錳對(duì)厚大球墨鑄鐵件的組織及機(jī)械性能的影響
1.?近年來(lái)為減輕汽車重量，采用高強(qiáng)度鋼較多。鑄鐵爐料中，高強(qiáng)度鋼的比例也增加了。與普通鋼相比，高強(qiáng)度鋼含錳量多，致使鑄鐵含錳量增加。需要知道錳對(duì)鐵素體球墨鑄鐵的各種影響。錳是穩(wěn)定珠光體元素，鐵素體球墨鑄鐵受錳的影響，會(huì)不會(huì)降低伸長(zhǎng)率或惡化加工性能。為此，研究了添加硫化物1）、氧化物2）脫錳，吹入空氣脫錳3），或者添加稀土4）消除錳的有害作用。FCD450(相當(dāng)QT450)鐵素體球墨鑄鐵大型厚壁鑄件的生產(chǎn)受到上述爐料條件影響，需要知道錳對(duì)厚壁球墨鑄鐵件材質(zhì)的影響及對(duì)策。目前有關(guān)此問(wèn)題的研究報(bào)告很少。本文以FCD450為對(duì)象，研究不同含錳量和壁厚的球墨鑄鐵件中組織對(duì)機(jī)械性能的影響。
2. 實(shí)驗(yàn)方法采用生鐵、含錳廢鋼、硅鐵、錳鐵、增碳劑做爐料，用10噸工頻爐熔化鐵液。原鐵液含錳量0.3%，添加錳鐵以獲得含錳0.6%、0.9%、1.5%的鐵液。每種含錳量的鐵液1500kg,都在包內(nèi)用硅鐵孕育，用硅鐵鎂稀土合金球化處理。表1是最終目標(biāo)化學(xué)成分。
表1?目標(biāo)化學(xué)成分（質(zhì)量%）
包內(nèi)球化孕育處理后， 在自硬樹(shù)脂砂型于1623K 澆注直徑25mm, 長(zhǎng)250mm 試棒及尺寸100×100×500mm、300×300×500mm、500×500×500mm 的厚壁楔型試塊。測(cè)定園棒試塊和厚壁楔形試塊的溫度，規(guī)定1523K 到共晶溫度的溫度變化速度為冷卻速度。測(cè)出直徑25mm, 長(zhǎng)250mm 試棒的冷卻速度為1.90K/s，100×100×500mm 楔型試塊冷卻速度為0.22K/s,300×300×500mm 楔型試塊冷卻速度為0.12K/s,500×500×500mm 楔型試塊冷卻速度為0.08K/s。從園棒試塊和厚壁楔形試塊切取試樣加工成JIS Z 2201規(guī)定的4號(hào)拉伸試樣，測(cè)定抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率。在拉伸試樣旁取樣觀察金相組織，測(cè)定硬度。用金相顯微鏡放大50倍和100倍觀察5個(gè)視野，測(cè)定石墨球徑、石墨球數(shù)、球化率和珠光體面積率。對(duì)含錳量0.9%的各種壁厚試樣用電子探針?lè)治鰞x做面分析和線分析，了解錳的分布狀況。用電子探針?lè)治龊蚗線衍射做相分析。通過(guò)熱處理調(diào)整基體組織，研究基體組織和石墨對(duì)機(jī)械性能的影響。從含錳量0.3%、0.9%的500×500×500mm厚壁楔形試塊切取直徑26mm長(zhǎng)度220mm圓棒，用電爐對(duì)其進(jìn)行熱處理。從1173K緩慢冷卻到1023K，使厚大試塊切取的圓棒熱處理后獲得的珠光體面積率和同一含錳量的鑄態(tài)圓棒試樣的珠光體面積率相同。熱處理試樣的石墨組織和熱處理前相比，沒(méi)有大的變化。從熱處理試樣切取4號(hào)拉伸試樣，測(cè)定抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率，在拉伸試樣旁測(cè)定硬度和觀察金相組織。用珠光體面積率相同的鑄態(tài)圓棒和熱處理圓棒進(jìn)行比較，研究石墨組織的影響。用同一個(gè)厚壁楔形試塊切取的珠光體面積率不同的鑄態(tài)試棒和熱處理試棒進(jìn)行比較，研究基體組織的影響。
