鈮對球墨鑄鐵共晶溫度和鑄態(tài)組織的影響

吳家棟 陳楊珉 劉海寧 張云虎 陳湘茹 翟啟杰

(先進凝固技術(shù)中心，上海大學材料科學與工程學院，上海 200444)

高強度球墨鑄鐵是一種重要的工程結(jié)構(gòu)材料，雖然問世時間較晚，但其機械加工性能好、制造成本低，現(xiàn)己廣泛用于制造受力復雜，強度、韌性和耐磨性要求較高的零件，如汽車后橋、齒輪、曲軸、連桿、機車車輪、滾子和磨球等[1- 4]。碳化物的存在是影響鑄鐵耐磨性和沖擊韌性的重要因素。鈮是一種強碳化物形成元素，可以有限地固溶于奧氏體中，有助于提高過冷奧氏體的穩(wěn)定性和淬透性。研究表明，鑄鐵中加入鈮可以細化晶粒，并改善力學性能[5- 6]；灰鑄鐵中摻入鈮后，珠光體片層間距明顯減小，石墨細化，抗拉強度、硬度和沖擊韌性均提高[7- 10]；此外，高鉻鑄鐵中加入鈮后，其耐磨性、強度和沖擊韌性均提高[11- 14]。但是鈮對球墨鑄鐵組織和性能的影響的相關(guān)研究報道較少。本文通過熱分析法測定Mn- Cu- Mo球墨鑄鐵的凝固冷卻曲線，并結(jié)合圖像分析軟件對鑄態(tài)組織進行定量分析，研究了鈮對球墨鑄鐵共晶溫度及鑄態(tài)組織的影響，以期為球墨鑄鐵性能的提高提供理論依據(jù)。

1 試驗材料及方法

采用鑄造生鐵、硅鐵、錳鐵、鉬鐵、純銅、鈮鐵作原材料，根據(jù)目標化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%,下同)3.8～4.0 C，2.7～3.2 Si，2.3～2.8 Mn，0.4～0.6 Mo，0.4～0.7 Cu，0.2～0.8 Nb進行配比，采用中頻感應爐中熔煉，出爐溫度為1 450～1 500 ℃，澆注溫度為(1 400±20) ℃。采用沖入法球化，球化劑為FeSiMg10RE7，加入量為2.0%。先將球化劑破碎成小塊，放入處理包底部，然后在球化劑上覆蓋孕育劑、珍珠巖集渣劑等，沖入1/2～2/3鐵液，在鐵液沸騰結(jié)束時再沖入剩余鐵液，然后加集渣劑徹底扒渣。采用75SiFe孕育劑，加入量為1.5%。球化處理時將一半孕育劑覆蓋在球化劑上，另一半在加鐵水時放入。出爐前進行化學成分檢測，爐料全部熔化后，取適量鐵液澆成φ45 mm×4 mm的光譜試樣，用光譜儀分析其化學成分，結(jié)果如表1所示。

除渣后將鐵液注入模具(樹脂砂鑄件)中，澆注成如圖1所示的Y型試塊，圖中箭頭所指為金相試樣的取樣位置。采用熱分析法測定鐵水的凝固冷卻曲線，球化- 孕育處理后取適量鐵液澆入樣杯，在樣杯特定的散熱條件下，熱分析儀采集并記錄樣杯內(nèi)鐵水的凝固溫度曲線，再采用Origin8.5軟件對曲線求導獲得球墨鑄鐵的共晶轉(zhuǎn)變溫度。

表1 球墨鑄鐵的化學成分(質(zhì)量分數(shù))Table 1 Chemical compositions of the nodular irons (mass fraction) %

圖1 Y型試塊示意圖Fig.1 Sketch of Y- type block

從Y型試塊上切取金相試樣，經(jīng)打磨、拋光后，采用光學顯微鏡觀察球墨鑄鐵的鑄態(tài)組織，并用Image Pro Plus軟件對球墨鑄鐵組織(石墨相、球化率及基體組織)進行定量分析。

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 鈮對球墨鑄鐵共晶溫度的影響

圖2為不同鈮含量球墨鑄鐵的凝固冷卻曲線?？梢钥闯?，凝固初期由于鐵液的熱擴散作用，溫度快速下降。試驗用球墨鑄鐵的碳當量為4.8%～5.0%，屬于過共晶鑄鐵，因此當鐵液溫度下降至液相線附近時，先共晶石墨開始形核、長大，并釋放結(jié)晶潛熱，使鐵液溫度稍有回升并出現(xiàn)結(jié)晶平臺，平臺對應的溫度即為球墨鑄鐵的共晶溫度。

圖2 不同鈮含量球墨鑄鐵的凝固冷卻曲線Fig.2 Cooling curves during solidification of the nodular irons with different niobium contents

表2為不同鈮含量球墨鑄鐵的共晶溫度。從表2可以看出，不含鈮球墨鑄鐵的共晶溫度為1 133 ℃。隨著含鈮量的增加，共晶溫度先升高后降低，但是變化幅度不大，說明鈮對球墨鑄鐵共晶溫度的影響不明顯。含鈮量較低時，鈮在鐵液中與碳結(jié)合形成碳化鈮(NbC)，成為石墨異質(zhì)形核的核心[7]，促進石墨生成并使共晶溫度升高。含鈮量較高時，NbC析出消耗鐵液中的碳元素，使初生石墨數(shù)量減少，共晶反應推遲，共晶溫度降低，從而導致共晶反應的延遲和共晶溫度降低。

表2 不同含鈮量球墨鑄鐵的共晶溫度Table 2 Eutectic temperatures of the nodular irons with different niobium contents ℃

