铸造技术(221):碎块状石墨对 QT400-18L 球墨铸铁冲击性能的影响

     

摘要: 本文研(yan)究了(le)碎(sui)块(kuai)(kuai)状(zhuang)(zhuang)(zhuang)石(shi)墨(mo)(mo)对 QT400-18L 球(qiu)墨(mo)(mo)铸铁冲(chong)击性(xing)能的影(ying)响。碎(sui)块(kuai)(kuai)状(zhuang)(zhuang)(zhuang)石(shi)墨(mo)(mo)会(hui)使(shi)裂纹扩展路径起伏程度减(jian)小,裂纹会(hui)优先选择沿着碎(sui)块(kuai)(kuai)状(zhuang)(zhuang)(zhuang)石(shi)墨(mo)(mo)和畸(ji)形石(shi)墨(mo)(mo)附近扩展。碎(sui)块(kuai)(kuai)状(zhuang)(zhuang)(zhuang)石(shi)墨(mo)(mo)会(hui)降(jiang)低冲(chong)击功。当碎(sui)块(kuai)(kuai)状(zhuang)(zhuang)(zhuang)石(shi)墨(mo)(mo)比例(li)由 1.0%增加(jia)到 99%时,室温下冲(chong)击功从 17.72J 减(jian)小到 4.63J。碎(sui)块(kuai)(kuai)状(zhuang)(zhuang)(zhuang)石(shi)墨(mo)(mo)的存在会(hui)降(jiang)低断口表面(mian)粗糙度,含有(you)碎(sui)块(kuai)(kuai)状(zhuang)(zhuang)(zhuang)石(shi)墨(mo)(mo)与含有(you)球(qiu)状(zhuang)(zhuang)(zhuang)石(shi)墨(mo)(mo)的断口相比,表面(mian)粗糙度特征值 Sa 降(jiang)低。

关键词:厚大断面(mian);碎(sui)块状(zhuang)石(shi)墨;冲击韧性;球墨铸铁

        兼具优(you)良的(de)(de)(de)(de)综合机(ji)械性(xing)能以(yi)及低廉(lian)的(de)(de)(de)(de)制(zhi)造成本(ben),球(qiu)(qiu)墨(mo)(mo)(mo)(mo)铸(zhu)铁已经大量用于制(zhi)造强度、韧性(xing)、耐(nai)磨性(xing)要求较(jiao)高的(de)(de)(de)(de)零件(jian) [1,2] 。球(qiu)(qiu)墨(mo)(mo)(mo)(mo)铸(zhu)铁的(de)(de)(de)(de)力学性(xing)能与其(qi)凝(ning)固过程和显微组(zu)织(zhi)密(mi)切相关。Iwabuchi Y 等人的(de)(de)(de)(de)研(yan)究(jiu)表(biao)明球(qiu)(qiu)墨(mo)(mo)(mo)(mo)铸(zhu)铁组(zu)织(zhi)中(zhong)(zhong)球(qiu)(qiu)状石(shi)(shi)墨(mo)(mo)(mo)(mo)是(shi)影响球(qiu)(qiu)墨(mo)(mo)(mo)(mo)铸(zhu)铁性(xing)能的(de)(de)(de)(de)重要因素,通常(chang)期(qi)望获得球(qiu)(qiu)形圆整、分布均匀、球(qiu)(qiu)径较(jiao)小、数目(mu)较(jiao)多(duo)的(de)(de)(de)(de)石(shi)(shi)墨(mo)(mo)(mo)(mo)球(qiu)(qiu) [3,4] 。但(dan)由(you)于大断面(mian)铸(zhu)件(jian)中(zhong)(zhong)间部位凝(ning)固较(jiao)慢,所(suo)以(yi)在其(qi)组(zu)织(zhi)中(zhong)(zhong)经常(chang)出现碎块(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)状石(shi)(shi)墨(mo)(mo)(mo)(mo),严重降低了铸(zhu)件(jian)的(de)(de)(de)(de)性(xing)能,也阻碍了大断面(mian)铸(zhu)件(jian)的(de)(de)(de)(de)发展,所(suo)以(yi)研(yan)究(jiu)碎块(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)状石(shi)(shi)墨(mo)(mo)(mo)(mo)对(dui)(dui)(dui)于球(qiu)(qiu)墨(mo)(mo)(mo)(mo)铸(zhu)铁的(de)(de)(de)(de)影响十分重要 [5-7] 。目(mu)前,针对(dui)(dui)(dui)于球(qiu)(qiu)墨(mo)(mo)(mo)(mo)铸(zhu)铁的(de)(de)(de)(de)冲(chong)击性(xing)能的(de)(de)(de)(de)研(yan)究(jiu)的(de)(de)(de)(de)试样中(zhong)(zhong)均为(wei)石(shi)(shi)墨(mo)(mo)(mo)(mo)球(qiu)(qiu),但(dan)是(shi)在厚大断面(mian)球(qiu)(qiu)墨(mo)(mo)(mo)(mo)铸(zhu)铁的(de)(de)(de)(de)实际生产(chan)中(zhong)(zhong)碎块(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)状石(shi)(shi)墨(mo)(mo)(mo)(mo)是(shi)不可避免(mian)的(de)(de)(de)(de),所(suo)以(yi)对(dui)(dui)(dui)于碎块(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)状石(shi)(shi)墨(mo)(mo)(mo)(mo)对(dui)(dui)(dui)冲(chong)击性(xing)能的(de)(de)(de)(de)影响的(de)(de)(de)(de)研(yan)究(jiu)具有一(yi)定意义(yi)。

