低溫石墨化退火對(duì)低鉬、低鎳球墨鑄鐵組織和力學(xué)性能的影響

張福全 徐共財(cái) 黃為 彭斌

摘要：對(duì)含鉬0.25%，含鎳0.2%～0.8%的球墨鑄鐵進(jìn)行低溫石墨化退火，測(cè)試了其力學(xué)性能，并對(duì)顯微組織和沖擊斷口進(jìn)行觀察和分析.結(jié)果表明：添加少量鉬和鎳后鑄態(tài)球墨鑄鐵中鐵素體含量增加，沖擊韌度提高50%以上，強(qiáng)度和硬度下降；進(jìn)行低溫石墨化退火后球墨鑄鐵中珠光體逐漸轉(zhuǎn)變成鐵素體，與鑄態(tài)相比沖擊韌度有大幅度提高，沖擊吸收功最多增加500%，沖擊斷口存在較多的撕裂嶺和少量韌窩；此外，添加鉬和鎳后，不同的退火工藝下試樣的力學(xué)性能參數(shù)比較穩(wěn)定，波動(dòng)小.

關(guān)鍵詞：球墨鑄鐵；退火；顯微組織；沖擊韌度

中圖分類(lèi)號(hào)：TG164.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1943年，美國(guó)的K.D. Millis用NiMg合金在幾乎與目前類(lèi)似的生產(chǎn)條件下生產(chǎn)出球鐵.由于其優(yōu)異的性能和較低的生產(chǎn)成本，球墨鑄鐵生產(chǎn)技術(shù)在全球得到了飛速發(fā)展并在現(xiàn)代工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用[1-2].球墨鑄鐵的沖擊韌度一般都比較低，在使用過(guò)程中有較大的局限性.因此，提高球墨鑄鐵的沖擊韌度具有較高的研究和應(yīng)用價(jià)值.長(zhǎng)沙金龍鑄造實(shí)業(yè)有限公司為滿(mǎn)足生產(chǎn)需求，需要研發(fā)一種高強(qiáng)高韌球墨鑄鐵，要求在保證強(qiáng)度的前提下盡量提高沖擊韌度.當(dāng)強(qiáng)度要求不高時(shí)，可以對(duì)球墨鑄鐵進(jìn)行低溫石墨化退火，消除部分游離滲碳體[3-5]，增加鐵素體含量，使得沖擊韌度增加，強(qiáng)度降低.等溫淬火球墨鑄鐵的強(qiáng)度和沖擊韌性比普通球墨鑄鐵要優(yōu)越[6]，當(dāng)強(qiáng)度要求較高時(shí)可以進(jìn)行等溫淬火，獲得強(qiáng)度韌性都較好的貝氏體組織[7].而低溫石墨化退火工藝較簡(jiǎn)單，能耗較小.因此研究低溫石墨化退火工藝對(duì)生產(chǎn)高韌球墨鑄鐵的成本控制、節(jié)約能源等方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值.

1試驗(yàn)方法

1.1化學(xué)成分和熱處理工藝

由于錳使球墨鑄鐵的白口傾向增加，過(guò)多的錳對(duì)沖擊韌性不利[8]，錳含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）一般應(yīng)控制在0.2%以下.磷含量超過(guò)0.07%時(shí)，基體內(nèi)易產(chǎn)生磷共晶脆性相.硫?qū)儆诜辞蚧?，而且容易生成硫化物雜質(zhì)，嚴(yán)重影響韌性，硫是有害雜質(zhì)[9]，一般含量控制在0.03%以下.鉬溶入鐵素體中可形成穩(wěn)定的特殊碳化物（FeMo）3C，強(qiáng)化鐵素體基體，鉬還可以細(xì)化晶粒、增加石墨球數(shù)，鉬含量設(shè)為0.25%；添加鎳可提高球墨鑄鐵的強(qiáng)度和沖擊韌度，尤其是與少量鉬結(jié)合使用時(shí)效果更顯著[4].因此添加少量鉬和鎳可以改善球墨鑄鐵的強(qiáng)度和沖擊韌性.試樣的化學(xué)成分設(shè)計(jì)如表1所示.

1.2鑄造熔煉

將生鐵3 t、回爐料1 t、廢鋼300 kg和適量鉬鐵、鎳鐵合金加入規(guī)格為4.5 t的中頻感應(yīng)爐中熔煉，采用沖入球化法和隨流孕育法澆注Y型試樣.其中球化劑牌號(hào)為QRMg8RE5，加入量1.2%，孕育劑為FeSi75，加入量1%.

1.3熱處理工藝

試驗(yàn)采用型號(hào)為KSY6DB的管式電爐進(jìn)行低溫石墨化退火，其一般工藝是在720～750 ℃保溫3～6 h，但由于試樣含有0.25%Mo，為使原子得到充分?jǐn)U散，選擇在740 ℃和750 ℃下保溫4 h，5 h和6 h，爐冷至600 ℃空冷.熱處理工藝如圖1所示.

