维普资讯 http://www.cqvip.com ２００２正 ２００２钜 第４期 ８月 铸造设备研究 Ａｕｇ．２００２ Ｎｏ４ ＲＥＳＥＡＲＣＨ ＳＴＵＤＩＥＳ ＯＮ ＦＯＵＮＤＲＹ ＥＱＵＩＰＭＥＮＴ ・试验研究・ 金属型铸造的铸态铁素体球墨铸铁件的组织 与性能研究 夏鹏举’。陆文华 （１．陕西理工学院，陕西汉中７２３００３；２．西安交通大学，西安 ７１００４９） 摘要：研究了金属型获得的铸态铁件素体球墨铸铁件的显微组织特点，组织中元素的偏析，机械性能以及 断１：２特性。试验表明：由于石墨细小，铁素体晶粒细，微观偏析较小，这对提高材料的韧性是十分有利的 关键词：铁素体；球墨铸铁；组织；机械性能 中图分类号：ＴＧ１４３．５；ＴＧ２５５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４—６１７８（２００２）０４—００１０—０４ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ Ａｓ——ｃａｓｔ Ｆｅｒｒｉｔｅ Ｄｕｃｔｉｌｅ Ｉｒｏｎ ｂｙ Ｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍｏｕｌｄ ＸＩＡ Ｐｅｎｇ－ｊｕ１．ＬＵ Ｗｅｎ－ｈｕａｚ （１ Ｓｈａｎｘｉ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｘｉ Ｈａｎｇｚｈｏｎｇ ７２３００３，Ｃｈｉｎａ；２．ＸＦａｎ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， ，ｌ ７１００４９，Ｃｈｉａｎ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｆｒａｃｔｕｒｅ，ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ，ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｎ ｔｈｅ ａｓ—ｃａｓｔ ｆｅｒｒｉｔｅ ｄｕｃ— ｔｉｌｅ ｉｒｏｎ ｂｙ ｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍｏｕｌｄ ｗｅｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｖｅｒｙ ｓｍａｌｌ ｇｒａｐｈｉｔｅ ｓｐｈｅｒｏｉｄｓ ａｎｄ ｔｉｎｙ ｆｅｒｒｉｔｅ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｔｅｅｎｙ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃ ｓｅｇｒｅｇａｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ｖｅｒｙ ｂｅｎｅｆｉｃｉｌａ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ ｏｆ ｍａｔｅｒｉ１ａ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：ｆｅｒｒｉｔｅ；ｄｕｃｔｉｌｅ ｉｏｒｎ；ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｙ 球墨铸铁的性能是由石墨球和基体组织决定 的。