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1、球铁球铁 900-5 和和 900-2 微观组织与断口形貌观察微观组织与断口形貌观察崔文超1 陶成2 王丽1（1.山东大学威海分校，山东威海 264209；2. 威海鲁海精密机械有限公司，山东威海 264211）摘要：本文对 QT900-5（1#试样）和 QT900-2（2#试样）的微观组织及断口形貌进行了扫描电镜分析。结果表明，1#试样石墨球细小，且形状较为圆整；2#试样石墨球数量较少，比较粗大。对断口的扫描结果发现，1#试样的微观断裂特征为石墨球与基体形成圆整的韧窝；而 2#试样石墨球表面粗糙，且极不规整，断口处出现部分团絮状的硅酸盐。对两组试样的湿化学分析结果表明，1#和 2#试样残留
2、Mg 含量分别为0.056%和 0.035%；而 P 含量分别为 0.036%和 0.051%。2#试样较低的 Mg 残留量和较高的含 P 量也是其韧性较低的原因之一。关键词：球铁 900-5, 900-2; 石墨球形状; 断口形貌; Mg 含量; P 含量 Observation on Microstructure and Fractography of Nodular Iron 900-5 and 900-2Cui Wenchao1 1 Tao Cen 2 Wang Li1 1（1.Shandong University at Weihai, Weihai, China 264209；2.
3、 Weihai Luhai Precision Machinery co.,ltd， Weihai, China 264211）QT900-5and QT900-2 samples are made to explore the microstructure and fractography of nodular iron by SEM. The finding indicates that the size of graphite nodules in sample 1 is finer, the shape is rounder than that of sample 2. Fractur
4、e surface of sample 1 shows dolly dimple between the matrix and graphite nodules; while the surface of sample 2 is so coarse and the silicate with aggregate structure is found at the fracture surface. The chemical ingredient analysis indicates that the remains of Mg in the nodule iron is 0.056%, 0.0
5、35% respectively and the P content is 0.036%, 0.051% respectively. The lower quantity of Mg and higher quantity of P can also be considered as the poor elongation. Key words: Nodule iron 900-5, 900-2; the shape of graphite nodule; fractography; the remains of Mg; the quantity of P1 介绍球铁（QT900）以其较高的刚
6、性，疲劳强度以及良好的耐磨性能而被广泛应用于汽车等发动机曲轴的制造。曲轴是汽车发动机的关键，其性能的好坏直接影响汽车的寿命。曲轴在发动机中承受周期性的弯矩和扭矩，因此要求良好的抗疲劳性及耐磨性【1-2】 。QT900 基体组织为珠光体，其抗拉强度达到 900MPa，可达到碳钢的强度值【3】 。随着铸造工艺的发展，球墨铸铁也逐步取代碳钢，作为中小功率发动机曲轴普遍采用的一种材料。与锻钢材料比较，球墨铸铁曲轴既有制造简便、成本低廉，又有吸震、耐磨、对表面裂纹不敏感等锻钢材料所不具备的优良特性，因而球墨铸铁具备了代替锻钢制造曲轴的可能性。国内曲轴生产厂家正不断研发高性能球墨铸铁，作为该行业未来发展方
7、向之一【4】 。本文采用石墨增 C 方法利用废钢配置了两种球铁根据铸件壁厚的不同，浇注成试样直径分别为 8mm（1#）和12mm（2#） ，对其进行拉伸试验，强度均达到 900MPa，而延伸率分别为 5%和 2%，对其微观组织结构及断口形貌进行观察分析。两组试样的基本元素含量分别为：C: 3.5%，Si 2.4%，Mn: 0.3%，P0.035%，S0.016%，其它合金元素1%2 实验结果2.1 石墨球数量及圆整度要提高球铁铸件的强度性能，其中石墨球的圆整度和共晶团的细化是两个关键因素。图1 为两个试样所获得的石墨球形貌及分布。从图中可以观察到，1#试样所获得的石墨球圆整度较高，石墨球细小，
