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含铜球墨铸铁的微观组织和力学性能研究【作者：田长亮】
为满足ASTM A536标准中80-55-06级球墨铸铁力学性能，通过设计冶炼不同Cu含量的球墨铸铁进行试验，对比分析其力学性能、显微组织、硬度及断口形貌等，研究Cu对铸态球墨铸铁力学性能和微观组织的影响情况。
美国ASTM A536标准中的80-55-06级球墨铸铁力学性能要求见表1，从力学性能要求来看，球墨铸铁的基体组织为珠光体和铁素体混合组织即可满足要求。
表 1 80-55-06 级球墨铸铁力学性能要求
Table1 Mechanical properties requirements for grade 80-55-06 ductile iron
1 试验方案设计
球墨铸铁是指铁液在凝固过程中碳以球型石墨析出的铸铁。与灰铸铁相比，其金相组织的最大不同是石墨形状的改变，避免了灰铸铁中尖锐石墨的存在，使得石墨对金属基体的切割作用大为减少，基本消除了片状石墨引起的应力集中现象，使得金属基体的强度利用率达到70%～90%，从而使金属基体的性能得到很大程度的发挥。
铜对球墨铸铁基体组织的影响是在共晶转变时，富集在共晶团内部促进石墨化和珠光体的形成，可减少或完全抑制铁素体的形成 [1]。本试验在保证C、Si、Mn、P及S含量不变的前提下，选取Cu含量在0.20%～0.60%范围内，探索其不同的含量对球墨铸铁力学性能及微观组织的影响规律。Cu含量变化的试验方案见表2。采用的试验原材料为生铁、45钢、硅铁、锰铁、纯铜、球化剂和覆盖剂等。原材料的化学成分见表3。
按照GB/T1348-2009《球墨铸铁件》标准要求，制取球墨铸铁 Y 形单铸试块。Y形单铸试块如图1所示。本试验设备为中频感应熔炼炉，出炉温度1500 ℃。采用包底球化，球化剂放在包底，上面放孕育剂，球化处理完成后，扒渣，待温度降至1350 ℃时浇注。铸态试样切割后进行加工、拉伸试验及组织观察。浇铸后的Y型球铁试样如图2所示。
表 2 Cu 含量变化的试验方案 ( 质量分数，%)
Table2 Test scheme for change of Cu content (mass fraction, %)
表 3 原材料的化学成分 ( 质量分数，%)
Table3 Chemical composition of raw materials (mass fraction, %)
图 1 Y 形单铸试块示意图
Figure1 Schematic diagram of y-shaped single casting block
图 2 浇铸的 Y 型试块
Figure2 Cast y-shaped blocks
拉伸试验执行GB/T1348标准， 标距70mm，标距范围内直径为14mm，拉伸速度为5mm/min，拉伸试样尺寸如图3所示。
图 3 拉伸试样尺寸
Figure3 Tensile specimen size
L0——原始标距长度，70 mm；
Lc——平行段长度，84 mm；
D——试样标距范围内的直径，14 mm；D——夹持端直径，24 mm。
采用HB-3000型布氏硬度计测量试样的布氏硬度，选择载荷750kgf，钢球压头直径为5mm，保压时间为30s。每个试样取三个点测硬度，取平均值。
金相试样制备过程是取样后砂轮打磨，砂纸打磨，Cr2O3抛光剂抛光，酒精清洗，直接观察石墨球形貌组织。观察基体组织时，经4%硝酸酒精腐蚀，再用酒精清洗后观察。采用OLYMPUS BH2-UMA 光学显微镜观察组织，FEI Sirion扫描电镜观察试样断口和微观组织形态。
球化率、珠光体含量及石墨球大小等级通过图像分析软件进行计算。
2 对比试验
2.1 化学成分
冶炼后经检测不同Cu 含量试样的目标成分和实测成分对比见表4，试验结果符合预期目标。结合表3原材料成分可知，P元素主要是由原材料带入，各炉试样的P元素含量差别不大。S元素也是由原材料带入，实测成分较原材料检测成分略低，主要原因是，在球化处理过程中，铁液中的S会与稀土元素、镁元素优先反应，生成硫化物，成为浮渣，从而铁液中的S含量会降低。
表 4 Cu 含量变化的试样目标成分和实测成分对比( 质量分数，%)
Table4 Comparison of target composition and measured composition of sample with Cu content change (mass fraction, %)