石墨球细化后，可提高石墨球的圆整度以及细 化铁素体的晶粒，这对提高球墨铸铁的性能有利。 用金属获得的铸态铁素体球铁，其石墨球比砂型的 要细小、圆整的多 ¨。 １ 试验方案 选取金属型铸造的铸态铁素体球墨铸铁汽车前 轮毂件，在法兰边缘切取试样，取样部位见图１。加 工成 １０ｍｍ的抗拉试样和（１０×１０×５５）ｍｍ的无 缺口冲击试样。在抗拉试样毛坯上做布氏硬度试 验。 图ｌ取样部位 截取新鲜的拉伸和冲击试样的断口，在ＡＭ ＲＡＹ—ＩＯ００Ｂ扫描电子微镜上观察断口形貌。在金 ２．１ 铸态组织的特点 相试样上用ＥＰＭ一８１０Ｑ电子显微探针做Ｍｎ、Ｓｉ、Ａ１ 利用腐蚀过的金相试样，在德国产的ＬＥＩＴＺ型 在组织中的分布。 图象分析仪上测定了石墨球平均直径（忽略３ ｍ以 ２铸态铁素体球墨铸铁的组织与性能 下的石墨球），单位面积石墨球个数，铁素体晶粒的 大小及体积百分比。结果见表１。 收稿日期：２００２—０４—２４ 作者简介：夏鹏举，（１９６３一），男，陕ｌ｝Ｉｉ勉县人，讲师，工程师，硕Ｌ，主要从事材料成型及铸件质镀控制 维普资讯 http://www.cqvip.com ２００２年第４期 夏鹏举等：金属型铸造的铸态铁素体球墨铸铁件的组织与性能研究 １ １ 表１定量金相试验结果 试样 ｆ 墨球 编 平均ｒ【径 ／ ｉ＇ｌｌ Ｌ一０ｌ Ｌ一０３ Ｌ一０４ Ｌ一０５ Ｌ一０７ Ｌ一０８ １ｒ 墨球 数最 个铁索 铁索体 球化率 晶粒度 平均 径 分比 ／Ｕｍ ２５．Ｏ６ ２６．５７ ２８．２４ ２９．９４ ２７．１４ ２６．８５ ／小・ｍｍ一２ ９４８ ７０５ ７ｌ５ ８３ｌ ｌＯ４８ ９９６ ／％ ９７ ｌｏ０ ｌｏ０ ９３ ｌｏ０ ９８ ／％ ｌｏ０ ９ｏ０ ９５ ９５ ９０ ９５ ／级 ７—８ ７—８ ７—８ ７—８ ７—８ ７—８ ｌ４．１ ｌ３．９ ｌ２．３ｌ ｌ２．４７ ８．６４ ｌ０．５６ 图２金相显微组织 Ｌ一０９ ｌ２．５６ ９２２ ７５０ ９４５ ９５ｌ ７２５ ｌ０３５ Ｉｌｌ３ ２７．３７ ２７．５０ ３０．８４ ２５．９５ ２５．１０ ２７．２９ ２７．５４ ９３ ｌｏ０ ９６ ｌｏ０ ９６ ｌｏ０ ｌｏ０ ９５ ｌ００ ９５ ９０ ９０ ９５ ９５ ７—８ ７—８ ７—８ ７—８ ７—８ ７—８ ７—８ 铸件在金属型工艺条件下的冷却速度是砂型中 的２０倍¨ｊ。通过采用预处理，强化孕育等措施¨Ｊ， 产生了大量的石墨晶核，可阻止自由渗碳体的形成， 而且获得了细小、圆整、数量众多的石墨球，在共析 Ｌ—ｌ０ ｌ２．７８ Ｌ—ｌ２ Ｌ—ｌ３ Ｌ—ｌ９ Ｌ一３２ Ｌ一３３ ｌ３．４ ｌ０．２３ ｌ１．６２ ９．７ｌ ９．６９ 转变时获得了铁素体基体。其组织具有一般砂型铸 造条件下所不具备的特点，根据大量的金相观察和 定量金相分析，其组织具有以下特点： （１）球化率高、石墨球圆整，球化率都达９０％ 以上。 （２）石墨球细小，球数多，单位面积的石墨球数 石墨球直径和铁素体的含量为五个视场的平均 高达７００个／ｍｍ 一ｌ ０５０个／ｍｍ （见表１），平均直 值，石墨球数量为ｌ０个视场的平均值，铁素体晶粒 的直径为２０个晶粒的平均值。