SAE J434 D700铸态材料熔炼方法探索.pdf

第58 卷第5期Vol.58No.5中国铸造装备与技术CHINAFOUNDRY MACHINERY&TECHNOLOGY2023年9 月Sep.2023SAEJ434D700铸态材料熔炼方法探索陈震,王建荣，张杰（中车戚墅堰机车有限公司，江苏常州2 130 11摘要：介绍了SAEJ434D700材料特性，深入研究了化学成分对基体组织的影响，制定了通过调整C、S i、Mn、P、S 五大基本元素和合金元素Mo、Cu、S n 的配比，以冲入球化处理方式、二次孕育处理的铸态熔炼方法，此方法实施后获得性能良好的SAEJ434D700材料，各项性能指标均符合技术要求。关键词：SAEJ434D700材料；铸态；熔炼方法中图分类号：TG243；T G 2 50.2D01:10.3969/j.issn.1006-9658.2023.05.0171概述SAEJ434D700材料是以珠光体为主要基体组织的球墨铸铁,其抗拉强度、屈服强度、断后伸长率、硬度等机械性能指标高于国标、欧标对应的材料牌号，SAEJ434D700材料屈强比为0.6 3，欧标及国标对应牌号材料屈强比为0.6，主要用于制造承受重载荷及摩擦磨损的零部件，与其他材料收稿日期：2 0 2 3-0 1-0 4；修订日期：2 0 2 3-0 3-11作者简介：陈震（19 7 0 一），高级工程师，主要从事铸铁件生产经营及质量控制工作。E-mail:文献标识码：A文章编号：10 0 6-9 6 58(2 0 2 3)0 5-0 0 7 8-0 4的性能对比见表1。2技术现状国内外生产SAEJ434D700材料主要采用铸造+高温正火热处理工艺，此种生产工艺生产周期长、生产组织困难、质量波动大、生产成本高。3熔炼方法3.1化学成分的确定球墨铸铁的性能取决于基体组织（见图1），随着珠光体体积分数的增加，抗拉强度也提高，因Application of digitization in engine cylinder head casting processMEI Chongjian,QIAN Xingyun,YANG Lei,LI Lianjie(FAW Foundry Co.,Ltd.,Wuxi Branch,Wuxi 214174,Jiangsu China)Abstract:As a major foundry country,digitization is a necessary path for China to transform into astrong foundry country.The application of digital technology in the casting process of engine cylinderheads has been explored,in response to common problems in the traditional casting industry such aslong product development cycles,difficulty in collecting production process data,and cumbersome qualitydata analysis.The digital exploration and practical cases in recent years have been introduced in thetext,including process research and development,workshop on-site production,and quality improvement,in order to provide reference for digital management in the industry.Key words:Digitization;Casting;Cylinder head-78-陈震，等：SAEJ434D700铸态材料熔炼方法探索表1材料性能要求抗拉强度屈服强度材料牌号Rm/(Nmm2)EN-GJS-700-2700FCD 700-2700GB/T 1348 QT700-2700SAE J434 D7007009508507506505504500100图1球墨铸铁基体组织与性能的关系此要保证材料强度符合SAEJ434D700材料的要求，材料基体组织必须以珠光体为主，体积分数不低于8 0%。而基体组织由化学成分决定,因此,要保证SAEJ434D700材料性能必须要确定铁水中各化学元素含量的合理范围。C:高的含碳量能促进石墨化，增加石墨球数量、改善球化质量，减少铸件的缩松倾向。对于铸态球墨铸铁，含碳量的提高可以减少游离渗碳体。选择含碳量从保证球墨铸铁具有良好的力学性能和铸造性能两方面考虑，选择高碳量有助于获得高质量的铸件，综合考虑碳含量，确定w(C)控制在3.50%3.8 0%范围内较为合适。Si:Si是促进石墨化的元素，可以提高球墨铸铁的抗拉强度Rm、屈服强度Rpo.2和硬度（HBW），同时可使塑性指标降低。从铸造性能考虑,Si能减小较大的结晶过冷和形成白口的倾向，此外，硅还能提高石墨球的圆整度。综合考虑,确定w(Si)为第5期伸长率硬度Rpo.2/(Nmm2)A/%42024202420245032.40%2.80%。MnMn具有强化铁素体和稳定珠光体的作用，可提高铸件的抗拉强度和屈服强度，同时也能提高硬度。对于铸态珠光体球墨铸铁，可以通过锰稳定珠光体、提高力学性能。但Mn会增加偏析倾向，使球墨铸铁凝固时白口倾向增加,因此需要限制Mn含量，综合考虑，确定w（Mn）为0.6 5%0.7%。P:磷在球墨铸铁中有严重的偏析倾向,易在2040铁素体含量/%80604020珠光体含量/%基体HB组织2253051803002253052413026080石墨形态珠光体V.VI100晶界处形成磷共晶，磷还增大球墨铸铁的缩松倾0向。当球墨铸铁中钼存在时，易在晶界处形成脆性的磷钼四元化合物。因此w(P)控制在0.0 4%以下。S：S 不仅会与球化元素反应,消耗球化剂,造成球化不稳定，还会使夹杂物数量增多，导致铸造缺陷,所以含硫量越低越好，w(S)控制在0.0 3%以下。Mg、R e：铁液中有一定的镁和稀土元素的残留量才能保证石墨成球。