镍和硅对低温高韧性耐蚀球墨铸铁组织及性能的影响

摘要

近年来风电产业发展迅速,未来风电将朝着单机大型化、高可靠性、向海上和规模化发展,针对这种情况,研发了低温高韧性耐蚀球墨铸铁。本课题在低温高韧性耐蚀球墨铸铁中加入1.2％～1.8％镍以及2.0％～2.5％硅,并对铸态试样进行石墨化退火处理,通过金相组织观察、SEM扫描、能谱分析、XRD分析、拉伸试验、布氏硬度试验、低温冲击韧性试验以及耐腐蚀性能试验,研究了镍和硅对低温高韧性耐蚀球墨铸铁的组织和性能的影响规律。
　　 试验结果表明,低温高韧性耐蚀球墨铸铁的铸态组织由球状石墨、铁素体、珠光体及少量渗碳体组成。石墨大小等级为6～8级,球化等级为1～3级,镍和硅对石墨大小及形态没有影响。铸态试样的珠光体量随镍量增加而增加,随硅量的增加而减少。当Si含量为2.03％,Ni含量为1.78％时,铸态试样中的渗碳体量最多,为10％。
　　 石墨化退火热处理后,试样珠光体量减少,铁素体量增加,渗碳体完全消除。当硅量一定时,材料随着含镍量的增加硬度、抗拉强度升高,伸长率降低；当镍量一定时,材料随着含硅量的增加硬度、抗拉强度升高,伸长率降低。当Si含量为2.01％,Ni含量为1.20％时,抗拉强度为458MPa,伸长率高达23.0％。拉伸断口的微观形貌中均有大量的韧窝,均呈现出韧性断裂特征。材料随着镍量的增加冲击功降低,冲击断口的脆性断裂特征加剧;随着硅量的增加材料冲击功降低,冲击断口的脆性断裂特征加剧。当Si含量为2.01％,Ni含量为1.20％时,其20℃、-20℃、-40℃的冲击功Akv都最高,分别达到18.8J、16.3J、13.6J。
　　 经NaCl腐蚀溶液腐蚀发现,腐蚀开始于基体晶界以及铁素体-石墨界面处,随着时间的推移界面腐蚀宽度增加,基体腐蚀加深,基体与石墨因腐蚀程度不同而呈现的凹凸不平现象也更明显。硅量一定时,随镍量的增加腐蚀速率不断降低；镍量一定时,随硅量的增加腐蚀速率不断降低。各试样腐蚀速率都小于0.1g.m-2.h-1,耐蚀等级都为1级,在3.5％NaCl腐蚀液中的腐蚀速率最低为0.04286g.m-2.h-1。腐蚀反应会生成Fe3O4腐蚀产物,微量的Fe3O4残留在基体内部,组成一层Fe3O4内锈层,这种内锈层粘附力较强、致密度较高,而且对氯离子及溶解氧向基体内部的扩散起到了一定的阻碍作用,可以使腐蚀反应趋于钝总之,为了使低温高韧性耐蚀球墨铸铁-20℃或-40℃的低温冲击功大于12J,并保证材料的强度大于400MPa,耐蚀性能小于0.1g.m-2.h-1,则基体组织中铁素体量要大于95％,Ni元素含量不能超过1.5％,Si元素含量不能超过2.3％,但也不能低于1.9％。