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1金相組織分析

試樣磨平、拋光后，采用4%的硝酸酒精溶液腐蝕30 s，在金相顯微鏡下觀察.4個(gè)試樣的鑄態(tài)組織如圖2所示.

球墨鑄鐵中，由于球狀石墨的含碳量接近100%，導(dǎo)致石墨球周?chē)a(chǎn)生貧碳區(qū)，阻止了珠光體的形成[10]，基體組織為鐵素體，形成鐵素體包裹石墨球，珠光體包裹鐵素體的特殊組織，稱(chēng)為牛眼組織.由圖2可知，球墨鑄鐵鑄態(tài)下的組織主要為珠光體+鐵素體，此外還彌散地分布著石墨球.圖中黑色石墨球周?chē)髁恋膮^(qū)域是鐵素體，其余大片的黑色組織為珠光體、少量磷共品和自由滲碳體組成的機(jī)械混合物[11].

1，2，3號(hào)試樣添加了鉬和鎳之后鐵素體含量明顯增加，牛眼組織之間的珠光體減薄，鐵素體變厚，導(dǎo)致牛眼組織中鐵素體相連.此外，添加鉬和鎳之后球鐵中的石墨球變得更加圓整，斷裂時(shí)其對(duì)基體的割裂作用也更小，對(duì)提高沖擊韌性有利[12].鎳原子可以在球墨鑄鐵中無(wú)限固溶并呈現(xiàn)負(fù)偏析，在共晶團(tuán)內(nèi)部富集，與碳不形成碳化物[4]，因此添加0.25%的鉬和0.4%～0.8%的鎳可以促進(jìn)球墨鑄鐵中鐵素體的形成，沖擊韌度將得到提高[13].

2.2力學(xué)性能測(cè)試與斷口分析

對(duì)熱處理前后的試樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，包括抗拉強(qiáng)度、沖擊韌性、硬度等.抗拉強(qiáng)度測(cè)試采用美國(guó)Instron 型電液伺服力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，沖擊韌性實(shí)際上揭示了材料的變脆傾向，用沖擊試驗(yàn)機(jī)對(duì)試塊一次性沖斷時(shí)所消耗的沖擊功表示.根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)[ISO 1083：2004（英）]，球墨鑄鐵的拉伸采用圓棒狀試樣，沖擊試塊采用夏比V型缺口的試塊.測(cè)試時(shí)每組3個(gè)樣，取平均值.測(cè)得的試樣沖擊功如表2所示.抗拉強(qiáng)度、斷后延伸率和布氏硬度如表3，表4和表5所示.

由表2～表4可知，添加鉬和鎳后的試樣其沖擊韌性提高50%以上，強(qiáng)度下降15%～40%.退火處理后試樣的沖擊韌度都有很明顯的提高，其中0號(hào)試樣的沖擊吸收功提高了500%以上.總體上看740 ℃保溫6 h，750 ℃保溫4 h和750 ℃保溫6 h的熱處理對(duì)沖擊韌性的提高最明顯，除3號(hào)試樣外沖擊功都達(dá)到10 J以上.這是由于退火使得珠光體轉(zhuǎn)變成鐵素體，原子擴(kuò)散過(guò)程中消除了部分鑄造內(nèi)應(yīng)力和組織缺陷[14].其次少量的鉬可以抑制珠光體的形成，試樣添加鉬和鎳后，珠光體含量降低，鐵素體含量增加，抗拉強(qiáng)度有較為明顯的下降，隨著鎳含量增加，抗拉強(qiáng)度又呈上升趨勢(shì).從表4中數(shù)據(jù)看，退火后試樣的斷后延伸率都有一定的提升，其中750 ℃保溫4 h的熱處理對(duì)斷后延伸率的提升效果最為明顯，除3號(hào)樣品外，其他樣品的斷后伸長(zhǎng)率大多都超過(guò)10%.

綜合以上數(shù)據(jù)分析，試樣在750 ℃保溫4 h的熱處理狀態(tài)下塑性韌性都有很明顯的改善.4種成分的試樣在750 ℃保溫4 h后的金相組織見(jiàn)圖3.

對(duì)比圖2和圖3可以看出，試樣經(jīng)過(guò)750℃保溫4 h后基體中的珠光體含量顯著下降，基體組織變成鐵素體+少量珠光體.因此試樣退火后塑性韌性增加，強(qiáng)度下降.3號(hào)樣品塑性韌性低是由于存在大量的蠕蟲(chóng)狀和團(tuán)塊狀石墨，對(duì)基體存在一定的割裂作用，使得材料的塑性韌性下降[15].圖3（e）和圖3（f）分別是0號(hào)和1號(hào)高倍數(shù)下的退火態(tài)微觀組織，圖3（f）鐵素體顏色較圖3（e）要深，可能是由于在退火過(guò)程中鉬元素阻止了C原子的擴(kuò)散[16].

