球状铸铁的炉料成分与疲劳性能关系研究

球状铸铁的炉料成分与疲劳性能关系研究

陈露

（中车太原机车车辆有限公司）

摘要：研究了不同比例废废钢合成的球墨铸铁的力学性能和疲劳性能。单个熔体的化学成分由硅铁（FeSi）和渗碳器或冶金碳化硅（SiC）交替调节。结果表明，SiC对球墨铸铁的力学性能和疲劳性能都有积极的影响，特别是在带电废钢率较高的熔体中。此外，用SiC添加剂生产合成球墨铸铁具有经济优势。

关键词：球墨铸铁，微观结构，力学性能，疲劳性能。

Abstract. The contribution deals with comparison of microstructure, mechanical properties and fatigue properties of synthetic nodular cast irons with a different ratio of steel scrap in a charge. Chemical composition of inpidual meltages was regulated alternatively by ferrosilicon (FeSi) and carburizer or metallurgical silicon carbide (SiC). The paper shows that SiC additive positively influences the microstructure, mechanical properties as well as fatigue properties of nodular cast iron, especially in the meltages with higher ratio of steel scrap in the charge. Moreover, production of synthetic nodular cast irons with SiC additive is economically advantageous.

Keywords: nodular cast iron, microstructure, mechanical properties, fatigue properties.

引言

如今，从经济的角度来看，可以用一部分更昂贵的生铁代替更便宜的废钢来处理石墨铸铁[1]。从传统的生铁（声称富含原子核）到合成废钢（通常认为只含有少量的石墨原子核）的转变需要对熔体的化学成分进行调节。它与冶金用SiC作为硅化和渗碳添加剂的引入密切相关（SiC添加剂被认为可以为合成的纯熔体提供原子核）。

SiC添加剂对铸铁熔体中石墨的结晶核数有积极影响（增加了核数），从而增加了石墨结节的数量，同时降低了结构中对碳化物发生的敏感性。工艺铸造文献描述在铸铁熔体中添加SiC具有特殊的预接种效果。这种影响在灰铸铁的情况下得到了很好的记录，在工业和结节状铸铁的实验室实验中也能观察到[2]。研究涉及电荷组成（即电荷中生铁和废钢的比例不同，以及化学成分调节的添加剂不同）对合成球墨铸铁微观组织、力学性能和疲劳性能的影响。

实验材料及方法

采用两种系列的五种球墨铸铁熔化体进行实验。熔体因电荷组成而不同（表1）。每一次熔化都有30公斤的底料。单个熔体的底料由不同比例的生铁和废钢的组成。为了调节化学成分，在熔体1至5中加入渗碳器和SiC的添加剂，在熔体6至10中使用渗碳器和硅铁FeSi75的添加剂。选择这些添加剂的含量，使熔融体的合成化学成分大致相同（共晶度Sc≈1.2）。改性时采用改性剂FeSiMg7，接种时采用接种剂FeSi75。

从所有熔体中铸造实验棒（直径32 mm，长度350 mm），并进行拉伸试验、冲击弯曲试验、硬度试验和疲劳试验。

表1实验熔化的炉料成分

利用光学金相显微镜对实验熔融样品进行了金相分析。用于金相分析的样品从铸型棒中取出，用通常的金相程序制备。根据图像分析对样品的微观结构进行了评估。采用图像分析方法评价单位面积石墨根核的计数和基质中铁氧体的含量[3]。

拉伸试验采用试验设备ZDM 30，加载范围为F=0~50kN。冲击弯曲试验通过摆锤以平均能量300J进行。布氏硬度试验通过测试设备100CV-3000 LDB硬金属球直径D = 10毫米下加载F=29430 N（3000 kp）。疲劳试验在高频正弦循环推拉加载（频率f≈20 kHz，应力比R=-1，温度T=20±5℃）下进行[4,5]。采用扫描电子显微镜对断裂实验棒的断裂表面进行微分形分析。

实验结果及讨论

金相分析

从微观结构的角度来看，所有熔化体的样品都是铁氧体-珠光体球状铸铁，铁氧体和珠光体含量不同，石墨大小和石墨结核数不同。基质中铁氧体和珠光体的含量不同，石墨的大小和石墨结核的数量不同，是由于废钢的比例和调节化学成分的添加剂种类不同（SiC或FeSi）引起的。

