Cu對球墨鑄鐵組織和力學(xué)性能的影響

宋 良

(黑龍江科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 哈爾濱 150022)

Cu對球墨鑄鐵組織和力學(xué)性能的影響

宋 良

(黑龍江科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 哈爾濱 150022)

為提高球墨鑄鐵的力學(xué)性能，采用消失模法澆注銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同的球墨鑄鐵試樣，利用金相顯微鏡觀察球鐵試樣的微觀組織，結(jié)合硬度和拉伸實(shí)驗(yàn)，分析Cu加入量對球鐵微觀組織和力學(xué)性能的影響，并通過掃描電鏡拍攝試樣的斷口形貌，探尋Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)與球墨鑄鐵石墨形態(tài)及分布的內(nèi)在聯(lián)系。結(jié)果表明：隨著銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)的上升，珠光體數(shù)量逐漸增多。當(dāng)銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%時，球鐵試樣的石墨形態(tài)較好，塑性、硬度和強(qiáng)度最佳，具有較高的力學(xué)性能。

球墨鑄鐵； Cu； 顯微組織； 力學(xué)性能

現(xiàn)今，球墨鑄鐵在汽車、風(fēng)電、核乏燃料儲運(yùn)等方面應(yīng)用廣泛，且年產(chǎn)量逐年增長[1-3]。為提高球墨鑄鐵的質(zhì)量，減少鑄造過程中的缺陷，通常加入球化劑、孕育劑、合金元素來提高球墨鑄鐵的質(zhì)量。銅是促進(jìn)球墨鑄鐵石墨化的合金元素之一，適量加入可增加珠光體含量并提高球鐵強(qiáng)度[4-6]。目前,球墨鑄鐵的種類較多，其中硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.8%的球鐵廣泛應(yīng)用于汽車發(fā)動機(jī)部件、曲軸和大型球鐵儀器[7-9]。因此，筆者對含硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.8%的球鐵分別加入不同含量的銅，考察銅對球鐵石墨形態(tài)及分布和珠光體的影響，探尋球鐵獲得最佳力學(xué)性能的銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1 實(shí)驗(yàn)方法與設(shè)備

熔鑄材料選用本溪生鐵、45#鋼、75%硅鐵和稀土球化劑，原材料和球化劑的化學(xué)成分分別如表1和2所示。考慮材料的綜合力學(xué)性能，分別制備了三個Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同的球鐵試樣，其化學(xué)成分如表3所示。用中頻感應(yīng)爐熔煉配制好的原料，采用消失模法澆注球鐵試樣。根據(jù)各元素的熔點(diǎn)及燒損率進(jìn)行配料計算，用中頻電爐熔化鐵水，爐料為本溪Q12生鐵和45#碳素鋼。鐵水1 400 ℃出爐，球化劑沖入法進(jìn)行球化處理，用Si-Fe進(jìn)行孕育處理。球化、孕育處理后的鐵液覆蓋一層珍珠巖集渣、保溫，并扒渣。澆注溫度為 1 320～1 350 ℃，球鐵試樣的鑄型材料均選用石英砂自然冷卻。采用 OLMYPUS-GX71 型光學(xué)顯微鏡觀察球鐵基體組織和石墨形態(tài)，利用HR-150A型硬度計對球鐵試樣進(jìn)行硬度測試。拉伸實(shí)驗(yàn)在室溫下使用拉伸試驗(yàn)機(jī)(Instron-1186)進(jìn)行，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228—2002，采用標(biāo)準(zhǔn)φ10拉伸試樣，拉伸速率為0.8 mm/min。選用Philips-FEI sirion掃描電鏡對拉伸試樣斷口進(jìn)行觀察分析。

表1 原材料的化學(xué)成分

表2 球化劑的化學(xué)成分

表3 球鐵試樣的化學(xué)成分

2 結(jié)果與分析

2.1微觀組織

三個Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同的試樣分別標(biāo)記為試樣A、B和C，其化學(xué)成分如表3所示，三個試樣的顯微組織如圖1所示。

a 試樣A

b 試樣B

c 試樣C

由圖1a可知，當(dāng)銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時，試樣中的石墨數(shù)量較多，多數(shù)為球狀石墨，并含有少量的碎塊狀石墨。當(dāng)銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升到0.8%時，石墨球并未發(fā)生明顯變化，石墨球數(shù)量依然較多，石墨形態(tài)以球狀石墨為主，并伴隨極少量的碎塊狀石墨，如圖1b所示。隨著銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)的進(jìn)一步增加，當(dāng)銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.1%時，石墨形態(tài)發(fā)生明顯惡化，石墨球數(shù)量明顯減少，石墨形態(tài)以碎塊狀為主，并含有少量的畸形石墨，如圖1c所示。這表明在文中實(shí)驗(yàn)條件下，銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時對石墨的球化效果較好，當(dāng)銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.8%時，石墨的球化效果發(fā)生惡化。

