添加釩介質(zhì)對耐熱蠕墨鑄鐵耐高溫性能的影響

何春華， 車艷生， 侯春艷， 鐘長波， 趙夢航， 陳雪沖， 時風(fēng)

（1. 上柴動力海安有限公司，江蘇 南通 226600；2. 西南林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，云南 昆明 650224；3. 廣西玉柴機器股份有限公司，廣西 玉林 537005）

0 前言

鑄鐵中石墨的形成過程稱為“石墨化過程”，鑄鐵組織形成的基本過程就是鑄鐵中石墨的形成過程?；诣T鐵的石墨類型和大小取決于共晶團(tuán)中石墨分枝及其成長速度，當(dāng)共晶團(tuán)停止生長，石墨的長大也即停止?；诣T鐵具有良好的鑄造性能、減振性能、耐磨性能、切削加工性能，以及較低的缺口敏感性，在鑄造技術(shù)領(lǐng)域得到較為廣泛的應(yīng)用。蠕墨鑄鐵是具有片狀和球狀石墨之間的一種過渡形態(tài)的鑄鐵，它是一種以力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能較好以及斷面敏感性小為特征的新型工程結(jié)構(gòu)材料。

隨著國家排放標(biāo)準(zhǔn)和發(fā)動機功率的不斷提高，排氣管承受的熱負(fù)荷也逐漸提高。排氣管長期在高溫工況下工作容易導(dǎo)致其疲勞失效斷裂，對車輛壽命及行車安全產(chǎn)生重大影響。因此，在對材料耐高溫性能和使用性能要求較高的領(lǐng)域，例如作為制備汽車渦輪殼和排氣管的材料時，普通耐高溫蠕墨鑄鐵（RuTSi4Mo）材料難以滿足要求。

制備貴重合金含量少且成生產(chǎn)成本較低的高性能耐高溫蠕墨鑄鐵已成為國內(nèi)外鑄造企業(yè)工作者的研究熱點與探索方向［1-2］。本文以普通耐高溫蠕墨鑄鐵（RuTSi4Mo）材質(zhì)為基礎(chǔ)，在增加一定量的鎳、鈮條件下，改變材質(zhì)中的釩含量，探討釩對耐高溫材質(zhì)的高溫性能、石墨形態(tài)、基體組織的影響。

1 試驗部分

1.1 試樣制備

鑄造生產(chǎn)試驗采用中頻感應(yīng)電爐熔煉鐵液，采用手持式便捷式測溫儀測量鐵液的溫度。將生鐵放入中頻感應(yīng)電爐中，在生鐵上加入廢鋼，在廢鋼的空隙中，加入增碳劑調(diào)整鐵水成分。熔煉過程中為保證鐵水各合金元素達(dá)到試驗要求，減少回爐鐵成分的影響，設(shè)定的主要鐵料爐料配比為生鐵∶廢鋼（質(zhì)量比）=4∶6。待鐵料完全熔化后，加入硅鐵、純鎳、鉬鐵、鈮鐵（鈮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.04%～0.08%），繼續(xù)升溫至約1 500 ℃；取原鐵水試樣進(jìn)行成分檢測，采用直讀光譜儀和紅外碳硫分析儀進(jìn)行成分分析，并根據(jù)實測結(jié)果，進(jìn)行化學(xué)成分調(diào)整。在普通耐高溫蠕墨鑄鐵（RuTSi4Mo）材質(zhì)增加鎳、鈮、鉬的基礎(chǔ)上，通過改變鐵水中的釩含量，研究釩介質(zhì)對耐高溫蠕墨鑄鐵金相組織和材質(zhì)性能的影響。通過調(diào)整原鐵水中的釩含量，形成釩質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.008%、 0.054%、 0.162%、 0.238%、0.363%的5種方案（以下簡稱“方案1、方案2、方案3、方案4、方案5”）。本試驗所選用的釩鐵、鈮鐵均為公司現(xiàn)有的材料，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為含釩量為50%、含鈮量為65%。試樣制備前控制爐內(nèi)主要化學(xué)成分見表1。

表1 試樣制備前爐內(nèi)主要化學(xué)成分單位：%

采用稀土鎂和稀土硅作為蠕化變質(zhì)劑，利用包內(nèi)沖入法，對鐵水進(jìn)行蠕化處理。蠕鐵孕育劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%～1.0%，二次倒包孕育采用硅鐵孕育劑（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%），首箱澆注溫度控制在1 420～1 440 ℃，制備不同釩含量的Y型試樣，以獲取最優(yōu)釩鐵添加量工藝。各試驗方案孕育前除了釩成分有區(qū)別外，其他元素化學(xué)成分控制不變，孕育后的蠕墨鑄鐵主要化學(xué)成分見表2。

