柯志敏

（1.廣東中天創(chuàng)展球鐵有限公司，廣東英德 513000；2.廣東省高性能大型鑄件制造及模擬工程技術(shù)研究中心，廣東英德 513000）

隨著球墨鑄鐵技術(shù)的不斷發(fā)展，球墨鑄鐵逐步代替鑄鋼，成為一種新型的金屬材料，鑄態(tài)鐵素體球墨鑄鐵作為球墨鑄鐵的一種，已被廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、注塑機(jī)基礎(chǔ)零部件、壓鑄機(jī)基礎(chǔ)零部件和風(fēng)力發(fā)電基礎(chǔ)或關(guān)鍵零部件等。

球墨鑄鐵件的力學(xué)性能主要以抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率兩個(gè)指標(biāo)為驗(yàn)收指標(biāo)，疲勞強(qiáng)度作為一項(xiàng)非強(qiáng)制性指標(biāo)，在實(shí)際生產(chǎn)和驗(yàn)收中未被真正重視。然而隨著球墨鑄鐵的廣泛應(yīng)用，尤其是在承受交變應(yīng)力工況下的球墨鑄鐵件，疲勞破壞是其主要失效形式，斷裂突然發(fā)生，危險(xiǎn)性很大。模板（如圖1所示）作為注塑機(jī)的重要部件之一，外形尺寸3 584 mm×2 110 mm×1 213 mm，最大壁厚為1 054 mm，重量43.49 t，材質(zhì)為Q T450-10A，屬于特大型鐵素體球墨鑄鐵件。其疲勞強(qiáng)度值參照G B/T1348-2009《球墨鑄鐵件》中對(duì)材料牌號(hào)Q T450-10球鐵的疲勞極限要求為σ-1＞210 M P a.本試驗(yàn)從原材料選擇，運(yùn)用合成球墨鑄鐵熔煉技術(shù)和嚴(yán)格爐前控制，旨在提高特大型球墨鑄鐵模板的疲勞強(qiáng)度，保證其使用安全和可靠。

圖1 模板鑄件及附鑄試塊示意圖

1 模板的制備和試驗(yàn)方法

1.1 模板的制備

按質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～15%高純生鐵+10%～15%Q10+70%～80%打包沖壓件邊角料+優(yōu)質(zhì)增碳劑（主要原材料的化學(xué)成分如表1），分別在30 t中頻感應(yīng)熔煉爐和15 t中頻感應(yīng)熔煉爐熔化，溫度達(dá)到1 400℃～1 420℃時(shí)取光譜樣進(jìn)行光譜分析，使原鐵液化學(xué)成分滿足以下要求：ω（C）：3.70～3.78；ω（Si）：1.35～1.45；ω（M n）≤0.30；ω（P）≤0.025；ω（S）≤0.015；ω（T i）≤0.020；ω（P b）≤0.008.然后繼續(xù)升溫至1 450℃～1 470℃進(jìn)行球化孕育處理，球化劑加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.20%，型號(hào)為60%重稀土球化劑、40%輕稀土球化劑。孕育劑：一次孕育用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%75Si F e；二次孕育用0.5%高鈣鋇孕育劑；三次孕育（澆口杯內(nèi)）用0.1%硫氧孕育劑；其中第一、二次孕育劑粒度為：3 mm～8 mm，第三次孕育劑的粒度為：0.7 mm～2 mm，球化劑和孕育劑的化學(xué)成分如表2.此外加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.35%～0.45%的銅。

將上述球化孕育處理后48 t鐵液，拔渣干凈后均分倒入2個(gè)25t拔塞式定量澆口杯，靜置30s～45 s后拔塞讓鐵液通過(guò)澆注系統(tǒng)進(jìn)入已制備好的樹(shù)脂砂鑄型內(nèi)，澆注溫度為：1 340℃～1 360℃，充型時(shí)間為 150 s～180 s.

表1 主要原材料的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

表2 球化劑、孕育劑的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

1.2 試樣制備

4塊附鑄試塊（尺寸為：180mm×70mm×85mm，其中70 mm為厚度）放置模板的上面（如圖1所示），加工去除試塊85 mm方向上面20 mm后，取樣加工拉伸試樣1根（如圖2所示）、疲勞試樣3根（如圖3所示），4塊試塊分別編號(hào)為：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ.

