球墨鑄鐵材料成分分析與研究

項(xiàng)戈豐

摘要：本文研究顯微照相的原理并利用顯微照相及暗室技術(shù)，使用打磨、拋光標(biāo)準(zhǔn)步驟處理球墨鑄鐵得到標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)樣品，隨后使用光學(xué)顯微鏡觀察其微觀組織結(jié)構(gòu)，并使用規(guī)則陣點(diǎn)法測(cè)量球墨鑄鐵樣品的成分密度百分比，最后使用Image Tool軟件擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到平均成分占比，球鐵平均成分占比為0.77。

關(guān)鍵詞：球墨；鑄鐵；樣品；Image Tool軟件

DOI：10.12433/zgkjtz.20233346

以鐵、碳和硅為基本元素，碳主要以球狀石墨形式存在的鑄鐵稱為球墨鑄鐵。它具有優(yōu)良的力學(xué)性能，疲勞強(qiáng)度接近于中碳鋼，多次沖擊抗力高于中碳鋼，屈強(qiáng)比比碳鋼高一倍多。球墨鑄鐵已迅速發(fā)展為僅次于灰鑄鐵且應(yīng)用廣泛的鑄鐵材料。

球墨鑄鐵通過球化和工藝處理得到球狀石墨，有效提高了鑄鐵的機(jī)械性能，特別是提高塑性和韌性，從而得到比碳鋼還高的強(qiáng)度。珠光體型球墨鑄鐵具有中高等強(qiáng)度、中等韌性和塑性，綜合性能較高，耐磨性和減振性良好，鑄造工藝性能良好等特點(diǎn)，通過各種熱處理改變其性能。

一、實(shí)驗(yàn)材料及方法

球墨鑄鐵具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能、鑄造性能和切削加工性能?；谄鋬?yōu)良的性能，適用于鑄造一些受力復(fù)雜，強(qiáng)度、韌性、耐磨性要求較高的零件，目前，已廣泛應(yīng)用于大型柴油機(jī)機(jī)體、高鐵齒輪箱和軸箱、地鐵構(gòu)架、風(fēng)電輪轂和底座、重型燃?xì)廨啓C(jī)殼體等。2020年全球球墨鑄鐵產(chǎn)量達(dá)2360萬噸以上，其中我國(guó)的產(chǎn)量為1530萬噸。隨著對(duì)球墨鑄鐵技術(shù)指標(biāo)要求提高以及現(xiàn)代化檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，球墨鑄鐵標(biāo)準(zhǔn)不斷修改和完善，使標(biāo)準(zhǔn)能更好地指導(dǎo)和服務(wù)于產(chǎn)品生產(chǎn)和檢驗(yàn)。

（一）材料

本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)材料為磨制拋光但未浸蝕處理的球墨鑄鐵金相樣品。實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用金相顯微鏡和金相顯微鏡用測(cè)微尺。

（二）實(shí)驗(yàn)材料制備方法

將試驗(yàn)樣品輕輕拭去表面的灰塵。由于樣品大小適中，此時(shí)無須鑲嵌，可直接進(jìn)入磨樣步驟。開啟水磨機(jī)總開關(guān)，待其達(dá)到預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速時(shí)，開啟水龍頭，使磨盤表面浸濕。此時(shí)，將樣品扣在磨盤上，使轉(zhuǎn)動(dòng)的磨盤不斷摩擦樣品表面，待摩擦一段時(shí)間后將樣品旋轉(zhuǎn)90°，繼續(xù)摩擦一段時(shí)間。多次重復(fù)上述操作，直到樣品表面的劃痕方向保持一致且沒有多個(gè)不同的面出現(xiàn)時(shí)，即可停止水磨過程。關(guān)閉時(shí)，注意先關(guān)閉水龍頭再關(guān)閉機(jī)器總開關(guān)。

將水磨處理好的樣品，放在樣品底部擠上金剛石拋光膏，開啟拋光機(jī)（實(shí)驗(yàn)前拋光布已經(jīng)固定完畢），水龍頭開啟順序和水磨機(jī)相同。輕輕摁住樣品使其在拋光布上摩擦，摩擦方向垂直于劃痕。待劃痕基本消失后可切換方向或輕輕移動(dòng)樣品，使每個(gè)方向均勻被摩擦。若劃痕過深水拋速度過慢可關(guān)閉水龍頭干拋，注意每隔一段時(shí)間在拋光布上噴灑適量水，防止樣品過熱氧化，拋至樣品表面較為光潔類似鏡面即可。

（三）實(shí)驗(yàn)原理

1.成像記錄

顯微鏡照相原理與一般照相原理相同，但額外附加了一套照相暗箱及照相鏡頭。

2.傳統(tǒng)金相分析和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分析的比較

相比于傳統(tǒng)金相分析，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分析多了定量分析的功能，觀察分析速度更快，且數(shù)據(jù)保存和傳輸更容易。具體分析比較如表1所示。

3.暗室技術(shù)

