1、1微量元素铋对厚断面球铁组织及性能的影响摘要：通过添加不同质量分数的微量 Bi 和调整残余稀土量，研究其对厚断面球铁组织、抗拉强度、伸长率、硬度和-40 低温冲击韧度的影响.结果表明，对于 180 mm 180 mm 200 mm 试块，添加0.012%Bi 可以明显消除其碎块石墨；而对于 250 mm 250 mm 300 mm 试块，加 Bi 只能在一定程度上抑制碎块石墨产生，随着 Bi 量的增加，其抑制作用呈先增强后减弱的趋势，加入 Bi 的质量分数最佳值为0.010%0.012%，此时抗拉强度达 337 MPa，伸长率为 10.4%，-40 低温冲击功可达到 10.5 J.适当降低残余
2、稀土量，调整 wRE /wBi 加=1.31.5，可以进一步抑制碎块石墨和改善综合力学性能. 关键词：球墨铸铁；铋；微观组织；力学性能 中图分类号：TG255 文献标识码：A 厚断面球墨铸铁（简称球铁）由于冷却速度缓慢，共晶凝固时间长，易导致球化衰退和孕育衰退，使得铸件中尤其是厚壁中心或热节处出现球化不良、石墨畸变、球数减少、球径增大、成分偏析、晶间碳化物增多及缩松缩孔等等缺陷，特别是碎块石墨的出现，严重影响了铸件的综合性能1-3.国内外有众多研究者发现，当球铁中某些微量元素（如Bi）与稀土元素以适当比例共存时，则会消除变异石墨，改善球铁性能2，4-5.但该技术还不够成熟，国内多数铸造企业又没
3、有掌握关键技术，如果直接用于生产，则会存在一定风险. 2本文制定了严格而合适的化学成分和实验工艺， 通过添加不同质量分数的微量 Bi 和调整残余稀土量，研究了其对球铁心部碎块石墨的抑制作用以及对球铁组织和综合力学性能的影响，从而为获得更好的球铁组织和性能提供依据，为同行提供参考. 1 实验方法 11 化学成分 原铁液纯净度要高， 尽可能排除杂质等干扰因 素.遵循高碳， 低硅， 低锰、磷、硫的原则6，球铁主要化学成分范围见表 1，其中碳质量分数为原铁水成分要求，其余为处理后要求. 采用 300 kg 中频电炉熔炼，树脂砂造型，原材料采用本溪 Q10 生铁和废钢混合配比.熔炼过程中通过浇注白口试样
4、进行光谱分析，并调整原铁液 C 和 Si 成分分别为：C 3.700.05%，Si 2.10.1%.出铁温度为 1 500 左右，采用冲入法球化， 球化时间控制在 12 min，采用多次孕育工艺，孕育方法为包内孕育、浮硅孕育和浇口杯孕育， 孕育剂总量控制在 0.6% 0.8%.微量元素 Bi 的加入方式为在球化处理前埋入包中，与球化孕育剂机械混合.球化孕育处理后，对浇包中的铁水多次扒渣后浇注，浇注温度控制在 1 3401 350 .在每个试样的几何中心放置一根镍铬镍硅热电偶，采用哈尔滨工业大学研制的 8 通道数据采集仪对凝固共晶冷却阶段进行温度采集. 2 实验结果及分析 实验试块的化学成分检测
5、结果见表 3.铁液主要成分始终保持一致，因为检测条件有限，无法测定 Bi 元素含量，因此按其加入量分析，残余3稀土与 Bi 质量分数的比值为 解剖试块后，其结果如表 4 所示，其中 B3 系列，A3 试块心部只有局部含有少量粗短型的初生碎块石墨，对性能影响不大.A1 和 A2 试块中均无碎块石墨.部分 A3 试块心部有灰斑区域，A4 试块均有灰斑区域. 2.1 微量 Bi 对球铁宏观组织的影响 两组实验主要成分相同，未添加 Bi 的碎块石墨区域为宏观黑斑，而添加 0.010%Bi 后的碎块石墨区域从宏观黑斑淡化到宏观不易观察到的灰斑，需要通过显微镜观察才能确定其范围. 从表 4 所示的解剖结果
6、中可以看到，当球化剂为 1.6%，Bi 加入质量分数为 0.005%0.014%时，A4 试块宏观碎块石墨灰斑区域的直径随着 Bi加入量的增加，呈现先减小后增加的变化趋势，直径从 220 mm 降到 160 mm，再升至 200 mm.A4 试块碎块石墨灰斑直径变化如图 3 所示.表明0.012%为 Bi 加入量的极限值，此时对碎块石墨的抑制作用最强. 综上所述，对于 A4 试块，添加微量 Bi 可以有效地抑制碎块石墨的产生，使宏观黑斑淡化到宏观不易可见的灰斑.随着 Bi 加入量的增加，其对碎块石墨的抑制作用，先是增强然后再减弱，Bi 加入量为 0.012%时，灰斑区域最小. 图 4 所示为实
7、验试块心部的试样经 3%硝酸酒精溶液腐蚀后的典型微观组织形貌.对比图 4（a）与图 4（b） ，观察到加入微量 Bi 后的石墨球径更加细小，石墨球数显著增加，并且球的圆整度和组织均匀度也相应得到改善.对比图 4（c）与图 4（d） ，加入 0.012%Bi 元素后，球铁的 A3试块微观组织从大片的碎块石墨变成了正常的球铁石墨组织，表明对于4A3 试块，加入元素 Bi 后可以明显消除其碎块石墨.而图 4（e）显示，本实验中加入微量 Bi 却未能明显消除 A4 试块中的碎块石墨，只是在一定程度上减小了碎块石墨的大小、破碎程度和范围，宏观组织图图 2 可以印证这点. 表 5 为加入不同 Bi 量时各
8、组实验中 A4 试块的力学性能检测结果.图5 为实验试块力学性能随 Bi 加入量的变化情况.可见，随着 Bi 加入量的增加，布氏硬度值变化不大，为 130 HB 左右，而抗拉强度、伸长率及低温冲击功呈先增加后下降的趋势.其中未添加 Bi 实验的抗拉强度、伸长率分别为 319 MPa，4.9%，是所有实验中的最低值，但其布氏硬度却最高，达到了 133.8 HB.当 Bi 加入量增加至 0.008%时，抗拉强度为 342 MPa，是所有试样中的最高值.随后试块的抗拉强度呈现下降趋势.当 Bi 加入量继续增加至 0.010%和 0.012%时，试块的伸长率和低温冲击功分别达到最大值，伸长率为 10.
