摘 要

球墨铸铁是一种重要的工程材料，其力学性能优异，且生产成本较低，在汽车领域有广泛的应用。随着汽车工业的不断发展，汽车零部件对球墨铸铁材料的性能要求也越来越高，目前的国家球墨铸铁件标准已不能满足行业发展的需求。因此，进行高强度高伸长率球墨铸铁生产的技术开发，特别是将其在铸态下实现，对于实现汽车的减重、降耗、环保、安全具有重大的意义。

本文在借鉴固溶强化、复合基体强化的技术方案下，重点采用废钢增碳工艺等技术制备铸态合成球铁，通过成分设计、铁液净化和球化孕育处理优化，使球铁在获得高强度的同时获得高伸长率，最终达到QT700-10要求性能。

研究结果表明，初始方案中由于材料杂质含量较高、球化效果不佳，导致力学性能较低。改进方案后采用工业纯铁、Q235废钢及球铁回炉料为熔炼炉料，在以95%增碳剂吸收率为指标的熔炼工艺下，以75FeSi为增硅剂，通过0.9%的镍镁球化剂球化处理以及0.35%的含钡孕育剂YFY-8包内孕育处理，配合0.15%的硅锶孕育剂型内孕育，所得铸铁球化孕育效果良好，合理控制化学成分，可在铸态下实现QT700-10。

关键词：合成球铁；高强度高伸长率；铸态；球化孕育处理；QT700-10

Abstract

Ductile cast iron is an important engineering material with excellent mechanical properties and low production costs. It has a wide range of applications in the automotive field.With the continuous development of the automotive industry.the performance requirements of automotive parts on ductile cast iron materials are getting higher and higher.The current national standard for ductile iron castings can no longer meet the needs of industry development.Therefore,the research on high-strength and high-elongation ductile iron,especially in the as-cast state,has great significance for realizing weight reduction,consumption reduction, environmental protection and safety of automobiles.

This article draws on the solution strengthened and composite matrix strengthened,emphasis is placed on the preparation of as-cast synthetic ductile iron by techniques such as scrap steel.Through the optimization of composition design, iron purification and spheroidizing, the ductile iron achieves high elongation while achieving high elongation,Finally reached the required performance of the QT700-10 .

Research indicates,in the initial scheme, due to the high content of impurities and poor spheroidization, the mechanical properties are low.After the improvement scheme, industrial pure iron, Q235 scrap steel and ductile iron return material are used as smelting charge materials. Under the smelting process with 95% carbon additive absorption rate, 75FeSi is used as a silicon additive.Through the spheroidization treatment of 0.9% of nickel-magnesium nodulizer and 0.35% of inoculant containing YFY-8, the inoculation with 0.15% silicon germanium inoculant resulted in a good spheridizing effect of cast iron.rational control of chemical composition,QT700-10 can be realized in the as-cast state.

Keyword: synthetic ductile iron; high-strength and high-elongation; cast; spherical gestation effect optimization; QT700-10

目录

摘 要 I

Abstract II

目录 III

第一章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2国内外研究现状 1

1.3球墨铸铁组织及特点概述 2

1.4球墨铸铁性能提高措施 3

1.4.1铁液净化 3

1.4.2适当选用合金元素 3

1.4.3球化效果优化 3

1.5研究目的、意义及主要研究内容 4

1.5.1目的及意义 4

1.5.2研究内容 4

第二章 试验过程及方法 5

2.1试验材料选择及方案设计 5

2.1.1试验材料选择 5

2.1.2化学成分的选定 6

2.1.3方案设计 7

2.2球墨铸铁的熔炼及试样制备 8

2.2.1熔炼及预处理 8

2.2.2球化、孕育处理 8

2.2.3浇注Y型试块 8

2.2.4试样制备 9

2.3组织性能测试 10

2.3.1化学成分测定 10

2.3.2金相组织观察 10

2.3.3力学性能测试 11

第三章 试验结果与分析 13

3.1初步试验结果分析 13

3.1.1化学成分分析 13

3.1.2金相组织分析 13

3.1.3力学性能分析 16

3.1.4改进试验方案 17

3.2改进实验结果分析 17

3.2.1化学成分分析 17

3.1.2金相组织分析 18

3.2.3力学性能分析 19

3.3本章小结 20

第四章 结论 21

参考文献 22

致谢 23

第一章 绪论

1.1研究背景

铸铁是一种常见的传统金属材料，虽然发展时间较短，但应用范围极广，在人类社会的发展中占据了重要的地位^[1]。由于铸铁中的碳含量较高，且碳多以石墨形态存在，这使得铸铁具有良好的耐磨性及抗冲击性^[2]。

