铁素体球墨铸铁低温冲击韧性

张宇航， 郭兴春， 付彬国,， 董天顺,， 李国禄,*

(1.河北工业大学材料科学与工程学院， 天津 300401； 2.泊头市晟瑞铸造产业技术研究有限公司， 泊头 062150)

球墨铸铁是在20世纪50年代发展起来的一种高强度铸铁材料，以其接近钢的综合性能受到了各个领域的广泛的应用，如汽车、内燃机、轨道交通等领域[1-2]。随着中国的风电和高铁行业的迅速发展,对球墨铸铁的低温性能有更高的要求，但普通球墨铸铁低温冲击韧性较差，在低温服役环境中极易发生脆性断裂。因此，在寒冷地区服役的设备部件如铁路设备、风电轮毂、底座等，都需要较高的低温冲击韧性，避免材料脆性断裂造成事故损失。故研究开发低温下高冲击韧性球墨铸铁有着重要的意义。

目前，球墨铸铁的主要发展方向为低温高冲击韧性球墨铸铁。关于球墨铸铁低温冲击韧性的研究主要集中在球化率、化学成分、组织类型等方面[3-6]。其中石墨球的数量、大小及圆整度都影响着球墨铸铁的低温冲击韧性，而石墨球的这些特性是由凝固过程所决定的[7]。除此之外，添加合金元素Ni能细化晶粒，并且Si和Ni共同作用可以降低韧脆转变温度，从而提高低温冲击韧性[8-10]。如喻光远等[11]以高强高韧球墨铸铁材料QT500-7和QT600-7为研究对象，通过控制Ni、Cu、S含量，获得了达到标准的低温性能。但是QT500-7和QT600-7基体中存在部分珠光体，所以相比于QT400-18L具有更高的强度。由于强度提升会导致低温冲击韧性下降，故需要通过退火消除珠光体、细化晶粒，以改善低温冲击韧性[9,12-14]。例如，季火绩等[15]对QT400-18AL的低温冲击韧性进行了研究，研究发现铸态QT400-18AL基体中存在少量珠光体组织，但通过退火后，珠光体消失，基体为全铁素体组织，并且低温冲击功相对铸态试样有所提高。研究表明，通过控制温度、保温时间和冷却速率可对组织进行调控，使组织及成分均匀化，从而提高低温冲击韧性。

尽管通过添加合金元素Ni和热处理能够使得低温冲击韧性有所提升，但是会导致生产工序烦琐，提高生产难度，并增加材料成本，使经济效益降低。为了优化生产工艺，促进生产，现对铸态全铁素体球墨铸铁低温冲击韧性进行研究，并分析其化学成分中C、Si含量对低温冲击韧性的影响，以期为完善其生产工艺及进一步开发低温球铁铸件提供参考。

1 试验材料及方法

原材料采用高纯生铁、废钢、增碳剂和硅铁，熔炼在中频感应电炉中进行，出炉温度控制在1 500～1 530 ℃，采用冲入法球化处理，经球化孕育处理后，铁水的浇注温度控制在1 360～1 420 ℃。试验需浇注Y形试块，并采用呋喃树脂砂造型，浇注时采用随流孕育。浇注前，取少量铁水浇注一个光谱试样，供后期光谱分析铸铁化学成分。

图1 腐蚀前铸态样品显微组织Fig.1 Microstructure of as cast samples before corrosion

试验材料为3个化学成分不同的Y形单铸试块，将其进行编号为1#、2#、3#，化学成分如表1所示。试验所需冲击试块及金相试样在Y形试块下部取样，通过线切割将铸态Y形试块加工成标准V形缺口冲击试样和圆柱金相试样，冲击试样尺寸为55 mm×10 mm×10 mm，V形缺口角度为45°，深度为2 mm，底部曲率半径为0.25 mm，尺寸偏差根据《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》(GB/T 229—2007)规定制备；圆柱试样高为10 mm，直径为20 mm。

表1 试样化学成分Table 1 Chemical composition of sample

圆柱试样用于制备金相，先用砂纸粗化，然后用0.25 μm金刚石膏抛光，根据《球墨铸铁金相检验》(GB/T 9441—2009)，利用OLYCIA M3型金相显微系统，分别对1#、2#、3#圆柱试样进行球化分级和石墨球大小检测，然后用4%硝酸酒精溶液腐蚀试样，观察其内部金相组织。低温冲击试验按照《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》(GB/T 229—2007)进行，用JBW-450CY冲击试验机分别对1#、2#、3# V形缺口冲击试块在20、-20、-40、-60 ℃下进行夏比摆锤冲击试验。最后将试样断口用无水乙醇进行5 min的超声清洗，用JSM-6510A型号扫描电镜观察断口形貌。

2 试验结果与分析

2.1 微观组织分析

图1分别为各个试样经4%硝酸酒精溶液腐蚀前的金相组织图片，组织中石墨以球状为主，并存在少量团状和絮状。经测定，1#、2#铸态试样中球化率为60%～70%，石墨球直径为30～60 μm；3#试样中球化率为70%～80%，石墨球直径为15～30 μm。图2显示各个试样的铸态组织均由铁素体、球状石墨组成，晶粒均匀性较差，未观察到珠光体存在。大量铁素体组织会提升材料的冲击韧性。

图2 腐蚀后铸态试样显微组织Fig.2 Microstructure of as cast specimens after corrosion

2.2 碳硅含量对低温冲击韧性影响

夏比摆锤冲击试验结果如表2所示，冲击功随

表2 冲击试验结果Table 2 Impact test results

图4 2# 试样在不同温度下冲击断口宏观形貌Fig.4 Macroscopic morphology of impact fracture of 2# specimen at different temperatures