1.3 試驗(yàn)方法

疲勞試驗(yàn)按G B/T4337-2015金屬材料疲勞試驗(yàn)旋轉(zhuǎn)彎曲方法進(jìn)行，按G B/T24176-2009金屬材料疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方案與分析方法計(jì)算數(shù)據(jù)。旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)設(shè)備為P Q1-6旋轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速5 000 r/m i n，試驗(yàn)溫度為室溫22℃～25℃，濕度51%～75%R H.旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣規(guī)格為φ7.5mm平行段圓棒，附鑄試塊加工成如圖3所示的試棒，檢查力學(xué)性能和金相組織。力學(xué)性能采用W A-600K D型電液式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試；室溫沖擊功的測(cè)試方法是按G B/T229-2007金屬夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法，試樣加工成55 mm×10 mm×10 mm，V型缺口有45度夾角，深度2 mm，底部曲率半徑為0.25 mm，試樣在溫度23℃±5℃進(jìn)行，試樣緊貼試驗(yàn)機(jī)砧座，錘刃沿缺口對(duì)稱面打擊試樣缺口的背面。試棒金相在X J G-05大型顯微鏡檢查組織。

圖2 拉伸試棒尺寸（單位：mm）

圖3 φ7.5 mm旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣尺寸

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 附鑄試塊力學(xué)性能

表3 附鑄試塊的力學(xué)性能

表3為附鑄造試塊力學(xué)性能，結(jié)果表明：模板力學(xué)性能符合G B/T1348-2009《球墨鑄鐵件》，材質(zhì)牌號(hào)Q T450-10A鑄件壁厚60 mm～200 mm時(shí)，抗拉強(qiáng)度 Rm≥390 M P a，屈服強(qiáng)度 Rp0.2≥260 M P a，伸長(zhǎng)率A≥9%的要求。同時(shí)具有15 J～17.5 J優(yōu)異的室溫沖擊功。

2.2 附鑄試塊的金相組織

附鑄試塊的金相組織檢驗(yàn)結(jié)果如表4所示，圖4、5為試樣編號(hào)Ⅱ?qū)?yīng)組織的圖片。結(jié)果顯示：球化率大于90%，石墨數(shù)量大于150個(gè)/mm2，珠光體數(shù)量：15%～25%.

表4 附鑄試塊的金相組織

圖4 Ⅱ球化率×100

圖5 Ⅱ基體組織（腐蝕后）×100

2.3 疲勞試驗(yàn)升降法試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表5是用高周升降法試驗(yàn)結(jié)果，應(yīng)力臺(tái)階取10M P a，疲勞極限壽命取1×107，升降法由12件試樣組成，并繪成升降圖如圖6所示。根據(jù)升降法計(jì)算得到平均疲勞極限σ-1=260 M P a，而G B/T1348-2009《球墨鑄鐵件》中Q T450-10球鐵的疲勞極限要求為σ-1＞210 M P a，因此該模板的疲勞性能明顯高于該牌號(hào)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.4 升降圖

圖6為附鑄試塊疲勞試驗(yàn)升降圖。

3 結(jié)論

1）通過(guò)試驗(yàn)，所制造的特大型球墨鑄鐵模板不僅具有優(yōu)異力學(xué)性能，而且疲勞強(qiáng)度得到提高，可達(dá)到250 M P a以上，明顯高于G B/T1348-2009《球墨鑄鐵件》中對(duì)Q T450-10球鐵的疲勞極限要求的σ-1＞210 M P a.

2）試驗(yàn)結(jié)果表明：通過(guò)使用優(yōu)質(zhì)的原材料，合成球墨鑄鐵熔煉技術(shù)和嚴(yán)格的爐前控制，獲得優(yōu)異的球化率（90%以上）和15%～25%的珠光體數(shù)量，可以顯著提高特大型球墨鑄鐵模板的疲勞強(qiáng)度，確保模板使用更安全、更可靠。

表5 附鑄試塊的升降法試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖6 附鑄試塊疲勞試驗(yàn)升降圖