宋賢發(fā)，張　坤，陳倩慧，李凌羽，寧志良，孫劍飛

（1.日月重工股份有限公司研發(fā)中心，浙江寧波　315113；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001）

·試驗研究·

復(fù)合稀土球化劑對球鐵石墨形態(tài)和球數(shù)的影響

宋賢發(fā)1，張坤1，陳倩慧1，李凌羽1，寧志良2，孫劍飛2

（1.日月重工股份有限公司研發(fā)中心，浙江寧波315113；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001）

研究了兩種球化劑及其加入量對球墨鑄鐵石墨形態(tài)和球數(shù)的影響，分析了復(fù)合稀土的作用機理。結(jié)果表明：含有稀土元素的球化劑加入量為1.5%時，鑄態(tài)組織中形成了大量的蠕蟲狀石墨；加入量為1.8%時球化良好，同時球狀石墨數(shù)量達到極值，圓整度高；繼續(xù)增加球化劑加入量對于提高石墨球數(shù)沒有明顯作用，當(dāng)加入量達到2.2%時局部區(qū)域出現(xiàn)了變態(tài)石墨。與單獨加入鎂球化劑相比，含RE等元素的球化劑使石墨球數(shù)增加，圓整度提高，石墨球平均直徑減小。EDX分析表明石墨球中心富集了S、Y、Mg、Ca、Ce等元素，并可作為石墨形核的有效基底。

復(fù)合稀土；球墨鑄鐵；微觀組織；石墨形態(tài)

厚大斷面球墨鑄鐵件具有良好的強度和塑性等優(yōu)點，并且生產(chǎn)工藝簡單、成本低廉，在機動車曲軸、注塑機壓板、核廢料容器等大型構(gòu)件上的應(yīng)用越來越廣泛［1-3］。但由于鑄件斷面厚，凝固時間長，容易在厚壁中心或熱節(jié)處出現(xiàn)石墨球數(shù)減少、球徑粗大、石墨畸變等缺陷，導(dǎo)致力學(xué)性能下降，尤其是塑性下降更為嚴(yán)重［4，5］。

球墨鑄鐵組織中，對性能影響最大的是石墨形態(tài)和石墨球數(shù)量［5-7］，石墨形態(tài)和球數(shù)是評價球墨鑄鐵組織的重要參數(shù)。鐵液中的微量元素，如Bi、Ti、Pb、Sb和As等，對于石墨形態(tài)有著極大的影響。向鐵液中添加適量的稀土元素（RE）可以放寬對微量元素含量的限制。其中輕稀土元素Ce的研究較多，其作用主要有兩方面：一是中和微量雜質(zhì)元素，抑制各種異態(tài)石墨的出現(xiàn)［8-11］；二是Ce與這些雜質(zhì)元素的相互作用可以提高球化級別、增加石墨球數(shù)［8，12，13］。Liu［14］、Wang［15］的研究結(jié)果表明Y與Ce相比，脫S能力更強，高溫抗球化衰退能力也優(yōu)于Ce.但是Y基重稀土球化劑對所處理鐵液的溫度要求高，成分要求也比較嚴(yán)格。因此，采用輕、重稀土組成的復(fù)合球化劑，綜合了各種元素的優(yōu)點，可以拓寬其使用范圍。

為了改善厚大斷面球墨鑄鐵的組織，提高使用性能，要求短時凝固條件下石墨需要保證高的圓整度以及高的石墨球數(shù)，這樣才能夠使石墨長時間凝固時仍能保持球形，同時保證一定的球數(shù)。本文重點研究短時凝固條件下，混合RE（Ce和Y及少量的Ca等元素）球化劑加入量對球鐵石墨形態(tài)和球數(shù)的影響，以期為改善厚大斷面球墨鑄鐵的凝固組織提供理論依據(jù)。

