王邦倫， 陳 松， 賈文靜， 任苗苗， 李善靜

(安徽工程大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院, 安徽 蕪湖 241000)

消失模鑄件質(zhì)量高、設(shè)計(jì)方便且生產(chǎn)成本低，球墨鑄鐵不僅具有較高的強(qiáng)度、韌性和耐磨性，還有良好的鑄造性、可加工性[1-2]，因此，球墨鑄鐵消失模鑄造工藝的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。消失模泡沫材質(zhì)有EPS、STMMA和EPMMA，其中前兩種在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較多。不少學(xué)者對(duì)消失模泡沫材質(zhì)進(jìn)行了研究。李曦等研究了EPS和STMMA 2種泡沫材料的熱氧化分解過程，利用熱重分析儀分析了EPS和STMMA的熱氧化降解行為特性及反應(yīng)機(jī)理，發(fā)現(xiàn)在熱氧化分解過程中EPS的分解溫度比STMMA高，認(rèn)為EPS泡沫的氧化分解速率受界面反應(yīng)速率影響，由相界面反應(yīng)機(jī)理控制；而STMMA泡沫的分解過程較為復(fù)雜，由多種反應(yīng)機(jī)制控制[3]。白明雪對(duì)球墨鑄鐵鑄造用消失模板材成型工藝及性能進(jìn)行了研究，通過燃燒試驗(yàn)及物理性能測(cè)試認(rèn)為，STMMA的燃燒性能較好，在殘余率、氣化分解等方面優(yōu)于EPS；通過鑄造試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，STMMA產(chǎn)生的黑渣缺陷比EPS少[4]。AZIMI等對(duì)消失模用泡沫熱解特性進(jìn)行了研究[5]。CAULK研究了充型過程中多種泡沫降解前沿氣隙形成的模式對(duì)金屬液充型的影響，認(rèn)為在氣隙模式下，泡沫的液態(tài)產(chǎn)物在金屬液中受熱氣化形成大量氣泡逸出，并進(jìn)入金屬液/泡沫界面形成氣隙層[6-7]。

上述研究主要關(guān)注消失模泡沫材質(zhì)本身的理化性能，但關(guān)于泡沫材質(zhì)對(duì)球墨鑄鐵組織性能影響的研究較少。本文對(duì)比研究了EPS與STMMA 2種泡沫材料對(duì)球墨鑄鐵組織與性能的影響，為企業(yè)在消失模鑄造中選擇合適的泡沫材質(zhì)提供一定參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

消失模泡沫材料來(lái)源于企業(yè)A，鑄造實(shí)驗(yàn)方案參照企業(yè)B。模具結(jié)構(gòu)如圖1所示(此模具為企業(yè)實(shí)驗(yàn)通用模具，實(shí)際只需6個(gè)，余2個(gè))，模具由8束尺寸均為50 mm×50 mm×500 mm的長(zhǎng)方體構(gòu)成。其中3束泡沫模采用EPS材料，3束泡沫模采用STMMA材料。在1 530 ℃時(shí)將鐵液澆注到模具中，空冷至室溫，采用線切割方式在每束鑄件上距頂端10 mm、100 mm及300 mm處取樣(見圖1)，共得到18個(gè)尺寸均為50 mm×50 mm×10 mm的長(zhǎng)方體試樣。

將試樣依次用砂紙磨制、拋光布拋光后，用4%的硝酸酒精溶液腐蝕。用奧林巴斯BX51金相顯微鏡觀察顯微組織。用定量金相軟件測(cè)定試樣中石墨和珠光體的面積百分比。用310HBS-3000數(shù)顯布氏硬度計(jì)測(cè)量試樣硬度，每個(gè)試樣測(cè)5個(gè)不同位置并取平均值；用顯微硬度計(jì)測(cè)定試樣不同顯微組織的布氏硬度。

圖1 鑄造用模具三維圖

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試樣拋光態(tài)顯微組織

圖2為試樣拋光狀態(tài)的顯微組織?？梢园l(fā)現(xiàn)，STMMA與EPS球墨鑄鐵試樣在石墨尺寸、形態(tài)及分布方面無(wú)顯著差異，所有試樣局部都存在少量的蠕蟲狀石墨。