2.2基體組織

三個試樣的金相腐蝕照片如圖2所示。由圖2a可知，試樣A中含有大量的鐵素體，其間分布著球狀石墨和少量的珠光體。當(dāng)銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升到0.8%時，珠光體的數(shù)量顯著增加，其形態(tài)多為粒狀，可以清晰的看到大量的“牛眼狀”組織，并伴隨少量的石墨，如圖2b所示。隨著銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加到1.1%時，試樣中存在較多的珠光體，并伴隨少量的鐵素體，如圖2c所示。

a 試樣A

b 試樣B

c 試樣C

根據(jù)GB/T 9441—2009《球墨鑄鐵金相檢驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時，試樣A中珠光體體積分?jǐn)?shù)為5%。當(dāng)銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升到0.8%時，試樣B中珠光體體積分?jǐn)?shù)增加到15%。由此可知，在銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.5%升高到0.8%時，可顯著提高球鐵中珠光體的體積分?jǐn)?shù)。在銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到1.1%時，珠光體的體積分?jǐn)?shù)為20%，珠光體數(shù)量有所增加，但并不是很明顯。在文中實(shí)驗(yàn)條件下，增加銅可以顯著提高球鐵珠光體的體積分?jǐn)?shù)，而當(dāng)銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.8%時，繼續(xù)增加銅對球鐵珠光體數(shù)量的增加效果變得不顯著。

2.3力學(xué)性能

球鐵試樣的硬度、延伸率和抗拉強(qiáng)度見表4所示。由表4可知，試樣A的硬度為825 MPa，當(dāng)銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升到0.8%時，球鐵的硬度隨之迅速增加，試樣B的硬度達(dá)到了905 MPa。隨著銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)的進(jìn)一步增加到1.1%，試樣C的硬度為950 MPa?？梢园l(fā)現(xiàn)硬度的增加變得不明顯，這是由于基體中鐵素體和珠光體的比例決定了各試樣硬度的大小，珠光體的體積分?jǐn)?shù)越高，試樣的硬度越大[10]。由2.2節(jié)可知，球鐵基體中珠光體體積分?jǐn)?shù)由試樣A的5%增加到試樣B的15%，數(shù)量明顯增加。

由表4可以看出，試樣B的延伸率明顯低于試樣A，這是由于隨著銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)的上升，試樣B的珠光體體積分?jǐn)?shù)顯著增加，由試樣A的5%上升到試樣B的15%，而試樣A和試樣B的石墨形態(tài)無明顯變化，如圖1所示。球鐵中石墨形態(tài)的惡化和珠光體體積分?jǐn)?shù)的上升都會導(dǎo)致其延伸率下降[11]，因此，當(dāng)Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.5%增加至0.8%，球鐵試樣的延伸率下降較為顯著。隨銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)的繼續(xù)增加，試樣C的延伸率進(jìn)一步降低，這是因?yàn)閮蓚€試樣的石墨形態(tài)存在很大差異，試樣B的石墨以球狀為主，伴隨極少量的碎塊狀石墨。而試樣C的石墨以團(tuán)絮狀和碎塊狀居多，并含有少量的畸形石墨。同時，相對于試樣B，試樣C的珠光體體積分?jǐn)?shù)增加了5%。

表4球鐵試樣的硬度、延伸率和抗拉強(qiáng)度

Table4Hardness,elongationandtensilestrengthofductilecastiron

試樣硬度/MPa延伸率/%抗拉強(qiáng)度/MPaA82510283B9058340C9507365

三個球鐵試樣的抗拉強(qiáng)度如表4所示。由表4可知，銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%、0.8%和1.1%時，試樣的抗拉強(qiáng)度分別為283、340和365 MPa。這是因?yàn)榍蚰T鐵中珠光體的數(shù)量決定了其抗拉強(qiáng)度的大小，珠光體體積分?jǐn)?shù)的增多會導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度的上升[12]。由圖2可知，在銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.8%時，提高銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)能夠顯著增加球鐵中珠光體數(shù)量；在銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于0.8%時，珠光體數(shù)量的增加并不明顯，而石墨形態(tài)惡化嚴(yán)重，在銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.1%時較為明顯，石墨多為團(tuán)絮狀和碎塊狀，并出現(xiàn)了畸形石墨。所以相對于試樣B，試樣C抗拉強(qiáng)度的增加并不十分顯著。