表2中，添加鉬和鎳的1，2和3號(hào)試樣鑄態(tài)下的沖擊韌性略?xún)?yōu)于沒(méi)有添加鉬和鎳的0號(hào)試樣，但進(jìn)行低溫石墨化退火后韌性卻較0號(hào)試樣低.這是由于添加鉬和鎳后，球墨鑄鐵基體中鐵素體含量增加，因此鑄態(tài)下韌性更好.此外，鉬是碳化物形成元素，在球墨鑄鐵凝固過(guò)程中容易在共晶團(tuán)邊界形成特殊的M6C型碳化物，在退火過(guò)程中也很難分解[4].退火后試樣基體中鐵素體含量相差不大，因此添加鉬元素的球墨鑄鐵晶界的碳化物可能導(dǎo)致試樣韌性降低.

為研究試樣的斷裂形式，對(duì)沖擊斷口進(jìn)行SEM掃描，掃描照片見(jiàn)圖4.

從圖4中可以看出，4個(gè)斷口都存在河流花樣和撕裂嶺，呈現(xiàn)準(zhǔn)解理斷裂的特征.試樣受力后，石墨成為重要的微裂紋萌生源[17]，圖4（b）中河流花樣較少，石墨被撕裂嶺包圍，裂紋很難擴(kuò)展到周?chē)氖瑫r(shí)石墨被鐵素體所封閉，因此圖4（b）中的試樣在斷裂前變形較充分，吸收的能量較多，韌性更好.

試樣退火后鐵素體含量增多，韌性有很明顯的改善，試樣經(jīng)750 ℃保溫4 h后沖擊斷口掃描照片見(jiàn)圖5.

如圖5（a）中所示，0號(hào)試樣退火后的沖擊斷口由大量河流花樣和少量較淺韌窩組成，石墨周?chē)嬖谒毫褞X，可能是斷裂過(guò)程中的塑性變形所致，整個(gè)斷口存在大范圍的準(zhǔn)解理斷裂和局部的韌性斷裂.圖5（b），（c）中的河流花樣較少，而形成較多的細(xì)小韌窩和包圍著石墨球的較少的撕裂嶺.圖5（d）中存在少量河流花樣和大量撕裂嶺，石墨并不圓整，存在大量異形石墨，石墨尖端成為裂紋源并擴(kuò)散，導(dǎo)致塑性韌性差[18-19].4種試樣退火后應(yīng)為準(zhǔn)解理斷裂和韌性斷裂的混合斷裂形式.

2.3工業(yè)化生產(chǎn)可行性探討

工業(yè)化生產(chǎn)中，由于零件尺寸和批量較大，熱處理很難嚴(yán)格按照實(shí)驗(yàn)室優(yōu)化后的工藝參數(shù)執(zhí)行，因此探究不同合金元素及其加入量的影響有一定的現(xiàn)實(shí)意義.對(duì)4種成分試樣采用750 ℃×4 h退火后的力學(xué)性能參數(shù)進(jìn)行分析，計(jì)算每一成分的數(shù)值方差結(jié)果見(jiàn)表5.

方差大小反應(yīng)數(shù)值的波動(dòng)性大小，方差越小越有利于生產(chǎn)的穩(wěn)定性[20-21].從表5中可以看出，與0號(hào)試樣相比，1～3號(hào)試樣退火后的力學(xué)性能參數(shù)與平均值相差不大，方差較0號(hào)小，數(shù)值波動(dòng)小，穩(wěn)定性更強(qiáng).因此鉬元素對(duì)球墨鑄鐵力學(xué)性能參數(shù)方差有較顯著的影響，添加少量鉬有利于生產(chǎn)的穩(wěn)定性.

3結(jié)論

1）添加0.25%的鉬和0.4%～0.8%的鎳可促使球墨鑄鐵中鐵素體的形成，沖擊韌性提高超過(guò)50%，強(qiáng)度下降15%～40%.同時(shí)，添加鉬和鎳的試樣退火后力學(xué)性能數(shù)據(jù)波動(dòng)小，有利于工業(yè)化生產(chǎn)中工藝參數(shù)的控制.

2）球墨鑄鐵退火后，牛眼組織逐漸消失，珠光體含量下降，試樣的抗拉強(qiáng)度下降，塑性韌性明顯增加，其中試樣在750 ℃保溫4 h后的塑性韌性較好.

3）4種試樣鑄態(tài)下的斷口SEM照片顯示存在較多的河流花樣和撕裂嶺，為準(zhǔn)解理斷裂.含鉬0.25%，含鎳0.4%的試樣石墨被撕裂嶺包圍，鐵素體斷裂前變形較充分，吸收的能量較多，韌性更好.試樣退火后的斷口存在較多的撕裂嶺和少量韌窩，為準(zhǔn)解理斷裂和韌性斷裂的混合斷裂形式.

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