熱暴露條件對(duì)蠕墨鑄鐵拉伸力學(xué)性能和微觀組織的影響

關(guān)鍵詞：蠕墨鑄鐵；熱暴露；暴露溫度；抗拉強(qiáng)度；伸長(zhǎng)率

0 引言

蠕墨鑄鐵具有較高的室溫及高溫強(qiáng)度、抗熱疲勞，以及抗熱沖擊性，同時(shí)具有良好的鑄造性能，較低的生產(chǎn)成本，是制造高性能柴油發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體及氣缸蓋的理想材料。柴油機(jī)機(jī)體和缸蓋直接與燃燒室接觸，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時(shí)也是發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，隨著人們對(duì)柴油機(jī)升功率要求的不斷提高，對(duì)關(guān)鍵零部件性能要求也來(lái)越高，其中高溫性能顯得尤為重要。材料在高強(qiáng)機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷下組織和性能的變化會(huì)直接影響著材料服役的質(zhì)量，因此，深入研究熱暴露對(duì)蠕墨鑄鐵的組織性能的影響規(guī)律，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體、缸蓋等關(guān)鍵零部件的選材及應(yīng)用具有重要指導(dǎo)意義。

針對(duì)蠕墨鑄鐵組織和性能已有不少的相關(guān)研究可以借鑒，陳哲以大型船用蠕墨鑄鐵氣缸套為對(duì)象，研究了RE和Mg含量對(duì)蠕墨鑄鐵的凝固過(guò)程和石墨形態(tài)的影響。范曉明以Ru T500蠕墨鑄鐵為目標(biāo)選擇了基本元素含量范圍，進(jìn)行了鑄態(tài)合成蠕墨鑄鐵的組織與力學(xué)性能研究。萬(wàn)浩針對(duì)蠕化率對(duì)蠕墨鑄鐵組織和耐磨性能的影響進(jìn)行了研究，指出蠕化率的提高會(huì)造成蠕墨鑄鐵抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率和硬度的下降，平均蠕化率為55%的試樣具有最佳的綜合力學(xué)性能。謝金蕾選用激光熔覆技術(shù)在蠕墨鑄鐵表面制備了3種鎳基合金熔覆層，以對(duì)蠕墨鑄鐵材料表面進(jìn)行強(qiáng)化處理，探究了激光功率、掃描速度、預(yù)置涂層厚度和高溫加熱處理對(duì)熔覆層組織和力學(xué)性能的影響。李曉航采用釬焊工藝焊接蠕墨鑄鐵，在高于280、300℃的工藝條件下，通過(guò)液態(tài)釬料在毛細(xì)填隙過(guò)程中與母材發(fā)生相互物理化學(xué)作用，進(jìn)行了蠕墨鑄鐵軟釬焊組織及性能研究。許景峰鑒于蠕墨鑄鐵的微觀結(jié)構(gòu)和凝固特征等方面與球墨鑄鐵更相近的特點(diǎn)，研究了穩(wěn)定生產(chǎn)一致性較高的蠕墨鑄鐵件的方法。龐銘開(kāi)展了不同激光參數(shù)的激光熔凝蠕墨鑄鐵試驗(yàn)，通過(guò)掃描電鏡、光學(xué)顯微鏡、硬度儀和高溫加熱爐表征了激光熔凝宏觀形貌、微觀特性變化、硬度分布和高溫回火性能。孫松采用OM、SEM、拉伸性能等分析與測(cè)試手段，研究大氣和真空2種環(huán)境下400和500℃保溫時(shí)間對(duì)蠕墨鑄鐵顯微組織、室溫和高溫力學(xué)性能與導(dǎo)熱性能的影響規(guī)律，并結(jié)合SEM和EDS等分析蠕墨鑄鐵組織和性能的演變機(jī)制。Ribeiro鑄造了摻入硅、銅和錫的蠕墨鑄鐵試樣，并進(jìn)行了硬度和拉伸測(cè)試，以及微觀結(jié)構(gòu)的評(píng)估。Bingxu采用含Ti C-Ti B2納米顆粒的鋁前驅(qū)體中間合金制備了增強(qiáng)蠕墨鑄鐵，發(fā)現(xiàn)石墨的蠕化率和數(shù)量分別增加了15.0%和16.6%，晶粒尺寸減小了32.9%。在20℃時(shí)，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別提高了10.0%、6.0%和26.3%。

以上研究從微觀和宏觀方面研究了蠕墨鑄鐵組織和性能，本文從高功率密度柴油機(jī)機(jī)體和汽缸蓋材料的高溫性能要求，研究柴油機(jī)缸蓋用高強(qiáng)度蠕墨鑄鐵在經(jīng)過(guò)不同熱暴露溫度處理后的力學(xué)性能和顯微組織的變化。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 試樣制備

