陳 震，王建榮，張 杰

（中車戚墅堰機車有限公司，江蘇常州 213011）

1 概述

SAE J434 D700 材料是以珠光體為主要基體組織的球墨鑄鐵，其抗拉強度、屈服強度、斷后伸長率、硬度等機械性能指標高于國標、歐標對應的材料牌號，SAE J434 D700 材料屈強比為0.63，歐標及國標對應牌號材料屈強比為0.6，主要用于制造承受重載荷及摩擦磨損的零部件，與其他材料的性能對比見表1。

表1 材料性能要求

2 技術(shù)現(xiàn)狀

國內(nèi)外生產(chǎn)SAE J434 D700 材料主要采用鑄造+高溫正火熱處理工藝，此種生產(chǎn)工藝生產(chǎn)周期長、生產(chǎn)組織困難、質(zhì)量波動大、生產(chǎn)成本高。

3 熔煉方法

3.1 化學成分的確定

球墨鑄鐵的性能取決于基體組織（見圖1），隨著珠光體體積分數(shù)的增加，抗拉強度也提高，因此要保證材料強度符合SAE J434 D700 材料的要求，材料基體組織必須以珠光體為主，體積分數(shù)不低于80%。而基體組織由化學成分決定，因此，要保證SAE J434 D700 材料性能必須要確定鐵水中各化學元素含量的合理范圍。

圖1 球墨鑄鐵基體組織與性能的關(guān)系

C：高的含碳量能促進石墨化，增加石墨球數(shù)量、改善球化質(zhì)量，減少鑄件的縮松傾向。對于鑄態(tài)球墨鑄鐵，含碳量的提高可以減少游離滲碳體。選擇含碳量從保證球墨鑄鐵具有良好的力學性能和鑄造性能兩方面考慮，選擇高碳量有助于獲得高質(zhì)量的鑄件，綜合考慮碳含量，確定w（C）控制在3.50%～3.80%范圍內(nèi)較為合適。

Si∶Si 是促進石墨化的元素，可以提高球墨鑄鐵的抗拉強度Rm、屈服強度Rp0.2和硬度（HBW），同時可使塑性指標降低。從鑄造性能考慮，Si 能減小較大的結(jié)晶過冷和形成白口的傾向，此外，硅還能提高石墨球的圓整度。綜合考慮，確定w（Si）為2.40%～2.80%。

Mn：Mn 具有強化鐵素體和穩(wěn)定珠光體的作用，可提高鑄件的抗拉強度和屈服強度，同時也能提高硬度。對于鑄態(tài)珠光體球墨鑄鐵，可以通過錳穩(wěn)定珠光體、提高力學性能。但Mn 會增加偏析傾向，使球墨鑄鐵凝固時白口傾向增加，因此需要限制Mn 含量，綜合考慮，確定w（Mn）為0.65%～0.7%。

P：磷在球墨鑄鐵中有嚴重的偏析傾向，易在晶界處形成磷共晶，磷還增大球墨鑄鐵的縮松傾向。當球墨鑄鐵中鉬存在時，易在晶界處形成脆性的磷鉬四元化合物。因此w（P）控制在0.04%以下。

S∶S 不僅會與球化元素反應，消耗球化劑，造成球化不穩(wěn)定，還會使夾雜物數(shù)量增多，導致鑄造缺陷，所以含硫量越低越好，w（S）控制在0.03%以下。

Mg、Re：鐵液中有一定的鎂和稀土元素的殘留量才能保證石墨成球。但球鐵中球化元素含量過高，會導致石墨球不圓整，還會使球鐵白口傾向大，皮下氣孔增多，產(chǎn)生夾渣等缺陷。因此，在保證球化效果的前提下，應該盡量降低Mg、RE 殘余含量，并且使其在小的范圍內(nèi)波動。綜合考慮，w（Mg殘）為0.030%～0.060%,w（Re殘）為0.01%～0.04%。