2.2 鈮對石墨球含量和球化率的影響

石墨球含量和球化率反映了球墨鑄鐵石墨化和球化程度。不同含鈮量球墨鑄鐵中石墨球的典型形態(tài)如圖3所示。

圖3 不同含鈮量球墨鑄鐵中的石墨形態(tài)Fig.3 Morphologies of graphite in the nodular irons with different niobium contents

石墨的實際面積與基體面積的比值為石墨面積分數(shù)，不同含鈮量球墨鑄鐵中石墨的面積分數(shù)如圖4所示。隨著含鈮量的增加， 石墨面積分數(shù)先從15%增加到16%后又減小到14%，變化不大，這與鈮的加入對先共晶石墨相的雙重作用有關(guān)。當鈮含量較低時，NbC作為異質(zhì)形核核心的作用占主導，有利于石墨的析出和長大，所以石墨數(shù)量增加；鈮含量提高后，由于較多量的NbC生成消耗基體中的碳，使石墨數(shù)量減少。但相比于球墨鑄鐵中的碳，鈮含量很少，其所起的作用也較小，石墨含量變化不大，因此鈮對球墨鑄鐵石墨化的影響不大。

圖4 石墨面積分數(shù)與含鈮量之間的關(guān)系Fig.4 Relationship between the graphite area fraction and niobium content

單顆石墨的實際面積與最小外接圓面積的比值稱為石墨面積率，通常按石墨的面積率劃分石墨形態(tài)。面積率大于或等于0.81為球狀石墨，面積率0.80～0.61為團狀石墨，面積率0.60～0.41為團絮狀石墨，面積率0.40～0.21為蠕蟲狀石墨，面積率小于0.21為片狀石墨[15]。不同含鈮量球墨鑄鐵中不同形態(tài)石墨的數(shù)量和修正后的石墨總數(shù)如表3所示。從表3可以看出，隨著Nb含量的增加，球狀石墨數(shù)量逐漸減少，修正后的石墨總數(shù)也不斷減少。

表3 不同含鈮量球墨鑄鐵中不同形態(tài)石墨的數(shù)量和修正后的石墨總數(shù)Table 3 Amount of graphite of different forms and the modified total amount of graphite in the nodular irons with different niobium contents 個

球化率計算公式為[16]：

球化率=

(1)

式中n1.0、n0.8、n0.6、n0.3、n0分別表示5種球狀修正系數(shù)的石墨顆數(shù)。

根據(jù)式(1)求出不同含鈮量球墨鑄鐵的球化率如圖5所示。從圖5可知，不含鈮和含鈮量為0.20%的球墨鑄鐵的球化率分別為92%和91%，球化級別為2級。當含鈮量為0.42%時，球化率為89%，球化級別降為3級。當含鈮量增加至0.69%后，球化率進一步降至84%。由于Nb含量增加，較多NbC的生成，影響了石墨化時碳原子的擴散，從而使球化率降低的幅度增大。

圖5 球化率和含鈮量之間的關(guān)系Fig.5 Relationship between the spheroidization rate and niobium content

2.3 鈮對基體組織的影響

球墨鑄鐵基體組織中的鐵素體含量影響基體的碳含量，從而影響熱處理時貝氏體的生成。根據(jù)GB/T 9941—2009[17]測定的鐵素體含量(體積分數(shù))如圖6所示。隨著鈮含量的增加，基體中鐵素體含量逐漸降低。不含鈮球墨鑄鐵的鐵素體含量為6.3%，含鈮量0.69%時降低為2.0%。

圖6 鐵素體含量與含鈮量之間的關(guān)系Fig.6 Relationship between the volume fraction of ferrite and niobium content

不同含鈮量球墨鑄鐵的鑄態(tài)組織如圖7所示，主要由石墨球、珠光體和鐵素體組成，珠光體占絕大部分，鐵素體形態(tài)為牛眼狀和碎塊狀。此外，添加鈮還使白色鐵素體含量明顯減少。

圖7 不同含鈮量球墨鑄鐵的鑄態(tài)組織Fig.7 As- cast microstructures of the nodular irons with different niobium contents

如圖8所示，與未加鈮的相比，加入0.20%鈮的球墨鑄鐵中珠光體片層間距減小，珠光體更加致密。珠光體片層間距決定于過冷度，鈮含量增加使球墨鑄鐵的過冷度增大，從而使珠光體片層間距減小。因此加入鈮可以細化珠光體組織。

圖8 不含鈮和含0.20%鈮的球墨鑄鐵的SEM圖像Fig.8 SEM images of the nodular irons without niobium and with 0.20% Nb

3 結(jié)論

(1) 隨著鈮含量的增加，球墨鑄鐵的共晶溫度從1 133 ℃升高到1 137 ℃，之后又降低至1 132 ℃，變化不大，即鈮對球墨鑄鐵共晶溫度的影響不大。

(2) 隨著含鈮量的增加，球墨鑄鐵的石墨面積分數(shù)從15%上升到16%后又降低至14%，變化不大，即鈮對球墨鑄鐵的石墨化影響不大。但隨著鈮含量的增加，球墨鑄鐵中球狀石墨數(shù)量逐漸減少，石墨形態(tài)惡化。當含鈮量低于0.42%時，石墨的球化率差別不大，為92%～89%；當含鈮量增加至0.69%時，球化率降低至84%，即含鈮量越高對球化率的影響越大。

(3) 鈮的加入使鑄態(tài)球墨鑄鐵基體組織中鐵素體含量下降，并細化珠光體。