鐵素體球墨鑄鐵低溫沖擊韌性

張宇航， 郭興春， 付彬國,， 董天順,， 李國祿,*

(1.河北工業大學材料科學與工程學院， 天津 300401； 2.泊頭市晟瑞鑄造產業技術研究有限公司， 泊頭 062150)

球墨鑄鐵是在20世紀50年代發展起來的一種高強度鑄鐵材料，以其接近鋼的綜合性能受到了各個領域的廣泛的應用，如汽車、內燃機、軌道交通等領域[1-2]。隨著中國的風電和高鐵行業的迅速發展,對球墨鑄鐵的低溫性能有更高的要求，但普通球墨鑄鐵低溫沖擊韌性較差，在低溫服役環境中極易發生脆性斷裂。因此，在寒冷地區服役的設備部件如鐵路設備、風電輪轂、底座等，都需要較高的低溫沖擊韌性，避免材料脆性斷裂造成事故損失。故研究開發低溫下高沖擊韌性球墨鑄鐵有著重要的意義。

目前，球墨鑄鐵的主要發展方向為低溫高沖擊韌性球墨鑄鐵。關于球墨鑄鐵低溫沖擊韌性的研究主要集中在球化率、化學成分、組織類型等方面[3-6]。其中石墨球的數量、大小及圓整度都影響著球墨鑄鐵的低溫沖擊韌性，而石墨球的這些特性是由凝固過程所決定的[7]。除此之外，添加合金元素Ni能細化晶粒，并且Si和Ni共同作用可以降低韌脆轉變溫度，從而提高低溫沖擊韌性[8-10]。如喻光遠等[11]以高強高韌球墨鑄鐵材料QT500-7和QT600-7為研究對象，通過控制Ni、Cu、S含量，獲得了達到標準的低溫性能。但是QT500-7和QT600-7基體中存在部分珠光體，所以相比于QT400-18L具有更高的強度。由于強度提升會導致低溫沖擊韌性下降，故需要通過退火消除珠光體、細化晶粒，以改善低溫沖擊韌性[9,12-14]。例如，季火績等[15]對QT400-18AL的低溫沖擊韌性進行了研究，研究發現鑄態QT400-18AL基體中存在少量珠光體組織，但通過退火后，珠光體消失，基體為全鐵素體組織，并且低溫沖擊功相對鑄態試樣有所提高。研究表明，通過控制溫度、保溫時間和冷卻速率可對組織進行調控，使組織及成分均勻化，從而提高低溫沖擊韌性。

盡管通過添加合金元素Ni和熱處理能夠使得低溫沖擊韌性有所提升，但是會導致生產工序煩瑣，提高生產難度，并增加材料成本，使經濟效益降低。為了優化生產工藝，促進生產，現對鑄態全鐵素體球墨鑄鐵低溫沖擊韌性進行研究，并分析其化學成分中C、Si含量對低溫沖擊韌性的影響，以期為完善其生產工藝及進一步開發低溫球鐵鑄件提供參考。

1 試驗材料及方法

原材料采用高純生鐵、廢鋼、增碳劑和硅鐵，熔煉在中頻感應電爐中進行，出爐溫度控制在1 500～1 530 ℃，采用沖入法球化處理，經球化孕育處理后，鐵水的澆注溫度控制在1 360～1 420 ℃。試驗需澆注Y形試塊，并采用呋喃樹脂砂造型，澆注時采用隨流孕育。澆注前，取少量鐵水澆注一個光譜試樣，供后期光譜分析鑄鐵化學成分。

圖1 腐蝕前鑄態樣品顯微組織Fig.1 Microstructure of as cast samples before corrosion

試驗材料為3個化學成分不同的Y形單鑄試塊，將其進行編號為1#、2#、3#，化學成分如表1所示。試驗所需沖擊試塊及金相試樣在Y形試塊下部取樣，通過線切割將鑄態Y形試塊加工成標準V形缺口沖擊試樣和圓柱金相試樣，沖擊試樣尺寸為55 mm×10 mm×10 mm，V形缺口角度為45°，深度為2 mm，底部曲率半徑為0.25 mm，尺寸偏差根據《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》(GB/T 229—2007)規定制備；圓柱試樣高為10 mm，直徑為20 mm。

