宋 良

(黑龙江科技大学 材料科学与工程学院， 哈尔滨 150022)

Cu对球墨铸铁组织和力学性能的影响

宋 良

(黑龙江科技大学 材料科学与工程学院， 哈尔滨 150022)

为提高球墨铸铁的力学性能，采用消失模法浇注铜质量分数不同的球墨铸铁试样，利用金相显微镜观察球铁试样的微观组织，结合硬度和拉伸实验，分析Cu加入量对球铁微观组织和力学性能的影响，并通过扫描电镜拍摄试样的断口形貌，探寻Cu质量分数与球墨铸铁石墨形态及分布的内在联系。结果表明：随着铜质量分数的上升，珠光体数量逐渐增多。当铜质量分数为0.8%时，球铁试样的石墨形态较好，塑性、硬度和强度最佳，具有较高的力学性能。

球墨铸铁； Cu； 显微组织； 力学性能

现今，球墨铸铁在汽车、风电、核乏燃料储运等方面应用广泛，且年产量逐年增长[1-3]。为提高球墨铸铁的质量，减少铸造过程中的缺陷，通常加入球化剂、孕育剂、合金元素来提高球墨铸铁的质量。铜是促进球墨铸铁石墨化的合金元素之一，适量加入可增加珠光体含量并提高球铁强度[4-6]。目前,球墨铸铁的种类较多，其中硅的质量分数为1.8%的球铁广泛应用于汽车发动机部件、曲轴和大型球铁仪器[7-9]。因此，笔者对含硅质量分数为1.8%的球铁分别加入不同含量的铜，考察铜对球铁石墨形态及分布和珠光体的影响，探寻球铁获得最佳力学性能的铜质量分数。

1 实验方法与设备

熔铸材料选用本溪生铁、45#钢、75%硅铁和稀土球化剂，原材料和球化剂的化学成分分别如表1和2所示。考虑材料的综合力学性能，分别制备了三个Cu质量分数不同的球铁试样，其化学成分如表3所示。用中频感应炉熔炼配制好的原料，采用消失模法浇注球铁试样。根据各元素的熔点及烧损率进行配料计算，用中频电炉熔化铁水，炉料为本溪Q12生铁和45#碳素钢。铁水1 400 ℃出炉，球化剂冲入法进行球化处理，用Si-Fe进行孕育处理。球化、孕育处理后的铁液覆盖一层珍珠岩集渣、保温，并扒渣。浇注温度为 1 320～1 350 ℃，球铁试样的铸型材料均选用石英砂自然冷却。采用 OLMYPUS-GX71 型光学显微镜观察球铁基体组织和石墨形态，利用HR-150A型硬度计对球铁试样进行硬度测试。拉伸实验在室温下使用拉伸试验机(Instron-1186)进行，依据标准GB/T 228—2002，采用标准φ10拉伸试样，拉伸速率为0.8 mm/min。选用Philips-FEI sirion扫描电镜对拉伸试样断口进行观察分析。

表1 原材料的化学成分

表2 球化剂的化学成分

表3 球铁试样的化学成分

2 结果与分析

2.1微观组织

三个Cu质量分数不同的试样分别标记为试样A、B和C，其化学成分如表3所示，三个试样的显微组织如图1所示。

a 试样A

b 试样B

c 试样C

由图1a可知，当铜质量分数为0.5%时，试样中的石墨数量较多，多数为球状石墨，并含有少量的碎块状石墨。当铜质量分数上升到0.8%时，石墨球并未发生明显变化，石墨球数量依然较多，石墨形态以球状石墨为主，并伴随极少量的碎块状石墨，如图1b所示。随着铜质量分数的进一步增加，当铜质量分数为1.1%时，石墨形态发生明显恶化，石墨球数量明显减少，石墨形态以碎块状为主，并含有少量的畸形石墨，如图1c所示。这表明在文中实验条件下，铜质量分数为0.5%时对石墨的球化效果较好，当铜质量分数超过0.8%时，石墨的球化效果发生恶化。

2.2基体组织

三个试样的金相腐蚀照片如图2所示。由图2a可知，试样A中含有大量的铁素体，其间分布着球状石墨和少量的珠光体。当铜质量分数上升到0.8%时，珠光体的数量显著增加，其形态多为粒状，可以清晰的看到大量的“牛眼状”组织，并伴随少量的石墨，如图2b所示。随着铜质量分数继续增加到1.1%时，试样中存在较多的珠光体，并伴随少量的铁素体，如图2c所示。

a 试样A

b 试样B

c 试样C

根据GB/T 9441—2009《球墨铸铁金相检验》标准，当铜质量分数为0.5%时，试样A中珠光体体积分数为5%。当铜质量分数上升到0.8%时，试样B中珠光体体积分数增加到15%。由此可知，在铜质量分数由0.5%升高到0.8%时，可显著提高球铁中珠光体的体积分数。在铜质量分数达到1.1%时，珠光体的体积分数为20%，珠光体数量有所增加，但并不是很明显。在文中实验条件下，增加铜可以显著提高球铁珠光体的体积分数，而当铜质量分数超过0.8%时，继续增加铜对球铁珠光体数量的增加效果变得不显著。

