使用锰铁孕育提高高碳当量灰铸铁力学性能研究
作者
（上海烟草机械有限责任公司，上海 201314）
摘 要：以孕育的方式将锰铁加入，研究了在高碳当量灰铸铁炉前加入锰铁进行孕育处理以提高铸铁力学性能的方法，获得了力学性能优异的高碳当量灰铸铁，并进行了抗拉强度、布氏硬度和金相组织的观察。
关键词：高强度灰铸铁；锰铁孕育；碳当量；力学性能
中图分类号：TB 文献标识码：A文章编号：1672-3198（2011）01-0270-02
灰铸铁作为一种应用广泛的结构材料，具有优良的减震性、耐磨性和切削加工性，同时，与其他合金相比，具有成本低、生产设施和成型过程简单等优点，因此，长期以来，灰铸铁在铸件中所占的比重非常大。
长期以来，国内外汽车生产厂商一般采用较低的碳当量（CE3.8%左右）来得到较高强度的灰铸铁。然而低碳当量灰铸铁的白口、热裂以及收缩倾向都比较严重，铸造性能相对较差。高碳当量灰铸铁是指碳当量在共晶点附近的灰铸铁，高碳当量使得这类灰铸铁在具有更好的铸造性能的同时，也降低了自身的强度。因此，提高高碳当量灰铸铁的强度成为当前灰铸铁研究领域的一个热点问题。
众所周知，锰元素对改善铁碳合金的力学性能具有良好的效果，可以提高强度、减少收缩及铸造应力。但以往的研究大多是基于含锰量较大的合金铸铁，而在高碳当量灰铸铁中锰含量较低，因此有必要研究在此种条件下提高铸铁的力学性能的方法。
1 实验材料及实验方法
本实验采用的高碳当量灰铸铁炉料包括：生铁、废钢、75硅铁、锰铁等，各种炉料的成分如表1所示。在实际熔炼浇注中，按照HT250的成分范围进行称重配料。
表1 炉料成分表（%）
在实验中，在保证Mn含量不变的条件下，采取两种不同的加入锰铁的方式，分别是将锰铁全部随炉料加入和以孕育方式在炉前加入，加入量分别为0.3%、0.4%和0.5%，在中频感应电炉中进行熔炼，其工艺流程为：a）熔炼温度为1550℃以上时出炉；b）出炉时，在需要孕育的炉中进行随流孕育，并进行搅拌扒渣；c）铁水温度为1330-1380℃时进行浇注；d）浇注出的试样降至室温后开箱，清理铸件，并加工试样。
对制取的试样进行相关力学性能的检测，实验中用到的设备有：万能拉伸实验机、布氏硬度仪、金相显微镜等。
2 实验结果及分析
2.1 抗拉强度测试
每一炉次铁水浇注两根试棒，并按照国家标准加工成图1所示的尺寸。
试样的抗拉强度由公式1计算得到：
σbF/S（1）
其中σb为抗拉强度（MPa）；F为最大拉力（N）；S为试棒原始横截面积（mm2）。
通过万能拉伸实验机得到每组试棒的抗拉强度，并取同炉两试棒抗拉强度的平均值。表2中列出了经过不同方法孕育处理后的高碳当量灰铸铁抗拉强度数值。
表2 不同炉次高碳当量灰铸铁试棒抗拉强度
从实验结果可以看到，抗拉强度随着炉前锰铁加入量的增加而增大，最大值与最小值相比，抗拉强度提高了37Mpa，其原因初步分析有二：一是，孕育处理使得灰铁中初生奥氏体枝晶数量增多，二次枝晶更为发达，枝晶间距更为细小。而初生奥氏体枝晶中不含石墨，故强度比共晶团区域要高，奥氏体枝晶在提高抗拉强度方面的作用机理就是在裂纹扩展过程中提供阻力，当裂纹扩展到奥氏体枝晶区域时，就会受到较强的阻碍作用，从而使裂纹改变方向或者沿着枝晶外缘评语与枝晶轴的方向发展，当裂纹扩展路径达到一定数量，消耗足够多的能量，从而能阻止裂纹的扩展。同时，初生奥氏体枝晶在灰铸铁组织中能起到骨架的作用。二是，经孕育后，粗大的石墨变得细小，能降低石墨割裂基体组织的作用，从而提高灰铸铁的强度。
