銅、銻及硅含量對(duì)厚大斷面珠光體球墨鑄鐵組織和性能的影響

楊志超，佘小林，張建新，岑 鴿，高文理

（1.湖南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410082；2.中機(jī)國(guó)際工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，長(zhǎng)沙 410000）

0 引言

珠光體球墨鑄鐵（以后簡(jiǎn)稱球鐵）的強(qiáng)度大、硬度高、耐磨性好、生產(chǎn)成本低，近年來在機(jī)械制造業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，主要用于制造柴油機(jī)的曲軸、連桿、齒輪，機(jī)床的主軸、蝸輪、蝸桿，軋鋼機(jī)的軋輥等。制備珠光體球鐵一般采用兩種途徑：一是在澆注完成后，對(duì)鑄件進(jìn)行熱處理；二是在熔煉過程中加入合金元素，直接澆注制得［1－2］。由于對(duì)鑄件進(jìn)行熱處理的投入大、生產(chǎn)周期長(zhǎng)，鑄件易變形且效果難以保證，近年來國(guó)內(nèi)外對(duì)鑄態(tài)下制備珠光體球墨鑄鐵展開了大量的研究。

隨著機(jī)械行業(yè)飛速發(fā)展，球墨鑄鐵零件尺寸越來越大，對(duì)鑄件力學(xué)性能的要求也逐步提高。厚大斷面球鐵具有共晶凝固時(shí)間長(zhǎng)、冷卻緩慢等特點(diǎn)。緩慢冷卻增大了共析轉(zhuǎn)變時(shí)珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體的傾向，增加了制備高強(qiáng)度厚大斷面珠光體球鐵件的難度；共晶時(shí)間的延長(zhǎng)使得球鐵容易出現(xiàn)石墨畸變、元素偏析和縮松縮孔等缺陷，影響球鐵性能［3］。因此選擇合適的合金元素及其加入量來改變球鐵凝固過程［4］，是改善厚大斷面珠光體球鐵力學(xué)性能的關(guān)鍵。

目前厚大斷面珠光體球鐵生產(chǎn)工藝大多采用余溫正火或采用成本較高的鉬或鎳合金化的方法，能耗、成本和操作難度都較高。為降低生產(chǎn)成本、簡(jiǎn)化工藝，作者選用低成本的銅、銻作合金元素，尋求合適加入量，研究其對(duì)不同硅含量對(duì)鑄態(tài)厚大斷面珠光體球墨鑄鐵，組織和性能的影響。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

圖1為鑄造的UG 建模圖，采用呋喃樹脂砂造型，鑄件中共有5 個(gè)試樣。試樣E 為φ250 mm×500mm 圓柱體，可以看成鑄件，也可充當(dāng)冒口。試樣A，B，C 和D 的尺寸分別為70 mm×70 mm×180mm，120 mm×120mm×180 mm，180 mm×180mm×200 mm，250mm×250 mm×300 mm。這4個(gè)試樣距試樣E較近，與試樣E 的熱效應(yīng)將會(huì)延長(zhǎng)其冷卻時(shí)間，所以這4個(gè)試樣相當(dāng)于更大的單鑄試樣。試驗(yàn)的澆注總質(zhì)量約為325kg。

試驗(yàn)所用的原材料分別為本溪Q10生鐵、45號(hào)廢鋼、75 硅鐵、電解銅、銻錠。試驗(yàn)合金在500kg堿性中頻感應(yīng)電爐中熔煉，其中本溪生鐵加入量為2 65kg，廢鋼為60kg。用光學(xué)高溫計(jì)測(cè)量溫度，鐵液出爐溫度為1 490～1 500℃，澆注溫度在1 330～1 350 ℃之間，試樣的主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）為3.68%C，0.11%Mn，0.024%P，0.011%S。

圖1 鑄造工藝的UG建模圖Fig.1 UG modeling diagram for casting technology

采用沖入法進(jìn)行球化處理，球化劑為輕稀土球化劑，加入量為1.6%～1.8%。采用三次孕育來強(qiáng)化孕育，孕育劑為硅－鋇－鈣系長(zhǎng)效孕育劑，其加入量為0.5%～0.8%，具體加入量由原鐵液中的硅量決定，其中2／3孕育劑作為包內(nèi)孕育劑，其余作為浮硅孕育劑加入。DT－1 球化劑和硅－鋇－鈣系孕育劑的成分見表1。澆口杯孕育采用75 硅鐵，加入量為0.1%。將鐵液澆注到砂型中，兩天后開箱。通過改變電解銅和銻錠的加入量及調(diào)整硅含量得到了9組試樣，不同成分試樣的銅、銻、硅成分變化如表2所示。

表1 球化劑和孕育劑的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 The chemical constituents of nodulizer and inoculant（mass） %