8、且数量多。在相同的放大倍数下，2#试样视场中所观察的石墨球的数量相对较少，且石墨球分布不均匀，石墨球的圆整度也有所下降。众所周知，球铁需要采用Mg 或稀土 Mg 进行球化处理，从而获得石墨球。Mg 是极易挥发元素，无论采用盖包法还是冲入法加入球化剂均为减少 Mg 的烧损。可以通过分析球铁中残留 Mg 含量来判断 Mg 的吸收。1#，2#试样残留 Mg 含量分别为 0.056%， 0.035%；在其它条件相同的情况下，1#试样的浇注直径小，凝固速度相对于 2#试样较快，Mg 元素挥发的少，使得石墨球球化效果好，石墨球较为圆整。而 2#试样的试样冷速相对较慢，促进了 Mg 元素的挥发，是石墨球不圆
9、整的因素之一。（a） （b） 图1 试样石墨球大小及分布 （a）1#试样；（b）2#试样2.2 珠光体基体研究【5】表明，珠光体基体的组织较铁素体基体组织具有更好的疲劳强度性能，而这正是曲轴所需具有的重要使用性能之一。同时，珠光体基体组织具有更高的常温抗拉强度和耐磨性。故在球铁曲轴的生产中，其基体组织以珠光体基体为主。两组试样的基体组织如图2所示。（a）（b） 图2 QT900试样基体珠光体组织 （a）1#试样；（b）2#试样从图 2 中可以看到，两组试样获得的均表现为珠光体的基体中镶嵌着球形石墨，且珠光体层片间距细小，这也是获得高性能球铁的主要原因。以 1#试样为例，珠光体中铁素体和渗碳体以
10、层片状交替排列，分布均匀，2#试样尽管延伸率较 1#试样差，但从基体组织来看，珠光体尺寸，分布与 1#试样相比没有明显差别，但石墨球的数量明显减少，且石墨球尺寸较大。2.3 断口形貌图 3 为 QT900 断口形貌图，图中黑色圆球为石墨,从图 3（a）（b）明显可以看出 1#试样中的石墨比较密集，多于 2#试样。在 200X 下可以看到，1#试样的微观断裂特征为石墨球与基体形成圆整的韧窝，属于微孔聚集型的韧性断裂【6】。而珠光体基体中表现为河流花样,呈现脆性断裂的特征。而 2#试样石墨球表面粗糙，且极不规整。珠光体基体微观断裂特征属于脆性解理断裂。由此可见，由于石墨球在基体中的大小，形状，分布
11、的不同导致了两类试样延伸率的差别。除此之外，在 2#试样的断口处发现了若干团絮状物质，如图 3（f）所示。对其成分进行电子探针分析，结果如图 4 所示。（a） （b）（c） （d）（e） （f）图 3 QT900 断口形貌 （a） （c） （e）为 1#试样；（b） （d） （f）为 2#试样，放大倍数分别为 50，200，500 倍图 4 对 2#试样断口处团絮状物质 XRD 分析该团絮状物质除了含有 Fe 和 C 以外，还存在 Si 和 O 元素，由此可以推断，该物质属于硅酸盐。球铁凝固过程中形成了一定量的硅酸盐。可以认为，硅铁作为孕育剂加入到熔体中，部分 Si 没有起到孕育作用，形成了硅
12、酸盐，而这些硅酸盐严重地割裂了基体，这也是 2#试样延伸率较低的原因之一。影响材料力学性能的因素较为复杂，除了原材料，其处理工艺等还涉及到添加合金元素以及杂质元素清除等【5】 。如含 P 量。对 1#，2#试样的含 P 量进行测定分别为 0.036%；和0.051%，2#试样较多的 P 容易在晶界处形成低熔点的磷化物，造成韧性的下降。球铁的冷却首先析出奥氏体相, 当温度降低到共晶线时共晶石墨析出，当冷速较慢时(2#试样)，奥氏体枝晶形成缓冷枝晶，SiO2 等聚集在枝晶生长前沿，隔裂基体，使韧性变差。3 结论石墨球的大小、形状及数量是造成两试样延伸率差别较大的主要原因。当石墨球细小、数量多且形状
13、较为圆整时，微观断裂特征为石墨球与基体形成圆整的韧窝，延伸率较高；而石墨球的形貌大小与铁水的球化，孕育效果有关，2#试样残 Mg 量低，含 P 量高，且孕育效果差，凝固过程中枝晶前沿形成团絮状硅酸盐，使得其延伸率较低。当然石墨球的形貌大小与多种因素相关，如合金元素的添加等，有待于进一步的探讨。参考文献【1】 李晓东，马鸣图，梁吉明 汽车工艺与材料，08/09-0066-03， （2002）66-71【2】 任庆平，王国仁，王忠全，铸造技术，31（7） （2010）834-836【3】 赵鹤平，朱甲逊，娄志海，铸造技术，5 （2001）15-16【4】 M. A. Neri, C. Carreno, Materials Characterization 51 (2003) 219-224【5】 张伯明，铸造手册-铸铁，中国机械工程学会铸造分会 第二版 机械工业出版社，2010，297- 413【6】 周建平 贵州工业大学学报，28（5） ， （1999）49-57
