微量元素鉍對厚斷面球鐵組織及性能的影響

高文理 岑鴿等

摘要：通過添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的微量Bi和調(diào)整殘余稀土量，研究其對厚斷面球鐵組織、抗拉強(qiáng)度、伸長率、硬度和-40 ℃低溫沖擊韌度的影響.結(jié)果表明，對于180 mm × 180 mm × 200 mm試塊，添加0.012%Bi可以明顯消除其碎塊石墨；而對于250 mm × 250 mm × 300 mm試塊，加Bi只能在一定程度上抑制碎塊石墨產(chǎn)生，隨著Bi量的增加，其抑制作用呈先增強(qiáng)后減弱的趨勢，加入Bi的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最佳值為0.010%～0.012%，此時抗拉強(qiáng)度達(dá)337 MPa，伸長率為10.4%，-40 ℃低溫沖擊功可達(dá)到10.5 J.適當(dāng)降低殘余稀土量，調(diào)整wRE /wBi加=1.3～1.5，可以進(jìn)一步抑制碎塊石墨和改善綜合力學(xué)性能.

關(guān)鍵詞：球墨鑄鐵；鉍；微觀組織；力學(xué)性能

中圖分類號：TG255 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

厚斷面球墨鑄鐵（簡稱球鐵）由于冷卻速度緩慢，共晶凝固時間長，易導(dǎo)致球化衰退和孕育衰退，使得鑄件中尤其是厚壁中心或熱節(jié)處出現(xiàn)球化不良、石墨畸變、球數(shù)減少、球徑增大、成分偏析、晶間碳化物增多及縮松縮孔等等缺陷，特別是碎塊石墨的出現(xiàn)，嚴(yán)重影響了鑄件的綜合性能[1-3].國內(nèi)外有眾多研究者發(fā)現(xiàn)，當(dāng)球鐵中某些微量元素（如Bi）與稀土元素以適當(dāng)比例共存時，則會消除變異石墨，改善球鐵性能[2，4-5].但該技術(shù)還不夠成熟，國內(nèi)多數(shù)鑄造企業(yè)又沒有掌握關(guān)鍵技術(shù)，如果直接用于生產(chǎn)，則會存在一定風(fēng)險.

本文制定了嚴(yán)格而合適的化學(xué)成分和實驗工藝， 通過添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的微量Bi和調(diào)整殘余稀土量，研究了其對球鐵心部碎塊石墨的抑制作用以及對球鐵組織和綜合力學(xué)性能的影響，從而為獲得更好的球鐵組織和性能提供依據(jù)，為同行提供參考.

1實驗方法

11化學(xué)成分

原鐵液純凈度要高， 盡可能排除雜質(zhì)等干擾因

素.遵循高碳， 低硅， 低錳、磷、硫的原則[6]，球鐵主要化學(xué)成分范圍見表1，其中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為原鐵水成分要求，其余為處理后要求.

采用300 kg 中頻電爐熔煉，樹脂砂造型，原材料采用本溪Q10生鐵和廢鋼混合配比.熔煉過程中通過澆注白口試樣進(jìn)行光譜分析，并調(diào)整原鐵液C和Si成分分別為：C 3.70±0.05%，Si 2.1±0.1%.出鐵溫度為1 500 ℃左右，采用沖入法球化， 球化時間控制在1～2 min，采用多次孕育工藝，孕育方法為包內(nèi)孕育、浮硅孕育和澆口杯孕育， 孕育劑總量控制在0.6% ～ 0.8%.微量元素Bi的加入方式為在球化處理前埋入包中，與球化孕育劑機(jī)械混合.球化孕育處理后，對澆包中的鐵水多次扒渣后澆注，澆注溫度控制在1 340～1 350 ℃.在每個試樣的幾何中心放置一根鎳鉻鎳硅熱電偶，采用哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的8通道數(shù)據(jù)采集儀對凝固共晶冷卻階段進(jìn)行溫度采集.