温度变化如图3所示。结果表明，在室温下，各个试样的冲击韧性比较相近，温度降低至-60 ℃时也有同样的规律。随温度的不断降低，所有试样的冲击功均呈现不断下降的趋势。在-20、-40、-60 ℃，试样冲击值呈现出2#>3#>1#的规律，根据《球墨铸铁件》(GB/T 1348—2009)、《低温铁素体球墨铸铁件》(GB/T 32274—2015)得出，在室温时，3种试样均达到了单个试块冲击值大于9 J、平均冲击值达到12 J的标准，而在-20 ℃时只有2#、3#试样达到标准，其他温度下均未达到标准。

图3 冲击吸收功随温度变化曲线Fig.3 Curve of impact absorbed energy versus temperature

通常情况下球墨铸铁中碳含量会影响石墨球大小及数量，碳含量以不出现石墨漂浮和白口为上下限。而硅是一种促进石墨化并能抑制碳化物形成的元素。但碳含量过低和硅含量增加均会导致材料的韧脆转变温度升高，不利于材料的低温韧性，并且硅碳质量分数之比与材料冲击韧性之间存在一定关系[16-17]。在实验中，材料碳含量为2#>3#>1#，硅含量与之相反，为2#<3#<1#，由此得出碳硅含量之比顺序为2#<3#<1#，分析得出，在一定范围内，材料中碳含量增多，使低温下材料冲击韧性升高，随硅碳含量之比的增多，低温冲击韧性呈下降趋势。

图5 -20 ℃下不同试样冲击断口宏观形貌Fig.5 Macro morphology of impact fracture of different samples at -20 ℃

图6 不同温度下3#冲击断口形貌Fig.6 The impact fracture morphology of sample 3# at different temperatures

2.3 冲击断口分析

由图4和图5可知，试样在冲击试验后断面发生了一定量的宏观塑性变形，缺口附近承受拉应力，塑性变形后产生裂纹并开始扩展，受冲击部分区域受压应力，当裂纹扩展到此区域时受阻，促使材料发生塑性变形。随着温度降低，断口区域塑性变形程度逐渐降低，裂纹扩展受到来自基体组织的阻力越来越小，断口中暗灰色韧性断裂区域逐渐减小，白亮区域脆性断裂区域逐渐增加，最终导致材料由韧性断裂转变为脆性断裂，断口白亮。

由图6所示，在室温下，断口处石墨球数量最多，石墨球形状饱满，分布均匀。随温度降低，断面亮度由暗逐渐变亮，石墨球数量逐渐减少，石墨球形状及均匀性随之较差。室温下的冲击断口存在诸多凸起和凹陷，表面起伏不平，造成表面积增加，较多的石墨球数量导致断口处亮度偏暗。除此之外，在断面上可以观察到大量的韧窝，因此，该断口在室温下表现出明显的韧性断裂特征。当温度为-20 ℃时，断口表面起伏减小，有撕裂棱，韧窝数量明显减少且变浅，出现解离面和河流纹，石墨球破碎数量增多，因此，断口既有韧性断裂特征，又存在脆性断裂特征，结合-20 ℃宏观断口分析，属韧脆混合断裂。当温度降至-40 ℃时，断口处韧窝进一步变少变浅，解理面、河流花样进一步增多，裸漏石墨球减少，撕裂棱减少，断裂方式以脆性断裂为主。在-60 ℃下，断口内几乎不存在韧窝及撕裂棱，断口形貌显示出大量的河流花样和高低不一的解理面，此断口为脆性断裂。

随温度降低，低温铁素体球墨铸铁的冲击韧性整体下降，其中在-20～-40 ℃区间内冲击韧性下降幅度较大。因此，材料的冲击韧性还受韧脆转变温度影响。韧脆转变温度可以通过夏比冲击试验进行评估，即断裂表面韧脆面积相等时的相应温度[18]。根据断口形貌分析，在-40 ℃河流纹在断面上占主导低位，脆断面积占50%以上，因此韧脆转变温度在-40 ℃以上。综上所述，低温铁素体球墨铸铁在不同温度下冲击韧性的高低与其断裂方式有着密切的关系。

3 结论

针对寒冷地区铁路、风电对球墨铸铁低温冲击韧性的需求，制备了3组不同化学成分的铸态全铁素体球墨铸铁，研究了不同化学成分对低温冲击韧性的影响，并进行断口分析得到以下结论。

(1)碳硅含量与冲击韧性存在一定的关系。3组不同化学成分试样中，碳含量越高，硅含量越低，冲击韧性就越高；冲击韧性随硅碳含量之比升高而降低。

(2)3组不同成分试样中，2#试样抗低温冲击性能最好，1#试样最差。2#、3#试样在室温及-20 ℃时平均冲击功均大于12 J，满足国家标准中的使用要求，1#试样仅在室温下满足国家标准，而3组试样在-40 ℃和-60 ℃下平均冲击功均未达到12 J，未能满足国家标准中的使用要求。

(3)试样的冲击韧性随温度下降而降低，从室温降至-60 ℃过程中，冲击断口断裂特征由韧性断裂到韧脆混合断裂，最后变为脆性断裂。-20 ℃到-40 ℃冲击韧性下降幅度较大，冲击断口的韧脆转变温度在-40 ℃以上。