何春華， 車艷生， 侯春艷， 鐘長波， 趙夢航， 陳雪沖， 時風

（1. 上柴動力海安有限公司，江蘇 南通 226600；2. 西南林業(yè)大學 林學院，云南 昆明 650224；3. 廣西玉柴機器股份有限公司，廣西 玉林 537005）

0 前言

鑄鐵中石墨的形成過程稱為“石墨化過程”，鑄鐵組織形成的基本過程就是鑄鐵中石墨的形成過程?；诣T鐵的石墨類型和大小取決于共晶團中石墨分枝及其成長速度，當共晶團停止生長，石墨的長大也即停止?；诣T鐵具有良好的鑄造性能、減振性能、耐磨性能、切削加工性能，以及較低的缺口敏感性，在鑄造技術領域得到較為廣泛的應用。蠕墨鑄鐵是具有片狀和球狀石墨之間的一種過渡形態(tài)的鑄鐵，它是一種以力學性能和導熱性能較好以及斷面敏感性小為特征的新型工程結構材料。

隨著國家排放標準和發(fā)動機功率的不斷提高，排氣管承受的熱負荷也逐漸提高。排氣管長期在高溫工況下工作容易導致其疲勞失效斷裂，對車輛壽命及行車安全產(chǎn)生重大影響。因此，在對材料耐高溫性能和使用性能要求較高的領域，例如作為制備汽車渦輪殼和排氣管的材料時，普通耐高溫蠕墨鑄鐵（RuTSi4Mo）材料難以滿足要求。

制備貴重合金含量少且成生產(chǎn)成本較低的高性能耐高溫蠕墨鑄鐵已成為國內(nèi)外鑄造企業(yè)工作者的研究熱點與探索方向［1-2］。本文以普通耐高溫蠕墨鑄鐵（RuTSi4Mo）材質為基礎，在增加一定量的鎳、鈮條件下，改變材質中的釩含量，探討釩對耐高溫材質的高溫性能、石墨形態(tài)、基體組織的影響。

1 試驗部分

1.1 試樣制備

鑄造生產(chǎn)試驗采用中頻感應電爐熔煉鐵液，采用手持式便捷式測溫儀測量鐵液的溫度。將生鐵放入中頻感應電爐中，在生鐵上加入廢鋼，在廢鋼的空隙中，加入增碳劑調(diào)整鐵水成分。熔煉過程中為保證鐵水各合金元素達到試驗要求，減少回爐鐵成分的影響，設定的主要鐵料爐料配比為生鐵∶廢鋼（質量比）=4∶6。待鐵料完全熔化后，加入硅鐵、純鎳、鉬鐵、鈮鐵（鈮質量分數(shù)為0.04%～0.08%），繼續(xù)升溫至約1 500 ℃；取原鐵水試樣進行成分檢測，采用直讀光譜儀和紅外碳硫分析儀進行成分分析，并根據(jù)實測結果，進行化學成分調(diào)整。在普通耐高溫蠕墨鑄鐵（RuTSi4Mo）材質增加鎳、鈮、鉬的基礎上，通過改變鐵水中的釩含量，研究釩介質對耐高溫蠕墨鑄鐵金相組織和材質性能的影響。通過調(diào)整原鐵水中的釩含量，形成釩質量分數(shù)分別為0.008%、 0.054%、 0.162%、 0.238%、0.363%的5種方案（以下簡稱“方案1、方案2、方案3、方案4、方案5”）。本試驗所選用的釩鐵、鈮鐵均為公司現(xiàn)有的材料，其質量分數(shù)分別為含釩量為50%、含鈮量為65%。試樣制備前控制爐內(nèi)主要化學成分見表1。

表1 試樣制備前爐內(nèi)主要化學成分單位：%

采用稀土鎂和稀土硅作為蠕化變質劑，利用包內(nèi)沖入法，對鐵水進行蠕化處理。蠕鐵孕育劑質量分數(shù)為0.6%～1.0%，二次倒包孕育采用硅鐵孕育劑（質量分數(shù)為0.1%），首箱澆注溫度控制在1 420～1 440 ℃，制備不同釩含量的Y型試樣，以獲取最優(yōu)釩鐵添加量工藝。各試驗方案孕育前除了釩成分有區(qū)別外，其他元素化學成分控制不變，孕育后的蠕墨鑄鐵主要化學成分見表2。

表2 不同釩鐵添加量的蠕墨鑄鐵主要化學成分 單位：%

所制備的試樣硬度達到240 HB，抗拉強度達到590～650 MPa，蠕化率穩(wěn)定在（80±5）%；800 ℃高溫條件下，抗拉強度在58～69 MPa［3-4］。