2.2 試樣腐蝕后顯微組織

圖3為用4%硝酸酒精溶液腐蝕過后的試樣的金相組織圖片。可以發(fā)現(xiàn)，EPS與STMMA 2種球墨鑄鐵試樣的基體組織都以珠光體為主，并含有少量鐵素體。

圖4為利用定量金相軟件測(cè)得的2個(gè)試樣的珠光體含量對(duì)比，可以看出，EPS球墨鑄鐵試樣的基體組織中珠光體體積分?jǐn)?shù)高于STMMA試樣。

(a) 距離頂端10 mm的EPS試樣 (b) 距離頂端100 mm的EPS試樣

(c) 距離頂端300 mm的EPS試樣 (d) 距離頂端10 mm的STMMA試樣

(e) 距離頂端100 mm的STMMA試樣 (f) 距離頂端300 mm的STMMA試樣圖2 不同試樣的石墨結(jié)構(gòu)和分布圖

(a) 距離頂端10 mm的EPS試樣 (b) 距離頂端100 mm的EPS試樣

(c) 距離頂端300 mm的EPS試樣 (d) 距離頂端10 mm的STMMA試樣

(e) 距離頂端100 mm的STMMA試樣 (f) 距離頂端300 mm的STMMA試樣圖3 用4%硝酸酒精溶液腐蝕后的不同試樣的金相組織

圖4 EPS和STMMA試樣的珠光體含量

圖5為高倍顯微鏡下球墨鑄鐵顯微組織圖片。可以看出，EPS球墨鑄鐵試樣的珠光體片層間距明顯小于STMMA；2種試樣的石墨球周圍都存在鐵素體組織，但STMMA球墨鑄鐵試樣的鐵素體含量高于EPS。球狀石墨是在液相中析出的，在球墨鑄鐵發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變前已經(jīng)有球狀石墨直接從鐵水中析出，從而在球狀石墨周圍形成貧碳區(qū)。當(dāng)碳當(dāng)量一定時(shí)，在鐵液凝固過程中形成的球狀石墨越多，剩余鐵液中碳濃度越低，形成的滲碳體含量也就越少，不利于在共析反應(yīng)時(shí)珠光體形成[8]。在奧氏體共析反應(yīng)中，由于奧氏體中碳原子濃度起伏，在高碳區(qū)形成滲碳體，貧碳區(qū)形成鐵素體[9]。球狀石墨越大，基體中的碳原子越容易擴(kuò)散到石墨上，從而形成圖5(a)所示的“牛眼狀”鐵素體。

(b) STMMA試樣圖5 球墨鑄鐵試樣顯微組織圖片

2.3 試樣布氏硬度

圖6為2種試樣的布氏硬度圖。QT600的硬度范圍為：190～270 HB[10]。由圖6可以看出，試樣的布氏硬度均符合要求，同一鑄件距離頂端越近硬度越高，但EPS球墨鑄鐵試樣所有位置的布氏硬度均高于STMMA。

圖6 EPS和STMMA試樣的布氏硬度

3 分析與討論

3.1 顯微組織分析

STMMA與EPS球墨鑄鐵試樣在石墨尺寸、形態(tài)、分布方面無(wú)顯著差異，但STMMA球墨鑄鐵試樣的基體組織中珠光體含量低于EPS。2種材質(zhì)的球墨鑄鐵試樣的珠光體含量與石墨含量的關(guān)系如圖7所示。

圖7 2種試樣珠光體含量與石墨含量的關(guān)系

由圖7 可以看出，STMMA球墨鑄鐵試樣的石墨含量高于EPS，而EPS球墨鑄鐵試樣珠光體含量高于STMMA；對(duì)于同一試樣，石墨含量與珠光體含量的變化呈負(fù)相關(guān)。碳在球墨鑄鐵中的存在形式主要有石墨和碳化物兩種，其中碳化物主要是滲碳體，而滲碳體主要存在于珠光體中。因此，從顯微組織的角度來(lái)看，球墨鑄鐵中的碳主要存在于石墨和珠光體兩種組織中，其中石墨是純碳，珠光體的含碳量為0.77%。對(duì)于同一種球墨鑄鐵試樣，含碳量一定，所以若石墨體積分?jǐn)?shù)下降，則珠光體體積分?jǐn)?shù)升高，反之亦然。