表1 試樣化學成分Table 1 Chemical composition of sample

圓柱試樣用于制備金相，先用砂紙粗化，然后用0.25 μm金剛石膏拋光，根據《球墨鑄鐵金相檢驗》(GB/T 9441—2009)，利用OLYCIA M3型金相顯微系統，分別對1#、2#、3#圓柱試樣進行球化分級和石墨球大小檢測，然后用4%硝酸酒精溶液腐蝕試樣，觀察其內部金相組織。低溫沖擊試驗按照《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》(GB/T 229—2007)進行，用JBW-450CY沖擊試驗機分別對1#、2#、3# V形缺口沖擊試塊在20、-20、-40、-60 ℃下進行夏比擺錘沖擊試驗。最后將試樣斷口用無水乙醇進行5 min的超聲清洗，用JSM-6510A型號掃描電鏡觀察斷口形貌。

2 試驗結果與分析

2.1 微觀組織分析

圖1分別為各個試樣經4%硝酸酒精溶液腐蝕前的金相組織圖片，組織中石墨以球狀為主，并存在少量團狀和絮狀。經測定，1#、2#鑄態試樣中球化率為60%～70%，石墨球直徑為30～60 μm；3#試樣中球化率為70%～80%，石墨球直徑為15～30 μm。圖2顯示各個試樣的鑄態組織均由鐵素體、球狀石墨組成，晶粒均勻性較差，未觀察到珠光體存在。大量鐵素體組織會提升材料的沖擊韌性。

圖2 腐蝕后鑄態試樣顯微組織Fig.2 Microstructure of as cast specimens after corrosion

2.2 碳硅含量對低溫沖擊韌性影響

夏比擺錘沖擊試驗結果如表2所示，沖擊功隨

表2 沖擊試驗結果Table 2 Impact test results

圖4 2# 試樣在不同溫度下沖擊斷口宏觀形貌Fig.4 Macroscopic morphology of impact fracture of 2# specimen at different temperatures

溫度變化如圖3所示。結果表明，在室溫下，各個試樣的沖擊韌性比較相近，溫度降低至-60 ℃時也有同樣的規律。隨溫度的不斷降低，所有試樣的沖擊功均呈現不斷下降的趨勢。在-20、-40、-60 ℃，試樣沖擊值呈現出2#>3#>1#的規律，根據《球墨鑄鐵件》(GB/T 1348—2009)、《低溫鐵素體球墨鑄鐵件》(GB/T 32274—2015)得出，在室溫時，3種試樣均達到了單個試塊沖擊值大于9 J、平均沖擊值達到12 J的標準，而在-20 ℃時只有2#、3#試樣達到標準，其他溫度下均未達到標準。

圖3 沖擊吸收功隨溫度變化曲線Fig.3 Curve of impact absorbed energy versus temperature

通常情況下球墨鑄鐵中碳含量會影響石墨球大小及數量，碳含量以不出現石墨漂浮和白口為上下限。而硅是一種促進石墨化并能抑制碳化物形成的元素。但碳含量過低和硅含量增加均會導致材料的韌脆轉變溫度升高，不利于材料的低溫韌性，并且硅碳質量分數之比與材料沖擊韌性之間存在一定關系[16-17]。在實驗中，材料碳含量為2#>3#>1#，硅含量與之相反，為2#<3#<1#，由此得出碳硅含量之比順序為2#<3#<1#，分析得出，在一定范圍內，材料中碳含量增多，使低溫下材料沖擊韌性升高，隨硅碳含量之比的增多，低溫沖擊韌性呈下降趨勢。

圖5 -20 ℃下不同試樣沖擊斷口宏觀形貌Fig.5 Macro morphology of impact fracture of different samples at -20 ℃