      本文通过(guo)合(he)金成分(fen)及熔(rong)炼工艺(yi)的(de)(de)合(he)理设计,制(zhi)备不(bu)同尺寸的(de)(de) QT400-18L 厚(hou)大断面(mian)试(shi)件(jian),对(dui)其中心(xin)部(bu)位取样,进行低温冲(chong)(chong)击(ji)试(shi)验和组织观察,研究在(zai)不(bu)同比例的(de)(de)碎(sui)块状石墨对(dui)球墨铸铁冲(chong)(chong)击(ji)性能的(de)(de)影响。

1  试验方法

1.1  材料准备

采(cai)用低(di)硅(gui)生(sheng)铁和废(fei)钢进(jin)行(xing)熔(rong)炼,用硅(gui)铁调节硅(gui)含量。将以上材料放入(ru)中(zhong)频感应炉中(zhong)熔(rong)化(hua)(hua)至1500℃,然后于 1400℃出(chu)炉倒入(ru)事先预热好(hao)(hao)的(de)浇包中(zhong),采(cai)用倒包的(de)形式(shi)进(jin)行(xing)球(qiu)化(hua)(hua)孕育处理,在包底加入(ru) 1.5wt.%重稀土(tu) FeSiCaMgRE 作为(wei)球(qiu)化(hua)(hua)剂(ji),0.45wt.% FeSi 合金(jin)作为(wei)孕育剂(ji)。在扒渣处理后倒入(ru)事先准备好(hao)(hao)的(de)砂型中(zhong)。QT400-18L 成(cheng)分(fen)见(jian)表 1。

1.2  测试方法

       在(zai)(zai)各个试(shi)(shi)样(yang)(yang)(yang)的中心部位取 V 型缺口(kou)试(shi)(shi)样(yang)(yang)(yang),在(zai)(zai)不同温度下进(jin)行 Charpy 冲击(ji)(ji)试(shi)(shi)验,试(shi)(shi)验按(an)[GB/T229-2007]进(jin)行 [8] ,采用摆锤(chui)式冲击(ji)(ji)试(shi)(shi)验机(ji)(Instron9250HV)测(ce)量冲击(ji)(ji)功。金相(xiang)试(shi)(shi)样(yang)(yang)(yang)通过抛光后(hou)经4%硝酸酒精(jing)溶液进(jin)行腐(fu)蚀。取冲击(ji)(ji)之后(hou)的试(shi)(shi)样(yang)(yang)(yang),将断口(kou)干(gan)燥后(hou)保存,在(zai)(zai)扫描电子显(xian)微镜(S-3400N)下对断口(kou)形(xing)貌分析。通过激光共(gong)聚焦显(xian)微镜(OLS40-CB)对断口(kou)进(jin)行拼接处(chu)理,并对其进(jin)行粗糙度测(ce)量。