2.3力学性能

球铁试样的硬度、延伸率和抗拉强度见表4所示。由表4可知，试样A的硬度为825 MPa，当铜质量分数上升到0.8%时，球铁的硬度随之迅速增加，试样B的硬度达到了905 MPa。随着铜质量分数的进一步增加到1.1%，试样C的硬度为950 MPa。可以发现硬度的增加变得不明显，这是由于基体中铁素体和珠光体的比例决定了各试样硬度的大小，珠光体的体积分数越高，试样的硬度越大[10]。由2.2节可知，球铁基体中珠光体体积分数由试样A的5%增加到试样B的15%，数量明显增加。

由表4可以看出，试样B的延伸率明显低于试样A，这是由于随着铜质量分数的上升，试样B的珠光体体积分数显著增加，由试样A的5%上升到试样B的15%，而试样A和试样B的石墨形态无明显变化，如图1所示。球铁中石墨形态的恶化和珠光体体积分数的上升都会导致其延伸率下降[11]，因此，当Cu质量分数由0.5%增加至0.8%，球铁试样的延伸率下降较为显著。随铜质量分数的继续增加，试样C的延伸率进一步降低，这是因为两个试样的石墨形态存在很大差异，试样B的石墨以球状为主，伴随极少量的碎块状石墨。而试样C的石墨以团絮状和碎块状居多，并含有少量的畸形石墨。同时，相对于试样B，试样C的珠光体体积分数增加了5%。

表4球铁试样的硬度、延伸率和抗拉强度

Table4Hardness,elongationandtensilestrengthofductilecastiron

试样硬度/MPa延伸率/%抗拉强度/MPaA82510283B9058340C9507365

三个球铁试样的抗拉强度如表4所示。由表4可知，铜质量分数为0.5%、0.8%和1.1%时，试样的抗拉强度分别为283、340和365 MPa。这是因为球墨铸铁中珠光体的数量决定了其抗拉强度的大小，珠光体体积分数的增多会导致抗拉强度的上升[12]。由图2可知，在铜质量分数低于0.8%时，提高铜质量分数能够显著增加球铁中珠光体数量；在铜质量分数高于0.8%时，珠光体数量的增加并不明显，而石墨形态恶化严重，在铜质量分数为1.1%时较为明显，石墨多为团絮状和碎块状，并出现了畸形石墨。所以相对于试样B，试样C抗拉强度的增加并不十分显著。

2.4拉伸断口形貌

图3所示为球铁试样的拉伸断口形貌。当铜质量分数为0.5%时，在试样A中可观察到分布着大量的解理面和解理台阶，并且在撕裂棱上存在着部分韧窝。韧窝是由于球状石墨在外力的作用下，阻止微裂纹的扩展，在基体上产生了多个微孔，多个微孔相互聚集、连接形成主裂纹，并导致断裂[13-15]，如图3a所示。试样A为韧-脆混合型断裂，以脆性断裂为主。

随着铜质量分数的进一步增加，由图3b所示，在试样B的断口上可以观察到较多的解理面和解理台阶，以及部分的河流花样，其韧窝数较试样A少。这是因为试样B的珠光体体积分数远远高于试样A。珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物，脆性较高，在外力的作用下，易产生裂纹，并发生断裂。试样B的断口为脆性断口，这也说明了试样B的延伸率低于试样A。试样B的断裂方式为准解理断裂，裂纹起源于晶内硬质点，形成从晶内某点发源的放射状河流花样。在图1b中试样B的基体组织中出现了碎块状石墨，并且发生了石墨的偏聚现象，石墨偏聚使得基体可承载受力面积减小，在外力的作用下，碎块状石墨极易产生裂纹并迅速割裂基体，同时形成断裂。

如图3c所示，在试样C的断口上分布着大量的解理面和解理台阶，极少量的韧窝，以及畸形石墨。在外力的作用下，畸形石墨的尖角易产生应力集中，萌生裂纹并扩展，微裂纹汇聚形成主裂纹，在这个过程中能量降低，同时由于存在大量的珠光体，基体的塑性变形能力变差，进一步使材料的脆性增加。