球化率对照图谱 ｊ 定出，晶粒度根据资料 定出。铸态下轮毂的金相 组织见图２。同一包铁水球化处理后在不同铸造条 件下浇注的铸件的石墨球形态见图３。 径尺寸为９．Ｏｌｘｍ一１４１ｘｍ。 （３）铸态基体组织中存在大量的铁素体。据定 量金相分析的结果，铁素体量一般在９０％以上，且 晶粒细小，晶粒度达到７级一８级。 从表ｌ的结果及金相照片中，我们看到，石墨直 （ａ）金属型铸造 图３拉伸断口形貌 （ｂ）砂型铸造 径仅有１２１ｘｍ左右，是砂型铸造的１／３—１／４，而且球 ２．２组织中元素的偏析 一数众多，大约为砂型铸造的３倍一５倍。正常的铸 态基体组织为铁素体和石墨加极少量珠光体，无可 般情况下，在球墨铸铁中，由于其结晶特点所 致，偏析现象比较普遍，存在着明显的显微偏析 。 大多数石墨化元素如ｓｉ、ｃｕ、ＡＪ、Ｎｉ等主要分布在共 见的自由渗碳体。 维普资讯 http://www.cqvip.com ｌ２ 铸造设备研究 ２００２年第４期 晶团的奥氏体中，在共晶团边界上含量较低，形成反 偏析；大多数反石墨化元素如Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ以及Ｍｇ、 静拉伸试验在ＷＥ一３０型万能材料试验机 进 行，硬度试验在ＨＤＩ一１８７５型布洛维硬度汁上测 试。实验结果见表２。 表２试样的机械性能 编 ｌ 一（Ｊｌ Ｉ 一Ｏ３ １．一０４ ｃｅ常富集在最后凝固的残余液体中，即在共晶团边 界要比共品团内高，形成正偏析。图４是在ＥＰＱ一 ８１０Ｑ电子探针上测得的组织中Ｓｉ、Ｍｎ、ＡＩ的线扫描 照片、砂 铸造条件下Ｍｎ的分布见图５ 。 ， ／ ・ＩｌｌＩｌｌ‘ ４７５．８ ４５０．９ ４５８．６ ６／％ ２０．０６ ｌ３．４ ２１．０４ ％ ｌ ７．８９ ７．８４ ｌ６．２８ ＨＢ Ｉ７２ ｌ７４ ｌ７６ Ｊ 一０５ １．一ｌ３ ｌ 一２０ Ｌ一２２ ４５０．Ｏ ４８３ ５ ４４７．１ ４５２．３ Ｊ９．６８ ｌ４ ４２ ｌ６．１８ ｌ４．９２ Ｊ８．８２ ｌｌ ０４ ｌ ３．６９ ｌ ２．９５ Ｊ ７８ ｌ８６ ｌ７５ ｌ７２ Ｌ一２４ ｌ 一２６ ４５６ ７ ４６２．５ ｌ６ ８４ ｌ３．７６ ｌ２ ０２ ｌ（）．５ｌ ｌ７２ ｌ７５ Ｓ一０ｌ ４Ｉ８．５ ７．７６ ６．２３ 图４ Ｓｉ、Ｍｎ、Ａｌ的分布 ２．３．２ 冲击性能 冲击试验是测定材料性能常用的方法，冲击韧 性对产品设计有较价值 冲击试验存 一 ＰＳＷ３０／ｌ５型冲击试验机卜进行，试验温度共分六 级，即室温、０℃、一２０℃、一４０℃、一６０ 、一８０ ：】 ： 把 ℃。以酒精液氮为冷却剂，将试样的温度控制在试 验温度 ，保温５ ｍｉｎ后，迅速夹取试样于试验机梢 ， 即冲打．、试验结果见表３，试样的ａ 一ｔ曲线 见图６。 表３一次冲击试验结果 试样 编 。 Ｌ一０４ 尢缺ｌ １试样一次 ＿１ Ｉ 值ａｋ／Ｊ－ｒ｜Ｉｌ。 ２Ｏ℃ Ｏ℃ 一２Ｏ℃ 一４０℃ ６０℃ 一８Ｏ ８９ ５９．７ ５３．７ Ｉｌ９．９ ｌｏ６．８ Ｌ一２６ ｌ２０．０ ｌ０４．４ ８５．６ ５７．６ ５４．４ ４２ ６ 图５稀土球铁中锰的分布 砂型铸造的球黑铸铁件中，锰及其它合金元素 除部分熔解于基体外，大部分富集在共晶团边界处。 这样易于形成稳定的晶间碳化物，增加了球墨铸铁 从表３和图６可知，用金属型铸造的铁素体球 铁的脆性转变温度为一４０℃。