2  试验结果与分析

        2.1  不同冲击温度下碎块状石墨(mo)对裂纹扩展路径的(de)影响

        图(tu) 1 为不同温度下的试样的冲击断口(kou)宏观(guan)形貌(mao)拼接(jie)图(tu)。从图(tu)中可以看出,冲击试样的断裂路径(jing)走势随着温度的降低(di)变化十分明显(xian)(xian),当(dang)冲击温度为 0℃时,断裂路径(jing)的曲折(zhe)程度明显(xian)(xian),当(dang)冲击温度降低(di)至(zhi)-40℃时裂纹起伏程度逐(zhu)渐(jian)减(jian)小,而当(dang)温度降低(di)到(dao)-80℃时裂纹扩展路径(jing)趋于平坦。

图 1 试样在不同温度下冲击断口宏观形貌图

        为了更(geng)好的(de)对(dui)裂纹扩展(zhan)路径(jing)(jing)形成(cheng)原因(yin)进行(xing)分析,通过(guo)激(ji)光共聚(ju)焦(jiao)显(xian)微(wei)镜对(dui)断裂断裂路径(jing)(jing)周围进行(xing)局部(bu)放大。图 2 是(shi)不同温度(du)下的(de)冲(chong)击(ji)断口局部(bu)特征(zheng)图。从(cong)图中J9九游会AG 可(ke)以观察到变形的(de)铁(tie)素体(ti)基体(ti)及石墨(mo)球,当时在(zai)存在(zai)碎块状(zhuang)石墨(mo)的(de)试样(yang)中,裂纹优先(xian)在(zai)碎块状(zhuang)石墨(mo)处萌生,并(bing)沿其扩展(zhan)。

图 2 断裂裂纹在(zai)不同(tong)温(wen)度下(xia)扩(kuo)展的局部特征图

2.2  碎块状石墨冲击断口形貌的影响

       图 3 为(wei)(wei)试(shi)样(yang)在(zai) 20℃下的(de)不同冲(chong)(chong)(chong)击(ji)(ji)功(gong)(gong)所(suo)对(dui)应的(de)断口形(xing)(xing)貌特征,其中 4 组(zu)(zu)图片(pian)对(dui)应试(shi)样(yang)的(de)冲(chong)(chong)(chong)击(ji)(ji)功(gong)(gong)分(fen)别为(wei)(wei) 13.2J、11.7J、9.5J 和 6.7J。从图中可(ke)以(yi)看出当(dang)(dang)石(shi)墨(mo)形(xing)(xing)态基本为(wei)(wei)球状石(shi)墨(mo)时(shi)(shi),试(shi)样(yang)冲(chong)(chong)(chong)击(ji)(ji)功(gong)(gong)为(wei)(wei) 13.2J,当(dang)(dang)碎(sui)块(kuai)(kuai)状石(shi)墨(mo)增(zeng)多(duo)时(shi)(shi)冲(chong)(chong)(chong)击(ji)(ji)功(gong)(gong)随(sui)之减小,当(dang)(dang)组(zu)(zu)织几乎都为(wei)(wei)碎(sui)块(kuai)(kuai)状石(shi)墨(mo)时(shi)(shi)试(shi)样(yang)冲(chong)(chong)(chong)击(ji)(ji)功(gong)(gong)仅为(wei)(wei) 6.7J。由(you)此可(ke)见,试(shi)样(yang)冲(chong)(chong)(chong)击(ji)(ji)功(gong)(gong)随(sui)着(zhe)碎(sui)块(kuai)(kuai)状石(shi)墨(mo)增(zeng)加而减少,且减少的(de)十分(fen)明显,并且碎(sui)块(kuai)(kuai)状石(shi)墨(mo)对(dui)球墨(mo)铸铁组(zu)(zu)织形(xing)(xing)貌影响(xiang)十分(fen)大。随(sui)着(zhe)碎(sui)块(kuai)(kuai)状石(shi)墨(mo)比例(li)增(zeng)加冲(chong)(chong)(chong)击(ji)(ji)功(gong)(gong)下降的(de)很快,说明断裂所(suo)受(shou)阻力(li)随(sui)着(zhe)碎(sui)块(kuai)(kuai)状石(shi)墨(mo)比例(li)的(de)增(zeng)加降低,使裂纹扩展(zhan)速率增(zeng)高。

