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乔治费舍尔(Georg Fischer)开发新型高强度高韧性球墨铸铁SiboDur 500

添加时间:2018/05/24
新的欧洲标准EN 1563:2011列入了3个硅固溶强化铁素体球墨铸铁标准即,EN-GJS-450-18,EN-GJS-500-14, EN-GJS600-10。要达到规定的性能要求,除了石墨组织要符合通常球墨铸铁的要求以外,基体组织主要是铁素体,珠光体<5%,碳化物<1%。为了获得所需的基体组织,推荐含硅量分别为3.2%,3.8%和4.3%,Mn<0.5%,P<0.05%;
 
硅固溶强化球墨铸铁主要特点为延伸率高,硬度波动范围小,加工性能好。例如500/7的硬度波动范围为±25HB,500/14的硬度波动范围为±15HB。EN-GJS-500/7是铁素体和珠光体混合基体组织球铁。EN-GJS-500/14是铁素体基体,其硬度仅与铁素体的合金含量有关,相对容易控制,所以硬度波动范围小,极大地提高了球铁的稳定性。
 
EN-GJS-450-18和EN-GJS-15延伸率差不多。EN-GJS-600-10含硅较高,用户往往担心高硅引起的脆性。相比EN-GJS-500-7,EN-GJS-500/14具有同样的拉伸强度,但是屈服强度从320 MPA 提高到400 MPa,断后延伸率从7% 提高到14 %,提高了一倍,从而更受工程界的重视。由于EN-GJS-500/14具有优越的性能,2017年乔治费舍尔的一个重要客户决定用EN-GJS-500-14球铁代替大型非道路商用车的一个铸钢件。乔治费舍尔设计,并生产发送了这些铸件。所有的计算都表明,这个零件具有很好的性能。但是投入批量生产后,使用现场出现失效破坏,没有任何预先警示,零件就完全破坏了。
 
损坏研究表明这个零件载使用中不仅仅经受静载荷和循环载荷,而且经受碰撞和撞击(strikes)载荷。对碰撞负载下的深入研究确认,EN-GJS-500-14在这些条件下并不具有韧性。

图1:试样取自实际铸件,所取部位及编号如图所示。实验测试试样的固定应变速率弯断(consistent strain bending)和碰撞弯断(strikewise bending)数据。采用大试样进行试验,试样厚14.8-17.5mm,宽12.1mm,长180mm。试样的裂纹起始侧不加工。
 
试样在均匀应变,变形速率为5 mm/min的液压材料试验机进行检测,并采用检测碰撞负载的Rosand测试设备(’Rosand’ testing equipment)进行检测,变形速率为3.6 m/sec,相当于216,000 mm/min。
 
实验首先用于比较500-14和GF的‘SiboDur 700-10的性能。SiboDur 700-10球铁的抗拉强度700MPa,延伸率10%。(SiboDur 700-10是GF的商标,具有专利的化学成分,和欧洲标准EN-1563不一样。)

图2:记录碰撞负载的‘Rosand’试验机 (‘Rosand’testing machine)如图所示,‘Rosand’试验机有一个塔架,重达103kg的碰撞重物可升至2500mm。最大碰撞能可达2,700 J。重物掉下撞到试样上,使试样断开,试样承受的负载和断裂前的扰度以及使试样断开所需的能耗可以测量出来。
 
实验结果如图3所示。EN-GJS-500-14在静态负载下韧性非常好,但是在动态条件下非常脆,只有很少的塑性变形和很低的能耗。断裂表面显示脆性断口,如图3所示。EN-GJS-500-14的动态结果和SiboDur-700-10类似,但是SiboDur-700-10的强度要高的多。
 

图3:室温时对GJS-500-14和SiboDur 700-10所测试的静态和动态测试结果:力和变形。
 

图4:室温时在‘Rosand’试验机碰撞实验后GJS-500-14材料的扫描电镜显示的脆性断口。
 
新型高强度高韧性球铁SiboDur-500
SiboDur-700牌号是一种适度的硅固溶强化和适度的采用铜珠光体强化的球铁。乔治费舍尔考虑一种新的牌号SiboDur-500。对于出问题的铸件,选择以下化学成分:
C = 3.5 %, Si = 2.8 %, Mn = 0.2 %, Cu = 0.28 %, 其它成分S, P, Mg和普通球铁一样。从化学成分看SiboDur-500是一种较弱的硅固溶强化结合少量铜珠光体强化的球铁。
 
对于这种成分,从零件不同部位所取试样机械性能如下:
屈服强度Rp0.2 = 330-360 MPa (均值345 MPa)
拉伸强度500-560 MPa (均值533 MPa)
延伸率11-15 % (均值12.8 %)
硬度HB = 170-200 (均值186)
根据所取位置不同珠光体/铁素体比值在50-70%之间。
 
采用同样的试样对新的球铁SiboDur 500和SiboDur 450进行了同样的实验。(SiboDur 450类似于EN-GJS-450-18,但SiboDur 450是GF的商标)。图5给出了实验结果。结果很清楚SiboDur 450比SiboDur 500韧性更好,但是强度低。
 

图5:室温时Sibodur 450和SiboDur 500碰撞实验结果
 
对于承受冲击或冲撞负载的结构件来说,所能承受的力和塑性变形是非常重要的。二者的结合就是使零件断裂所需的能量。这个能量是力-变形曲线的积分,可以很容易计算出来。图6摘要给出几种材料室温时测试的结果,(所有试样的受力和能量平均值见图3和图5)。