Cu：Cu 可以促進石墨化，減少或消除游離滲碳體的形成，促進珠光體的形成，改善斷面組織與性能的均勻性。對于鑄態(tài)珠光體球墨鑄鐵來說，銅可以提高抗拉強度、屈服強度和硬度，伸長率則變化不大，因此w（Cu）控制在0.35%～0.40%。

Mo：Mo 對石墨形態(tài)無影響，可以細化共晶團，能夠提高抗拉強度、屈服強度和硬度，而伸長率隨著強度的提高而降低。對于鑄態(tài)珠光體球墨鑄鐵來說，屈服點的提高幅度比抗拉強度的提高幅度要大，可以改善屈服比。綜合考慮，確定w（Mo）為0.70%～0.75%。

Sn：微量的Sn 可以增加珠光體的數(shù)量，過高則會惡化石墨形態(tài)，因此w（Sn）為0.035%～0.04%。

根據(jù)上述化學元素對球墨鑄鐵基體組織以及性能的影響，綜合生產(chǎn)現(xiàn)場實際情況，確定SAE J434 D700 材料化學成分的控制范圍（見表2）。

表2 鑄態(tài)高強度珠光體球墨鑄鐵化學成分范圍w/%

3.2 原材料選擇

化學成分對SAE J434 D700 材料性能影響巨大，因此要必須嚴格控制原材料（生鐵、廢鋼、回爐料等）中的微量元素含量，特別是要限制反球化及干擾元素的含量。結(jié)合本單位生產(chǎn)實際情況,以盡可能降低生產(chǎn)成本為目的，選擇采用新生鐵、舊料加廢鋼作為主要原材料熔煉，廢鋼必須為碳素鋼。

3.3 球化處理

在碳含量一定的情況下，球化率對球墨鑄鐵的抗拉強度、伸長率產(chǎn)生顯著的影響（如圖2 所示）。同時，圓整的石墨球可以改善球墨鑄鐵的機械性能，將球化率控制在85%以上，石墨大小不小于6 級，可獲得良好的金相組織及機械性能。故采用沖入法球化處理方式，球化劑選用專業(yè)的珠光體型球化劑D-3，加入量為1.3%～1.8%。球化劑裝載方式：球化劑裝載在球鐵處理包凹坑內(nèi)，表面用0.2%～0.3%的硅鐵粉覆蓋并壓實。球化處理溫度：1450～1480 ℃。

圖2 球化率對抗拉強度的影響

3.4 孕育處理

孕育處理能增加石墨核心，細化球狀石墨，提高球狀石墨生長的相對穩(wěn)定性，提高石墨球的圓整度；另一方面通過孕育處理可使共晶團細化，減小共晶團間的偏析程度，提高球墨鑄鐵材料的塑性。所以，我們選擇兩次孕育的處理方式，一次孕育：孕育劑為粒度3～16 mm 的Y-3，加入量：0.5%～0.7%，采用加入鐵水表面進行攪拌的方式進行孕育。二次孕育：采用粒度為0.8～1 mm、加入量為0.1%～0.15%的Z-5 孕育劑，澆注時使用孕育漏斗進行隨流瞬時孕育，加強孕育效果。

4 效果驗證

按照制定的工藝方案試制的高韌性球墨鑄鐵材料各項性能均符合技術(shù)要求，圖3 和圖4 分別為球墨鑄鐵的石墨和基體組織，表3 為材料性能和顯微組織檢查結(jié)果。

圖3 石墨形態(tài)100×

圖4 基體組織100×

表3 性能檢測結(jié)果

5 結(jié)論

通過調(diào)整C、Si、Mn、P、S 五大基本元素和合金元素Mo、Cu、Sn 的配比，以沖入球化處理方式、二次孕育處理的鑄態(tài)熔煉工藝方案，可穩(wěn)定的獲得性能良好的高強度球墨鑄鐵材料。較高溫正火工藝，生產(chǎn)周期縮短3 天，降低生產(chǎn)成本1500 元/t。