图 3 在 20℃时具(ju)有(you)不同冲击功(gong)球铁试样(yang)所对(dui)应的断(duan)口形(xing)貌特征(zheng)

2.3  碎块状石墨断口粗糙度分析

      通过前面对不同温度(du)(du)(du)下的(de)冲(chong)(chong)(chong)击(ji)(ji)试件(jian)断(duan)(duan)(duan)口(kou)(kou)在观(guan)察可知,随着碎块(kuai)状石(shi)墨(mo)(mo)的(de)增加,铁(tie)素体球(qiu)(qiu)墨(mo)(mo)铸铁(tie)冲(chong)(chong)(chong)击(ji)(ji)断(duan)(duan)(duan)口(kou)(kou)形(xing)貌特(te)征发生(sheng)了(le)(le)显(xian)著的(de)变化,石(shi)墨(mo)(mo)球(qiu)(qiu)周围韧窝数量(liang)显(xian)减少,碎块(kuai)状石(shi)墨(mo)(mo)缺陷(xian)与(yu)解理面数量(liang)增多。为(wei)了(le)(le)更好的(de)分(fen)析(xi)冲(chong)(chong)(chong)击(ji)(ji)断(duan)(duan)(duan)口(kou)(kou)形(xing)貌随温度(du)(du)(du)的(de)演变规(gui)律,采用激光共聚(ju)焦扫(sao)描显(xian)微(wei)镜及其图像(xiang)分(fen)析(xi)软件(jian)对球(qiu)(qiu)墨(mo)(mo)铸铁(tie)的(de)冲(chong)(chong)(chong)击(ji)(ji)断(duan)(duan)(duan)口(kou)(kou)形(xing)貌进行(xing)(xing)三维重(zhong)建。为(wei)对不同温度(du)(du)(du)下冲(chong)(chong)(chong)击(ji)(ji)断(duan)(duan)(duan)口(kou)(kou)的(de)三维形(xing)貌几何(he)特(te)征进行(xing)(xing)定量(liang)分(fen)析(xi),采用粗糙度(du)(du)(du)测量(liang)软件(jian)测出(chu)三维空(kong)间(jian)断(duan)(duan)(duan)口(kou)(kou)表面粗糙度(du)(du)(du)指(zhi)数,最常用的(de)三维空(kong)间(jian)断(duan)(duan)(duan)口(kou)(kou)表面粗糙度(du)(du)(du)指(zhi)数为(wei)断(duan)(duan)(duan)口(kou)(kou)表面平均(jun)高(gao)度(du)(du)(du)的(de)算术平均(jun)值 Sa [9,10] 。图 4 为(wei)一(yi)些典型(xing)的(de)碎块(kuai)状石(shi)墨(mo)(mo)断(duan)(duan)(duan)口(kou)(kou)三维形(xing)貌特(te)征。

