低re殘s原對(duì)球鐵組織及力學(xué)性能的影響

低re殘s原對(duì)球鐵組織及力學(xué)性能的影響

1關(guān)于球鐵組織及性能的研究在球鐵中，細(xì)土元素和鎂是良好的球化元素。稀土元素特別是Ce對(duì)球鐵組織、石墨形態(tài)和性能的影響已有許多報(bào)道。以混合稀土形式加入的Ce對(duì)球鐵的石墨數(shù)及石墨形態(tài)起著顯著的作用,而硫在球鐵中阻礙石墨球化,消耗球化元素等有害作用也是眾所周知的,同時(shí)稀土元素和硫在球鐵中相互作用的生成物卻為石墨形核提供了大量有效的形核基底。在對(duì)球鐵組織及性能的研究過程中,RE和S在球鐵中的相互關(guān)系問題一直是關(guān)注的焦點(diǎn),但沒有RE殘/S原對(duì)球鐵組織及性能影響的研究報(bào)道。筆者在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,研究了RE殘/S原對(duì)球鐵組織及性能的影響,以探索不同原鐵水含硫量情況下稀土元素的最佳殘余量或加入量,從而為拓展國產(chǎn)原材料的適用范圍提供一定的試驗(yàn)基礎(chǔ)。2試驗(yàn)條件和方法2.1不同原鐵水含硫量對(duì)球鐵組織和性能的影響本試驗(yàn)是直接用工業(yè)生鐵作原材料,其成分如下:C:4.3%,Si:1.0%,Mn:0.20%,P:<0.05%,S:0.022%。通過加入廢鋼(WC=0.2%),錳鐵(WMn=60%),硅鐵(WSi=75%)來調(diào)整原鐵水的C、Si、Mn含量。原鐵水的成分如下:C:3.9%～4.0%,Si:1.15%～1.25%,Mn:0.4%～0.45%P:<0.05%,Cu:0.65%～0.75%,Sn:0.04%～0.06%根據(jù)國外的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和我國的生產(chǎn)實(shí)際,分別安排了3組不同的原鐵水含硫量來研究RE殘/S原對(duì)球鐵組織和性能的影響,為排除其他因素的影響,將殘余鎂量設(shè)計(jì)為0.03%。試驗(yàn)中球化劑為6號(hào)稀土和1號(hào)稀土。脫硫用Na2CO3,增硫用含硫30%的硫化亞鐵。2.2xwc-400型電子電位差計(jì)、球化劑的制備將爐料在無芯中頻感應(yīng)電爐(GW-0.03-50/2.5J-D1)中熔煉。用XWC-400型電子電位差計(jì)和鉑銠-鉑熱電偶測溫。鐵水過熱溫度為1450℃。用鐘罩壓入法將球化劑壓入鐵水進(jìn)行球化處理和75硅鐵在包內(nèi)一次孕育,孕育量為0.4%。用BAIRD直讀光譜儀和LECO碳硫分析儀進(jìn)行化學(xué)成分分析。2.3樣品的制備和測試按GB1348-85的標(biāo)準(zhǔn)澆注Y型試塊,并加工成標(biāo)準(zhǔn)抗拉試棒。按GB9441-88的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行金相組織評(píng)定。3試驗(yàn)結(jié)果與討論3.13材料的組織和機(jī)械性能根據(jù)上述試驗(yàn)方法,所得到的試驗(yàn)結(jié)果見表1。3.2低re殘/s原比由表1的結(jié)果,作出RE殘/S原對(duì)球化率及珠光體含量P影響的關(guān)系曲線,如圖1所示。從圖1(a)中可以看出隨著RE殘/S原的增加,球化率開始時(shí)緩慢下降,隨著RE殘/S原比值的進(jìn)一步增加,球化率急劇降低,但均在85%以上,石墨數(shù)量變化不大。