表2 不同釩鐵添加量的蠕墨鑄鐵主要化學(xué)成分 單位：%

所制備的試樣硬度達(dá)到240 HB，抗拉強度達(dá)到590～650 MPa，蠕化率穩(wěn)定在（80±5）%；800 ℃高溫條件下，抗拉強度在58～69 MPa［3-4］。

1.2 試驗方法

在單鑄試棒上截取拉伸試樣后，分別依據(jù)GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1 部分：室溫試驗方法》、GB/T 228.2—2015《金屬材料 拉伸試驗 第2部分：高溫試驗方法》，制成直徑為10 mm、長度為50 mm的常溫拉伸試樣和高溫拉伸試樣。在WDW 3100型拉伸試驗機上測定4根拉伸試樣的抗拉強度，拉伸速度為2 mm/min，取其平均抗拉強度作為試驗結(jié)果。

金相試樣取自最接近平均抗拉強度的拉伸試樣。在經(jīng)過ZMP-2000 型智能自動金相磨拋機磨拋后，使用 Axio Scope A1型金相顯微鏡觀察試樣的石墨形態(tài)。每種試樣分別在不同放大倍率（100倍、200倍）下觀察，并選擇試樣的上、中、下、左、右5個視場各拍攝2 張金相照片。依據(jù)GB/T 26656—2011《蠕墨鑄鐵金相檢驗》，對照標(biāo)準(zhǔn)金相圖譜并結(jié)合Axio Imaging型金屬金相智能分析系統(tǒng)對石墨形態(tài)進(jìn)行判定。將磨拋完成后的試樣用4%硝酸酒精溶液浸蝕后觀察，對珠光體數(shù)量進(jìn)行評級，取其平均值作為該試樣的珠光體數(shù)量。

參照GB/T 231.1—2009《金屬材料布氏硬度試驗》，在試樣端頭截取硬度及金相試樣（如圖1 所示），利用HBS-3000型數(shù)顯布氏硬度計進(jìn)行硬度試驗。取試樣的近中心點作為硬度的檢測點，檢測出具體的硬度結(jié)果。

圖1 測試硬度取樣位置

2 結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能

所制備的高性能耐高溫蠕墨鑄鐵的力學(xué)性能見表3。由表3可以看出：在室溫條件下，排除蠕化率的影響因素后，拉伸強度沒有明顯的變化規(guī)律；在800 ℃的高溫條件下，材質(zhì)的高溫性能隨著釩含量的增加明顯提高。但材質(zhì)性能在釩含量達(dá)到一定范圍內(nèi)時，高溫性能的提升速率會有所減緩；為了開發(fā)低合金成分的耐高溫蠕墨鑄鐵，加入的釩含量未能使材質(zhì)出現(xiàn)高溫性能的拐點。原鐵水中釩鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0 直至0.363%時，800 ℃高溫抗拉強度從58 MPa提高到69 MPa，提升18.97%；材質(zhì)的硬度也隨著釩質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加。

表3 高性能耐高溫蠕墨鑄鐵力學(xué)性能

2.2 顯微組織

圖2為不同釩鐵加入量試樣的石墨形貌。由圖2可以看出，5種方案的耐高溫蠕墨鑄鐵的石墨均呈蠕蟲狀。

圖2 蠕墨鑄鐵石墨形態(tài)（放大100倍）

方案1 和方案5 的蠕化率為80%，方案2～4 的蠕化率為85%，在石墨形態(tài)上沒有太大的差異；但從石墨的分布來看，增加釩介質(zhì)后，基體的石墨分布更加均勻，對材質(zhì)性能的增強起到一定的促進(jìn)作用。

圖3為不同釩鐵加入量試樣的金相組織形貌?；w組織中石墨的形態(tài)、大小、數(shù)量及分布對蠕墨鑄鐵的材料性能有著很大影響。但5種方案的材質(zhì)基體組織沒有因為加入了不同的釩含量而產(chǎn)生區(qū)別，仍為以鐵素體為主、珠光體為輔的基體組織， 其中珠光體質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為5%，鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為95%。

圖3 蠕墨鑄鐵金相組織形貌（放大100倍）

3 結(jié)語

本文各試驗方案采用孕育前除了釩成分有區(qū)別外，其他元素化學(xué)成分控制不變的條件試驗，并對試樣檢測結(jié)果進(jìn)行對比分析。結(jié)果顯示添加不同含量釩鐵的耐高溫蠕墨鑄鐵的石墨分布更加均勻，而在基本組織上沒有明顯區(qū)別。當(dāng)釩質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.008%增加至0.363%時，耐高溫蠕墨鑄鐵的常溫抗拉性能沒有明顯的變化規(guī)律，而800 ℃高溫抗拉性能明顯提高。

在含有一定量鈮、鎳、鉬的鐵水中，可以通過增加釩含量來提升材質(zhì)的耐高溫性能，但當(dāng)釩含量達(dá)到一定水平后，材質(zhì)耐高溫性能的漲幅會變緩，具體高溫性能的強度拐點還需要進(jìn)一步驗證。