图6:‘Rosand’冲撞实验机‘Rosand’ impact tester测试的最大受力和总能量。
.
虽然SiboDur 700由于强度最高,显示最大的受力,SiboDur 450具有最大的断裂前能耗。SiboDur 450尽管屈服强度比GJS-500-10 和SiboDur 500低,但是由于形变强化(strengthening during deformation),最大受力仍然较高,见图5。
 
低温检测结果
为了检测不同材料在低温时的性能,对GJS-500-14, SiboDur 450 和SiboDur 500 在-40℃下在‘Rosand’碰撞试验机(‘Rosand’ impact tester)上进行了测试。每个试样安装了热电偶,冷却到-78℃,然后放到碰撞试验机上。当温度降到-40℃时,启动碰撞。对比结果在图7中给出。
 

图7:-40时GJS-500-14, Sibodur 450和SiboDur 500碰撞试样(strike test)结果。
 
上述所有的材料在低温条件下,断裂时最大受力和变形都比室温时要低很多,对比图3和图5。如室温时期望的,GJS-500-14的性能比两种SiboDur 球铁要低。未曾预料的是SiboDur 500显示出比SiboDur 450断裂时更高的最大受力和更大的变形。这一点在图8中看得更清楚,图8给出断裂时的最大受力和能耗的平均值。
 
对这种现象如何解释还不太清楚,但可能是:SiboDur450 和500 含硅一样(2.8 %左右)。对于这个含硅量,这两种材料在-40℃区域都不会有脆性问题,因为都是铁素体基体。但是SiboDur 450 是完全铁素体基体,SiboDur 500是铁素体/珠光体基体。这就意味着在SiboDur 500中铁素体区域有更强的区域支撑,所以可以经受更大的变形直到开始裂开。
 

8-40GJS-500-14, Sibodur 450SiboDur 500撞击实验最大受力和总能耗。
 
EN-GJS-500-14在常规实验条件下具有高强度高韧性,这是在常规条件下,很慢的应变速率,采用拉伸试棒测试的。但是从真实零件表层所取的大试样在碰撞条件下测试,断裂时显示脆性断口和低的能耗。这个结果和强度要高得多的SiboDur-700-10测试的结果非常相似。SiboDur 500,即适度的硅固溶强化结合适度的采用铜的珠光体强化的球铁,与EN-GJS-500-14相比,具有同样的强度,略低的屈服强度和断后伸长率,但是在碰撞负载条件下具有更高的韧性,能耗比EN-GJS-500-14高2-4倍。
 
从上述实验结果看,常规力学性能并不完全代表零件在使用条件下的性能。
 
之前,乔治费舍尔已经开发了5种SiboDur系列的球铁,这些球铁比欧洲标准和国际标准球铁有更高的性能,其性能和应用如下表所示:
SiboDur 450-17 HD SiboDur 450-17 HS SiboDur 550-12 SiboDur 700-10 SiboDur 800-5
高强度 高强度 高强度 非常高强度 最高强度
非常高的可变形度 高可变形度 高可变形度 高可变形度 高可变形度
机加工性很好 机加工性好 机加工性好 中等机加工性 中等机加工性
与碰撞相关的零部件 底盘零件 卡车轮毂    
 
加上这次开发的SiboDur-500,乔治费舍尔共有6个牌号的SiboDur球铁。SiboDur系列不同于硅固溶强化球铁,硅属于常规含量,但都是合金强化的铁素体-珠光体球铁,各个牌号珠光体含量不一样,通过严格控制生产工艺过程来获得。
 
关于SiboDur球铁的更多信息,可以参考欧洲专利EP 1 270 747 B1和European patent EP 1 834 005 B1。
 
菲亚特汽车公司很早就推出自己的企业标准FIAT 52215,各个牌号的性能如下表所示。
 
菲亚特球铁标准(FIAT 52215)各个牌号的性能
标准 符号 抗拉强度, N/mm2,最低 0.2% 屈服强 N/mm2, 最低 延伸率
%,最低
布氏硬度
(HB)
FIAT 52215 GH 40-30-15 390 295 15 150-180
FIAT 52215 GH 45-33-15 440 325 15 150-190
FIAT 52215 GH 60-38-10 590 370 10 190-250
FIAT 52215 GH 65-48-05 640 470 5 240-280
FIAT 52215 GH 75-45-05 735 440 5 265-300
FIA T52215 GH 90-52-05 880 510 5 250-300
 
 
不同于硅固溶球铁强化球铁,菲亚特球铁是常规的铁素体珠光体球铁,但是具有比常规球铁性能更好。菲亚特球铁更高的性能主要通过严格的过程控制获得高的球化率,高的石墨球数,更强的基体组织来获得。
 
如上所述,乔治费舍尔的SiboDur球铁系列和菲亚特球铁标准(FIAT 52215)各个牌号的性能都比欧洲标准和国际标准要高,这也符合国际惯例,企业标准比团体和国际标准高。
 
刘金城根据以下资料编译
  1. A Contribution to New Material Standards for Ductile Irons and Austempered Ductile Irons, International Journal of Metalcasting, January 2017, Volume 11, Issue 1, pp 136–147.
  2. A New High Strength High Ductile Nodular Iron, Werner Menk,Georg Fischer Automotive AG, CH-Schaffhausen, Materials Science Forum, ISSN: 1662-9752, Vol. 925, pp 224-230, 2018 Trans Tech Publications, Switzerland.
  3. S. Hess: Lightweight by bionic design approach—Georg Fischer Automotive 09.10.2014
  4. http://www.hesgroup.it

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