關(guān)鍵詞：蠕墨鑄鐵；熱暴露；暴露溫度；抗拉強度；伸長率

0 引言

蠕墨鑄鐵具有較高的室溫及高溫強度、抗熱疲勞，以及抗熱沖擊性，同時具有良好的鑄造性能，較低的生產(chǎn)成本，是制造高性能柴油發(fā)動機機體及氣缸蓋的理想材料。柴油機機體和缸蓋直接與燃燒室接觸，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時也是發(fā)動機的關(guān)鍵部件，隨著人們對柴油機升功率要求的不斷提高，對關(guān)鍵零部件性能要求也來越高，其中高溫性能顯得尤為重要。材料在高強機械負荷和熱負荷下組織和性能的變化會直接影響著材料服役的質(zhì)量，因此，深入研究熱暴露對蠕墨鑄鐵的組織性能的影響規(guī)律，對發(fā)動機機體、缸蓋等關(guān)鍵零部件的選材及應(yīng)用具有重要指導(dǎo)意義。

針對蠕墨鑄鐵組織和性能已有不少的相關(guān)研究可以借鑒，陳哲以大型船用蠕墨鑄鐵氣缸套為對象，研究了RE和Mg含量對蠕墨鑄鐵的凝固過程和石墨形態(tài)的影響。范曉明以Ru T500蠕墨鑄鐵為目標選擇了基本元素含量范圍，進行了鑄態(tài)合成蠕墨鑄鐵的組織與力學(xué)性能研究。萬浩針對蠕化率對蠕墨鑄鐵組織和耐磨性能的影響進行了研究，指出蠕化率的提高會造成蠕墨鑄鐵抗拉強度、伸長率和硬度的下降，平均蠕化率為55%的試樣具有最佳的綜合力學(xué)性能。謝金蕾選用激光熔覆技術(shù)在蠕墨鑄鐵表面制備了3種鎳基合金熔覆層，以對蠕墨鑄鐵材料表面進行強化處理，探究了激光功率、掃描速度、預(yù)置涂層厚度和高溫加熱處理對熔覆層組織和力學(xué)性能的影響。李曉航采用釬焊工藝焊接蠕墨鑄鐵，在高于280、300℃的工藝條件下，通過液態(tài)釬料在毛細填隙過程中與母材發(fā)生相互物理化學(xué)作用，進行了蠕墨鑄鐵軟釬焊組織及性能研究。許景峰鑒于蠕墨鑄鐵的微觀結(jié)構(gòu)和凝固特征等方面與球墨鑄鐵更相近的特點，研究了穩(wěn)定生產(chǎn)一致性較高的蠕墨鑄鐵件的方法。龐銘開展了不同激光參數(shù)的激光熔凝蠕墨鑄鐵試驗，通過掃描電鏡、光學(xué)顯微鏡、硬度儀和高溫加熱爐表征了激光熔凝宏觀形貌、微觀特性變化、硬度分布和高溫回火性能。孫松采用OM、SEM、拉伸性能等分析與測試手段，研究大氣和真空2種環(huán)境下400和500℃保溫時間對蠕墨鑄鐵顯微組織、室溫和高溫力學(xué)性能與導(dǎo)熱性能的影響規(guī)律，并結(jié)合SEM和EDS等分析蠕墨鑄鐵組織和性能的演變機制。Ribeiro鑄造了摻入硅、銅和錫的蠕墨鑄鐵試樣，并進行了硬度和拉伸測試，以及微觀結(jié)構(gòu)的評估。Bingxu采用含Ti C-Ti B2納米顆粒的鋁前驅(qū)體中間合金制備了增強蠕墨鑄鐵，發(fā)現(xiàn)石墨的蠕化率和數(shù)量分別增加了15.0%和16.6%，晶粒尺寸減小了32.9%。在20℃時，屈服強度、抗拉強度和伸長率分別提高了10.0%、6.0%和26.3%。

以上研究從微觀和宏觀方面研究了蠕墨鑄鐵組織和性能，本文從高功率密度柴油機機體和汽缸蓋材料的高溫性能要求，研究柴油機缸蓋用高強度蠕墨鑄鐵在經(jīng)過不同熱暴露溫度處理后的力學(xué)性能和顯微組織的變化。