SiC添加剂熔体样品中铁氧体含量高于FeSi添加剂熔体样品（图1a)。仅由废铁废料和SiC添加剂（约74 %）产生的铁素体含量最高。

a)基体中铁氧体的含量                     b)石墨结节数

图1 微观结构结果

在所有的标本中，石墨只呈完全球状和不完全球状。SiC添加剂熔体中完全球状石墨的比例高于FeSi添加剂熔体中。石墨的尺寸在30~120µm之间，但所有样品的尺寸均在30~60µm之间。用SiC添加剂熔融的样品中石墨尺寸一般小于用FeSi添加剂熔融的石墨尺寸。添加SiC添加剂的熔体标本中单位面积石墨根瘤的平均数量高于添加FeSi添加剂的熔体标本（图1b）。石墨结核计数最高的是60 %的废钢和SiC添加剂（近200 mm-2），以及只有废钢和SiC添加剂产生的熔化5（近180 mm-2)。

对于接下来的实验（机械和疲劳试验），使用了熔体3和5（SiC添加剂）和熔体8和10（FeSi添加剂）的样品。之所以选择它们，是因为它们有最高的铁素体含量和最高的石墨结核数量。

机械性能

对铸棒制作的试样进行了力学试验（即拉伸试验、冲击弯曲试验和布氏硬度试验）。力学试验的结果，即拉伸强度Rm、伸长率A、吸收能量K和布氏硬度HB，见表2。

表2机械性能

SiC添加剂熔体试件的抗拉强度高于FeSi添加剂熔体试件。由60 %的废钢和SiC添加剂产生的熔化3达到了最高的抗拉强度（539 MPa）。SiC添加剂熔体的伸长率和吸收能量也高于FeSi添加剂熔体。在60 %的废钢和SiC添加剂产生的熔化3中再次达到最高伸长率（约4%）和吸收能量（30J以上）。

SiC添加剂熔体的布氏硬度高于FeSi添加剂熔体。在60 %的废钢和SiC添加剂产生的熔化3中再次达到最高硬度（约192 HB）。SiC添加剂熔体样品比FeSi添加剂熔体样品具有更好的力学性能。它与样品的微观结构有关，特别是与基质的特征（铁氧体和珠光体的含量）有关，也与石墨结核的大小和数量有关。60 %的废钢和SiC添加剂产生的熔化3的力学性能最佳，完全球墨比例最高，石墨尺寸最小，石墨球墨计数最高。

疲劳性能

在疲劳试验中，使用每个熔化过程中的10个试样获得应力与疲劳破坏循环次数关系曲线σa = f (N)，并通过循环N = 108来确定疲劳强度σc。采用高频正弦循环推拉加载（加载频率≈20 kHz）。疲劳试验结果（应力幅度σa与失效循环次数N之间的关系）如图2所示。到失效的循环次数随着应力幅度的减小而增加。疲劳强度σc的值见表3。

a)SiC添加剂下，熔体数为3和5      b)FeSi添加剂下，熔体数为8和10

图2 应力与疲劳破坏循环次数关系曲线

表3 循环N=108次后的疲劳强度

球墨铸铁分析试件的疲劳强度随抗拉强度的增加而增加。SiC添加剂熔融试件的疲劳强度高于FeSi添加剂熔融试件。由60 %的废钢和SiC添加剂产生的熔化3的疲劳强度最高（218 MPa），具有最佳的力学性能。

总结

实验结果表明，电荷组成对球墨铸铁的微观结构、力学性能和疲劳性能均有影响。用一部分生铁代替废铁代替球墨铸铁具有相当大的经济贡献。对于调节熔体的化学成分而言，使用本工作中使用的冶金SiC添加剂作为替代添加剂，而不是FeSi。SiC添加剂对微观结构有积极的影响，这意味着基体中铁氧体的含量增加，石墨的尺寸减小，单位面积石墨结核的平均数量增加，消除了不良胶墨体的发生，从而提高了球墨铸铁的力学性能和疲劳性能。

球墨铸铁的疲劳强度随着抗拉强度的增加而增加。所分析的试样的最佳疲劳性能（疲劳强度）是由60 %的废钢和40 %的生铁所产生的熔体3。

参考文献

[1]DARID E, 董雯. 致密型石墨铸铁(CGI)的型内处理技术的发展[J]. 铁道机车车辆工人, 2001(12): 28-31.

[2]王开. 功能梯度复合材料制动盘设计及制备成形工艺、组织与性能研究[D]. 重庆大学, 2008.

[3]龙小江. 钢材损伤过程声发射监测与评价方法研究[D]. 南昌航空大学, 2015.

[4]孟扬, 王泽民, 赵子华. 缺口和低温对球墨铸铁高周疲劳行为的影响[J]. 金属热处理, 2019, 44(S1): 625-629.

[5]杨廷勇, 邓文, 李建伟, 等. 2024-T3铝合金单搭接化铣板疲劳特性及失效机理[J]. 装备环境工程, 2022, 19(10): 65-72.