蠕墨鑄鐵作為一種新型鑄鐵材料出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代，中國(guó)是研究蠕墨鑄鐵最早的國(guó)家之一。通常蠕墨鑄鐵是鑄造前加蠕化劑（鎂或稀土）隨后凝固而制得的。本文研究的蠕墨鑄鐵原鐵水的主要化學(xué)成分為Fe、C、Si和P，其中C質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.5%～4.0%、Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.8%～1.5%、P質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.03%以下。孕育處理后鐵水的主要化學(xué)成分為Fe、C、Si、P和Mg等。蠕化劑牌號(hào)為20Xt Zn M94-4。根據(jù)國(guó)標(biāo)《GB/T26655—2022蠕墨鑄鐵件》中的規(guī)定，蠕墨鑄鐵試驗(yàn)件配料比（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為87%生鐵、13%廢鋼、補(bǔ)加硅為0.7%（75硅鐵）。熔煉在GGW-0.012中頻感應(yīng)熔煉爐中進(jìn)行，蠕化劑（稀土鎂）加入量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）為0.4%（粒度為3～5mm）、孕育劑（75硅鐵）加入量為0.8%（粒度為5～8mm）孕育熔煉時(shí)將其置于爐內(nèi)進(jìn)行升溫、熔化，至1300℃左右時(shí)加入其他合金，當(dāng)升溫至1450～1480℃左右出爐。蠕化處理采用包底沖入法，將蠕化劑埋入澆包底部凹坑內(nèi)，再將孕育劑覆蓋其上。

圖1給出了蠕墨鑄鐵的典型金相組織模型。從金相組織模型可以看出，蠕墨鑄鐵組織中蠕蟲(chóng)狀的石墨廣泛地分布于鐵質(zhì)基體中。金相中占大部分面積的是灰色的部分，這部分就是鐵的軟基體。蠕蟲(chóng)狀的石墨比例小，所以容易上浮形成偏析。

1.2 熱暴露試驗(yàn)

一般來(lái)說(shuō)，金屬材料的熱暴露試驗(yàn)可以探究在高溫環(huán)境下金屬材料的反應(yīng)行為，包括材料的耐熱性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、高溫蠕變性和氧化性等。通過(guò)改變?cè)囼?yàn)條件，如溫度、時(shí)間、氣溫等參數(shù)，可以進(jìn)一步研究這些因素對(duì)材料性能的影響。同時(shí)，各種測(cè)試方法也可以提供不同的評(píng)估指標(biāo)，從而更全面地了解金屬材料的性能表現(xiàn)。在工程材料的研究、生產(chǎn)和質(zhì)量控制中，熱暴露試驗(yàn)是一種重要的手段。通過(guò)對(duì)金屬材料的熱暴露試驗(yàn)，可以模擬其在高溫環(huán)境下的應(yīng)用情況，查看其反應(yīng)行為，從而更好地理解和掌握材料的性能特點(diǎn)。本文的熱暴露試驗(yàn)是將試件在一定溫度下經(jīng)熱暴露不同時(shí)間，進(jìn)一步分析探討其力學(xué)性能、組織與熱暴露時(shí)間的關(guān)系。本試驗(yàn)在101型電熱恒溫干燥箱中進(jìn)行，試樣3根為一組，熱暴露溫度為350和500℃，保溫時(shí)間分別為：0、100、300、500、700和1000h。對(duì)不同熱暴露處理的試樣進(jìn)行組織分析和性能測(cè)定。

1.3 檢測(cè)與表征

拉伸力學(xué)性能測(cè)試在CMT5105A型電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，測(cè)量的拉伸力學(xué)參數(shù)包括抗拉強(qiáng)度Rm和伸長(zhǎng)率A。蠕墨鑄鐵試驗(yàn)件在熱暴露后的室溫拉伸力學(xué)性能采用的標(biāo)準(zhǔn)為《GB/T228—2002金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》，高溫拉伸性能試驗(yàn)采用的標(biāo)準(zhǔn)為《ASTME21-2009金屬材料高溫拉伸試驗(yàn)方法》。測(cè)試設(shè)備為帶有加熱模塊的Instron5500R電子拉伸壓縮試驗(yàn)機(jī)，如圖2所示。