1.2 試驗方法

在單鑄試棒上截取拉伸試樣后，分別依據(jù)GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1 部分：室溫試驗方法》、GB/T 228.2—2015《金屬材料 拉伸試驗 第2部分：高溫試驗方法》，制成直徑為10 mm、長度為50 mm的常溫拉伸試樣和高溫拉伸試樣。在WDW 3100型拉伸試驗機上測定4根拉伸試樣的抗拉強度，拉伸速度為2 mm/min，取其平均抗拉強度作為試驗結果。

金相試樣取自最接近平均抗拉強度的拉伸試樣。在經(jīng)過ZMP-2000 型智能自動金相磨拋機磨拋后，使用 Axio Scope A1型金相顯微鏡觀察試樣的石墨形態(tài)。每種試樣分別在不同放大倍率（100倍、200倍）下觀察，并選擇試樣的上、中、下、左、右5個視場各拍攝2 張金相照片。依據(jù)GB/T 26656—2011《蠕墨鑄鐵金相檢驗》，對照標準金相圖譜并結合Axio Imaging型金屬金相智能分析系統(tǒng)對石墨形態(tài)進行判定。將磨拋完成后的試樣用4%硝酸酒精溶液浸蝕后觀察，對珠光體數(shù)量進行評級，取其平均值作為該試樣的珠光體數(shù)量。

參照GB/T 231.1—2009《金屬材料布氏硬度試驗》，在試樣端頭截取硬度及金相試樣（如圖1 所示），利用HBS-3000型數(shù)顯布氏硬度計進行硬度試驗。取試樣的近中心點作為硬度的檢測點，檢測出具體的硬度結果。

圖1 測試硬度取樣位置

2 結果與分析

2.1 力學性能

所制備的高性能耐高溫蠕墨鑄鐵的力學性能見表3。由表3可以看出：在室溫條件下，排除蠕化率的影響因素后，拉伸強度沒有明顯的變化規(guī)律；在800 ℃的高溫條件下，材質的高溫性能隨著釩含量的增加明顯提高。但材質性能在釩含量達到一定范圍內(nèi)時，高溫性能的提升速率會有所減緩；為了開發(fā)低合金成分的耐高溫蠕墨鑄鐵，加入的釩含量未能使材質出現(xiàn)高溫性能的拐點。原鐵水中釩鐵質量分數(shù)從0 直至0.363%時，800 ℃高溫抗拉強度從58 MPa提高到69 MPa，提升18.97%；材質的硬度也隨著釩質量分數(shù)的增加而增加。

表3 高性能耐高溫蠕墨鑄鐵力學性能

2.2 顯微組織

圖2為不同釩鐵加入量試樣的石墨形貌。由圖2可以看出，5種方案的耐高溫蠕墨鑄鐵的石墨均呈蠕蟲狀。

圖2 蠕墨鑄鐵石墨形態(tài)（放大100倍）

方案1 和方案5 的蠕化率為80%，方案2～4 的蠕化率為85%，在石墨形態(tài)上沒有太大的差異；但從石墨的分布來看，增加釩介質后，基體的石墨分布更加均勻，對材質性能的增強起到一定的促進作用。

圖3為不同釩鐵加入量試樣的金相組織形貌?；w組織中石墨的形態(tài)、大小、數(shù)量及分布對蠕墨鑄鐵的材料性能有著很大影響。但5種方案的材質基體組織沒有因為加入了不同的釩含量而產(chǎn)生區(qū)別，仍為以鐵素體為主、珠光體為輔的基體組織， 其中珠光體質量分數(shù)均為5%，鐵素體質量分數(shù)均為95%。

圖3 蠕墨鑄鐵金相組織形貌（放大100倍）

3 結語

本文各試驗方案采用孕育前除了釩成分有區(qū)別外，其他元素化學成分控制不變的條件試驗，并對試樣檢測結果進行對比分析。結果顯示添加不同含量釩鐵的耐高溫蠕墨鑄鐵的石墨分布更加均勻，而在基本組織上沒有明顯區(qū)別。當釩質量分數(shù)從0.008%增加至0.363%時，耐高溫蠕墨鑄鐵的常溫抗拉性能沒有明顯的變化規(guī)律，而800 ℃高溫抗拉性能明顯提高。

在含有一定量鈮、鎳、鉬的鐵水中，可以通過增加釩含量來提升材質的耐高溫性能，但當釩含量達到一定水平后，材質耐高溫性能的漲幅會變緩，具體高溫性能的強度拐點還需要進一步驗證。