通过上述分析可知，随铜质量分数的上升，球墨铸铁试样的断口形貌由韧-脆混合型断裂向脆性准解理断裂转变。在球铁基体中，珠光体和石墨形态都会对球铁的脆性产生影响。随着铜质量分数上升，珠光体的体积分数明显增加，而石墨形态恶化严重，所以试样的延伸率随之降低。

a 试样A

b 试样B

c 试样C

3 结 论

(1)当铜质量分数为0.8%时，球铁的石墨形态较好且分布均匀。当铜质量分数超过0.8%时，石墨形态恶化。

(2)随着铜质量分数的增加，球铁中珠光体的数量随之增加，当铜质量分数高于0.8%时，珠光体数量增加趋势减缓。当铜质量分数为0.8%时，球状石墨数量多、形态较好，珠光体数量适中，球铁的综合力学性能较高。

(3)随着铜质量分数的增加，球铁的脆性增加，当铜质量分数为0.5%时，试样的断裂方式为韧-脆混合型断裂；当铜质量分数为0.8%和1.1%时，试样的断裂方式分别为准解理断裂和脆性解理断裂。

[1] 卫东海, 李克锐, 吴现龙, 等. 铜对铸态球墨铸铁弹性模量的影响[J]. 材料热处理学报, 2014 , 35(S1): 90-95.

[2] 李荣德, 张新宁, 蒋立鹏, 等. 铁素体球墨铸铁低温冲击断裂行为的影响因素[J].机械工程学报, 2016, 10(52): 25-31.

[3] Fredriksson H, Ssjerndahl J, Tinoco J. On the solidification of nodular iron and its relation to the expansion and contraction[J]. Materials Science and Engineering A, 2005, 413(414): 363-372.

[4] Minnebo P, Nilsson K F, Blagoeval D. Tensile, compression and fracture properties of thick-walled ductile cast iron components[J]. Journal of Materials Engineering and Performance, 2007, 16(9): 35-35.

[5] Bockus S, Zaldrys G. Influence of the inoculation on the microstructure of ductile iron castings[C]//14th international conference on mechanika, Kaunas, Lithuania: ICM, 2009: 52-56.

[6] 邓丽霞, 高生祥. 铜微合金化对QT600球墨铸铁组织和性能的影响[J]. 金属热处理, 2016, 41(4): 38-41.

[7] Sohi M H, Ahmadabdi M N, Vahdat A B. The role of austempering parameters on the structure and mechanical properties of heavy section ADI[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2004, 153: 203-208.

[8] 曾维和, 田迎新, 李德江, 等. 汽车发动机曲轴用高性能球墨铸铁显微组织与力学性能研究[J]. 铸造, 2016, 65(1): 71-75.

[9] 陆兆钠. 球墨铸铁抗腐蚀性和抗生长性研究[J]. 铸造技术, 2016(11): 2334-2336.

[10] Song Liang, Guo Erjun, Wang Liping, et al. Effects of silicon on mechanical properties and fracture toughness of heavy-section ductile cast iron[J]. Metals-Basel, 2015, 5(1): 150-161.

[11] Toktas G, Tayanc M, Toktas A. Effect of matrix structure on the impact properties of an alloyed ductile iron[J]. Materials Characterization, 2006, 57(4/3): 290-299.

[12] Song Liang, Guo Erjun, Tan Changlong. Effect of Bi on graphite morphology and mechanical properties of heavy section ductile cast iron[J]. China Foundry, 2014, 11(2): 125-131.

[13] 赵立新, 白云龙. 高强度大断面工作辊用球墨铸铁组织与性能研究[J]. 金属加工： 热加工, 2016(21): 7-9.

[14] Chiniforush E A, Iranipour N，Yazdani S. Effect of nodule count and austempering heat treatment on segregation behavior of alloying elements in ductile cast iron[J]. China Foundry, 2016, 13(3): 217-222.

[15] Roula A, Kosnikov G A. Manganese distribution and effect on graphite shape in advanced cast irons[J]. Materials Letters, 2008, 62(23): 3796-3799.

(编校王 冬)

EffectofCuonmicrostructureandmechanicalpropertiesofductilecastiron

SongLiang

(School of Material Science & Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

This paper is aiming at improving the mechanical properties of the ductile cast iron by preparing three-component ductile cast iron castings with different copper mass fraction using the lost foam casting method. The research involves observing microstructure of ductile iron sample using metallographic microscope; analyzing the effect of Cu on the microstructure and mechanical properties of the ductile cast iron, combined with hardness and tensile test; and observing the fracture morphology of the specimen by scanning electron microscope and thereby exploring the internal relationship between graphite morphology and distribution of Cu and nodular cast iron. The results show that pearlite has a gradually increasing number depending on an increased copper mass fraction and the copper mass fraction of 0.8% gives ductile iron sample a better graphite morphology, and a higher plasticity, hardness, strength and mechanical property.

ductile cast iron； Cu； microstructure； mechanical properties

10.3969/j.issn.2095-7262.2017.06.020

TG143

2095-7262(2017)06-0674-05

A

2017-09-22

宋 良(1976-)，男，黑龙江省大庆人，讲师，博士，研究方向：球墨铸铁的力学性能，E-mail:songliang16888@163.com。