在相同成分的鐵液中，STMMA球墨鑄鐵試樣因在共晶轉(zhuǎn)變前在液相中析出的石墨比EPS多，故在共析反應(yīng)時(shí)所形成的珠光體數(shù)量比EPS少，基體中鐵素體含量比EPS多。

3.2 力學(xué)性能分析

球墨鑄鐵的力學(xué)性能主要受石墨球大小、數(shù)量、分布及珠光體含量、片層間距的影響[11]。當(dāng)球墨鑄鐵試樣中石墨尺寸、形態(tài)及分布不發(fā)生顯著變化時(shí)，其力學(xué)性能主要取決于試樣的基體組織。通過顯微硬度計(jì)測(cè)得球墨鑄鐵中各顯微組織的硬度：石墨約為5 HBW、鐵素體約為80 HBW、珠光體約為290 HBW。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，可得球墨鑄鐵布氏硬度與顯微組織的關(guān)系為：

HB=5fG+80fa+290fP

(1)

球墨鑄鐵試樣中各顯微組織體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系為：

fG+fa+fP≈1

(2)

根據(jù)碳含量可得：

fG+0.0077fP≈C

(3)

由式(1)-式(3)可得

HB≈210fP-75C+80

(4)

式中：HB為球墨鑄鐵布氏硬度，單位HBW；fG為石墨體積分?jǐn)?shù)；fa為鐵素體體積分?jǐn)?shù)；fP為珠光體體積分?jǐn)?shù)；C為碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)。對(duì)于含碳量一定的球墨鑄鐵，由式(4)可知，布氏硬度取決于珠光體體積分?jǐn)?shù)，珠光體含量越高，球墨鑄鐵的硬度越高；由式(2)、式(3)可知，當(dāng)珠光體含量升高時(shí)，石墨與鐵素體含量都會(huì)降低。故EPS球墨鑄鐵試樣因基體組織中珠光體體積分?jǐn)?shù)高于STMMA球墨鑄鐵試樣而硬度較高。

珠光體的力學(xué)性能主要由珠光體的片間距決定，珠光體片間距越小，強(qiáng)度和塑性越好。這是因?yàn)楫?dāng)鐵素體和滲碳體片層較薄時(shí)，相界面增多，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力增大，即珠光體抵抗塑性變形的能力增大，故強(qiáng)度提高。同時(shí)，片間距減小，滲碳體片層較薄，晶界在外力作用下容易滑移，從而使珠光體的塑性提高[12-14]。EPS球墨鑄鐵試樣的珠光體片間距明顯小于STMMA，因此，其力學(xué)性能高于STMMA。

4 結(jié)語(yǔ)

通過研究分析，得主要結(jié)論如下：

(1) STMMA與EPS 2種消失模泡沫材質(zhì)的球墨鑄鐵在石墨尺寸、形態(tài)、分布方面無(wú)明顯差異，但STMMA試樣的石墨含量高于EPS。

(2) EPS球墨鑄鐵試樣的基體組織中珠光體含量高于STMMA，且珠光體片層間距小于STMMA，致使EPS球墨鑄鐵試樣的布氏硬度高于STMMA。

(3) 對(duì)于含碳量確定的球墨鑄鐵，其布氏硬度取決于珠光體體積分?jǐn)?shù)，珠光體含量越高，球墨鑄鐵的硬度越高；當(dāng)珠光體含量升高時(shí)，石墨與鐵素體含量都會(huì)降低。

本文主要檢測(cè)了試樣的布氏硬度，對(duì)其塑性、韌性等力學(xué)性能尚未檢測(cè)，后續(xù)將通過拉伸試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)對(duì)力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)定。