暗室操作步驟：顯影、水洗、定影、水洗，然后負(fù)片需要晾干處理，正片需要烘干處理后上光。

（四）數(shù)碼照相

按照以上方法處理后的試驗(yàn)樣品，開啟光學(xué)顯微鏡進(jìn)行數(shù)碼照相。實(shí)驗(yàn)用金相顯微鏡的目鏡放大倍數(shù)為10倍，物鏡共有4個(gè)，放大倍數(shù)分別4倍、10倍、20倍、50倍，可使用轉(zhuǎn)換器切換，切換時(shí)應(yīng)注意樣品位置，防止鏡頭觸碰樣品。將樣品放至金相顯微鏡載物臺(tái)上，準(zhǔn)備觀察，注意不要用手接觸浸蝕后的表面。先用最低的4倍鏡觀察，升降載物臺(tái)至物像較為清晰，再調(diào)整焦距至物像最清晰，選取不同的有代表性的區(qū)域拍照。再切換高倍的物鏡觀察，注意升降載物臺(tái)與調(diào)焦，選取不同的區(qū)拍照，得到不同放大倍數(shù)下的顯微鏡照片。部分照片如圖1所示。

二、結(jié)果與討論

（一）規(guī)則陣點(diǎn)網(wǎng)格測(cè)量

采用規(guī)則陣點(diǎn)網(wǎng)格測(cè)量Vv（成分的體積占比），此時(shí)無須標(biāo)記邊長(zhǎng)值，隨后用相同的網(wǎng)格測(cè)量Sv（成分的面積占比），并從網(wǎng)格中讀取相關(guān)信息參數(shù)，求出Vv和Sv的值，利用拍攝的圖片進(jìn)行多次測(cè)量求平均值，得出和的標(biāo)準(zhǔn)值。具體操作步驟如下：

取一個(gè)5×5的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)狀方格，每格的單位邊長(zhǎng)為50μm，取6張實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)金相顯微鏡照片圖，每張圖中隨機(jī)位置放入一個(gè)網(wǎng)狀方格并固定。圈出落在網(wǎng)格格點(diǎn)上的黑點(diǎn)并統(tǒng)計(jì)其個(gè)數(shù)，除以網(wǎng)格格點(diǎn)數(shù)得到Vv，6張實(shí)驗(yàn)照片分別計(jì)算Vv后取平均值得到Vv的標(biāo)準(zhǔn)值。隨后在每個(gè)網(wǎng)格取一條邊，統(tǒng)計(jì)落在此邊上的黑點(diǎn)數(shù)，求出黑點(diǎn)與此邊的交點(diǎn)個(gè)數(shù)（落在邊上的黑點(diǎn)的交點(diǎn)數(shù)記作2，落在網(wǎng)格頂點(diǎn)上的黑點(diǎn)的交點(diǎn)數(shù)記作1，相加得到總交點(diǎn)數(shù)），對(duì)6張實(shí)驗(yàn)照片取平均值，得到標(biāo)準(zhǔn)交點(diǎn)數(shù)，乘2后除以方格的單位邊長(zhǎng)50μm后得到Sv的標(biāo)準(zhǔn)值。后續(xù)計(jì)算過程中使用Pp代替Vv。

利用如下公式可求出的誤差：

其中，Pp為測(cè)量對(duì)象落在總測(cè)試點(diǎn)上的分?jǐn)?shù)；PT為測(cè)試用的總點(diǎn)數(shù)；σ為Pp的標(biāo)準(zhǔn)偏差。可見，測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差與測(cè)量對(duì)象的相對(duì)量及測(cè)試用的總點(diǎn)數(shù)有關(guān)。定量前，給出要求的相對(duì)誤差，并通過少量點(diǎn)的測(cè)量（如150～200個(gè)點(diǎn)）估計(jì)P值，然后算出測(cè)試應(yīng)用的總點(diǎn)數(shù)PT。

由網(wǎng)格圖可得，Pp的平均值為1/5，測(cè)試用總格點(diǎn)數(shù)PT為25×6=150，代入上述公式得σ（P，P）=0.033。

由公式Cwt%=Vv pc/（Vv pc+（1-Vv）pFe），代入Vv =1/5，pc=2.62 g/cm3; pFe=7.86 g/cm3，得Cwt%=0.77。

（二）? Image Tool軟件擬合數(shù)據(jù)分析

隨后用Image Tool軟件確定面積百分?jǐn)?shù)，單擊open打開圖片文件，單擊“處理”按鈕后，點(diǎn)擊“color to Grayscale”將灰度圖轉(zhuǎn)變?yōu)楹诎锥祱D，單擊黑白鍵設(shè)定門檻值，將右側(cè)門檻調(diào)節(jié)到圖像中所需區(qū)域被蓋上，選擇“Analysis”菜單對(duì)圖像進(jìn)行各種分析，最終在result窗口中得到所需數(shù)據(jù)，由定出的球墨體積分?jǐn)?shù)估算出球鐵平均成分。圖2為使用Image Tool軟件處理后得到的灰度圖，運(yùn)行Image Tool軟件，得出分析結(jié)果，如圖3所示。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)研究球墨鑄鐵的平均成分，得到以下結(jié)論：

