石墨形态对灰铸铁力学性能的影响

石墨形态对灰铸铁力学性能的影响

1 引言

灰铸铁的弹性模量反映其抵抗塑性变形的一种能力，代表着其刚性的大小，其值将直接影响铸铁件的尺寸稳定性[1]。弹性模量的大小是保证缸体、曲轴等重要铸件的精度，减少其工作过程中发生变形的重要指标。一般认为影响灰铸铁弹性模量的主要因素片状石墨的数量和形态。具有D型石墨的灰铸铁比具有A型石墨的弹性模量高[2]。节能降耗、汽车轻量化和大功率化的发展，对灰铸铁材料的薄壁高强度化[3]及其弹性模量的要求越来越高。关于灰铸铁的抗拉强度，人们已进行了大量的研究工作，而有关其弹性模量及其与抗拉强度间的相关关系等方面的研究工作则相对较少。实际上，对于汽车缸体、连杆、机床和精密机械等铸件而言，通常不是由断裂而失效，而是因铸件尺寸稳定性差而失效。因此，和抗拉强度相比，弹性模量显得更为重要。非金属夹杂物对于钢的组织和性能的影响已经引起了人们的广泛重视[4]，但对于夹杂物对于铸铁材料的组织和性能的影响，特别是针对弹性模量方面的研究，则报道的较少。本文旨在对通过对灰铸铁中石墨形态和氧化夹杂数量的分析，揭示其对抗拉强度和弹性模量的影响规律。

2试验方法

石墨数量和石墨形态是严重影响铸铁性能的主要因素，本文采用在基本固定铸铁石墨数量的条件下，研究石墨形态和非金属夹杂对抗拉强度和杨氏弹性模量的影响。

2.1 试验用铁水及炉前处理

将碳当量控制在3.8-3.9之间，采用不同的合金进行孕育处理，得到不同石墨形态的铸铁组织。试验所用铁水的熔化是在100kg中频感应电炉中进行，采用包内冲入法进行孕育处理，处理温度为1450~1500℃。浇铸成φ30的圆柱形试样，材料的化学成分如表1所示。

表1 试样的化学成分（wt/%）

C Si Mn P S微量元素孕育剂

3.20 1.800.730.3170.0206Mo、Ni、

Cu、Cr等硅锶

3.11 1.860.760.3340.022硅锶锰

3.11 1.950.740.3080.0204硅锶稀土

3.16 2.030.70.320.1132硅锶2.2 组织参数的测定

从试棒的相同位置取样，经过打磨→磨光→抛光后，首先用3%-4%硝酸酒精进行浸蚀，利用光学显微镜对试样基体组织进行定量分析；然后重新抛光，在不浸蚀的条件下，利用光

学显微镜观察石墨形态及其分布；利用扫描电镜及其能谱对氧化夹杂进行分析。

采用人工方法，选用相同放大位数的金相图片，利用ImageTool软件测量石墨的长宽比（L/D）。每个试样选择5个视场, 每个视场随机选择50个石墨，将所测结果平均后即获得该试样的石墨长宽比。利用ImageTool软件测量氧化夹杂的体积分数。

2.3 力学性能测试

按GB/T228-2002规定将圆柱形试棒加工成￠12.5 mm×200 mm力学性能试样，按GB/T 22315-2008规定进行拉伸试验，利用SANS-CMT5205万能材料试验机上测试材料的抗拉强度和杨氏弹性模量。

3 试验结果与分析

3.1各种试样的金相组织特点

利用光学金相显微镜进行观察发现，四种试样中组织均为细片状珠光体+片状石墨+磷化物组织，其中珠光体的含量均大于98%。图1为孕育剂加入量相同时，不同种类孕育剂所对应的显微组织。可以看出：四种试样中的石墨形态均以A型为主，但石墨的长宽比有所不同。定量测量结果显示，图1（a）、（b）、（c）、（d）中石墨的长宽比（L/D）都大于15，并依次减小（见图2）。

图1 不同孕育剂试样的光学显微组织（未浸蚀）

（a ）硅锶 （b ）硅锶锰 （c ）硅锶稀土 （d ）S 0.11%+硅锶

图2抗拉强度和杨氏弹性模量与石墨形态的关系

值得注意的是，图1中的各图片中出现了不同数量的白色点状物。通过对白色点状物进行能谱分析可知，这些点状物均为含有铁、锰、硅等元素的氧化物，图3为其典型能谱。由图1可看出，图1（a ）、（b ）和（c ）中的氧化夹杂物体积分数依次增加；图1（d ）中氧化夹杂物数量最少。

图3 白色颗粒的典型能谱分析结果

3.2 石墨长宽比对灰铸铁抗拉强度和弹性模量的影响

由图2可知，石墨的长宽比L/D 对抗拉强度没有明显影响；但石墨的长宽比增大，杨氏弹性模量有增大的趋势。这说明，在基体组织相同，石墨形态主要为A

型时，石墨的长

抗拉强度/ M P a , 杨氏模量 / G P a

硅锶 硅锶锰

硅锶稀土 S 0.11%+硅锶

20

30

40

50

石墨长宽比（L /D ）

宽比对灰铸铁的抗拉强度间不存在明显的相关性，但减小长宽比有利于提高杨氏弹性模量。

3.3 非金属夹杂对灰抗拉强度和弹性模量的影响

图4 抗拉强度和杨氏弹性模量与氧化夹杂物体积分数的关系

图4为抗拉强度和杨氏弹性模量与氧化夹杂体积分数关系图。由图4可以看出，金相组织中的氧化夹杂物的数量增加，灰铸铁的抗拉强度减小。杨氏弹性模量的变化趋势与氧化夹杂数量变化正好相反，氧化夹杂数减小时，杨氏弹性模量明显增大，当氧化夹杂相对最多时，杨氏弹性模量变化到最小。这说明灰铸铁中的氧化夹杂对其杨氏弹性模量有较明显的影响。

综上所述，氧化夹杂不是影响灰铸铁件抗拉强度的主要因素，但对其有一定的影响；而氧化夹杂对其杨氏弹性模量有明显的作用，夹杂越少，越有利于杨氏弹性模量的提高。要提高铸件的抗拉强度和杨氏弹性模量，非金属氧化夹杂是必须重视的因素。

4 结论

1）减小石墨长宽比，对灰铸铁的抗拉强度没有明显影响，但对提高杨氏弹性模量有益。 2）氧化夹杂对铸件抗拉强度来说有一定的影响，但不是主要影响因素；而非金属氧化夹杂对杨氏弹性模量有明显作用，夹杂越少，越有利于杨氏弹性模量的改善。

3）控制石墨的长宽比，同时非金属氧化夹杂也减少，将有利于提高灰铸铁的杨氏弹性模量。

20

40

60

80

100

抗拉强度/ M P a , 杨氏模量 / G P a

硅锶

硅锶锰 硅锶稀土 S 0.11%+硅锶

夹杂物体积分数 /%

硅锶锰