金相組織是材料的微觀結(jié)構(gòu)，通過(guò)金相組織分析可以了解材料的各組成相的形態(tài)、分布及尺寸，并能確定材料各組成相的比率，是金屬材料學(xué)重要的研究手段之一。本文進(jìn)行蠕墨鑄鐵試驗(yàn)件金相檢測(cè)采用的儀器為用Nicon300型金相顯微鏡，參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T26656—2023蠕墨鑄鐵金相檢驗(yàn)》準(zhǔn)評(píng)定試驗(yàn)合金的珠光體數(shù)量。對(duì)拉伸試驗(yàn)件進(jìn)行斷口形貌觀察采用的儀器為FEIQUANTA400F型掃描電鏡，參照的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為《GB/T16594—2008微米級(jí)長(zhǎng)度的掃描電鏡測(cè)量方法通則》。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 350℃熱暴露后拉伸力學(xué)性能

蠕墨鑄鐵試樣在350℃熱暴露不同時(shí)間后蠕墨鑄鐵的室溫拉伸力學(xué)性能數(shù)據(jù)如圖3所示，其中，圖3（a）為試樣抗拉強(qiáng)度隨熱暴露時(shí)間的變化，圖3（b）為試樣伸長(zhǎng)率隨熱暴露時(shí)間的變化。從圖3中可以看出，試樣在沒(méi)有進(jìn)行熱暴露試樣的室溫抗拉強(qiáng)度Rm（25℃）（0 h）為559 MPa、室溫伸長(zhǎng)率A25℃（0 h）為1.8%，隨著熱暴露時(shí)間的增加，Rm（25 ℃）逐漸減小，A25℃逐漸增大；試樣熱暴露1000 h時(shí)的Rm（25℃）（1000 h）為447 MPa、A25℃（1000 h）為2.55%，與沒(méi)有進(jìn)行熱暴露的試樣相比Rm減小了了20.0%，A增加了41.7%。造成這種變化的主要原因是熱暴露前期珠光體量較多，后期珠光體量較少造成的。

蠕墨鑄鐵試樣在350 ℃熱暴露不同時(shí)間后的高溫（200 ℃）拉伸力學(xué)性能數(shù)據(jù)如圖4所示，其中，圖4（a）為試樣抗拉強(qiáng)度隨熱暴露時(shí)間的變化，圖4（b）為試樣伸長(zhǎng)率隨熱暴露時(shí)間的變化。從圖4中可以看出，試樣在沒(méi)有進(jìn)行熱暴露時(shí)的高溫抗拉強(qiáng)度Rm（200 ℃）（0 h）為421 MPa、伸長(zhǎng)率A200 ℃（0 h）為1%，隨著熱暴露時(shí)間的增加，試樣的Rm（200 ℃）逐漸減小，A200℃逐漸

增大，試樣的拉伸力學(xué)性能變化規(guī)律與室溫時(shí)相同；熱暴露1000 h時(shí)試樣的的抗拉強(qiáng)度Rm（200 ℃）（1000 h）為336 MPa、伸長(zhǎng)率A200 ℃（1000 h）為2.25%，與沒(méi)有進(jìn)行熱暴露的試樣相比Rm減小了20.2%，A增加了125%。

2.2 500℃熱暴露后拉伸力學(xué)性能

蠕墨鑄鐵試樣在500 ℃熱暴露不同時(shí)間后蠕墨鑄鐵的室溫拉伸力學(xué)性能數(shù)據(jù)如圖5所示，圖5（a）試樣在不同熱暴露時(shí)間時(shí)的室溫抗拉強(qiáng)度，圖5（b）為試樣伸長(zhǎng)率隨熱暴露時(shí)間的變化。

圖5中可以看出，500 ℃熱暴露后的Rm（25 ℃）（1000 h）為298 MPa，較未經(jīng)過(guò)熱暴露的試件相比，Rm（25 ℃）減小了46.7%；A25 ℃（1000 h）為2.45%，較未經(jīng)過(guò)熱暴露的試件相比，A25 ℃增大了36.1%。

蠕墨鑄鐵試樣在500 ℃熱暴露不同時(shí)間后蠕墨鑄鐵的高溫（200 ℃）拉伸力學(xué)性能數(shù)據(jù)如圖6所示，圖6（a）為試樣在不同熱暴露時(shí)間后的高溫（200 ℃）抗拉強(qiáng)度Rm（200 ℃），圖中可以看出，500 ℃熱暴露后的Rm（200 ℃）（1000 h）為

287 MPa，較未經(jīng)過(guò)熱暴露的試件相比，Rm（200 ℃）減小了32.6%。圖6（b）為試樣在不同熱暴露時(shí)間時(shí)的高溫（200 ℃）伸長(zhǎng)率A200 ℃，圖中可以看出，A200 ℃（1000 h）為2.4%，較未經(jīng)過(guò)熱暴露的試件相比，A200 ℃增大了140%。