經(jīng)過多次計(jì)算取平均值，得到球鐵平均成分占比值為0.77。

球墨體積分?jǐn)?shù)測(cè)量結(jié)果的誤差來源為：根據(jù)球墨體積分?jǐn)?shù)的計(jì)算公式，除了C和Fe的密度數(shù)據(jù)的誤差，剩下的誤差只來自Vv ，故誤差可能來自拍攝選擇的區(qū)域并未覆蓋樣品所有區(qū)域，測(cè)量時(shí)卡在網(wǎng)格線邊緣的粒子并未被算入，網(wǎng)格線覆蓋區(qū)域較少具有偶然性影響平均值等。

光學(xué)顯微鏡在研究顯微組織中的主要優(yōu)點(diǎn)為：光學(xué)顯微鏡的構(gòu)造相比于其他顯微鏡要簡(jiǎn)單許多，使用起來更加方便，沒有真空系統(tǒng)，觀察樣品和實(shí)驗(yàn)速度也會(huì)更快，便于快速進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在簡(jiǎn)單觀察樣品方面是最優(yōu)選擇。主要缺點(diǎn)為：光學(xué)顯微鏡的放大倍數(shù)和分辨率相比于其他大型顯微鏡而言較低，在需要高倍數(shù)精確觀察和精準(zhǔn)測(cè)量時(shí)心有余而力不足，在功能性和精度方面略遜一籌。

四、研究意義和前景

規(guī)則陣點(diǎn)法測(cè)量材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)用不只是能體現(xiàn)在球墨鑄鐵等金屬材料上。在其他很多非純態(tài)物質(zhì)材料的研究過程中，采樣拍照采用規(guī)則陣點(diǎn)法測(cè)量也是所有測(cè)量方法中的首選。其中，不同的地方在于，對(duì)于分布不均的試樣可能會(huì)用到分層切片處理或采用計(jì)算機(jī)三維陣點(diǎn)模擬物質(zhì)分布來計(jì)算，可以使得到的結(jié)果更具有普遍性。因?yàn)橥N材料在不同的壓力環(huán)境下的形態(tài)分布可能有較大的差異。規(guī)則陣點(diǎn)測(cè)量法不僅可以測(cè)量第二相的分布，在體積可明確計(jì)算的條件下，還可以對(duì)第三相第四相等進(jìn)行測(cè)量，使用相同的步驟進(jìn)行多次測(cè)量計(jì)算即可，但是會(huì)存在較大的誤差。雖分布更為均勻，但在復(fù)雜壓力環(huán)境下平均體積的計(jì)算存在系統(tǒng)誤差，可以通過計(jì)算機(jī)模擬消除。目前，規(guī)則陣點(diǎn)測(cè)量法在計(jì)算材料的兩相區(qū)和多相區(qū)的結(jié)構(gòu)和分布中運(yùn)用極其廣泛，涉及的技術(shù)和學(xué)科交叉較多，為含量計(jì)算和純度等參數(shù)的計(jì)算提供了一種途徑。

在實(shí)驗(yàn)中觀察到，部分球墨鑄鐵樣品的表面磨損較為嚴(yán)重，在實(shí)驗(yàn)時(shí)需要切去表面薄薄的一層以防止干擾規(guī)則陣點(diǎn)的構(gòu)建。雖然刮去后內(nèi)部清晰可見，但仍存在計(jì)算誤差。對(duì)此，實(shí)驗(yàn)人員需要尋找方法能改善球墨鑄鐵的表面性能，以減少其因磨損對(duì)表層結(jié)構(gòu)的影響。利用表面改性技術(shù)對(duì)球墨鑄鐵表面進(jìn)行熔覆和合金化處理，可提高球墨鑄鐵表面硬度和耐磨性。常用的表面改性技術(shù)有熱噴涂、堆焊、激光表面合金化以及等離子束表面合金化等技術(shù)，均可使球墨鑄鐵的表面性能有較大的提升，也可使用球墨鑄鐵耐磨合金涂層改善球墨鑄鐵表面，常見的處理方法是使用表面合金化合金粉末。表面合金化用合金粉末種類繁多，合金粉末體系不斷完善。目前，應(yīng)用廣泛的合金粉末是自溶性金屬基合金粉末和陶瓷合金化粉末等。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).球墨鑄鐵件：GB/T 1348—2019[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2019.

[2]崔蘭芳，逄文華，朱家輝，等.GB/T 1348—2019《球墨鑄鐵件》標(biāo)準(zhǔn)解讀[J].鑄造，2022，71（11）：1435-1441.

[3]王澤華，張欣，郭道成.GB/T 9441—2021《球墨鑄鐵金相檢驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)解讀[J].鑄造，2023，72（03）：333-341.

[4]黨哲，高東強(qiáng)．熱噴涂制備耐磨涂層的研究進(jìn)展[J]．電鍍與涂飾，2021，40（06）：427—436．

[5]閆雪芳，向軍淮，胡敏，等.球墨鑄鐵表面改性技術(shù)及其耐磨涂層研究現(xiàn)狀[J].熱處理技術(shù)與裝備，2022，43（01）：41-47.