2實驗結(jié)果及分析

實驗試塊的化學(xué)成分檢測結(jié)果見表3.鐵液主要成分始終保持一致，因為檢測條件有限，無法測定Bi元素含量，因此按其加入量分析，殘余稀土與Bi質(zhì)量分?jǐn)?shù)的比值為

解剖試塊后，其結(jié)果如表4所示，其中B3系列，A3試塊心部只有局部含有少量粗短型的初生碎塊石墨，對性能影響不大.A1和A2試塊中均無碎塊石墨.部分A3試塊心部有灰斑區(qū)域，A4試塊均有灰斑區(qū)域.

2.1微量Bi對球鐵宏觀組織的影響

兩組實驗主要成分相同，未添加Bi的碎塊石墨區(qū)域為宏觀黑斑，而添加0.010%Bi后的碎塊石墨區(qū)域從宏觀黑斑淡化到宏觀不易觀察到的灰斑，需要通過顯微鏡觀察才能確定其范圍.

從表4所示的解剖結(jié)果中可以看到，當(dāng)球化劑為1.6%，Bi加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.005%～0.014%時，A4試塊宏觀碎塊石墨灰斑區(qū)域的直徑隨著Bi加入量的增加，呈現(xiàn)先減小后增加的變化趨勢，直徑從220 mm降到160 mm，再升至200 mm.A4試塊碎塊石墨灰斑直徑變化如圖3所示.表明0.012%為Bi加入量的極限值，此時對碎塊石墨的抑制作用最強(qiáng).

綜上所述，對于A4試塊，添加微量Bi可以有效地抑制碎塊石墨的產(chǎn)生，使宏觀黑斑淡化到宏觀不易可見的灰斑.隨著Bi加入量的增加，其對碎塊石墨的抑制作用，先是增強(qiáng)然后再減弱，Bi加入量為0.012%時，灰斑區(qū)域最小.

圖4所示為實驗試塊心部的試樣經(jīng)3%硝酸酒精溶液腐蝕后的典型微觀組織形貌.對比圖4（a）與圖4（b），觀察到加入微量Bi后的石墨球徑更加細(xì)小，石墨球數(shù)顯著增加，并且球的圓整度和組織均勻度也相應(yīng)得到改善.對比圖4（c）與圖4（d），加入0.012%Bi元素后，球鐵的A3試塊微觀組織從大片的碎塊石墨變成了正常的球鐵石墨組織，表明對于A3試塊，加入元素Bi后可以明顯消除其碎塊石墨.而圖4（e）顯示，本實驗中加入微量Bi卻未能明顯消除A4試塊中的碎塊石墨，只是在一定程度上減小了碎塊石墨的大小、破碎程度和范圍，宏觀組織圖圖2可以印證這點.

表5為加入不同Bi量時各組實驗中A4試塊的力學(xué)性能檢測結(jié)果.圖5為實驗試塊力學(xué)性能隨Bi加入量的變化情況.可見，隨著Bi加入量的增加，布氏硬度值變化不大，為130 HB左右，而抗拉強(qiáng)度、伸長率及低溫沖擊功呈先增加后下降的趨勢.其中未添加Bi實驗的抗拉強(qiáng)度、伸長率分別為319 MPa，4.9%，是所有實驗中的最低值，但其布氏硬度卻最高，達(dá)到了133.8 HB.當(dāng)Bi加入量增加至0.008%時，抗拉強(qiáng)度為342 MPa，是所有試樣中的最高值.隨后試塊的抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢.當(dāng)Bi加入量繼續(xù)增加至0.010%和0.012%時，試塊的伸長率和低溫沖擊功分別達(dá)到最大值，伸長率為10.5%，而低溫沖擊功為10.5 J，隨后都逐漸下降.綜合對比各項數(shù)據(jù)，加0.010%Bi實驗試塊的綜合力學(xué)性能最好.

2.3微量元素鉍的作用

由圖4（a）和圖4（b）可知，加入元素Bi后，球鐵組織石球墨大小從6級細(xì)化成7級，球數(shù)也由80～100個/mm2增加至225～250個/mm2，圓整度、組織均勻度和石墨球化率也有相應(yīng)增加.