这是由于 墨球细 小、园整、元素偏析较小和良好的基本组织的缘故。 因此用金属型铸造的铁素体球墨铸铁汽车零件完全 适应于寒冷的地区 ２．４断口分析 的脆性。用金属型铸造的球墨铸铁中由于快速冷却 特性， 墨球非常细小，共晶团数量增多，因而使元 素在共晶团问的偏析倾向大大改善。由图４见共晶 团晶内与边界处的分布差别不太大，基本均匀，没有 太明显的偏析。 ２．３铸态铁素体球铁的机械性能 ２．３．１ 硬度和常规机械性能 用ＡＭＲＡＹ—ＩＯ００Ｂ型扫描电子显微镜分别观 察了拉伸试样和冲击试样在不同温度下的断口特 征。 ２．４．１拉伸断口的观察 维普资讯 http://www.cqvip.com ２００２年第４期 夏鹏举等：金属型铸造的铸态铁素体球墨铸铁件的组织与性能研究 ｌ３ 外力作用下，以铁素体变形为主形成韧窝。比较砂 型铸造与金属型铸造的试样断ｆ１，金属型铸造的铸 件由于石墨细小、圆整，变形后为椭圆形。砂型铸造 的铸件，由于 墨球较大，石墨不太致密，变形后仍 为圆形。说明前者在断裂前变形较大，后者变形较 小，并且金属 铸造的铸件断口 的 墨球也多，形 成ｒ更多的韧窝 这说明金属 铸造的铸件韧性较 好，强度也高 、 ８Ｏ 一６０ —４０ —２０ ０ ｆ／ ２０ ２．４．２冲击断¨的观察 冲击断［１的手１描电子显做Ｊ！ｆ｛片见 ７ 从 ７ 町以看出，存事温及一２０ ｃ【＝时，足以韧窝为主的韧 图６ ｒ』 一ｔ曲线 扎仲断【】的形貌见 ３， 中 （ａ）‘ｊ图（Ｉ））为 棚川处删 的铁水在小 条件下铸造的铸件。在室 温条什下砂 金属 铸造的铸态铁素体的拉伸断 【¨１郜是韧窝为主的韧性断【＿］。石墨球作为杂质是形 成 窝的核心，而铁素体义有着良好的韧性，所以在 性断口，在一４０ 时，解理断口断裂ｌｊ 优势， 一６０ 及一８０ 时，为解理为主的脆性断口 ．这说｝ＩＪ】随 荇温度的降低 窝比例住减少，棒 代之的足解删 特性，就足说断【１七脆性特征比例增大 、宏观Ｉ 表 现为冲击值（ｎ ）下降。 （ａ）２０℃ 图７冲击断口形貌 ３ 组织因素对性能的影响 ３．１ 石墨球对性能的影响 积，降低材料的承载能力。对于碳当量相近的材料， 后者的效果基本上相等。对材料强度影响最大的还 是前者。石墨对基体的割裂作用，主要由其形状来 决定，当然亦于大小及分布有关。 石墨形状是由球化率来衡量的 即球墨铸铁中 球铁中的石墨是呈最紧密的形状一球状，从而 使金属型机械性能的利用率高达７０％～９０％，表现 出优良的综合机械性能。石墨球存在于铸铁中，被 视为一个个的空洞，其本身基本ｔ二没有强度，它对力 学性能的损害主要是两种方式：一是割裂基体，产生 应／，Ｊ集中，裂纹往往就发源于此。二是减少承载面 的球形石墨的百分比，它是石墨应力集中的一个度 量。当球墨铸铁的球化率高时，抗拉强度、屈服强度 和延伸率都随之升高。且冲击韧性随球化率的提高 （下转第１７页） 维普资讯 http://www.cqvip.com ２００２年第４期 夏兰廷等：碳钢及低合金钢的海水腐蚀性能 Ｉ７ Ｎｊ—ｃｒ ９２ｌ钢在榆林飞溅区耐蚀性好，而在全 （３）镍一铬９２１钢耐腐蚀性能好于锰系，铬系 浸区腐蚀率高（０．１５ ｍｍ・ａ。。），在青岛站３个带 钢，在飞溅带的耐腐蚀性更突出，锰系低合金钢的耐 区，局部腐蚀深度 １．５３ ｍｍ一２．０６ｒａｍ有明显增 腐蚀性一般。 