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低温高韧性球墨铸铁机械性能优良,在工业上的应用非常广泛的,风电设备的关键零部件如轮毂、轴承座等都是采用的该材料。风电的未来发展趋势对材料的低温韧性及耐蚀性提出了更高的要求。
本课题在低温高韧性球墨铸铁QT400-18L成分的基础上中加入元素锌,材料的化学成分(wt％)为3.7～3.9 C,0～1.56 Zn,2.3～2.5 Si,Mn＜0.3,S＜0.025,P＜0.07,0.02～0.04 RE残,0.03～0.06 Mg残,研究了该元素对低温高韧性球墨铸铁组织、常温力学性能、低温冲击韧度及耐腐蚀性的影响。
研究结果表明,在0～1.56%的范围内,Zn在低温高韧性球墨铸铁中主要以固溶于铁素体中的形式存在。在铸态下试样的组织为球状石墨+铁素体+少量珠光体,并没有出现自由渗碳体和磷共晶,Zn的加入提高了石墨化等级、减小了石墨球的尺寸,基体中的珠光体量也明显的减少,加Zn后石墨化等级和石墨球大小等级分别为7～8级和1～2级,珠光体量仅为2%～4%;各成分试样采用了相同的740℃×4h低温石墨化退火工艺,退火后,试样都获得了全铁素体基体组织,石墨球的圆整度增加。
随着锌加入量的增多,铸态试样的布氏硬度有下降趋势,低温石墨化退火后的硬度低于同成分铸态下的硬度;热处理后的含锌试样拉伸强度略低于未加锌的试样,但都在423MPa以上;锌加入后试样延伸率有小幅的上升;当锌含量为0.33%时,材料的抗拉强度和延伸率分别为425MPa和24.0%,强度和韧性综合性能良好。
材料的冲击功随着实验温度的降低而降低;加入锌的低温高韧性球墨铸铁试样的冲击韧性无论是在常温还是在低温下都要高于未加锌试样;当锌含量为0.33%时,材料在-20℃和-40℃下的低温冲击功都最高,AKV分别达到16.5J和14.5J。
在3.5%NaCl溶液的浸泡腐蚀中,试样表面的石墨均未受到腐蚀;腐蚀是从基体的晶界及基体与石墨球界面处丌始的,随着腐蚀时间的增加,基体的晶粒内部也出现腐蚀;各成分试样的腐蚀速率都小于0.1g·m-2·h-1,属于全稳定耐蚀性级别,耐蚀标度都为1级,具有较好的耐蚀性;随着锌加入量的增加,材料的耐蚀性能呈现小幅提高的趋势,锌含量为1.56%时,腐蚀电位Ecorr最高(-0.6808V),腐蚀速率最小(0.052g·m-2h-1),耐蚀性能最好。
在低温高韧性球墨铸铁中加入锌元素后,材料的组织性能都得到了一定程度的改善,退火后试样都获得了全铁素体基体,综合力学性能良好,其耐腐蚀性及在低温下的冲击性能也能满足试验材料在海洋环境及极寒地区风电场的应用要求;综合考虑材料的力学性能和耐腐蚀性能,综合考虑材料的力学性能和耐腐蚀性能,根据本课题的研究,对极寒风电设备,推荐使用0.33%锌的低温高韧性球墨铸,而对沿海风电设备,推荐使用1.56%锌的低温高韧性球墨铸铁。