球墨鑄鐵管斷后伸長率不合格原因分析

王洪禮 成 龍

(新疆維吾爾自治區(qū)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，新疆830011)

球墨鑄鐵管具有強(qiáng)度高、塑性好、耐壓耐腐蝕強(qiáng)、防腐效果好、安裝便捷、材質(zhì)優(yōu)良、抗壓強(qiáng)度高、接口密封性好、管網(wǎng)運(yùn)行安全系數(shù)大等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也是一種節(jié)能、節(jié)材產(chǎn)品，越來越多的受到城建輸水輸氣基礎(chǔ)工程的重視，是我國城鎮(zhèn)供水、排水及輸氣行業(yè)應(yīng)用的主流管材之一。某客戶委托不同廠家依據(jù)GB/T 13295—2008生產(chǎn)的2批次球墨鑄鐵管在檢驗(yàn)過程中出現(xiàn)一批次斷后伸長率不合格現(xiàn)象，為找出不合格原因，對影響球墨鑄鐵管斷后伸長率不合格的各因素采用化學(xué)成分、宏觀檢驗(yàn)和顯微組織分析方法進(jìn)行分析研究，在此基礎(chǔ)上，提出提高斷后伸長率的建議。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 材料拉伸及硬度檢驗(yàn)

在送檢的2批次球墨鑄鐵管上分別截取試驗(yàn)樣塊，依據(jù)GB/T 13295—2008要求加工拉伸試棒和硬度試樣，在微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)上依據(jù)GB/T 228.1—2010中規(guī)定的以10 MPa/s恒定應(yīng)力速率控制進(jìn)行拉伸試驗(yàn)；在布氏硬度計(jì)上依據(jù)GB/T 231.1—2009標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用直徑10 mm的圓球，保壓15s進(jìn)行硬度試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 拉伸試驗(yàn)及硬度試驗(yàn)測試結(jié)果Table 1 Results of tensile test and hardness test

測試結(jié)果表明，1#球墨鑄鐵管抗拉強(qiáng)度、布氏硬度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，斷后伸長率低于標(biāo)準(zhǔn)要求；2#球墨鑄鐵管抗拉強(qiáng)度、斷后伸長率和布氏硬度均滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。

1.2 材料化學(xué)成分檢驗(yàn)

在送檢的2批次球墨鑄鐵管上分別截取化學(xué)成分試樣，進(jìn)行機(jī)加工制備成化學(xué)成分試樣，依據(jù)GB/T 1348—2009的規(guī)定，采用Q8火花直讀發(fā)射光譜儀對C、Si、Mn、P、S、Mg等主要元素進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表2所示。

測試結(jié)果表明，1#球墨鑄鐵管化學(xué)成分中C、Si、Mg不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，Mn、S和P符合標(biāo)準(zhǔn)要求；2#球墨鑄鐵管全部化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.3 試樣宏觀檢驗(yàn)

對2批次拉伸試樣斷口進(jìn)行宏觀觀察，如圖1所示。由圖1可知，1#球墨鑄鐵管拉伸斷口呈現(xiàn)較明顯的暗灰色，無金屬光澤；2#球墨鑄鐵管拉伸斷口呈現(xiàn)較明顯的銀灰色，有金屬光澤。一般認(rèn)為，球墨鑄鐵管拉伸斷口呈銀灰色狀態(tài)，如呈暗灰色時(shí)，則存在球化不良缺陷。斷口位置未出現(xiàn)明顯的塑性形變，斷口屬于脆性斷裂。

表2 球墨鑄鐵的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 2 Chemical compositions of nodular cast iron pipe (mass fraction, %)

圖1 拉伸試樣斷口宏觀形貌Figure 1 Macroscopic morphology of the tensile bar fracture

(a)拋光態(tài) ×100

(b)腐蝕態(tài) ×100圖2 1#球墨鑄鐵管金相照片F(xiàn)igure 2 Metallographs of 1# nodular cast iron pipe

1.4 金相檢驗(yàn)

在2批次球墨鑄鐵管上分別截取試樣，通過機(jī)械加工、粗磨、細(xì)磨、拋光工序后，將其試樣置于Vert A1型金相顯微鏡下觀察金相組織，觀察結(jié)果如圖2和圖3所示。