大倾向。 参考文献： ５ 结论 ［１］ 候保荣．海洋腐蚀环境闩！论及ｊ 应川［Ｍ］．北京：北 科 蚀率是。， 逐年下降的，而且由于海生物的附着和锈层 壁翟 合金 茅 ３ 【 篙 １准 化９９学９．海金 １９９ － ２６ Ｍ０． ．表 海水Ｉ厦 厦 大ｆ１常规暴露腐蚀试验力． 。 版礼，． ． 法 的稳定，相互之问的差别也逐渐缩小，所有区带中， ［Ｍ］．１９８６ 钢在飞溅区的腐蚀率最大。 ［４］杨武，等．金属的局部腐蚀［Ｍ］．北京：北京化 业；１１版 （２）碳钢与合金钢在海水中的腐蚀性能的差异 社，１９９５・ 主要表现在局部腐蚀上，０９ＣｕＰＴｉＲｅ钢在三个区带有 ［ ］ 扣华・展 Ｉ廿纪会属的腐蚀‘ｊ防护…・铸造没胬研究， 较好的耐腐蚀性含铬低合金钢不适宜在潮差带使用。 。０ｏ０，‘。’：４ ・ 而提高，而石墨的圆整程度越差，滑移线的分布就会 于晶格之间位向的不同造成的。由于位向不同，势 愈集中，产，＃裂纹的几率则愈高，其机械性能就愈 必要提高应力从而开动另一个晶粒内的位错，那么 差 。 晶界面积的增多势必要增大变形的阻力而使强度提 从表１可知，每个铸件的球化率都大于９０％。 高。由于晶界的增多，而提高了材料的强度。 显然圆整的石墨球对基体的割裂作用小，能充分发 与石墨球的情形相似，晶界也是松弛应力的处 挥基体力学性能的潜力，所以材料的韧性和强度都 所。所以对强度的提高是有利的。 较高。细化石墨球以后，石墨球数增多，应力集中点 晶粒细化不仅可以提高强度，还可改善塑性，所 增多，由于试样任意截面应力总和在试样及载荷确 以用金属型铸造的铁素体球铁，虽然铸态铁素体量 定后是一样的。故每个应力集中点的最大应力相应 达到９ｏ％以上，但强度仍高达４５０ Ｎ／ｍｍ 以上。 降低，见示意图８。这就使得抗拉强度和冲击韧性 提高。 ４结论 金属型铸造的球铁之所以有优越的力学性能， 关键是由它的工艺特点决定的。金属型铸造条件下 、 面Ｉ『０１／，的冷却速度为砂型的２０倍以上，得到的石墨球细 ＼－￣ ／／Ｉ『ｆＩＪＩ＿ 毗 小，铁素体晶粒细，减轻了微观偏析，这对提高材料 的强度和韧性是十分有利的。 参考文献： ［１］ 夏鹏举．金属型生产铸态球墨铸铁（ＧＴ４５０—１０）轮毂 的研究［Ｄ］．西安交通大学硕士论文，１９９１． 图８带孔平板受力时应力分布图 ［２］美国铸造师学会编．球墨铸铁金相图谱［Ｍ］．大连：大 ３．２基体组织的影响 连理工大学出版社，１９８０． ［３］林昭淑．金属学及热处理实验［Ｍ］．长沙：湖南大学 球墨铸铁的石墨呈球状，对铸铁基体的削弱作 出版社．１９８６． 用较小，基体对铸铁的性能影响就起了支配作用。 ［４］周宏，译．金属型铸铁［Ｊ］．热加工工艺，１９８１，（２）：１６ ～ｌ８． 用金属型铸造的铸态铁素体球铁，其基体组织中铁 ［５］ 陆文华，等．铸造合金及熔炼［Ｍ］．北京：机械工业出 素体的含量大于９０％，晶粒细小（见表Ｉ），晶体平 版社．１９９６． 均直径２６１ｘｍ，晶粒度达到７级～８级。一方面，当 ［６］ 沈阳铸造研究所合编．球墨铸铁［Ｍ］．北京：机械工 铁素体在基体中占多数时，石墨球边缘变形较大，塑 业出版社，１９８８． ［７］ 李辉，胡明初．球墨铸铁显微研究［Ｍ］．上海：上海科 性较好。另一方面，细小的铁素体晶粒必然带来数 学技术出版社，Ｊ９７８． 量众多的晶界。晶界实际上是一种缺陷，主要是由