1 實驗材料及方法

1.1 試樣制備

蠕墨鑄鐵作為一種新型鑄鐵材料出現(xiàn)在20世紀60年代，中國是研究蠕墨鑄鐵最早的國家之一。通常蠕墨鑄鐵是鑄造前加蠕化劑（鎂或稀土）隨后凝固而制得的。本文研究的蠕墨鑄鐵原鐵水的主要化學(xué)成分為Fe、C、Si和P，其中C質(zhì)量分數(shù)2.5%～4.0%、Si質(zhì)量分數(shù)0.8%～1.5%、P質(zhì)量分數(shù)0.03%以下。孕育處理后鐵水的主要化學(xué)成分為Fe、C、Si、P和Mg等。蠕化劑牌號為20Xt Zn M94-4。根據(jù)國標《GB/T26655—2022蠕墨鑄鐵件》中的規(guī)定，蠕墨鑄鐵試驗件配料比（質(zhì)量分數(shù)）為87%生鐵、13%廢鋼、補加硅為0.7%（75硅鐵）。熔煉在GGW-0.012中頻感應(yīng)熔煉爐中進行，蠕化劑（稀土鎂）加入量（質(zhì)量分數(shù)，下同）為0.4%（粒度為3～5mm）、孕育劑（75硅鐵）加入量為0.8%（粒度為5～8mm）孕育熔煉時將其置于爐內(nèi)進行升溫、熔化，至1300℃左右時加入其他合金，當升溫至1450～1480℃左右出爐。蠕化處理采用包底沖入法，將蠕化劑埋入澆包底部凹坑內(nèi)，再將孕育劑覆蓋其上。

圖1給出了蠕墨鑄鐵的典型金相組織模型。從金相組織模型可以看出，蠕墨鑄鐵組織中蠕蟲狀的石墨廣泛地分布于鐵質(zhì)基體中。金相中占大部分面積的是灰色的部分，這部分就是鐵的軟基體。蠕蟲狀的石墨比例小，所以容易上浮形成偏析。

1.2 熱暴露試驗

一般來說，金屬材料的熱暴露試驗可以探究在高溫環(huán)境下金屬材料的反應(yīng)行為，包括材料的耐熱性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、高溫蠕變性和氧化性等。通過改變試驗條件，如溫度、時間、氣溫等參數(shù)，可以進一步研究這些因素對材料性能的影響。同時，各種測試方法也可以提供不同的評估指標，從而更全面地了解金屬材料的性能表現(xiàn)。在工程材料的研究、生產(chǎn)和質(zhì)量控制中，熱暴露試驗是一種重要的手段。通過對金屬材料的熱暴露試驗，可以模擬其在高溫環(huán)境下的應(yīng)用情況，查看其反應(yīng)行為，從而更好地理解和掌握材料的性能特點。本文的熱暴露試驗是將試件在一定溫度下經(jīng)熱暴露不同時間，進一步分析探討其力學(xué)性能、組織與熱暴露時間的關(guān)系。本試驗在101型電熱恒溫干燥箱中進行，試樣3根為一組，熱暴露溫度為350和500℃，保溫時間分別為：0、100、300、500、700和1000h。對不同熱暴露處理的試樣進行組織分析和性能測定。

1.3 檢測與表征

拉伸力學(xué)性能測試在CMT5105A型電子萬能材料試驗機上進行，測量的拉伸力學(xué)參數(shù)包括抗拉強度Rm和伸長率A。蠕墨鑄鐵試驗件在熱暴露后的室溫拉伸力學(xué)性能采用的標準為《GB/T228—2002金屬材料室溫拉伸試驗方法》，高溫拉伸性能試驗采用的標準為《ASTME21-2009金屬材料高溫拉伸試驗方法》。測試設(shè)備為帶有加熱模塊的Instron5500R電子拉伸壓縮試驗機，如圖2所示。