球墨铸铁是一种重要的工程材料，其生产成本较低、力学性能优异、加工性能良好，因此常被用于生产各类工程器械、汽车零件等^[3]。随着汽车工业的蓬勃发展，乘用车、商用车都对节能、环保、安全提出了新的要求，这使得汽车零部件对生产原材料的综合性能要求也越来越高，传统的国家标准已不能满足行业发展的需求^[4]。目前我国高强韧球墨铸铁的生产大多数仍采用铸造生铁作炉料，其中含杂质锰、磷较多，产品的性能往往达不到使用要求,而且我国目前生产高强度高伸长率球墨铸铁的主要方法是铸件冷却后再进行热处理，生产成本较高^[5]。但在某些发达国家中铸态高强韧球墨铸铁已经有了成熟的生产体系，其生产的产品已达到零件使用性能要求，并且在实际使用中表现良好^[6]。因此，采用废钢进行铸态高强韧球墨铸铁生产技术的相关探究，这对于变废为宝，降低生产成本，提高材料性能均具有重要意义。

1.2国内外研究现状

铸态高强韧球墨铸铁一直是国外工业领域研究的热门方向，国外在这方面进行了大量的研究工作，并且取得了不少的成果^[7]。Okunnu.R^[8]在对铸铁进行化学成分分析时发现，铸铁中的常见元素Si,可以有效的促进铁素体的形成,并对铁素体有显著的强化作用，在保持原有塑性的前提下，可以大大提升其力学性能。Gueral.F.V等人^[9]通过在铸铁中加入适量的硼元素，发现硼对碳含量有很强的影响，易导致沉淀石墨体积的增加和溶解碳的减少，使铸铁可以获得更高的强度及延伸率。Ikeda.T等人^[10]研究发现，应变速率和温度对球墨铸铁的韧性有极大影响，传统的夏氏冲击试验评价没有考虑到这个因素，使得测量值与真实值存在较大差距，应采用更合理的测试方法。随着铸态高强韧球墨铸铁研究和开发的不断推进，人们已经在这方面取得了一些不错的成果，比较有代表性的有以下三种：固溶强化铸态铁素体球墨铸铁、铁素体-珠光体混合基体球墨铸铁、铸态奥铁体球墨铸铁。比如，2004年的ISO1083/JS/500-10以及2012年德国和欧洲球墨铸铁标准新增牌号：EN-GJS 400-18、500-14、600-10，都是典型的固溶强化铁素体球墨铸铁，并且已有了相对完整的生产体系。小池真弘等人^[11]在他人研究基础上进行工艺优化和改良，并借鉴固溶强化和复合基体强化原理，成功制备出抗拉强度达800 MPa、断后伸长率达10％的球墨铸铁，其性能远超现有国家标准等级。

由于我国球墨铸铁生产技术的研究开发起步较晚，我国球铁件在生产稳定性和质量控制方面与西方国家还存在较大差距，球铁件生产中存在的突出问题较多，比如材质强韧性差、缺陷多等。其原因除了炉料、熔炼方法、球化处理方法、化学成分等之外，球化剂的选用和球化处理温度的控制也是不可忽视的问题^[12,13]。研究表明，采用高纯生铁或废钢等作炉料，加入适量Si、Cu等合金化元素，合理选用球化剂及孕育剂，提升球化和孕育处理工艺，可以有效的提高球铁的力学性能和生产质量的稳定性^[14,15]。经过多年的摸索，我国的广西玉柴集团、东风精密铸造有限公司已经可以生产出QT600-10、QT800-6等高性能的球铁件^[16]，在铸态高强韧球铁方面取得了一定成果。尽管如此，铸态高强韧球铁在我国的实际生产中应用还较少，主要是生产稳定性和一致性仍需提高，抗冲击性能还待检验。铸态高强韧球铁领域还存在许多关键技术仍待突破，这都需要我们在球墨铸铁理论与技术等方面做更多深入的研究工作。

1.3球墨铸铁组织及特点概述

众所周知，材料的组织决定了其力学性能，金属材料也不例外，要进行铸态合成高强度高伸长率球墨铸铁的开发研究，必须要了解这种材料应该具有的组织及其结构特点，并在此基础上设计研究方案。