9、5%，而低温冲击功为 10.5 J，随后都逐渐下降.综合对比各项数据，加 0.010%Bi 实验试块的综合力学性能最好. 2.3 微量元素铋的作用 由图 4（a）和图 4（b）可知，加入元素 Bi 后，球铁组织石球墨大小从 6 级细化成 7 级，球数也由 80100 个/mm2 增加至 225250 个/mm2，圆整度、组织均匀度和石墨球化率也有相应增加. 6李长龙， 赵忠魁， 王吉岱. 铸铁M. 北京： 化学工业出版社， 2007：21-26. LI Changlong， ZHAO Zhongkui， WANG Jidai. Cast IronM. Beijing： Chemical Ind
10、ustry Press， 2007：21-26. （In Chinese） 57石雯， 董秉恒， 施廷藻. 铋对稀土镁球铁中石墨核心形成的影响J. 东北工学院学报， 1988（4）： 502-506. SHI Wen， DONG Bingheng， SHI Tingzao. Effect of Bi on graphites nucleation in REMg nodular ironJ. Journal of Northeast University of Technology， 1988（4）： 502-506. （In Chinese） 8赵永启， 石巨鹏， 刘新亮， 等. Sb、Bi
11、 在厚大断面球铁件中的应用J. 现代球铁， 2004（2）： 43-45. ZHAO Yongqi， SHI Jupeng， LIU Xinliang， et al. Application of Sb and Bi to heavy section ductile ironJ. Modern Cast Iron， 2004（2）： 43-45.（In Chinese） 9贺建芸， 汤华杰， 楼恩贤. 含 Bi 硅基孕育剂对铸态铁素体球铁的孕育作用J. 北京农业工程大学学报， 1989（4）： 73-78. HE Jianyun， TANG Huajie， LOU Enxian. Study
12、on inoculation effects of ferrosilicon base inoculant containning Bi on ductile iron with ferritic matrix in ASCast stateJ. Journal of Beijing Agricultural Engineering University， 1989（4）： 73-78. （In Chinese） 10李晓辉， 陈萌， 谢楷， 等. 孕育剂及孕育工艺对球铁组织及性能的影响J. 现代铸铁， 2009（1）： 44-48. LI Xiaohui， CHEN Meng， XIE Ka
13、i，et al. Influence of inoculants and inoculation process on structure and properties 6of nodular ironJ. Modern Cast Iron， 2009（1）： 44-48. （In Chinese） 11KLLBOM R， HAMBERG K，WESSN M，et al. On the solidification sequence of ductile iron castings containing chunky graphiteJ. Materials Science and Engin
14、eering A， 2005 （413/414）： 346-351. 12MOURUJRVI A， WIDELL K， SAUKKONEN T，et al. Influence of chunky graphite on mechanical and fatigue properties of heavysection cast ironJ. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structure， 2009（32）：379-390. 13许峰， 赵红， 范希营. 微量铋锑对大断面球墨铸铁的影响J. 铸造， 1998（3）： 20-24.
15、 XU Feng， ZHAO Hong， FAN Xiying. Effect of trace element Bi and Sb on heavy section ductile cast ironJ. Foundry， 1998（3）： 20-24.（In Chinese） 14吴春京， 王艳丽， 沈定钊. 微量元素铋、锑对大断面球铁件石墨形态的影响J. 钢铁， 1995， 30（10）： 42-47. WU Chunjing， WANG Yanli， SHEN Dingzhao. Effect of trace element Bi and Sb on graphite morphol
16、ogy of heavysection ductile ironJ. Iron and Steel， 1995， 30（10）： 42-47. （In Chinese） 15BUHR R K. 铅、锑、铋和铈对大断面球墨铸铁件显微组织的影7响C/大断面球墨铸铁译文集. 无锡： 无锡球铁所， 1978：229-243. BUHR R K . The effect of Pb， Sb， Bi and Ce on microstructure of heavy section nodular iron castingsC/Translated Essays of Heavy Section Nodu
17、lar. Wuxi： Wuxi Institute of Ductile Iron Ed， 1978： 229-243. （In Chinese） 16刘生发， 段辉. 含 Bi 孕育剂在奥贝球墨可锻铸铁中的作用研究J. 中国铸造装备与技术， 2004（2）： 10-12. LIU Shengfa， DUAN Hui. Study on role of inoculant with Bi in austeniticbainitic S.G. malleable cast ironJ. China Foundry Machinery and Technology， 2004（2）： 10-12. （In Chinese） 17许峰， 赵红， 张博. 微量铋和锑在大断面球墨铸铁中的冶金行为J. 现代铸铁， 1999（3）： 38-42. XU Feng， ZHAO Hong， ZHANG Bo. Metallurgical behavior of trace Bi and Sb in heavy section ductile ironJ. Modern Cast Iron， 1999（3）： 38-42. （In Chinese）
