某公司承接了一种车用行星轮壳(见图1行星轮壳成品图),尽管图纸材料牌号规定为QT550-6或QT600-10,然而用户直接选择了QT600-10,而不接受QT550-6。之前该公司因没有直接生产过QT600-10牌号的经验,为此对这个材料进行了研发。通过多次试验发现,在正常调配锰、铜、锡合金的情况下,随炉浇注试棒的抗拉强度时常在600MPa之下,或者延伸率也会在10%以下徘徊,而一次性两指标都合格的概率约为50%。在这种情况下,依据双方事先达成的一致意见:只要此时再检测本体,若本体硬度合格则依然判定材料为合格。但是组织也为了尽快扭转这个材料不稳定的情况,便广泛征求意见,结果获得了一种可以满足QT600-10材料要求的方法,并且这种方法为EN1563-2018标准,所以组织决定立即采纳并安排试验。
图1 行星轮壳成品图
在后来的试验中发现,随炉试棒确实可以很容易的获得抗拉强度不低于600MPa、延伸率不低于10%的要求。同时还有两个意外的收获,一是试棒与本体金相中的珠光体含量、硬度值却远远低于常规;二是原先的易割冒口,每件需要锤击3-4锤,有的甚至6-7锤才能搞下来的,现在竟发生了1锤子锤下1个冒口,有时甚至1锤子可以锤下2个的事情,且常常根部还带肉。那么,这到底是怎么一回事呢?究竟能不能用这个高硅QT600-10替代QT600-10生产车用行星轮壳呢?随后查阅了所有能够找到的有关资料并结合发生的现象认为,高硅QT600-10并非传统意义上的材质。
一、车用行星轮壳材质的规定
图2为图纸规定的两种牌号的材质,用户告知需采用CH60/38/10即QT600-10,执行VEDI TAB. 301.11.0227标准(见图3)。同时参照D5506材料——执行SAE J434-CASTING标准(见图4),尽管不按这个材料做,但是可以看出所执行的标准明显严于D5506,所以该车用行星轮壳的材料应该为正常的QT600-10牌号——珠光体+铁素体基体、硬度在190-250HB范围、硅含量应在3.0%以内。从图3、4红色线画出的提示内容上可以获知一二。
图2 行星轮壳图纸中的两种材质牌号
图3 VEDI TAB. 301.11.0227标准一部分
图4 SAE J434-CASTING标准一部分
二、研发正常的QT600-10
实际研发该铸件材料时,执行的是常规也就是硅含量低于3%的球铁材料,具体要求以及多次试验的结果见下表格1与表格2的内容。
表1成分要求与试验的结果
表2 球化率等金相与性能要求
上述表格中的红色数据说明在工序质量过程控制中确实存在着一定的问题,有些成分还不能完全到达预期,有些炉次的性能还达不到规定要求,这个材料的研发与控制基本处在临界状态,控制好了则合格,控制稍微一疏忽则不合格,尽管因为本体硬度合格而得以放行,但是这个状态是不稳定的,同时加剧了组织对该材料不稳定的担心,因此寻求更稳妥的方法势在必行。
三、获得高硅的QT600-10
基于研发材料的不稳定状态,组织发动了内外部资源并获取了一种有效生产QT600-10的方法,且该方法即在EN1563- 2018版本的标准中(见图5-1、5-2、5-3、5-4)。
图5-1 EN1563-2018版本的标准部分——QT600-10性能
图5-2 EN1563-2018版本的标准部分——QT600-10硅量指导值
图5-3 EN1563-2018版本的标准部分——QT600-10硬度指导值
图5-4 EN1563-2018版本的标准部分——QT600-10性能的附加信息通过该标准不难看出,该材料属于高硅固溶强化的QT600-10,其特点是珠光体含量低,有大量的固溶强化铁素体,属于铁素体基体,而非珠光体+铁素体组织,同时硬度低,有些机械与物理性能还属于未知状态,低温脆性在原标准中也有提示,因而属于特殊材料,而非正常的球铁牌号。
四、采用高硅QT600-10试验的结果
试验要求与结果见表格3与表格4
表3 高硅QT600-10成分要求与试验的3次化学成分
表4 高硅QT600-10试验的3次球化率等金相与性能要求
试验在很容易获得抗拉强度与延伸率均同时合格的情况下,有两个意外收获,一是本体硬度与正常的相比确实较低,珠光体含量很低;二是在锤击冒口过程中发现,中间的四个易割冒口,非常容易的被锤击掉,有时1锤可锤击2个冒口,冒口清理变得异常容易,这与之前的状态完全不一致,见图6两种材料的铸件冒口被锤击后的对比状态。为此,组织得知这个情况后暂停了这个材料的试验,并要求临时隔离了这三个试验批次的高硅球铁件。
图6 两种材料的铸件冒口被锤击后的对比状态
五、高硅QT600-10的相关资料介绍
收集到了2015年第1期金属加工杂志热加工P73~77发表的李传轼资深铸造专家关于“硅在铸铁中的固溶强化作用”的文献,文献中明确提出了高硅QT600-10材料使用的限制性条件,见图7中红色圆圈内的结论。
图7 李传轼资深铸造专家关于“硅在铸铁中的固溶强化作用”中明确提示的截图
图8 QT500-14、QT600-10高硅球墨铸铁研究中的结论——限制性使用条件
六、车用行星轮壳材料的讨论
车用行星轮壳的使用特点是:铸件首先要受到高应力与反复疲劳冲击的,另外工作时的环境温度,没有办法保证其不在零下环境里长时间工作。结合已获知高硅QT600-10材料的使用特点,以及在现常温下试验的铸件易割冒口与常规的QT600-10相比那么容易的被锤击下来的事实,认为车用行星轮壳不适合采用高硅QT600-10,而必须是常规的QT600-10。
所以对于车用行星轮壳,固溶强化的铁素体基体的高硅QT600-10并非可以替代图纸需要的珠光体+铁素体基体的QT600-10。只要是在高应力高冲击载荷以及低温下工作的铸件,当需高强度高韧性时,均不能采用高硅球铁,而必须是常规球铁。相反,常规QT600-10可以替代高硅QT600-10。两者虽然都是QT600-10,但因由不同成分引发的基体组织的巨大差异,由此又决定了各自材料的特性,这个特性不仅仅体现在均可以满足常温抗拉强度以及延伸率的要求,同时又决定了各自的固有特性。高硅的存在不耐受高冲击高应力,且对低温非常敏感,相反常规的则无此显著特点。
上述的这个案例——虽然牌号相同、性能相同,却因成分不同、金相不同,导致的结果却大相径庭。这个经验告诉我们,在选用材料时,清晰地了解材料的固有特性,以及铸件的使用条件,对铸件正确选用材料具有重要意义。