1　實驗材料及方法

采用優(yōu)質(zhì)生鐵、廢鋼作為原材料，選用增碳劑調(diào)節(jié)含碳量，球化劑、孕育劑的成分分別如表1和表2所示。Ⅰ類球化劑的加入量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）分別為1.5%、1.8%、2.0%、2.2%，Ⅱ類球化劑的加入量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為1.8%.鐵液的熔煉在20 kg中頻感應(yīng)電爐中進行，在1 500℃～1 520℃出爐、球化處理及澆注。采用堤壩包沖入法進行球化處理，將球化劑置于預(yù)熱至500℃的處理包凹坑內(nèi)，中間層為孕育劑，上面覆蓋一層廢鋼屑，以防止球化反應(yīng)過于劇烈，從而提高Mg的吸收率。球化后扒渣，再向鐵液中加入一定量的孕育劑并充分?jǐn)嚢琛Ｌ幚砗蟮蔫F液于1320℃～1350℃澆注16mm砂型試樣，其化學(xué)成分如表3所示。采用標(biāo)準(zhǔn)金相試樣制作方法試樣，采用光學(xué)顯微鏡（OM）和附帶能譜儀（EDX）的掃描電鏡（SEM）進行組織分析。

表1 球化劑的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

表2 孕育劑的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

表3　試樣的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

2　實驗結(jié)果及分析

2.1球化劑加入量（Ⅰ類）對石墨形態(tài)和石墨球數(shù)的影響

圖1為含有RE等元素的復(fù)合球化劑（Ⅰ類）加入量不同時的球墨鑄鐵鑄態(tài)微觀組織。從圖中可以看出，球化劑加入量對球鐵鑄態(tài)組織的影響很大。當(dāng)球化劑加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%時，石墨大部分呈蠕蟲狀，球狀石墨所占比例很?。ㄈ鐖D1a）），這是由于球化劑的加入量不足造成球化能力差所致。隨著球化劑加入量的增加，球狀石墨數(shù)量明顯增多。球化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)達到1.8%時，石墨形態(tài)有效改善，如圖1b）.采用圖像分析軟件對石墨球數(shù)進行了統(tǒng)計分析［16］，結(jié)果示于圖2.其中球化劑加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%時，石墨大部分呈蠕蟲狀，無法進行球數(shù)的統(tǒng)計。從圖2中可以看出，當(dāng)球化劑加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.8%時，石墨球數(shù)可達最大值，為613個/mm2.

圖1　球化劑（Ⅰ類）加入量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）對石墨形態(tài)的影響

圖2　球化劑（Ⅰ）加入量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）對石墨球數(shù)的影響

按結(jié)晶學(xué)原理，界面能與生長速度成反比［17］。球化元素能強烈脫O、脫S，使石墨棱面的界面能提高，當(dāng)石墨基面生長速度與棱面的生長速度接近時，石墨將長成球形，而S、O原子的干擾將使石墨晶體分支生長成非球狀直至片狀。球化劑加入量應(yīng)保證在鐵水中殘留一定數(shù)量未化合的球化元素，方能維持石墨球化。繼續(xù)提高球化劑的加入量，對石墨數(shù)量影響不大，球化劑加入量為2.0%和2.2%時，石墨球數(shù)分別為452個/mm2和510個/mm2（見圖1c），1d）和圖2）?？梢?，石墨球數(shù)并非隨著球化劑加入量的提高而增加。圖3給出了球化劑加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.2%時的高倍組織照片，可見出現(xiàn)了少量異態(tài)石墨。這主要是由于球化劑加入過量時，除一部分起脫S、脫O的作用外，剩余部分起表面活性元素作用，使棱面的界面能下降，從而促使石墨變態(tài)生長。從以上分析可以看出，為得到球化良好的球墨鑄鐵，球化劑加入量存在著一個最佳值。球化劑加入量太少，造成球化能力不足，組織中形成蠕蟲狀石墨；球化劑加入量過多，會形成變態(tài)石墨。