3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果和考察3.1 壁厚對(duì)組織的影響圖1是不同冷卻速度和含錳量的試樣的金相組織。壁厚增大，冷卻速度降低，基體組織的珠光體減少，石墨球徑增大，球墨數(shù)量減少。含錳量增加，各種壁厚試樣的珠光體數(shù)量都增加。冷卻速度低于0.12K/s的厚壁楔形試塊中，當(dāng)含錳量0.3%、0.6%時(shí)，晶界有珠光體組織，當(dāng)含錳量0.9%、1.5%時(shí)，晶界有硬度高達(dá)700-1200HV的粗大異相形成。經(jīng)X線衍射確認(rèn)此粗大異相主要是滲碳體。圖2是粗大滲碳體的掃描電鏡圖像和電子探針?lè)治龅奶卣鱔線圖像。在粗大滲碳體中有Mn和Cr的偏析，它使?jié)B碳體穩(wěn)定化。Cr、Mn、Mo、V在最終凝固部位偏析促使厚壁鑄件晶界形成碳化物5、6），文獻(xiàn)7）認(rèn)為Mn和Cr是晶界形成碳化物的原因。本試驗(yàn)中，壁厚增加，冷卻速度緩慢，Mn和Cr在最終凝固部位濃縮，形成了滲碳體。含錳量增加到0.9%形成粗大滲碳體，所以錳的偏析是形成粗大滲碳體的主要原因。在粗大滲碳體附近還有Fe-Mn-P系化合物或Cr、Ti、V的碳化物。這些Cr、Ti、V是廢鋼帶入的。?
? ? ? ? ? ??表2是含錳0.9%的各種壁厚試塊的珠光體部位和晶界部位的錳的線分析結(jié)果。
? ? ? ? ? ? ?圖1?試樣的金相組織
圖2?粗大滲碳體的掃描電子顯微鏡照片和電子探針?lè)治鲈胤植?/strong>
（左上：滲碳體）
表2是含錳0.9%的各種壁厚試塊的珠光體部位和晶界部位的錳的線分析結(jié)果。冷卻速度1.9K/s的圓棒試樣中珠光體部位錳的濃度為0.4～1.2%，晶界處錳的濃度為1.2～4.6%。冷卻速度0.12K/s的厚壁楔形試塊中珠光體部位錳的濃度為1.6～4.8%，晶界處錳的濃度為4.8～6.8%，錳的濃度比較高。冷卻速度0.08K/s的厚壁楔形試塊各部位錳的濃度與冷卻速度0.12K/s的厚壁楔形試塊各部位錳的濃度大體相同。無(wú)論圓棒試樣還是厚壁楔形試塊，其珠光體區(qū)域和晶界處錳的濃度都存在差異，表明晶界處存在錳的偏析。與冷卻速度1.9K/s的圓棒試樣相比，冷卻速度小于0.12K/s的厚壁楔形試塊中晶界處的珠光體處錳的濃度增大到4倍，晶界滲碳體處增大到2倍。冷卻速度小于0.22K/s的厚壁楔形試塊中晶界處最終凝固部位形成的Fe-Mn-P化合物的錳濃度達(dá)到10～13%。
圖3?是冷卻速度和珠光體面積率、石墨球徑、球墨數(shù)量、球化率的關(guān)系。含錳量增加，珠光體面積率也增加8）。冷卻速度降低，鐵素體增多，珠光體面積率下降。含錳量不同，冷卻速度的影響也不同，含錳量越高，冷卻速度的影響越小。石墨組織受冷卻速度的影響，與含錳量無(wú)關(guān)，壁厚增大，冷卻速度降低，石墨球數(shù)減少，石墨球徑增大，有球化率降低傾向。冷卻速度小于0.22K/s的厚壁楔形試塊中，石墨球徑大于30μm，石墨球數(shù)小于50個(gè)/mm2，球化率就會(huì)低于80%。由于冷卻速度低，石墨粗大，不能保持球狀，使球化率下降。冷卻速度下降，石墨面積率也有增加傾向，但是石墨面積率在6～9%范圍，其影響很小?？傊鋮s速度和含錳量影響基體組織，冷卻速度影響石墨尺寸、數(shù)量和球化率。
表2?珠光體區(qū)域和共晶團(tuán)邊界的錳含量（%）
圖4?抗拉強(qiáng)度和金相組織的關(guān)系