2.3 顯微組織表征

經(jīng)過(guò)不同熱暴露時(shí)間，未經(jīng)腐蝕的蠕墨鑄鐵試樣金相顯微組織如圖7所示。其中，圖7（a）為未經(jīng)過(guò)熱暴露的試樣，圖7（b）和（c）分別為350 ℃熱暴露500和1000 h的試樣。從圖7中可以看出，隨著熱暴露時(shí)間的增加，蠕墨鑄鐵試樣中的蠕蟲(chóng)狀石墨的形態(tài)發(fā)生了明顯的變化，有明顯球化的傾向，并且產(chǎn)生了明顯的粗化現(xiàn)象，因此導(dǎo)致了其經(jīng)過(guò)熱暴露后拉伸力學(xué)性能下降。圖7（d）為500 ℃熱暴露1000 h的試樣，與圖7（c）相比可以看出石墨球化的跡象越來(lái)越明顯了。

在經(jīng)過(guò)不同熱暴露時(shí)間，經(jīng)過(guò)4%（體積分?jǐn)?shù)）硝酸酒精腐蝕后的蠕墨鑄鐵試樣金相顯微組織如圖8所示，其中，圖8（a）為未經(jīng)過(guò)熱暴露的試樣，圖8（b）和（c）分別為350 ℃熱暴露500和1000 h的試樣。從圖8中可以看出，隨著熱暴露時(shí)間的增加，蠕墨鑄鐵試樣的珠光體量減小，鐵素體量增加，因此導(dǎo)致了其熱暴露后抗拉強(qiáng)度的降低。圖8（d）為500 ℃熱暴露1000 h的試樣，與圖8（c）相比可以看出試樣的珠光體量進(jìn)一步減小，鐵素體量進(jìn)一步增加，抗拉強(qiáng)度會(huì)進(jìn)一步的降低。

2.4 斷口分析

350 ℃熱暴露前后的室溫拉伸斷口形貌如圖9所示，從圖中可以看出，斷口主要呈現(xiàn)撕裂棱和不同大小及深度的韌窩，解理平臺(tái)。熱暴露前撕裂棱較多，且晶粒細(xì)小，韌窩較多，深度較淺。而熱暴露1000 h后撕裂棱較少，韌窩較少但深度較大，晶粒明顯粗化。因此，隨著熱暴露時(shí)間的延長(zhǎng)，強(qiáng)度下降，塑性提高。但試驗(yàn)中材料的伸長(zhǎng)率小于5%，故材料的斷裂仍屬于脆性斷裂。

蠕墨鑄鐵試樣在500 ℃熱暴露前后的高溫拉伸斷口微觀形貌如圖10所示，從圖中可以看出，熱暴露前晶粒比較細(xì)小，解理平臺(tái)較小，當(dāng)熱暴露時(shí)間為1000 h時(shí)，晶粒明顯粗化，韌窩的數(shù)目減少，但深度增加，解理平臺(tái)較大，因此，在熱暴露后使得蠕墨鑄鐵試樣強(qiáng)度降低，伸長(zhǎng)率增大。

3 結(jié)論

（1）蠕墨鑄鐵試樣在熱暴露不同時(shí)間后，隨著熱暴露時(shí)間的增加，抗拉強(qiáng)度逐漸減小，伸長(zhǎng)率逐漸增大。蠕墨鑄鐵在350 ℃熱暴露后，室溫抗拉強(qiáng)度降低了20.0%，高溫（200 ℃）抗拉強(qiáng)度下降了20.2%；在500 ℃熱暴露后，室溫抗拉強(qiáng)度降低了46.7%；高溫抗拉強(qiáng)度下降了14.6%。隨著熱暴露時(shí)間的延長(zhǎng)，基體組織中的珠光體量逐漸降低，鐵素體量逐漸增多。

（2）隨著熱暴露時(shí)間的增加，蠕墨鑄鐵試樣中的蠕蟲(chóng)狀石墨的形態(tài)發(fā)生了明顯的變化，有明顯球化的傾向，并且產(chǎn)生了明顯的粗化現(xiàn)象，因此導(dǎo)致了其經(jīng)過(guò)熱暴露后拉伸力學(xué)性能下降；隨著熱暴露時(shí)間的增加，蠕墨鑄鐵試樣的珠光體量減小，鐵素體量增加，因此導(dǎo)致了其熱暴露后抗拉強(qiáng)度的降低。

（3）熱暴露前后的室溫拉伸斷口形貌表明，熱暴露前晶粒比較細(xì)小，解理平臺(tái)較小，當(dāng)熱暴露時(shí)間為1000 h時(shí)，晶粒明顯粗化，韌窩的數(shù)目減少，但深度增加，解理平臺(tái)較大。因此，在熱暴露后使得蠕墨鑄鐵試件強(qiáng)度降低，伸長(zhǎng)率增大。

本文摘自《鋼鐵研究學(xué)報(bào)》2024年第12期