依據(jù)GB/T 9441—2009標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評定，1#球墨鑄鐵管球化評定級別為4級，石墨大小級別3級以上。同時(shí)可以看出，石墨大小分布不均勻，極少量石墨呈球狀，且球狀石墨聚集，呈開花狀，石墨球出現(xiàn)破裂，呈現(xiàn)石墨漂浮金相缺陷狀態(tài)，存在顯著的球化不良現(xiàn)象。通過4%硝酸酒精對其進(jìn)行腐蝕觀察其金相組織，可以看出，基體組織為鐵素體+珠光體以及少量的球狀石墨所構(gòu)成。

(a)拋光態(tài) ×100

(b)腐蝕態(tài) ×100圖3 2#球墨鑄鐵管金相照片F(xiàn)igure 3 Metallographs of 2# nodular cast iron pipe

2#球墨鑄鐵管球化評定級別為1級，石墨大小級別7級。同時(shí)可以看出，石墨大小分布均勻，球化良好。通過4%硝酸酒精對其進(jìn)行腐蝕觀察其金相組織，可以看出，其基體組織為鐵素體+珠光體以及球狀石墨所構(gòu)成。

2 分析與討論

1#球墨鑄鐵管金相組織中石墨級別3級以上，球化級別高于一般要求的1～3級，出現(xiàn)球化不良和石墨漂移現(xiàn)象，基體組織為鐵素體+珠光體+少量球狀石墨。2#球墨鑄鐵管金相組織中球化評定級別為1級，石墨大小級別7級，基體組織為鐵素體+珠光體以及球狀石墨所構(gòu)成，組織為正常組織。1#球墨鑄鐵管金相組織存在球化不良及石墨漂浮的現(xiàn)象是影響球墨鑄鐵管斷后伸長率不合格的主要因素。通過分析得出，球墨鑄鐵管金相存在球化不良及石墨漂浮的主要原因?yàn)椋阂皇呛辖鸬募尤肓科?；二是球化劑?shù)量適宜，鐵液的C、Si含量偏高；三是鐵液的溫度不適應(yīng)，在溫度較高時(shí)會(huì)出現(xiàn)球化劑過量燒損，并且在溫度偏低時(shí)合金極易出現(xiàn)“死結(jié)”現(xiàn)象；四是生產(chǎn)工藝控制不當(dāng)。

原材料的優(yōu)劣是影響產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素，使用劣質(zhì)的原材料不可能生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品。1#球墨鑄鐵管中C、Si、Mg是導(dǎo)致球墨鑄鐵管斷后伸長率不合格的原因之一。球墨鑄鐵管規(guī)定C含量在3.30%～3.70%，Si含量在2.10%～2.40%范圍內(nèi)，在C、Si含量超過共晶成分時(shí)，澆注溫度過高，鐵液凝固之前石墨析出，液態(tài)停留一定時(shí)間后，石墨長大并聚集，由于石墨密度比鐵水輕，聚集的石墨出現(xiàn)上浮現(xiàn)象，進(jìn)而出現(xiàn)石墨漂浮現(xiàn)象。

球墨鑄鐵管規(guī)定球化劑Mg含量在0.025%～0.046%范圍內(nèi)，球化劑含量過少同時(shí)出現(xiàn)球化劑過量燒損，導(dǎo)致球墨鑄鐵管球化不良現(xiàn)象。

生產(chǎn)工藝決定球墨鑄鐵管球化效果，球化效果的好壞直接影響球墨鑄鐵管綜合力學(xué)性能。在鐵液C、Si含量相同的情況下，石墨球的數(shù)量多而球徑小，有利于提高石墨的球化率，球化率提高表明石墨圓整度增加從而減少基體的割裂作用，使球墨鑄鐵管的斷后伸長率提高；同時(shí)，石墨球數(shù)量越多，基體鐵素體晶粒越細(xì)，材質(zhì)的伸長率越高。生產(chǎn)工藝控制不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致球墨鑄鐵管出現(xiàn)球化不良現(xiàn)象。

3 結(jié)論

化學(xué)成分和生產(chǎn)工藝控制不當(dāng)使球墨鑄鐵管出現(xiàn)球化不良和石墨漂移金相缺陷現(xiàn)象，導(dǎo)致球墨鑄鐵管斷后伸長率不合格。生產(chǎn)廠家應(yīng)嚴(yán)格控制原料化學(xué)成分的含量和生產(chǎn)工藝參數(shù)，以獲得良好金相組織，提高球化率，提高球墨鑄鐵管的內(nèi)在質(zhì)量水平，以提高球墨鑄鐵管的綜合力學(xué)性能。