料性能与壁厚的关系

lokvb

在国际标准ISO1083及德国欧洲标准DIN EN 1563 03/2010中所提供的强度性能指标要比传统牌号GJS高出很多。根据Si对铁液凝固期间的铁素体化作用推测，用这种工艺去生产薄壁球墨铸铁以及没有白口激冷产生的小型铸件是完全可能的。而更进一步想，随冷却速度的提高，导致过冷的增大，最后会引起熔液中结晶核心的增多。于是，石墨球数量得到提高。同时，球径减小。本工作研究了薄壁硅合金化球铁的静态、动态，以及周期受力条件下的力学性能。用这些数据资料，拟定出用高硅薄壁球铁生产轻量化零件，是完全可能的。

预研究时，选择了试样厚度为4、10及25mm的样片，浇注不同Si含量的球铁，测示了静态受力的力学性能与组织、冷却曲线、凝固时间。发现，得到最好性能的含Si量为4.25%。石墨球形状随凝固时间的增加而变坏。基体组织：4mm无例外全部为铁素体。用含Bi的孕育剂时能明显改善石墨球的形状。

为查明材料周期循环受力条件下的强度，浇注了4mm及10mm厚度的板状试样，使用标准试样测得数据，此外，还使用同一的合金液浇注Y3楔形试样（50mm），这是为了考查在较大的凝固时间条件下使用的。

从一种高硅普通球墨铸铁的诞生得到的启发
最近，一件不大不小在铸铁材质领域里引起一定轰动的事，欧洲铸造界传开，即德国与奥地利两国的铸造所就拟定球墨铸铁牌号开展的合作研究。被称为“Cornet项目”为期两年，课题领导单位是德国铸造研究所，属于国家促进研究计划项目(AiF-Nr41 EN, SIRON)，经近两年努力，取得了明显成果。接二连三的在两国杂志上发表试验成果。现已把研究结果用予欧洲球铁的牌号标准中，同时被推荐到国际有关机构，最近已同意批准为国际新球铁牌号(见表1)。按一般概念，普通球墨铸铁的基体组织种类与数量(指珠光体、铁素体等)必须与相关的牌号相对应。在欧洲的球铁牌号(EN 1563)中，只要调整基本组织中的铁素/珠光体数量比例，就可获得不同的球铁牌号，例如，牌号为GJS-700-2和GJS-800-2的球墨铸铁的组织主要是珠光体组成，而GJS400-15的基体100%是铁素体，牌号为GJS-500-7、GJS-60-3的球铁，球光体量在40~70%之间，只要化学成分数值正确，上述这种对应关系在普通球铁牌号中均能得到反应。它的工艺性能就要跟随变化，珠光体的数量和它在铸件中的分布，主要取决于材料的化学成分(特别是Si、Mn、Cu、Sn)，以及石墨数量(由壁厚和孕育所决定)和冷却速度(取决于壁厚与打箱时间)。但是，由于壁厚差较大的球铁件，这种关系就难以严格保持，珠光体量的变动会超出原来区间，硬度波动范围也会扩大。
　　
众所周知，球铁中的Si是铁素体促成元素，同时也是使珠光体减小的元素。通过向固溶体的固溶强化，使铸铁材料的硬度、强度得到提高。借助于提高含Si量从2.2至2.8%到大于3.5%。这时，基体组织实际已全部成为铁素体(只含少量珠光体)。他们发现尽管此时的铁素体受到高Si的固溶强化，从而减少了它的变形能力，但是，在拉力试验时，没观察到这部分珠光体对延伸率的减少作用。说明在GJS-500/600两个牌号中同时仍具有高的延长率，即所谓添加Si后对降低球铁延伸率的“零作用”。这一特性的发现对材料使用者而言，具有这样的优点，意味着硬度分布值较集中，硬度呈均匀分布，并不分散，有利于改善加工性。也利于保持良好的尺寸公差，容易满足在壁厚差别大的球铁件中的硬度公差要求。
　　
新制定的欧洲标准牌号、牌号中的数值反映出与石墨球的形状关系十分密切，他们在实际中发现，当Si量超过4.3%时韧性会急剧下降，准确的关系围观组织中的石墨形状和浇注工艺中所用的参数，都是研究过程中所使用的。除了正常的测定材料性能之外，还研究了新标准中的项目，例如浇注工艺性夹渣的成份，充型性、补缩性，对此，还使用了自己特殊的工艺试验方法。
　　
编者阅读之后有感而发，球铁中的Si元素对组织与性能的影响规律，对从事铸铁工作者来说，都十分清楚。对Si含量的使用范围也一目了然。但是长久以来，存在于我们思想中始终受一个界线的束缚，即含Si量不能超过3.2%，尤其对于受动载荷作用的零件，更为慎重。因为如此，很少有人对大于此值的含Si量作系统深入的试验，故一直认为大于3.2%含Si量为禁区，不能越雷池一步，也就无法发展与创新，号召同仁们，要勇于开拓、创新，添补我国和世界的技术空白，缩短我们与先进国家的差距，共同为铸造事业贡献力量。

草泥马

很好的文章， 我想问的是在厚壁（100-300mm）铸件中可以用固溶强化的技术来达到硬度和延伸率吗？

老翻砂匠

但是高硅球铁的冲击韧性要比低硅或常规硅含量的要差，这一点必须要引起注意！

刘中华

老翻砂匠 发表于 2017-9-6 23:17

                               
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但是高硅球铁的冲击韧性要比低硅或常规硅含量的要差，这一点必须要引起注意！ ...

今天在河南遇到高大友，谈到固溶强化后的低温冲击和常温冲击，他的试验结果是基本无差别哦。

铸造小狗

刘中华 发表于 2017-9-8 21:47
今天在河南遇到高大友，谈到固溶强化后的低温冲击和常温冲击，他的试验结果是基本无差别哦。
...

从金属学原理来讲，这是不可能的，既然是通过实验得出，更感觉是发生奇迹了！
欢迎继续讨论，这个问题很有意思。

光辉铸造

这个硅脆真实存在，也是很多事例证实的

guoke

刘中华 发表于 2017-9-8 21:47
今天在河南遇到高大友，谈到固溶强化后的低温冲击和常温冲击，他的试验结果是基本无差别哦。
...

技术每天都在进步，真棒！

castengineer

铸造小狗 发表于 2017-9-10 08:22
从金属学原理来讲，这是不可能的，既然是通过实验得出，更感觉是发生奇迹了！
欢迎继续讨论，这个问题很 ...

不要轻易肯定.金属学原理要遵循.

常温和低温球铁的冲击断裂方式,是两种截然不同的两种形式.只要存在不同硅的固溶强化能力不同的存在.就不可能产生低温冲击和常温冲击试验结果基本无差别的现象!

如果对于高牌号高硅球铁.某种条件下的测试值的偏差或试验条件的偶合.其具备低温冲击和常温冲击,在采用缺口试样时,两种截然不同冲击断裂方有类似性.

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如果其做的是低牌号球铁.这种偶合性根本不存在.其结论是错误的.

就像一块玻璃.在-40度和+20度其受力时,破碎性能力是没有差别的.

切不可一叶障目.金属原理不可随意颠复.

铸造小狗

castengineer 发表于 2017-9-19 21:05
不要轻易肯定.金属学原理要遵循.

常温和低温球铁的冲击断裂方式,是两种截然不同的两种形式.只要存在不 ...

学习了！