圖5是伸長(zhǎng)率和珠光體面積率、石墨球徑、石墨球數(shù)、球化率的關(guān)系。球墨鑄鐵的伸長(zhǎng)率受基體組織和球化率的影響，珠光體面積率少，球化率高于80%，伸長(zhǎng)率高。冷卻速度大于0.22K/s，含錳量增加，珠光體面積率增大，伸長(zhǎng)率顯著下降。但是增加壁厚增大，冷卻速度降低到0.12K/s以下時(shí)珠光體面積率的影響減小，含錳量低，珠光體面積率也低的情況，伸長(zhǎng)率也不會(huì)提高。分析不同含錳量的情況，冷卻速度低珠光體面積率低伸長(zhǎng)率也低的傾向，不能僅用珠光體面積率來(lái)解釋。含錳量增大引起珠光體面積率增大時(shí)，冷卻速度的影響就變小了。石墨球徑增大，球化率下降，石墨球數(shù)越少，伸長(zhǎng)率越低。含錳量0.3%、 0.6%，冷卻速度低于0.12K/s時(shí)，因石墨球徑增大，球化率80%左右，使伸長(zhǎng)率下降。即含錳量低珠光體面積率低時(shí)，石墨組織影響使伸長(zhǎng)率下降。含錳量大于0.9%時(shí)，主要是珠光體面積率影響伸長(zhǎng)率的下降，石墨組織的影響很小。伸長(zhǎng)率受石墨球徑、石墨球數(shù)、球化率、珠光體面積率的綜合影響。還有前述的晶粒粗大，最終凝固部位的微縮松，晶界碳化物的存在也綜合影響伸長(zhǎng)率的變化。
圖5?伸長(zhǎng)率和金相組織的關(guān)系
圖6是硬度和珠光體面積率、石墨球徑、石墨球數(shù)、球化率的關(guān)系。硬度受含錳量、珠光體面積率的影響，有明確的比例關(guān)系。各種含錳量試樣，由于壁厚增大，珠光體面積率下降，硬度也隨之下降。硬度受含錳量和珠光體面積率很大影響。由于壁厚增大，石墨球徑和石墨球數(shù)發(fā)生變化，硬度有下降傾向。
圖6?布氏硬度和金相組織的關(guān)系
3.3 ?熱處理對(duì)組織和機(jī)械性能的影響
表3列出了兩種含錳量試樣的抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、硬度測(cè)定結(jié)果以及金相組織、珠光體面積率、球化率、石墨面積率。
表3 ?鑄態(tài)和熱處理試樣的金相組織和機(jī)械性能
經(jīng)過(guò)熱處理的500×500厚壁試塊的珠光體面積率與直徑25mm圓棒試樣珠光體面積率相同，含錳量0.3%時(shí)都是20%，含錳量0.9%時(shí)都是52%。雖然石墨尺寸和數(shù)量不同，都是硬度相同，大小斷面試樣的硬度相近，說(shuō)明石墨組織變化對(duì)硬度影響很小。但是，硬度雖然相近，熱處理的大斷面試塊的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率下降了。文獻(xiàn)12）提出了抗拉強(qiáng)度和硬度的數(shù)學(xué)關(guān)系式：σB =Y2.5 ～ 3.4Y×HB
其中，σB:MPa,HB:布氏硬度
此式適用于含錳量0.3%的試樣。含錳量0.9%時(shí)硬度低于此式計(jì)算值。因此知道含錳量高時(shí)石墨粗大影響抗拉強(qiáng)度下降。文獻(xiàn)13）認(rèn)為，伸長(zhǎng)率和硬度之間有良好的正比例關(guān)系。硬度166～167時(shí)，伸長(zhǎng)率在20%左右，硬度213～225時(shí)，伸長(zhǎng)率在7%左右。石墨尺寸小，含錳量0.3%、0.9%，都遵從這個(gè)比例關(guān)系。石墨尺寸增大后，伸長(zhǎng)率要低于這個(gè)比例關(guān)系計(jì)算的數(shù)值，特別是含錳量0.3%時(shí)伸長(zhǎng)率要大幅度下降。由此可以看出石墨組織對(duì)于伸長(zhǎng)率的影響，含錳量低時(shí)影響很大。