而當(dāng)S原=0.01%時(shí),球化率隨RE殘/S原比值增加而緩慢增加,在RE殘/S原=1.8時(shí)出現(xiàn)峰值為89%,如圖1(b)所示。石墨球數(shù)量隨RE殘/S原的增加而增加,石墨球變小。若原鐵水含硫量較高(S原=0.04%)時(shí),則低RE殘/S原比值情況下石墨不球化。要保證石墨球化,需要較大的RE殘/S原比值,適宜的殘余稀土量的范圍較窄,且稀土加入量很大,如圖1(c)所示。綜合圖1(a)、(b),在2種不同的原鐵水含硫量的情況下,存在一個(gè)最佳殘余稀土量范圍為0.012%～0.02%,此時(shí)的球化率在85%以上?？梢?高硫鐵水對(duì)球鐵生產(chǎn)極為不利;獲得低硫鐵水需要脫硫工藝,增加生產(chǎn)工藝復(fù)雜性。而原鐵水含硫量為0.02%時(shí),就可在不增加生產(chǎn)工藝復(fù)雜性的條件下獲得較高的球化率和較好的力學(xué)性能。從圖1(a)、(b)中可以看出,當(dāng)S原=0.01%和S原=0.02%時(shí),RE殘/S原的比值對(duì)基體中珠光體的含量影響不大,這主要是因?yàn)樵阼F水熔煉過程中加入了相同量的穩(wěn)定珠光體的元素,如Cu和Sn,并且兩者的球化率均達(dá)到80%以上,沒有大量的蠕蟲狀或團(tuán)絮狀石墨的出現(xiàn),故珠光體的含量保持相對(duì)穩(wěn)定,均為95%以上。在高硫情況下,石墨的球化效果較差,產(chǎn)生了粗大的蠕蟲狀或團(tuán)絮狀石墨,導(dǎo)致基體中鐵素體區(qū)域面積增加,珠光體的含量也相應(yīng)減少。而球化率增加,球數(shù)增多時(shí),珠光體的含量就逐漸趨于穩(wěn)定,如圖1(c)所示。球鐵的硬度很大程度上取決于基體的類型,因此,RE殘/S原對(duì)硬度的影響與對(duì)珠光體含量的影響表現(xiàn)出同樣的趨勢。當(dāng)珠光體含量大于90%時(shí),硬度值均在269～277HB之間。3.3質(zhì)量指數(shù)q值的變化眾所周知,球鐵的延伸率與硬度值很大程度上取決于基體組織的類型。當(dāng)基體中珠光體的含量較高且為細(xì)片狀珠光體時(shí),基體的硬度較高,延伸率較低;當(dāng)基體中鐵素體含量較高時(shí),延伸率較高,相應(yīng)的硬度較低。延伸率和硬度值同時(shí)還受到石墨形態(tài)和數(shù)量的影響。如若石墨以片狀形式或蠕蟲狀形式存在時(shí),則它們對(duì)基體的割裂作用較大,也會(huì)使球鐵的延伸率下降。若石墨以圓整細(xì)小的球狀形式存在時(shí),則延伸率會(huì)回明顯提高。各國球鐵的力學(xué)性能指標(biāo)大多以抗拉強(qiáng)度σb、屈服強(qiáng)度σs和延伸率δ為基本指標(biāo)。但是抗拉強(qiáng)度和延伸率是相對(duì)變化的,分別對(duì)其評(píng)價(jià)具有一定的局限性和片面性,Siefer和Orths根據(jù)大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和理論研究提出了以σ2b與δ的乘積為判斷球鐵力學(xué)性能的綜合特征值,即質(zhì)量指數(shù),用Q表示。研究表明,Q值越大,材質(zhì)的綜合力學(xué)性能越好,在使用的過程中也更可靠、安全。根據(jù)本試驗(yàn)的測試結(jié)果得到RE殘/S原與質(zhì)量指數(shù)Q之間的關(guān)系曲線,如圖2所示。從圖2(a)中可以看出,隨著RE殘/S原的增加,質(zhì)量指數(shù)Q值在RE殘/S原=1.0時(shí)出現(xiàn)低谷值,在RE殘/S原=0.8和1.2時(shí)出現(xiàn)峰值。