金相組織是材料的微觀結(jié)構(gòu)，通過金相組織分析可以了解材料的各組成相的形態(tài)、分布及尺寸，并能確定材料各組成相的比率，是金屬材料學(xué)重要的研究手段之一。本文進行蠕墨鑄鐵試驗件金相檢測采用的儀器為用Nicon300型金相顯微鏡，參照國家標準《GB/T26656—2023蠕墨鑄鐵金相檢驗》準評定試驗合金的珠光體數(shù)量。對拉伸試驗件進行斷口形貌觀察采用的儀器為FEIQUANTA400F型掃描電鏡，參照的國家標準為《GB/T16594—2008微米級長度的掃描電鏡測量方法通則》。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 350℃熱暴露后拉伸力學(xué)性能

蠕墨鑄鐵試樣在350℃熱暴露不同時間后蠕墨鑄鐵的室溫拉伸力學(xué)性能數(shù)據(jù)如圖3所示，其中，圖3（a）為試樣抗拉強度隨熱暴露時間的變化，圖3（b）為試樣伸長率隨熱暴露時間的變化。從圖3中可以看出，試樣在沒有進行熱暴露試樣的室溫抗拉強度Rm（25℃）（0 h）為559 MPa、室溫伸長率A25℃（0 h）為1.8%，隨著熱暴露時間的增加，Rm（25 ℃）逐漸減小，A25℃逐漸增大；試樣熱暴露1000 h時的Rm（25℃）（1000 h）為447 MPa、A25℃（1000 h）為2.55%，與沒有進行熱暴露的試樣相比Rm減小了了20.0%，A增加了41.7%。造成這種變化的主要原因是熱暴露前期珠光體量較多，后期珠光體量較少造成的。

蠕墨鑄鐵試樣在350 ℃熱暴露不同時間后的高溫（200 ℃）拉伸力學(xué)性能數(shù)據(jù)如圖4所示，其中，圖4（a）為試樣抗拉強度隨熱暴露時間的變化，圖4（b）為試樣伸長率隨熱暴露時間的變化。從圖4中可以看出，試樣在沒有進行熱暴露時的高溫抗拉強度Rm（200 ℃）（0 h）為421 MPa、伸長率A200 ℃（0 h）為1%，隨著熱暴露時間的增加，試樣的Rm（200 ℃）逐漸減小，A200℃逐漸

增大，試樣的拉伸力學(xué)性能變化規(guī)律與室溫時相同；熱暴露1000 h時試樣的的抗拉強度Rm（200 ℃）（1000 h）為336 MPa、伸長率A200 ℃（1000 h）為2.25%，與沒有進行熱暴露的試樣相比Rm減小了20.2%，A增加了125%。

2.2 500℃熱暴露后拉伸力學(xué)性能

蠕墨鑄鐵試樣在500 ℃熱暴露不同時間后蠕墨鑄鐵的室溫拉伸力學(xué)性能數(shù)據(jù)如圖5所示，圖5（a）試樣在不同熱暴露時間時的室溫抗拉強度，圖5（b）為試樣伸長率隨熱暴露時間的變化。

圖5中可以看出，500 ℃熱暴露后的Rm（25 ℃）（1000 h）為298 MPa，較未經(jīng)過熱暴露的試件相比，Rm（25 ℃）減小了46.7%；A25 ℃（1000 h）為2.45%，較未經(jīng)過熱暴露的試件相比，A25 ℃增大了36.1%。

蠕墨鑄鐵試樣在500 ℃熱暴露不同時間后蠕墨鑄鐵的高溫（200 ℃）拉伸力學(xué)性能數(shù)據(jù)如圖6所示，圖6（a）為試樣在不同熱暴露時間后的高溫（200 ℃）抗拉強度Rm（200 ℃），圖中可以看出，500 ℃熱暴露后的Rm（200 ℃）（1000 h）為

287 MPa，較未經(jīng)過熱暴露的試件相比，Rm（200 ℃）減小了32.6%。圖6（b）為試樣在不同熱暴露時間時的高溫（200 ℃）伸長率A200 ℃，圖中可以看出，A200 ℃（1000 h）為2.4%，較未經(jīng)過熱暴露的試件相比，A200 ℃增大了140%。