表2 不同合金試樣中硅、銅、銻元素含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.2 Contents of Si，Cu and Tb in different alloy specimens（mass） %

1.2 試驗(yàn)方法

將A，B，C，D 四個(gè)試樣解剖，在心部位置加工出拉伸試樣和金相試樣。拉伸性能測(cè)試在液壓式萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，根據(jù)試樣大小測(cè)定2～4根拉伸試樣求平均值。硬度測(cè)試在HB3000型硬度計(jì)上進(jìn)行，其壓頭直徑為5mm，載荷為7 350N，保壓時(shí)間為30s，取5個(gè)點(diǎn)的平均值。

采用OLYMPUS－GX51 型倒置光學(xué)顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察。對(duì)金相試樣進(jìn)行預(yù)磨、拋光，直至表面無明顯劃痕，觀察其石墨球的形態(tài)、數(shù)量、大小及分布情況，用體積分?jǐn)?shù)為3%的硝酸酒精進(jìn)行腐蝕后，觀察基體組織。

結(jié)果表明4個(gè)試樣的組織與性能基本相同，均可視為厚大斷面鑄件。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 銻含量對(duì)組織與性能的影響

圖2 不同銻含量試樣D心部的顯微組織（0.5%Cu，2.1%Si）Fig.2 Microstructure in the centre of sample D with different Sb contents（0.5%Cu，2.1%Si）

固定銅含量和硅含量為0.5%和2.1%，改變銻含量來研究其對(duì)球鐵組織和性能的影響。由圖2可知，當(dāng)試樣D 中銅和硅含量一定時(shí)，隨銻含量提高，珠光體量（珠光體在光學(xué)顯微鏡下表現(xiàn)為灰黑色組織）有所提高。在未添加銻元素的組織中出現(xiàn)了碎塊狀石墨，且珠光體含量較低。當(dāng)添加0.010%～0.015%銻元素后，碎塊狀石墨得以消除，且石墨球較為圓整，球徑較?。ㄆ毡闉?0～50μm），這與有關(guān)文獻(xiàn)［5］的研究結(jié)果一致；當(dāng)銻含量為0.025%時(shí)，球化級(jí)別顯著下降，出現(xiàn)了較多異形石墨。

由圖3可知，隨銻含量增加，試樣D 的拉伸性能和硬度均先升后降，當(dāng)銻含量為0.015%時(shí)達(dá)到最高值。對(duì)于厚大斷面珠光體球鐵，當(dāng)銅含量和硅含量為0.5%和2.1%時(shí)，銻加入量應(yīng)為0.015%，其強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率和硬度分別達(dá)到525 MPa，4.3%和200HBW。

圖3 不同銻含量試樣D的拉伸性能和硬度（0.5%Cu，2.1%Si）Fig.3 Tensile properties and hardness of sample D with different Sb contents（0.5%Cu，2.1%Si）

銻可強(qiáng)烈促進(jìn)珠光體形成，但阻礙石墨的球化，須添加稀土元素來中和其反球化作用［6］。在本試驗(yàn)中所用的輕稀土球化劑中，稀土元素的主要成分為鑭和鈰元素，銻元素會(huì)與其中和生成的穩(wěn)定化合物，起到孕育作用［7］，使得石墨球細(xì)小圓整［8］。所以，添加一定量的銻能明顯改善球化效果和提高珠光體含量，提高球鐵性能；但過量銻易導(dǎo)致元素偏析，影響石墨的球化并使性能降低。

2.2 銅含量對(duì)組織與性能的影響

固定銻含量和硅含量為0.015%和2.1%，改變銅含量來研究其對(duì)試樣D 組織和性能的影響。由圖4可知，隨著銅含量增加，基體組織中珠光體含量不斷提高，而且球化效果也得到了一定改善，但當(dāng)銅含量達(dá)到0.75%時(shí)，球化效果略有下降。這說明銅有強(qiáng)烈促進(jìn)珠光體形成，及一定改善球化效果的作用，這與文獻(xiàn)［9］的研究結(jié)果一致。

圖4 不同銅含量試樣D的心部顯微組織（0.5%Cu，2.1%Si）Fig.4 Microstructure in the centre of sample D with different Cu contents（0.5%Cu，2.1%Si）

圖5 不同銅含量試樣D的拉伸性能和硬度（0.5%Cu，2.1%Si）Fig.5 Curves of the tensile properties and hardness for sample D with different Cu contents（0.5%Cu，2.1%Si）