圖3　球化劑（Ⅰ）加入（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）2.2%時的組織

2.2球化劑種類對石墨形態(tài)和石墨球數(shù)的影響

圖4為添加Ⅰ類與Ⅱ類球化劑下的石墨形態(tài)和石墨球數(shù)，其加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為1.8%，由于吸收率不同，得到的試樣殘余鎂量基本相同（加上殘余Mg數(shù)）。從圖中可以看出，Ⅰ類球化劑與Ⅱ類球化劑相比，石墨球數(shù)明顯增多，球狀石墨更加圓整。圖像分析軟件統(tǒng)計結(jié)果表明，含RE等元素的Ⅰ類球化劑不但提高了石墨球數(shù)，石墨球的平均直徑也相應(yīng)減小。這主要歸結(jié)于Ⅰ類球化劑含有的RE、Ca等元素可與Mg、S形成高熔點的化合物，作為石墨形核的異質(zhì)核心，如圖5所示；同時RE還起到保護Mg的球化作用，因此改善了球鐵的組織。

對典型球狀石墨中心進行EDX檢測得出的結(jié)果可知，石墨球中心富集的元素主要有S、Y、Mg、Ca、Ce等。晶體學(xué)認(rèn)為，兩個相互接觸的晶面結(jié)構(gòu)（原子排列情況、原子大小和原子間距）越近似，它們之間的界面能就越小。一般用錯配度來表示晶核原子與結(jié)晶體之間的匹配關(guān)系，值越小，兩者的匹配越好，其間的界面能就越低，非均質(zhì)形核所需的過冷度就越小，也就越容易作為異質(zhì)核心［18］。CaO、CaS與石墨晶體之間的錯配度僅為7.55%和5%［19］，可以成為石墨的核心。而核心越多，形成的石墨數(shù)量就越多。但是核心的存在僅僅是石墨球形成的一個必要條件，球化劑中Mg、RE元素清除S、O對石墨棱面的吸附作用，從而使石墨棱面與基面獲得大致相同的生長速度，是石墨成球的更重要因素。

圖4　球化劑種類對球鐵微觀組織的影響

圖5　典型球狀石墨的核心及能譜

3結(jié)論

1）復(fù)合稀土球化劑的加入量對球鐵石墨形態(tài)和球數(shù)存在著明顯的影響。含有RE等元素的球化劑加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%時，形成大量的蠕蟲狀石墨；當(dāng)加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)達到1.8%時可保證形成球化良好的球墨鑄鐵，石墨球數(shù)出現(xiàn)極值；繼續(xù)提高球化劑加入量，對于增加石墨球數(shù)沒有明顯作用，當(dāng)球化劑加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)達到2.2%時，還會惡化石墨形態(tài)。

2）球化劑中含有Y、Mg、Ca、Ce等元素形成的高熔點化合物，可以作為石墨的異質(zhì)核心，促使球狀石墨數(shù)量明顯增多，球徑減小，球化效果明顯優(yōu)于普通Mg球化劑。

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Effect of RE Nodularizer on Graphite Morphology and Nodule Count in Ductile Iron

SONG Xian-fa1，ZHANG Kun1，CHEN Qian-hui1，LI Ling-Yu1，NING Zhi-liang2，SUN Jian-fei2
（1.Research and Development Center，Riyue Heavy Industry CO.，LTD.，Ningbo Zhejiang 315113，China；2.School of Materials Science and Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin Heilongjiang 150001，China）

The effect of two types of nodulizer and amount on the graphite morphology and nodule count is studied and their action mechanism are also analyzed.The results show when the nodulizer containing RE and Ca addition is 1.5%，vermicular graphite is full of the microstructure in the specimen；while the nodulizer addition is up to 1.8%，graphite morphology becomes fully spheroidal and nodule count is the biggest.With the further increasing in nodulizer addition，no significant effect on improving nodule count was observed.Besides，some non-spherical graphite emerges when the nodulizer addition is 2.2%.Compared with the only Mg containing nodulizer，nodule count increases and nodularity improves as well as mean diameter of spheroidal graphite decreases.EDX result shows that there are S，Y，Mg，Ca and Ce existing in the nucleus of spheroidal graphite，indicating that these elements can form inclusions which are benefit for the growth of spheroidal graphite.

RE，ductile iron，microstructure，graphite morphology

TG143.5

A

1674-6694（2016）03-00241-04

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2016.03.007

2016-03-29

宋賢發(fā)（1966-），男，總工程師、教授級高級工程師，現(xiàn)主要從事大型鑄件研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化的研究。

2015寧波市產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新重大專項（2015B11058）．