元素Bi過去常被作為干擾元素對待，然而有Ce存在后，不但不干擾球化，反而對球鐵球化有利.如在厚大斷面球鐵中加入少量的Bi確實可以防止和減少異形石墨的形成[2].原因可能是Bi起一定的孕育作用，加Bi可阻礙Si擴(kuò)散，從而強(qiáng)化了高C區(qū)的長期存在，加強(qiáng)了高溫鐵液中C和Si濃度的起伏，可加大石墨均質(zhì)和異質(zhì)核心形成的傾向[7-10].

碎塊石墨對厚大斷面鑄件的抗拉強(qiáng)度和伸長率的影響較大，性能值會隨著碎塊狀石墨比例的增加而下降，而碎塊石墨對硬度性能的影響非常小.對風(fēng)電低溫球墨鑄鐵，碎塊狀石墨的出現(xiàn)會降低低溫沖擊性能，增加產(chǎn)品的報廢率[11-12].加入微量Bi可以在一定程度上抑制碎塊石墨的形成和改善球鐵組織，從而提高抗拉強(qiáng)度、伸長率、硬度和-40 ℃低溫沖擊韌度.從表5中可以看出，在添加微量Bi后，球鐵的綜合力學(xué)性能得到改善，特別是伸長率和低溫沖擊性能.

實驗結(jié)果表明，對于A3試塊，添加0.012%Bi可以明顯消除其碎塊石墨.而對于A4試塊，添加微量Bi能夠在一定程度上改善實驗試塊的石墨形態(tài)，有效抑制碎塊石墨的產(chǎn)生，提高抗拉強(qiáng)度、伸長率、硬度和-40℃低溫沖擊韌度.隨著Bi加入量的增加，其抑制作用呈先增強(qiáng)后減弱的趨勢.Bi加入量的最佳值為0.010%～0.012%，此時綜合性能也最佳，抗拉強(qiáng)度為337 MPa，伸長率為10.4%，-40 ℃低溫沖擊功可達(dá)到10.5 J.

2.4稀土對元素鉍的中和作用

許多文獻(xiàn)[2，7-8，13-14]認(rèn)為，微量Bi和適量的稀土合金搭配，能顯著提高厚斷面球墨鑄鐵球化率，增加石墨球數(shù).Buhr[15]證實在有Ce和RE元素存在時，Bi的反球化作用被中和，在允許的范圍內(nèi)可以防止石墨畸變，并使石墨球數(shù)增加.其中和作用的機(jī)理可能是[14，16]：稀土可能與Bi形成高熔點化合物CeBi和LaBi等，成為石墨的異質(zhì)核心，該化合物還可能與部分硫化物互溶，增大石墨異質(zhì)核心的尺寸.從文獻(xiàn)[7]中得知，Ce與Bi形成的CeBi具有類似NaCl的晶格結(jié)構(gòu)，其晶格常數(shù)為4.455×10-2μm，而石墨基面（0001）晶格常數(shù)為4.26×10-2μm，故從理論上認(rèn)為該類化合物可成為石墨的結(jié)晶核心.

3結(jié)論

1） 添加微量Bi可以使250 mm × 250 mm × 300 mm試塊的宏觀黑斑淡化到宏觀不易觀察的灰斑.而對于180 mm × 180 mm × 200 mm試塊，加0.012% Bi可以明顯消除其碎塊石墨.

2） 對于250 mm × 250 mm × 300 mm試塊，添加微量Bi能夠在一定程度上抑制碎塊石墨的產(chǎn)生，提高抗拉強(qiáng)度、伸長率、硬度和-40 ℃低溫沖擊韌度.隨著Bi量的增加，其抑制作用呈先增強(qiáng)后減弱的趨勢.加入Bi質(zhì)量分?jǐn)?shù)的最佳值為0.010%～0.012%，此時綜合性能也最佳，抗拉強(qiáng)度達(dá)337 MPa，伸長率為10.4%，-40 ℃低溫沖擊功可達(dá)到10.5 J.

3） 適當(dāng)降低殘余稀土量，調(diào)整wRE/wBi加=1.3～1.5，可進(jìn)一步抑制碎塊石墨的產(chǎn)生，改善球鐵綜合力學(xué)性能，抗拉強(qiáng)度最多提高12 MPa，伸長率最高增加3.9%，硬度值增加1～2 HB，而-40 ℃低溫沖擊功最多增加1.4 J.

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