由圖5可知，隨銅含量增加，試樣D 的抗拉強(qiáng)度先升后降，當(dāng)銅含量為0.5%時(shí)達(dá)到最大值，而伸長(zhǎng)率和硬度分別呈現(xiàn)下降和上升趨勢(shì)。銅元素對(duì)厚大斷面珠光體球鐵性能的影響，主要?dú)w因于其對(duì)組織的影響；適當(dāng)提高銅元素加入量有利于球鐵的石墨球化，提高基體組織中珠光體含量，故球鐵的強(qiáng)度和硬度呈上升趨勢(shì)，但塑性降低；但銅加入量過高時(shí)，將導(dǎo)致試樣強(qiáng)度和塑性降低。故當(dāng)銅含量為0.5%時(shí)，試樣的綜合力學(xué)性能較好。

2.3 硅含量對(duì)組織與性能的影響

固定銅和銻含量分別為0.5%和0.015%，改變硅含量來研究試樣D 的組織和性能。由圖6可知，當(dāng)硅含量為1.9%，基體組織中珠光體含量較高，但石墨球化效果較差，石墨球徑大、球數(shù)少；當(dāng)硅含量提高到2.1%后，基體組織中珠光體含量無明顯變化，但石墨球化效果明顯改善，石墨球細(xì)小、圓整、均勻；當(dāng)硅含量增至2.3%后，基體組織中珠光體含量減少，石墨球化效果仍較好。可見，過低的硅含量影響了球鐵孕育效果，導(dǎo)致石墨球化效果不佳；硅可固溶強(qiáng)化鐵素體，所以硅含量過高會(huì)促進(jìn)鐵素體的生成，抑制珠光體的生成。

由圖7可知，隨硅含量增加，球鐵的抗拉強(qiáng)度和硬度均先升后降，在2.1%達(dá)到最大值；而伸長(zhǎng)率則是先降后升，在2.1%處達(dá)到最小值。對(duì)于珠光體球墨鑄鐵來說，在保證球化的前提下，性能的提高主要依靠提高基體中珠光體比例來實(shí)現(xiàn)［10］。對(duì)于厚大斷面珠光體球鐵，硅含量控制在2.1%時(shí)，其拉伸性能較好。

圖6 不同硅含量試樣D的心部顯微組織（0.5%Cu，2.1%Si）Fig.6 Microstructure in the centre of sample D with different Si contents（0.5%Cu，2.1%Si）

圖7 不同硅含量試樣D的拉伸性能和硬度（0.5%Cu，2.1%Si）Fig.7 Curves of the tensile properties and hardness for sample D with different Si contents（0.5%Cu，2.1%Si）

3 結(jié)論

（1）加入適量銻可消除厚大斷面球鐵心部碎塊狀石墨，改善其球化效果，提高其珠光體含量和力學(xué)性能，但過量銻會(huì)影響石墨的球化效果，并降低球鐵性能。

（2）添加適量的銅能提高厚大斷面球鐵的珠光體含量，改善其球化效果和性能，但過量的銅反而會(huì)降低其性能。

（3）對(duì)于厚大斷面珠光體球鐵，為獲得良好的力學(xué)性能，硅含量宜控制在2.1%。

［1］BOSNJAK B，ASANOVIC V，RADULOVIC B，etal.Influence of microalloying and heat treatment on the kinetics of bainitic reaction in austempered ductile iron［J］.Journal of Materials Engineering and Performance，2001，10：203－211.

［2］REFAEY A，F(xiàn)ATAHALLA N.Effect of microstructure on properties of ADI and low alloyed ductile iron［J］.Journal of Materials Science，2003，38：351－362.

［3］陶令恒.鑄造手冊(cè)：鑄鐵［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1993.

［4］李曉輝，楊弋濤，趙凌，等.Cu對(duì)厚壁球鐵石墨組織和性能的影響［J］.現(xiàn)代鑄鐵，2008，28（3）：28－32.

［5］曹健，高文理，岑鴿，等.Ni、Si、Sb及澆注溫度對(duì)厚大斷面低溫鐵素體球墨鑄鐵性能的影響［J］.鑄造技術(shù)，2010，31（12）：1537－1541.

［6］沈定釗，吳春京，趙輝.鑄鐵冶金［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1995：184－189.

［7］沈定釗，王艷麗.微量鉍銻在厚斷面球墨鑄鐵中的孕育作用［J］.鑄造，1995，44（4）：19－23.

［8］張軍，熊國(guó)慶，林漢同，等.微量元素對(duì)稀土球鐵的作用及機(jī)制［J］.華中理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1989，17（1）：63－69.

［9］李曉輝，楊弋濤，趙凌，等.Cu對(duì)厚壁球鐵石墨組織和性能的影響［J］.現(xiàn)代鑄鐵，2008，28（3）：28－32.

［10］郭振廷，王成鐸，孫雅心.鑄態(tài)高強(qiáng)韌球墨鑄鐵的研制［J］.鑄造，2005，54（2）：195－197.