RE殘/S原大于1.2時(shí)Q值呈下降趨勢,因?yàn)榇藭r(shí)的球化率也在降低。而當(dāng)S原=0.01%時(shí),Q值在RE殘/S原=1.4～1.6時(shí)出現(xiàn)峰值,見圖2(b)。當(dāng)S原=0.04%時(shí),質(zhì)量指數(shù)Q值隨RE殘/S原的增加而增加,見圖2(c)。從圖2(a)和圖2(b)的比較來看,盡管后者的球化率平均水平比前者的球化率水平低,但質(zhì)量指數(shù)Q值后者的峰值和谷值均比前者的高,體現(xiàn)了較好的性能水平。這里,在珠光體含量相同的情況下,球墨的圓整度及基體中雜質(zhì)元素的含量起著較為重要的作用。前者的石墨球數(shù)量多,但大部分石墨球形狀系數(shù)在0.8左右,而后者因?yàn)槭珨?shù)量較少,且部分石墨球形狀系數(shù)在1.0左右。從基體中的元素分布來看,對(duì)于S原=0.01%的球鐵,基體中其他的元素含量極少,相反地高硫鐵水球鐵基體中雜質(zhì)的含量相對(duì)較高。因此減少基體中雜質(zhì)的含量也是提高球鐵強(qiáng)度的一個(gè)重要途徑。綜上所述,對(duì)于3組不同含硫水平的試驗(yàn),當(dāng)S原=0.02%、S原=0.01%、RE殘/S原=1.4～1.6以及S原=0.04%、RE殘/S原=1.6時(shí)均得到較好的綜合力學(xué)性能,即強(qiáng)度在720～800MPa之間,延伸率在2.7～3.6之間,硬度在269～277HB之間,基體為90%～95%的珠光體,球化率達(dá)到85%～90%。盡管獲得差不多的力學(xué)性能,但付出的代價(jià)是不同的,低硫鐵水(S原=0.01%)經(jīng)過脫硫,加入的球化劑量最少;高硫鐵水未經(jīng)脫硫,球化劑的加入量是前者的4倍;而當(dāng)原鐵水含硫量為0.02%時(shí),球化劑的加入量是低硫鐵水加入量的2倍。因此,并不只是低硫鐵水才可得到性能較好的球鐵,但這是以加大球化劑的加入量為代價(jià)的。因?yàn)榍蜩F的硬度、延伸率和強(qiáng)度之間存在一定的矛盾,通過試驗(yàn)可以找到三者之間的協(xié)調(diào)統(tǒng)一體,即高強(qiáng)度,高延伸率且硬度適中,組織中無白口出現(xiàn)。在本試驗(yàn)中,S原=0.02%,RE殘/S原=0.6～0.8,1.2～1.4;S原=0.01%,RE殘/S原1.2～2.0;S原=0.04%,RE殘/S原=1.6時(shí)球化率、強(qiáng)度和延伸率均處于較高的水平上。4鐵水含硫量對(duì)原鐵球化率和珠光體含量的影響①當(dāng)原鐵水含硫量為0.01%時(shí),RE殘/S原對(duì)球化率影響的程度不大,石墨數(shù)量隨RE殘/S原的增加而增加。當(dāng)原鐵水含硫量為0.02%時(shí),低RE殘/S原值對(duì)提高球化率有利。兩者存在一個(gè)最佳的殘余稀土量為0.012～0.02,后者的殘余稀土量還可增加到0.032%。②當(dāng)原鐵水含硫量較高時(shí)(S原=0.04%),要保證石墨球化率達(dá)到85%以上,RE殘/S原為1.6。③在鐵水中加入穩(wěn)定珠光體元素后,若球化率超過80%,RE殘/S原對(duì)珠光體含量幾乎沒有影響。只有球化率較低時(shí),珠光體含量隨RE殘/S原和球化率的增加而增加。④當(dāng)原鐵水含硫量為0.02%時(shí),隨著RE的增加,球鐵的質(zhì)量指數(shù)Q呈現(xiàn)雙峰效應(yīng),峰值時(shí)的強(qiáng)度分別為779MPa和730MPa,延伸率為2.9%～3.3%。在RE殘