張福全,徐共財，黃　為，彭　斌

(1.湖南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,湖南 長沙　410082；2.長沙金龍鑄造實業(yè)有限公司,湖南 長沙　410144)

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低溫石墨化退火對低鉬、低鎳球墨鑄鐵組織和力學(xué)性能的影響*1

張福全1?,徐共財1，黃為2，彭斌2

(1.湖南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,湖南 長沙410082；2.長沙金龍鑄造實業(yè)有限公司,湖南 長沙410144)

摘要：對含鉬0.25%,含鎳0.2%～0.8%的球墨鑄鐵進(jìn)行低溫石墨化退火，測試了其力學(xué)性能，并對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，波動小.

關(guān)鍵詞：球墨鑄鐵；退火；顯微組織；沖擊韌度

1943年，美國的K.D. Millis用Ni-Mg合金在幾乎與目前類似的生產(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)用價值.長沙金龍鑄造實業(yè)有限公司為滿足生產(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，可以對球墨鑄鐵進(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單，能耗較小.因此研究低溫石墨化退火工藝對生產(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)用價值.

1試驗方法

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，過多的錳對沖擊韌性不利[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0.07%時，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)計如表1所示.

表1　試樣的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

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

試驗采用型號為KSY-6D-B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個試樣的鑄態(tài)組織如圖2所示.

圖1　退火工藝

球墨鑄鐵中，由于球狀石墨的含碳量接近100%，導(dǎo)致石墨球周圍產(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.圖中黑色石墨球周圍明亮的區(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].

(a) 0號

(b) 1號

(c) 2號

(d) 3號

1,2,3號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，斷裂時其對基體的割裂作用也更小，對提高沖擊韌性有利[12].鎳原子可以在球墨鑄鐵中無限固溶并呈現(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)性能測試與斷口分析

對熱處理前后的試樣進(jìn)行力學(xué)性能測試，包括抗拉強(qiáng)度、沖擊韌性、硬度等.抗拉強(qiáng)度測試采用美國Instron 型電液伺服力學(xué)試驗機(jī)，沖擊韌性實際上揭示了材料的變脆傾向，用沖擊試驗機(jī)對試塊一次性沖斷時所消耗的沖擊功表示.根據(jù)國際標(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.測試時每組3個樣，取平均值.測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.

表2　試樣沖擊功

表3　試樣抗拉強(qiáng)度

表4　試樣斷后延伸率

表5　試樣的布氏硬度

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的熱處理對沖擊韌性的提高最明顯，除3號試樣外沖擊功都達(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.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的熱處理對斷后延伸率的提升效果最為明顯，除3號樣品外，其他樣品的斷后伸長率大多都超過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后的金相組織見圖3.

圖3　750 ℃保溫4 h后的金相組織

對比圖2和圖3可以看出，試樣經(jīng)過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號樣品塑性韌性低是由于存在大量的蠕蟲狀和團(tuán)塊狀石墨，對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號和1號高倍數(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號試樣鑄態(tài)下的沖擊韌性略優(yōu)于沒有添加鉬和鎳的0號試樣，但進(jìn)行低溫石墨化退火后韌性卻較0號試樣低.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，對沖擊斷口進(jìn)行SEM掃描，掃描照片見圖4．

(a) 0號

(b) 1號

(c) 2號

(d) 3號

從圖4中可以看出，4個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)展到周圍的石墨，同時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圖5.

如圖5(a)中所示，0號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，石墨周圍存在撕裂嶺，可能是斷裂過程中的塑性變形所致，整個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.

(a) 0號

(b) 1號

(c) 2號

(d) 3號

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)格按照實驗室優(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)實意義.對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，計算每一成分的數(shù)值方差結(jié)果見表5.

表5　試樣退火后力學(xué)性能參數(shù)數(shù)值方差

方差大小反應(yīng)數(shù)值的波動性大小，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號試樣相比，1～3號試樣退火后的力學(xué)性能參數(shù)與平均值相差不大，方差較0號小，數(shù)值波動小，穩(wěn)定性更強(qiáng).因此鉬元素對球墨鑄鐵力學(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50%,強(qiáng)度下降15%～40%.同時，添加鉬和鎳的試樣退火后力學(xué)性能數(shù)據(jù)波動小,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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Effects of Low Temperature Graphitization Annealing on Microstructure and Mechanical Properties of Nodular Cast Iron with Low Nickel and Molybdenum

ZHANG Fu-quan1?, XU Gong-cai1,HUANG Wei2,PENG Bin2

(1.College of Materials Science and Engineering, Hunan Univ, Changsha, Hunan410082, China;2. Changsha Jinlong Foundry Industry Co Ltd, Changsha, Hunan410144，China)

Abstract:The mechanical properties of ductile iron samples containing 0.25% molybdenum and 0.2%～0.8% nickel were tested after being annealed at a low graphitization temperature. The microstructure and impact fracture were observed and analyzed. The ferrite content of ductile iron was increased after adding a small amount of molybdenum and nickel. Consequently, the impact toughness was increased by more than 50% while the strength and the hardness were decreased. The pearlite in the ductile iron was gradually transformed into ferrite after low temperature annealing. The impact toughness was increased substantially and the impact absorbed energy was increased to 500% compared with cast ductile iron samples. Many tearing ridges and dimples were found on the impact fracture through SEM observation. The mechanical properties in different annealing parameters were relatively more stable with a smaller fluctuation after molybdenum and nickel were added.

Key words:ductile iron; anneal; microstructure; impact toughness

文章編號：1674-2974(2016)06-0076-07

收稿日期：2015-06-17

基金項目：湖南省戰(zhàn)略性新尖產(chǎn)業(yè)科技攻關(guān)項目(湘財企指(2014)66號)

作者簡介：張福全(1962-)，男，湖北大冶人，湖南大學(xué)教授 ?通訊聯(lián)系人，E-mail: zhangfq@hnu.edu.cn

中圖分類號：TG164.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A