2.3 顯微組織表征

經(jīng)過不同熱暴露時間，未經(jīng)腐蝕的蠕墨鑄鐵試樣金相顯微組織如圖7所示。其中，圖7（a）為未經(jīng)過熱暴露的試樣，圖7（b）和（c）分別為350 ℃熱暴露500和1000 h的試樣。從圖7中可以看出，隨著熱暴露時間的增加，蠕墨鑄鐵試樣中的蠕蟲狀石墨的形態(tài)發(fā)生了明顯的變化，有明顯球化的傾向，并且產(chǎn)生了明顯的粗化現(xiàn)象，因此導(dǎo)致了其經(jīng)過熱暴露后拉伸力學(xué)性能下降。圖7（d）為500 ℃熱暴露1000 h的試樣，與圖7（c）相比可以看出石墨球化的跡象越來越明顯了。

在經(jīng)過不同熱暴露時間，經(jīng)過4%（體積分數(shù)）硝酸酒精腐蝕后的蠕墨鑄鐵試樣金相顯微組織如圖8所示，其中，圖8（a）為未經(jīng)過熱暴露的試樣，圖8（b）和（c）分別為350 ℃熱暴露500和1000 h的試樣。從圖8中可以看出，隨著熱暴露時間的增加，蠕墨鑄鐵試樣的珠光體量減小，鐵素體量增加，因此導(dǎo)致了其熱暴露后抗拉強度的降低。圖8（d）為500 ℃熱暴露1000 h的試樣，與圖8（c）相比可以看出試樣的珠光體量進一步減小，鐵素體量進一步增加，抗拉強度會進一步的降低。

2.4 斷口分析

350 ℃熱暴露前后的室溫拉伸斷口形貌如圖9所示，從圖中可以看出，斷口主要呈現(xiàn)撕裂棱和不同大小及深度的韌窩，解理平臺。熱暴露前撕裂棱較多，且晶粒細小，韌窩較多，深度較淺。而熱暴露1000 h后撕裂棱較少，韌窩較少但深度較大，晶粒明顯粗化。因此，隨著熱暴露時間的延長，強度下降，塑性提高。但試驗中材料的伸長率小于5%，故材料的斷裂仍屬于脆性斷裂。

蠕墨鑄鐵試樣在500 ℃熱暴露前后的高溫拉伸斷口微觀形貌如圖10所示，從圖中可以看出，熱暴露前晶粒比較細小，解理平臺較小，當熱暴露時間為1000 h時，晶粒明顯粗化，韌窩的數(shù)目減少，但深度增加，解理平臺較大，因此，在熱暴露后使得蠕墨鑄鐵試樣強度降低，伸長率增大。

3 結(jié)論

（1）蠕墨鑄鐵試樣在熱暴露不同時間后，隨著熱暴露時間的增加，抗拉強度逐漸減小，伸長率逐漸增大。蠕墨鑄鐵在350 ℃熱暴露后，室溫抗拉強度降低了20.0%，高溫（200 ℃）抗拉強度下降了20.2%；在500 ℃熱暴露后，室溫抗拉強度降低了46.7%；高溫抗拉強度下降了14.6%。隨著熱暴露時間的延長，基體組織中的珠光體量逐漸降低，鐵素體量逐漸增多。

（2）隨著熱暴露時間的增加，蠕墨鑄鐵試樣中的蠕蟲狀石墨的形態(tài)發(fā)生了明顯的變化，有明顯球化的傾向，并且產(chǎn)生了明顯的粗化現(xiàn)象，因此導(dǎo)致了其經(jīng)過熱暴露后拉伸力學(xué)性能下降；隨著熱暴露時間的增加，蠕墨鑄鐵試樣的珠光體量減小，鐵素體量增加，因此導(dǎo)致了其熱暴露后抗拉強度的降低。

（3）熱暴露前后的室溫拉伸斷口形貌表明，熱暴露前晶粒比較細小，解理平臺較小，當熱暴露時間為1000 h時，晶粒明顯粗化，韌窩的數(shù)目減少，但深度增加，解理平臺較大。因此，在熱暴露后使得蠕墨鑄鐵試件強度降低，伸長率增大。

本文摘自《鋼鐵研究學(xué)報》2024年第12期