2.2 布氏硬度测试
硬度测试的试样是在拉伸试棒上截取得到的，硬度实验在HB-3000型布氏硬度试验机上进行，压头为直径5mm钢球，保压时间15s，载荷780kg，得到如下图所示的实验数据。
从图2中可以看到，本实验中所浇注的高碳当量灰铸铁试棒，其布氏硬度值随着锰铁在炉前加入量的增加而增大，当锰铁加入质量分数为0.4%时，布氏硬度值达到223，继续增加锰铁孕育量到0.5%时，布氏硬度值达到231，效果非常明显。
硬度测试的实质是测试材料的剪切强度，灰铸铁中初生奥氏体骨架能够起到加固基体组织的作用，从而使强度提高。同时，随着在高碳当量灰铸铁熔炼时炉前加入锰铁量的增加，其晶粒逐渐细化，从而使晶体阻碍滑移的能力增强，塑性变形抗力增大，也就表现为硬度的提高。
2.3 金相组织观察
从试棒上截取试样，经砂纸打磨、抛光后，在金相显微镜下进行金相组织观察组织中石墨的形态、数量及分布。
上述四个试样的石墨均为A型石墨，力学性能较好；同时，随着锰铁加入量的增加，石墨变得更加细小，但是数量增加并不明显，这主要是由于Mn元素对于石墨化的的阻碍作用。
同时，灰铸铁中的共晶团数量可表征铁液中能长成石墨的核心的数量，因此本实验中通过观察共晶团数量来判断锰铁孕育的效果。共晶团的计数借助于金相组织统计分析软件Image Pro Plus 5.0。
图4中可以看到，随着锰铁孕育量的增加，单位面积内共晶团数量也随之增多，并且尺寸也变得更加细小。这是由于锰铁中的Mn元素与铁碳合金中的S元素发生了反应，生成的MnS属于形核能力很强的外来质点，并且能够被石墨所润湿，石墨可以依附它形核。
另外，将试棒进行退火处理后制取金相试样，对抛光后的试样用4%的硝酸酒精溶液腐蚀处理，用金相显微镜可以观察到奥氏体枝晶的形态、数量和分布情况。
图5是试样经过退火处理后组织中初生奥氏体枝晶的形貌。可以看到，没有经过锰铁孕育处理时，一次枝晶轴粗大，二次枝晶不发达，而经过炉前孕育后，初生奥氏体均为发达的等轴枝晶，并且数量增多，有明显的二次晶轴枝晶，枝晶骨架有序排列，形成了等轴网络骨架。
3 结论
本文研究了在高碳当量灰铸铁炉前加入锰铁进行孕育处理以提高铸铁力学性能的方法，通过对抗拉强度、布氏硬度和金相组织的观察，得到了满意的实验数据，并进行了合理的分析，得出以下结论：
（1）经过锰铁炉前孕育后，高碳当量灰铸铁的抗拉强度和硬度明显高于未经锰铁孕育时的抗拉强度，并且随炉前孕育量的提高，抗拉强度和硬度逐渐提高，在炉前孕育量为0.5%时达到最大值，抗拉强度为297Mpa，布氏硬度值为231
（2）锰铁对高碳当量灰铸铁的炉前孕育，虽然并不能明显增加石墨的数量，但是能够使组织中的石墨变得更加细小，使晶粒细化；同时，可以使得共晶团数量增加、尺寸变小，并能够生成等轴网络骨架的奥氏体枝晶，這一系列的变化是锰铁孕育提高高碳当量灰铸铁力学性能的原因。
参考文献
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作者 马颖皓