不同Cu含量试样的石墨球金相组织如图4所示。从图4中可知，在Cu含量变化范围内，所有试样都球化良好。随着Cu含量的增加，试样中的石墨球数增加，石墨球直径减小。通过图像分析软件测试可知，所有试样的球化率都在80% 以上，试样的球化等级为3级，Cu含量的变化对试样的球化率影响不大。Cu元素的加入促进了石墨化，增加了石墨球数，减小了石墨球直经。
(a) 0.2%；(b) 0.3%；(c) 0.4%；(d) 0.5%；(e) 0.6%
图 4 不同 Cu 含量试样的石墨组织
Figure4 Graphite structure of samples with different Cu content
不同Cu含量试样的基体组织如图5所示。从图5中可以看出，所有试样的基体组织均为铁素体和珠光体，只是两相比例略有不同。随着Cu含量的增加，试样中的铁素体含量减少，基体中的珠光体含量增加。当Cu含量为0.20%和0.30%时，基体组织中的铁素体较多，连接成片。当Cu含量为0.40%和 0.50%时，基体组织中的铁素体围绕着石墨球存在，也就是通常所说的 “牛眼”状组织 [2]；当Cu含量达0.60%时，试样中的铁素体含量较少，“牛眼”状组织基本消失。通过图像分析软件测试可知，试样中Cu含量为0.20%时，珠光体含量仅为40.70%；而当试样中Cu含量为0.60%时，试样中的珠光体含量达76.65%。
(a) 0.2%；(b) 0.3%；(c) 0.4%；(d) 0.5%；(e) 0.6%
图 5 不同 Cu 含量试样的基体组织
Figure5 Matrix structure of samples with different Cu content
不同Cu含量球铁试样的定量金相分析结果见表5。表5的数据表明：随着Cu含量的增加，球铁试样中的石墨球数增加，珠光体含量增加；Cu含量从0.2%增加到0.6%，球铁试样中的珠光体含量从40.70%增加到76.65%；在Cu含量变化范围内，球铁试样的球化等级均为3级，随着Cu含量的变化，球化率变化不大。
表 5 不同 Cu 含量下球铁试样的石墨数、球化率、球化等级、珠光体含量
Table5 Graphite number, spheroidization rate, spheroidization grade and pearlite content of nodular iron samples with different Cu content
根据表5中的定量金相分析结果，作出Cu含量对球铁试样的石墨球数、球化率和珠光体含量的关系图，不同Cu含量对球铁试样石墨球数和球化率的影响如图6所示，不同Cu含量对球铁试样珠光体含量的影响如图7所示。
从图6可以看出，随着Cu含量的增加，球铁试样中的石墨球数增加，球化率变化不明显。Cu元素为促进石墨化元素，因此，随着Cu量的增加，石墨球数增加。从图7可以看出，随着Cu含量的增加，球铁试样中的珠光体含量增加。当Cu含量较低时，珠光体含量增加幅度较低，当Cu含量超过0.5%时，珠光体含量增加幅度变小。
图 6 不同 Cu 含量对球铁试样石墨球数和球化率的影响
Figure6 Effects of Cu content on graphite spheriodization and spheriodization rate of nodular iron samples
图 7 不同 Cu 含量对球铁试样珠光体含量的影响
Figure7 Effects of Cu content on pearlite content of ductile iron samples
2.3 力学性能
不同Cu含量球铁试样的力学性能见表6。表6的数据表明：当Cu含量较少时，试样的强度和硬度都不能满足80-55-06级球铁材料对力学性能指标的要求；当Cu含量为0.6%时，球铁试样的伸长率不能满足80-55-06级球铁材料的指标要求；当Cu含量在0.3%～0.5%之间时，符合美国ASTM A536标准中的 80-55-06级球墨铸铁的性能要求。
表 6 不同 Cu 含量球铁试样的力学性能
Table6 Mechanical properties of ductile iron samples with different Cu contents
