銅、銻及硅含量對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.湖南大學材料科學與工程學院，長沙 410082；2.中機國際工程設計研究院有限責任公司，長沙 410000）

0 引言

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

隨著機械行業(yè)飛速發(fā)展，球墨鑄鐵零件尺寸越來越大，對鑄件力學性能的要求也逐步提高。厚大斷面球鐵具有共晶凝固時間長、冷卻緩慢等特點。緩慢冷卻增大了共析轉變時珠光體轉變?yōu)殍F素體的傾向，增加了制備高強度厚大斷面珠光體球鐵件的難度；共晶時間的延長使得球鐵容易出現(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性能的關鍵。

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，研究其對不同硅含量對鑄態(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 個試樣。試樣E 為φ250 mm×500mm 圓柱體，可以看成鑄件，也可充當冒口。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個試樣距試樣E較近，與試樣E 的熱效應將會延長其冷卻時間，所以這4個試樣相當于更大的單鑄試樣。試驗的澆注總質(zhì)量約為325kg。

試驗所用的原材料分別為本溪Q10生鐵、45號廢鋼、75 硅鐵、電解銅、銻錠。試驗合金在500kg堿性中頻感應電爐中熔煉，其中本溪生鐵加入量為2 65kg，廢鋼為60kg。用光學高溫計測量溫度，鐵液出爐溫度為1 490～1 500℃，澆注溫度在1 330～1 350 ℃之間，試樣的主要化學成分（質(zhì)量分數(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%。采用三次孕育來強化孕育，孕育劑為硅－鋇－鈣系長效孕育劑，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成分（質(zhì)量分數(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)量分數(shù)）Tab.2 Contents of Si，Cu and Tb in different alloy specimens（mass） %

1.2 試驗方法

將A，B，C，D 四個試樣解剖，在心部位置加工出拉伸試樣和金相試樣。拉伸性能測試在液壓式萬能力學試驗機上進行，根據(jù)試樣大小測定2～4根拉伸試樣求平均值。硬度測試在HB3000型硬度計上進行，其壓頭直徑為5mm，載荷為7 350N，保壓時間為30s，取5個點的平均值。

采用OLYMPUS－GX51 型倒置光學顯微鏡進行顯微組織觀察。對金相試樣進行預磨、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，用體積分數(shù)為3%的硝酸酒精進行腐蝕后，觀察基體組織。

結果表明4個試樣的組織與性能基本相同，均可視為厚大斷面鑄件。

2 試驗結果與討論

2.1 銻含量對組織與性能的影響

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球鐵組織和性能的影響。由圖2可知，當試樣D 中銅和硅含量一定時，隨銻含量提高，珠光體量（珠光體在光學顯微鏡下表現(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，球徑較小（普遍為30～50μm），這與有關文獻［5］的研究結果一致；當銻含量為0.025%時，球化級別顯著下降，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，當銻含量為0.015%時達到最高值。對于厚大斷面珠光體球鐵，當銅含量和硅含量為0.5%和2.1%時，銻加入量應為0.015%，其強度、伸長率和硬度分別達到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）

銻可強烈促進珠光體形成，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；但過量銻易導致元素偏析，影響石墨的球化并使性能降低。

2.2 銅含量對組織與性能的影響

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，但當銅含量達到0.75%時，球化效果略有下降。這說明銅有強烈促進珠光體形成，及一定改善球化效果的作用，這與文獻［9］的研究結果一致。

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 的抗拉強度先升后降，當銅含量為0.5%時達到最大值，而伸長率和硬度分別呈現(xiàn)下降和上升趨勢。銅元素對厚大斷面珠光體球鐵性能的影響，主要歸因于其對組織的影響；適當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，故球鐵的強度和硬度呈上升趨勢，但塑性降低；但銅加入量過高時，將導致試樣強度和塑性降低。故當銅含量為0.5%時，試樣的綜合力學性能較好。

2.3 硅含量對組織與性能的影響

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，石墨球細小、圓整、均勻；當硅含量增至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，導致石墨球化效果不佳；硅可固溶強化鐵素體，所以硅含量過高會促進鐵素體的生成，抑制珠光體的生成。

由圖7可知，隨硅含量增加，球鐵的抗拉強度和硬度均先升后降，在2.1%達到最大值；而伸長率則是先降后升，在2.1%處達到最小值。對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現(xiàn)［10］。對于厚大斷面珠光體球鐵，硅含量控制在2.1%時，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性能，但過量銻會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，但過量的銅反而會降低其性能。

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

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