2.4拉伸斷口形貌

圖3所示為球鐵試樣的拉伸斷口形貌。當(dāng)銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時，在試樣A中可觀察到分布著大量的解理面和解理臺階，并且在撕裂棱上存在著部分韌窩。韌窩是由于球狀石墨在外力的作用下，阻止微裂紋的擴(kuò)展，在基體上產(chǎn)生了多個微孔，多個微孔相互聚集、連接形成主裂紋，并導(dǎo)致斷裂[13-15]，如圖3a所示。試樣A為韌-脆混合型斷裂，以脆性斷裂為主。

隨著銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)的進(jìn)一步增加，由圖3b所示，在試樣B的斷口上可以觀察到較多的解理面和解理臺階，以及部分的河流花樣，其韌窩數(shù)較試樣A少。這是因?yàn)樵嚇覤的珠光體體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于試樣A。珠光體是鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物，脆性較高，在外力的作用下，易產(chǎn)生裂紋，并發(fā)生斷裂。試樣B的斷口為脆性斷口，這也說明了試樣B的延伸率低于試樣A。試樣B的斷裂方式為準(zhǔn)解理斷裂，裂紋起源于晶內(nèi)硬質(zhì)點(diǎn)，形成從晶內(nèi)某點(diǎn)發(fā)源的放射狀河流花樣。在圖1b中試樣B的基體組織中出現(xiàn)了碎塊狀石墨，并且發(fā)生了石墨的偏聚現(xiàn)象，石墨偏聚使得基體可承載受力面積減小，在外力的作用下，碎塊狀石墨極易產(chǎn)生裂紋并迅速割裂基體，同時形成斷裂。

如圖3c所示，在試樣C的斷口上分布著大量的解理面和解理臺階，極少量的韌窩，以及畸形石墨。在外力的作用下，畸形石墨的尖角易產(chǎn)生應(yīng)力集中，萌生裂紋并擴(kuò)展，微裂紋匯聚形成主裂紋，在這個過程中能量降低，同時由于存在大量的珠光體，基體的塑性變形能力變差，進(jìn)一步使材料的脆性增加。

通過上述分析可知，隨銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)的上升，球墨鑄鐵試樣的斷口形貌由韌-脆混合型斷裂向脆性準(zhǔn)解理斷裂轉(zhuǎn)變。在球鐵基體中，珠光體和石墨形態(tài)都會對球鐵的脆性產(chǎn)生影響。隨著銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升，珠光體的體積分?jǐn)?shù)明顯增加，而石墨形態(tài)惡化嚴(yán)重，所以試樣的延伸率隨之降低。

a 試樣A

b 試樣B

c 試樣C

3 結(jié) 論

(1)當(dāng)銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%時，球鐵的石墨形態(tài)較好且分布均勻。當(dāng)銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.8%時，石墨形態(tài)惡化。

(2)隨著銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，球鐵中珠光體的數(shù)量隨之增加，當(dāng)銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于0.8%時，珠光體數(shù)量增加趨勢減緩。當(dāng)銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%時，球狀石墨數(shù)量多、形態(tài)較好，珠光體數(shù)量適中，球鐵的綜合力學(xué)性能較高。

(3)隨著銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，球鐵的脆性增加，當(dāng)銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時，試樣的斷裂方式為韌-脆混合型斷裂；當(dāng)銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%和1.1%時，試樣的斷裂方式分別為準(zhǔn)解理斷裂和脆性解理斷裂。

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(編校王 冬)

EffectofCuonmicrostructureandmechanicalpropertiesofductilecastiron

SongLiang

(School of Material Science & Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

This paper is aiming at improving the mechanical properties of the ductile cast iron by preparing three-component ductile cast iron castings with different copper mass fraction using the lost foam casting method. The research involves observing microstructure of ductile iron sample using metallographic microscope; analyzing the effect of Cu on the microstructure and mechanical properties of the ductile cast iron, combined with hardness and tensile test; and observing the fracture morphology of the specimen by scanning electron microscope and thereby exploring the internal relationship between graphite morphology and distribution of Cu and nodular cast iron. The results show that pearlite has a gradually increasing number depending on an increased copper mass fraction and the copper mass fraction of 0.8% gives ductile iron sample a better graphite morphology, and a higher plasticity, hardness, strength and mechanical property.

ductile cast iron； Cu； microstructure； mechanical properties

10.3969/j.issn.2095-7262.2017.06.020

TG143

2095-7262(2017)06-0674-05

A

2017-09-22

宋 良(1976-)，男，黑龍江省大慶人，講師，博士，研究方向：球墨鑄鐵的力學(xué)性能，E-mail:songliang16888@163.com。