但球铁中球化元素含量过高，会导致石墨球不圆整，还会使球铁白口倾向大，皮下气孔增多,产生夹渣等缺陷。因此，在保证球化效果的前提下,应该尽量降低Mg、R E 残余含量，并且使其在小的范围内波动。综合考虑,w（Mg 残)为0.030%0.060%,w(Re 残)为 0.0 1%0.0 4%。Cu:Cu可以促进石墨化，减少或消除游离渗碳体的形成，促进珠光体的形成,改善断面组织与性能的均匀性。对于铸态珠光体球墨铸铁来说,铜可以提高抗拉强度、屈服强度和硬度，伸长率则变化不大,因此w(Cu)控制在0.35%0.40%。Mo:Mo对石墨形态无影响，可以细化共晶团，-79-第58 卷原铁水3.903.950.6 1.0成品铁水3.503.80抗拉强度铸样编号/MPa01412K75602512K830能够提高抗拉强度、屈服强度和硬度，而伸长率随着强度的提高而降低。对于铸态珠光体球墨铸铁来说，屈服点的提高幅度比抗拉强度的提高幅度要大,可以改善屈服比。综合考虑,确定w(Mo)为0.70%0.75%。Sn：微量的Sn可以增加珠光体的数量,过高则会恶化石墨形态，因此w(Sn)为0.0 35%0.0 4%。根据上述化学元素对球墨铸铁基体组织以及性能的影响，综合生产现场实际情况，确定SAEJ434D700材料化学成分的控制范围（见表2）。3.2原材料选择化学成分对SAEJ434D700材料性能影响巨大,因此要必须严格控制原材料(生铁、废钢、回炉料等)中的微量元素含量，特别是要限制反球化及干扰元素的含量。结合本单位生产实际情况,以尽可能降低生产成本为目的，选择采用新生铁、旧料加废钢作为主要原材料熔炼，废钢必须为碳素钢。3.3球化处理在碳含量一定的情况下，球化率对球墨铸铁的抗拉强度、伸长率产生显著的影响（如图2 所示）。同时，圆整的石墨球可以改善球墨铸铁的机械性能,将球化率控制在8 5%以上，石墨大小不小于6 级，可获得良好的金相组织及机械性能。故采用冲人法球化处理方式，球化剂选用专业的珠光体型球化剂D-3，加人量为1.3%1.8%。球化剂装载方式：球化剂装载在球铁处理包凹坑内，表面用0.2%0.3%的硅铁粉覆盖并压实。球化处理温中国铸造装备与技术表2 铸态高强度珠光体球墨铸铁化学成分范围CSi2.2 2.8屈服强度/MPa535479W/%MnP0.20 0.250.040.65 0.700.05表3性能检测结果伸长率基体组织1%3.04.0S0.030.02F+90%PF+90%P度:1450 148 0。3.4孕育处理孕育处理能增加石墨核心，细化球状石墨，提高球状石墨生长的相对稳定性，提高石墨球的圆整度；另一方面通过孕育处理可使共晶团细化，减小共晶团间的偏析程度，提高球墨铸铁材料的塑性。所以，我们选择两次孕育的处理方式，一次孕育：孕育剂为粒度3 16 mm的Y-3,加人量：0.5%0.7%，采用加入铁水表面进行搅拌的方式进行孕育。二次孕育：采用粒度为0.8 1mm、加人量为0.1%0.15%的Z-5孕育剂，浇注时使用孕育漏斗进行随流瞬时孕育，加强孕育效果。4效果验证按照制定的工艺方案试制的高韧性球墨铸铁材料各项性能均符合技术要求，图3和图4分别为球墨铸铁的石墨和基体组织，表3为材料性能和显微组织检查结果。Mg我0.030.06 0.03 0.05 0.350.40 0.650.70 0.0350.040石墨形态球+团球+团900800700600500400300Re我球化率1%90909590图2 球化率对抗拉强度的影响Cu0.350.40 0.600.650.0350.040石墨大小67+珠光体铁素体8070球化级别/%Mo6050Sn硬度HBW269262一80一陈震，等：SAEJ434D700铸态材料熔炼方法探索图3石墨形态10 0 工业出版社，19 9 6：155-17 0.2吴德海.球墨铸铁 M.北京：中国水利水电出版社,2 0 0 6:105-106.3陆文华，李隆盛，黄良余.铸造合金及其熔炼 M.北京：机械工业出版社，2 0 0 2 52-6 4.第5期5结论通过调整C、S i、Mn、P、S 五大基本元素和合金元素Mo、Cu、S n 的配比，以冲人球化处理方式、二次孕育处理的铸态熔炼工艺方案，可稳定的获得性能良好的高强度球墨铸铁材料。较高温正火工艺，生产周期缩短3天，降低生产成本150 0 元/t。参考文献：陈国顿,肖柯则,姜不居.铸件缺陷与对策手册 M北京：机械图4基体组织10 0 Exploration of melting methods for SAE J434 D700 as-cast materialsCHEN Zhen,WANG Jianrong,ZHANG Jie(CRRC Qishuyan Locomotive Co.,Ltd.,Changzhou 213011,Jiangsu China)Abstract:The characteristics of SAE J434 D700 material have been introduced,and the influence ofchemical composition on the matrix structure has been deeply studied.A casting melting method hasbeen developed by adjusting the ratio of the five basic elements C,Si,Mn,P,S,and alloy elementsMo,Cu,and Sn.The method has been carried out through injection spheroidization treatment and sec-ondary inoculation treatment.After implementation,the SAE J434 D700 material with good performancehas been obtained,of which all performance indicators meet the technical requirements.Key words:SAE J434 D700 material;As-cast;Melting method点亮每一个改变世界的窗口爱国创新求实奉献协同育人中国科学技术协会echnodogy致敬创新的登擎者中国科学技术协会第十次全国代表大会81