根据表6中的力学性能试验数据，作出Cu含量对球铁试样抗拉强度、伸长率和布氏硬度的影响图，不同Cu含量对球铁试样强度的影响如图8所示，不同Cu含量对球铁试样伸长率的影响如图9所示，不同Cu含量对球铁试样布氏硬度的影响如图10所示。
图8表明，随着Cu含量的增加，试样的抗拉强度和屈服强度增加，抗拉强度的增加幅度大于屈服强度的增加幅度。图9表明，随着Cu含量的增加，球铁试样的延伸率先增加后降低，当Cu含量为0.4% 时，球铁试样的延伸率最高。图10表明，随着Cu含量的增加，球铁试样的布氏硬度增加，当Cu含量较高时，布氏硬度的增加幅度减小。
图 8 不同 Cu 含量对球铁试样强度的影响
Figure8 Effects of different Cu contents on the strength of ductile iron samples
图 9 不同 Cu 含量对球铁试样伸长率的影响
Figure9 Effects of Cu content on the elongation of ductile iron samples
图 10 不同 Cu 含量对球铁试样布氏硬度的影响
Figure10 Effects of Cu content on brinell hardness of nodular iron samples
2.4 断口分析
不同Cu含量球铁试样的拉伸断口形貌如图11所示。图11中分别为放大200倍和500倍电镜照片。从图11中可以看出，断口表面存在大量石墨球，石墨球周围存在撕裂棱，石墨球之间的基体中存在“河流花样”以及解理台阶。试样在拉伸应力作用下，由于存在颈缩而在最小截面上造成三维应力，这些三维应力使缺陷、晶界等形成显微空洞，致使石墨球脱离基体而留下空洞。随着应力的提高，空洞不断长大相连，同时伴随着新的空洞的产生，而使裂纹缓慢长大，成为重要的裂纹萌生源 [3]。
图 11 不同 Cu 含量球铁试样的断口形貌
Figure11 Fracture morphology of ductile iron samples with different Cu content
图11表明，当Cu含量较低时，基体中的铁素体含量较多，由于铁素体的韧性较好，石墨球周围的撕裂棱形成的韧窝较深，基体中的解理台阶及河流花样较少。随着Cu含量的增加，基体中的珠光体含量增加，石墨球周围撕裂棱形成的韧窝不明显，解理台阶及“河流花样”明显增多。
3 结论
（1） Cu含量在0.20%～0.60%范围内，所有球墨铸铁试样球化良好。随着Cu含量的增加，试样中的石墨球数增加，石墨球直径减小。
（2）随着Cu含量的增加，试样中的铁素体含量减少，基体中的珠光体含量增加。试样中Cu含量为0.20%时，珠光体含量仅为40.70%；而当试样中含 Cu含量有0.60%时，试样中的珠光体含量达76.65%。
（3）Cu含量在0.20%～0.60%范围内，球铁试样的球化等级均为3级，随着Cu含量的变化，球化率变化不大。
（4）当铜含量为0.2%时，试样的强度和硬度都不能满足80-55-06级球铁材料对力学性能指标的要求；当Cu含量为0.6%时，球铁试样的伸长率不能满足80-55-06级指标的要求。随着Cu含量的增加，球墨铸铁试样的抗拉强度、屈服强度、布氏硬度增加，球铁试样的伸长率先增加后降低。
（5）当Cu含量在0.3%～0.5%之间时，符合美国ASTM A536标准中的80-55-06级球墨铸铁的性能要求。
参考文献
[1] 张弛 . 中国北车齐轨道公司首批世界顶级矿石车交付力拓集团 [N]. 人民网大连视窗，2013.1.11.
[2] 赵书城 . 铜对球墨铸铁组织和性能的影响 [J]. 现代铸铁，2000：13-15.
[3] ASTM A536-1984 (Reapproved 1999),Standard Specification for Ductile Iron Castings[S].
[4] 吴德海 , 钱立 , 胡家骢 . 灰铸铁、球墨铸铁及其熔炼 [M]. 北京：中国水利水电出版社，2006.129-131.
[5] 朱先勇 , 刘耀辉 , 张英波 , 等 . 铸态珠光体球墨铸铁组织形态与性能 [J]. 农业机械学报 ,2007, 38(2)：179-182.
[6] J.O.T. Adeware, C.R. Loper Jr,《AFS Trans》1976, P527-534.
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发表于 2019-7-18 18:46:54