         在(zai)试(shi)验过程中(zhong)由(you)于设备使用条(tiao)件限(xian)制,样(yang)品断口形貌分散性较(jiao)大(da),所以在(zai)统(tong)一放大(da)倍(bei)数(shu)下(xia)(xia)(1000倍(bei))在(zai)断口上选取了二十左右个具有代表性的视场,将所测的表面平均高度(du)进行统(tong)计处理(li)。通过筛选,根据碎块状石(shi)墨(mo)含量的不(bu)同(tong),选出(chu)两组(zu)有代表性的试(shi)样(yang) A 和(he)试(shi)样(yang) B,并对其进行分析。图 5 给出(chu)了不(bu)同(tong)温度(du)下(xia)(xia)试(shi)样(yang) A 与试(shi)样(yang) B 球墨(mo)铸铁冲击(ji)断口表面粗糙(cao)度(du)指数(shu) Sa 随(sui)(sui)温度(du)变化的曲线,从图中(zhong)可以看出(chu),试(shi)样(yang) A 与试(shi)样(yang) B 球墨(mo)铸铁的断面粗糙(cao)度(du)指数(shu) Sa 均随(sui)(sui)着(zhe)温度(du)的降低(di)而减小,其断裂模式(shi)由(you)韧性断裂过渡到(dao)解理(li)断裂机(ji)制。

         图(tu) 5 试样 A 与试样 B 球墨铸铁冲(chong)击(ji)断(duan)口表(biao)面(mian)粗糙度指数 Sa 随温度变化(hua)的曲线

表(biao) 2 为常(chang)温(wen)下(xia) 9 组不同碎(sui)(sui)(sui)块(kuai)(kuai)状(zhuang)石(shi)墨(mo)含量试(shi)样(yang)与冲(chong)击(ji)(ji)功(gong)及断裂(lie)类(lei)型(xing)的关系。从(cong)中可以看出随(sui)着碎(sui)(sui)(sui)状(zhuang)形态石(shi)墨(mo)的比(bi)(bi)例(li)(li)(li)增加,冲(chong)击(ji)(ji)功(gong)逐渐减小(xiao),试(shi)样(yang)断裂(lie)类(lei)型(xing)由韧性断裂(lie)逐渐经过混合(he)断裂(lie)逐过度到(dao)脆性断裂(lie)。在几乎没有碎(sui)(sui)(sui)块(kuai)(kuai)状(zhuang)石(shi)墨(mo)的情(qing)况下(xia),冲(chong)击(ji)(ji)功(gong)为 17.72J;当(dang)随(sui)着碎(sui)(sui)(sui)块(kuai)(kuai)状(zhuang)比(bi)(bi)例(li)(li)(li)增大冲(chong)击(ji)(ji)功(gong)变化明显;当(dang)碎(sui)(sui)(sui)块(kuai)(kuai)状(zhuang)石(shi)墨(mo)比(bi)(bi)例(li)(li)(li)很(hen)高时,冲(chong)击(ji)(ji)功(gong)低至(zhi) 4.63J。由此可见碎(sui)(sui)(sui)块(kuai)(kuai)状(zhuang)石(shi)墨(mo)的存在明显的降低了冲(chong)击(ji)(ji)功(gong)导致脆性断裂(lie)。

3  结论

     (1)碎(sui)块(kuai)状石墨(mo)会(hui)使裂纹扩(kuo)展路径(jing)起伏程度减小(xiao)。裂纹会(hui)优先选择沿(yan)着碎(sui)块(kuai)状石墨(mo)和(he)畸形(xing)石墨(mo)附(fu)近扩(kuo)展。

     (2)碎(sui)块状(zhuang)石墨会降低冲(chong)击功(gong)(gong)。当(dang)碎(sui)块状(zhuang)石墨比(bi)(bi)例(li)(li)为(wei) 1.0%时,冲(chong)击功(gong)(gong)为(wei) 17.72J;当(dang)碎(sui)块状(zhuang)石墨比(bi)(bi)例(li)(li)为(wei) 40%时冲(chong)击功(gong)(gong)降低到 11.50J;当(dang)碎(sui)块状(zhuang)石墨比(bi)(bi)例(li)(li)为(wei) 99%时,冲(chong)击功(gong)(gong)仅为(wei) 4.63J。

     (3)碎(sui)块(kuai)状石墨(mo)的(de)(de)存在会降(jiang)低断口(kou)表(biao)面粗糙度。碎(sui)块(kuai)状石墨(mo)与(yu)球状石墨(mo)断口(kou)相(xiang)比,碎(sui)块(kuai)状石墨(mo)比球状石墨(mo)的(de)(de)表(biao)面粗糙度特(te)征值(zhi) Sa 低。