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: 本文研究了碎块状石墨对 QT400-18L 球墨铸铁冲击性能的影响。碎块状石墨会使裂纹扩展路径起伏程度减小,裂纹会优先选择沿着碎块状石墨和畸形石墨附近扩展。碎块状石墨会降低冲击功。当碎块状石墨比例由 1.0%增加到 99%时,室温下冲击功从 17.72J 减小到 4.63J。碎块状石墨的存在会降低断口表面粗糙度,含有碎块状石墨与含有球状石墨的断口相比,表面粗糙度特征值 Sa 降低。

关键词:厚大断面;碎块状石墨;冲击韧性;球墨铸铁

        兼具优良的综合机械性能以及低廉的制造成本,球墨铸铁已经大量用于制造强度、韧性、耐磨性要求较高的零件 [1,2] 。球墨铸铁的力学性能与其凝固过程和显微组织密切相关。Iwabuchi Y 等人的研究表明球墨铸铁组织中球状石墨是影响球墨铸铁性能的重要因素,通常期望获得球形圆整、分布均匀、球径较小、数目较多的石墨球 [3,4] 。但由于大断面铸件中间部位凝固较慢,所以在其组织中经常出现碎块状石墨,严重降低了铸件的性能,也阻碍了大断面铸件的发展,所以研究碎块状石墨对于球墨铸铁的影响十分重要 [5-7] 。目前,针对于球墨铸铁的冲击性能的研究的试样中均为石墨球,但是在厚大断面球墨铸铁的实际生产中碎块状石墨是不可避免的,所以对于碎块状石墨对冲击性能的影响的研究具有一定意义。

      本文通过合金成分及熔炼工艺的合理设计,制备不同尺寸的 QT400-18L 厚大断面试件,对其中心部位取样,进行低温冲击试验和组织观察,研究在不同比例的碎块状石墨对球墨铸铁冲击性能的影响。

1  试验方法

1.1  材料准备

采用低硅生铁和废钢进行熔炼,用硅铁调节硅含量。将以上材料放入中频感应炉中熔化至1500℃,然后于 1400℃出炉倒入事先预热好的浇包中,采用倒包的形式进行球化孕育处理,在包底加入 1.5wt.%重稀土 FeSiCaMgRE 作为球化剂,0.45wt.% FeSi 合金作为孕育剂。在扒渣处理后倒入事先准备好的砂型中。QT400-18L 成分见表 1。

1.2  测试方法

       在各个试样的中心部位取 V 型缺口试样,在不同温度下进行 Charpy 冲击试验,试验按[GB/T229-2007]进行 [8] ,采用摆锤式冲击试验机(Instron9250HV)测量冲击功。金相试样通过抛光后经4%硝酸酒精溶液进行腐蚀。取冲击之后的试样,将断口干燥后保存,在扫描电子显微镜(S-3400N)下对断口形貌分析。通过激光共聚焦显微镜(OLS40-CB)对断口进行拼接处理,并对其进行粗糙度测量。

2  试验结果与分析

        2.1  不同冲击温度下碎块状石墨对裂纹扩展路径的影响

        图 1 为不同温度下的试样的冲击断口宏观形貌拼接图。从图中可以看出,冲击试样的断裂路径走势随着温度的降低变化十分明显,当冲击温度为 0℃时,断裂路径的曲折程度明显,当冲击温度降低至-40℃时裂纹起伏程度逐渐减小,而当温度降低到-80℃时裂纹扩展路径趋于平坦。

图 1 试样在不同温度下冲击断口宏观形貌图

        为了更好的对裂纹扩展路径形成原因进行分析,通过激光共聚焦显微镜对断裂断裂路径周围进行局部放大。图 2 是不同温度下的冲击断口局部特征图。从图中我们可以观察到变形的铁素体基体及石墨球,当时在存在碎块状石墨的试样中,裂纹优先在碎块状石墨处萌生,并沿其扩展。

图 2 断裂裂纹在不同温度下扩展的局部特征图

2.2  碎块状石墨冲击断口形貌的影响

       图 3 为试样在 20℃下的不同冲击功所对应的断口形貌特征,其中 4 组图片对应试样的冲击功分别为 13.2J、11.7J、9.5J 和 6.7J。从图中可以看出当石墨形态基本为球状石墨时,试样冲击功为 13.2J,当碎块状石墨增多时冲击功随之减小,当组织几乎都为碎块状石墨时试样冲击功仅为 6.7J。由此可见,试样冲击功随着碎块状石墨增加而减少,且减少的十分明显,并且碎块状石墨对球墨铸铁组织形貌影响十分大。随着碎块状石墨比例增加冲击功下降的很快,说明断裂所受阻力随着碎块状石墨比例的增加降低,使裂纹扩展速率增高。

图 3 在 20℃时具有不同冲击功球铁试样所对应的断口形貌特征

2.3  碎块状石墨断口粗糙度分析

      通过前面对不同温度下的冲击试件断口在观察可知,随着碎块状石墨的增加,铁素体球墨铸铁冲击断口形貌特征发生了显著的变化,石墨球周围韧窝数量显减少,碎块状石墨缺陷与解理面数量增多。为了更好的分析冲击断口形貌随温度的演变规律,采用激光共聚焦扫描显微镜及其图像分析软件对球墨铸铁的冲击断口形貌进行三维重建。为对不同温度下冲击断口的三维形貌几何特征进行定量分析,采用粗糙度测量软件测出三维空间断口表面粗糙度指数,最常用的三维空间断口表面粗糙度指数为断口表面平均高度的算术平均值 Sa [9,10] 。图 4 为一些典型的碎块状石墨断口三维形貌特征。

         在试验过程中由于设备使用条件限制,样品断口形貌分散性较大,所以在统一放大倍数下(1000倍)在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进行统计处理。通过筛选,根据碎块状石墨含量的不同,选出两组有代表性的试样 A 和试样 B,并对其进行分析。图 5 给出了不同温度下试样 A 与试样 B 球墨铸铁冲击断口表面粗糙度指数 Sa 随温度变化的曲线,从图中可以看出,试样 A 与试样 B 球墨铸铁的断面粗糙度指数 Sa 均随着温度的降低而减小,其断裂模式由韧性断裂过渡到解理断裂机制。

         图 5 试样 A 与试样 B 球墨铸铁冲击断口表面粗糙度指数 Sa 随温度变化的曲线

表 2 为常温下 9 组不同碎块状石墨含量试样与冲击功及断裂类型的关系。从中可以看出随着碎状形态石墨的比例增加,冲击功逐渐减小,试样断裂类型由韧性断裂逐渐经过混合断裂逐过度到脆性断裂。在几乎没有碎块状石墨的情况下,冲击功为 17.72J;当随着碎块状比例增大冲击功变化明显;当碎块状石墨比例很高时,冲击功低至 4.63J。由此可见碎块状石墨的存在明显的降低了冲击功导致脆性断裂。

3  结论

     (1)碎块状石墨会使裂纹扩展路径起伏程度减小。裂纹会优先选择沿着碎块状石墨和畸形石墨附近扩展。

     (2)碎块状石墨会降低冲击功。当碎块状石墨比例为 1.0%时,冲击功为 17.72J;当碎块状石墨比例为 40%时冲击功降低到 11.50J;当碎块状石墨比例为 99%时,冲击功仅为 4.63J。

     (3)碎块状石墨的存在会降低断口表面粗糙度。碎块状石墨与球状石墨断口相比,碎块状石墨比球状石墨的表面粗糙度特征值 Sa 低。