圖6 不同溫度下3#沖擊斷口形貌Fig.6 The impact fracture morphology of sample 3# at different temperatures

2.3 沖擊斷口分析

由圖4和圖5可知，試樣在沖擊試驗后斷面發生了一定量的宏觀塑性變形，缺口附近承受拉應力，塑性變形后產生裂紋并開始擴展，受沖擊部分區域受壓應力，當裂紋擴展到此區域時受阻，促使材料發生塑性變形。隨著溫度降低，斷口區域塑性變形程度逐漸降低，裂紋擴展受到來自基體組織的阻力越來越小，斷口中暗灰色韌性斷裂區域逐漸減小，白亮區域脆性斷裂區域逐漸增加，最終導致材料由韌性斷裂轉變為脆性斷裂，斷口白亮。

由圖6所示，在室溫下，斷口處石墨球數量最多，石墨球形狀飽滿，分布均勻。隨溫度降低，斷面亮度由暗逐漸變亮，石墨球數量逐漸減少，石墨球形狀及均勻性隨之較差。室溫下的沖擊斷口存在諸多凸起和凹陷，表面起伏不平，造成表面積增加，較多的石墨球數量導致斷口處亮度偏暗。除此之外，在斷面上可以觀察到大量的韌窩，因此，該斷口在室溫下表現出明顯的韌性斷裂特征。當溫度為-20 ℃時，斷口表面起伏減小，有撕裂棱，韌窩數量明顯減少且變淺，出現解離面和河流紋，石墨球破碎數量增多，因此，斷口既有韌性斷裂特征，又存在脆性斷裂特征，結合-20 ℃宏觀斷口分析，屬韌脆混合斷裂。當溫度降至-40 ℃時，斷口處韌窩進一步變少變淺，解理面、河流花樣進一步增多，裸漏石墨球減少，撕裂棱減少，斷裂方式以脆性斷裂為主。在-60 ℃下，斷口內幾乎不存在韌窩及撕裂棱，斷口形貌顯示出大量的河流花樣和高低不一的解理面，此斷口為脆性斷裂。

隨溫度降低，低溫鐵素體球墨鑄鐵的沖擊韌性整體下降，其中在-20～-40 ℃區間內沖擊韌性下降幅度較大。因此，材料的沖擊韌性還受韌脆轉變溫度影響。韌脆轉變溫度可以通過夏比沖擊試驗進行評估，即斷裂表面韌脆面積相等時的相應溫度[18]。根據斷口形貌分析，在-40 ℃河流紋在斷面上占主導低位，脆斷面積占50%以上，因此韌脆轉變溫度在-40 ℃以上。綜上所述，低溫鐵素體球墨鑄鐵在不同溫度下沖擊韌性的高低與其斷裂方式有著密切的關系。

3 結論

針對寒冷地區鐵路、風電對球墨鑄鐵低溫沖擊韌性的需求，制備了3組不同化學成分的鑄態全鐵素體球墨鑄鐵，研究了不同化學成分對低溫沖擊韌性的影響，并進行斷口分析得到以下結論。

(1)碳硅含量與沖擊韌性存在一定的關系。3組不同化學成分試樣中，碳含量越高，硅含量越低，沖擊韌性就越高；沖擊韌性隨硅碳含量之比升高而降低。

(2)3組不同成分試樣中，2#試樣抗低溫沖擊性能最好，1#試樣最差。2#、3#試樣在室溫及-20 ℃時平均沖擊功均大于12 J，滿足國家標準中的使用要求，1#試樣僅在室溫下滿足國家標準，而3組試樣在-40 ℃和-60 ℃下平均沖擊功均未達到12 J，未能滿足國家標準中的使用要求。

(3)試樣的沖擊韌性隨溫度下降而降低，從室溫降至-60 ℃過程中，沖擊斷口斷裂特征由韌性斷裂到韌脆混合斷裂，最后變為脆性斷裂。-20 ℃到-40 ℃沖擊韌性下降幅度較大，沖擊斷口的韌脆轉變溫度在-40 ℃以上。