為了了解基體組織的影響，把石墨面積率相同的鑄態(tài)試樣和熱處理試樣進(jìn)行比較。經(jīng)熱處理的試樣珠光體面積率增加，硬度提高，伸長(zhǎng)率大體相同，抗拉強(qiáng)度提高了。對(duì)鑄態(tài)厚壁楔形試塊，含錳量變化引起珠光體面積率變化時(shí)，抗拉強(qiáng)度的變化很小，但是熱處理引起珠光體面積率變化，抗拉強(qiáng)度變化很大。由此看出，鑄態(tài)試塊和熱處理試塊的基體對(duì)機(jī)械性能的影響不一樣。
比較鑄態(tài)和熱處理后的金相組織發(fā)現(xiàn)，熱處理后的基體是很細(xì)的粒狀珠光體集合起來(lái)的組織，不同于鑄態(tài)組織。圖7是含錳量0.9%試樣上看到的粗大滲碳體分解后的痕跡。在含錳量0.3%的試樣上看不到粗大滲碳體。含錳量0.3%、0.9%的試樣熱處理后機(jī)械性能都得到改善。
鐵素體-珠光體微細(xì)混合組織的去球墨鑄鐵經(jīng)熱處理后，晶粒越細(xì)化，相鄰晶粒的應(yīng)力集中的緩解效應(yīng)越強(qiáng)烈，會(huì)明顯提高強(qiáng)度14）。本研究也認(rèn)為晶粒細(xì)化改善了抗拉強(qiáng)度。鐵素體組織可以改善球墨鑄鐵的塑性變形能力。熱處理增加了變形能小的珠光體，相同的珠光體面積率條件下，熱處理試樣比鑄態(tài)試樣的伸長(zhǎng)率高。晶粒變化沒(méi)有影響珠光體面積率。晶粒大小影響抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率。
要注意，厚大球墨鑄鐵件含錳量增加會(huì)使抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率下降。錳偏析引發(fā)粗大滲碳體，石墨粗大會(huì)使球化率下降，基體組織晶粒粗大也有不良影響。為改善機(jī)械性能，必須控制滲碳體、石墨粗大化引起球化率下降及晶粒粗大化的發(fā)生。
圖7?熱處理試塊的金相組織（含錳量0.9%，試塊厚度500mm）
4 結(jié)論
本實(shí)驗(yàn)研究了含錳量、壁厚和金相組織對(duì)厚大球墨鑄鐵件機(jī)械性能的影響，
結(jié)論如下：
1 冷卻速度低于0.12K/s的厚壁楔形試塊含錳量0.9%以上時(shí)由于錳偏析產(chǎn)生粗大滲碳體。
2 石墨組織受冷卻速度的影響，壁厚增大，冷卻速度低于0.22K/s石墨球徑增大，石墨球數(shù)減少，球化率下降到80%以下。珠光體面積率受含錳量和冷卻速度的影響，含錳量增多，冷卻速度的影響減小。
3 壁厚增大冷卻速度低于0.22K/s時(shí)，石墨球徑增大球化率下降和晶粒粗大化導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度下降。特別是含錳量越高，其影響越大，冷卻速度低于0.12K/s時(shí)，與珠光體面積率無(wú)關(guān)，抗拉強(qiáng)度都在350MPa左右。最終凝固部位存在粗大滲碳體也使抗拉強(qiáng)度下降。
4壁厚增大冷卻速度低于0.12K/s時(shí)，石墨粗大球化率下降，晶粒粗大化，含錳量低使珠光體面積率減小都會(huì)使伸長(zhǎng)率下降。含錳量高的情況下，除了石墨和晶粒的影響外，還有珠光體面積率增加和最終凝固部位存在粗大滲碳體也使伸長(zhǎng)率下降。
5 石墨組織對(duì)于硬度的影響比較小，含錳量和壁厚增大引起珠光體面積率變化會(huì)影響硬度。
