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【热坛转载】微合金化和硫对HT250灰铸铁组织性能的影响 T250是灰铸铁常见通用的材质牌号，在一些中高端灰铸铁金属产品得到普遍的应用。随着产品质量要求的提升，对灰铸铁强度、金相组织提出了更高要求，以期满足高端灰铸铁金属产品的使用性能要求。 为此，在高性能灰铸铁现状及研究的基础上，针对HT250材质，研究试验N、Nb元素及S对HT250灰铸铁组织的影响和作用。 1 微合金化氮对HT250灰铸铁组织性能的影响 表1 含氮灰铸铁试样的化学成分（质量分数，%）
（1）氮对灰铸铁石墨的影响 含氮灰铸铁试样的石墨组织形貌如图1所示，其石墨形状和长度评定结果见表2。从图1和表2可以看出，不同含氮量灰铸铁试样中的石墨类型均为A型石墨，且呈无方向性均匀分布。随着含氮量的增加，试样中片状石墨长度变短，宽度稍有增加，弯曲程度加大，石墨端部钝化。
（2）氮对灰铸铁基体组织的影响 含氮灰铸铁试样的基体组织评定结果见表3。从表3可以看出，含氮灰铸铁试样的金相组织为片状石墨+珠光体+少量铁素体。随着含氮量的增加，基体组织中珠光体比例不断升高，粗片状珠光体数量减少，珠光体层片状间距不断减小。当含氮量超过0.0085%之后，放大500倍，基体中部分的铁素体和渗碳体混合在一起难以分辨，为索氏体型珠光体。含氮灰铸铁试样扫描电镜下的组织形貌如图2所示。这是因为随着含氮量的增加，灰铸铁的共析转变开始温度及终了温度均呈降低趋势，但共析转变终了温度下降幅度更大，显著增大共析转变温度区间，使共析转变过冷度增加，从而稳定并细化珠光体，抑制铁素体的生成。  图2含氮灰铸铁试样扫描电镜下的组织形貌（2 000×）
（3）氮对灰铸铁共晶团组织的影响 含氮灰铸铁试样的共晶团组织如图3所示，随着含氮量的增加，试样中的共晶团数量增加，共晶团平均尺寸减小，共晶团得到细化。随着灰铸铁中含氮量的增加，灰铸铁共晶转变开始温度变化不大，而共晶终了转变温度降低，导致共晶转变温度区间增大，使得共晶转变过冷度增大，从而细化共晶团，细化石墨。
（4）氮对灰铸铁力学性能的影响 含氮灰铸铁试样的抗拉强度和硬度见表4。从表4的数据可以看出，氮含量的增大可以提高灰铸铁的抗拉强度和硬度。
氮含量提高灰铸铁的抗拉强度和硬度，主要原因有以下4个方面： a.在共晶转变中，氮原子不断吸附在石墨长大前沿，并固溶于石墨中，阻碍片状石墨的生长，减小片状石墨的长宽比，增加石墨弯曲程度，钝化石墨端部，增加石墨分枝，细化石墨组织，从而减少石墨对基体的切割作用。 b.氮可以降低灰铸铁共晶转变终了温度，增大共晶转变温度区间，增加共晶转变过冷度，细化共晶团，减小初生奥氏体二次臂间距，细化二次枝晶。 c.氮是稳定珠光体元素，可以降低灰铸铁的共析转变终了温度，加大共析转变温度区间，增大共析转变过冷度，从而细化并稳定珠光体。 d. 氮原子的原子半径（0.071 nm）小于碳（0.077 nm）和铁（0.125 nm）的原子半径，可以作为间隙原子固溶在铁素体和渗碳体中，使其产生晶格畸变，造成弹性应力场，增大位错运动阻力，强化基体组织。 2 微合金化铌对含氮灰铸铁组织及性能的影响 经光谱分析，得出含铌灰铸铁试样的化学成分（表5）。 表5 含铌灰铸铁试样的化学成分（质量分数，%）
（1）铌对含氮灰铸铁石墨组织的影响 含铌灰铸铁试样的石墨形貌如图4所示，含铌灰铸铁试样的石墨形状和长度评定结果见表6。从图4和表6可以看出，当含铌量≤0.051%时，含铌试样中石墨为A型石墨；当含铌量≥0.097%时，试样中出现了少量D、E型石墨。这是由于铌降低了铁液的共晶转变温度，增大了共晶转变温度区间，增加了共晶转变过冷度，从而产生了一些过冷石墨。 
（2）铌对含氮灰铸铁基体组织的影响 含铌灰铸铁试样金相组织分析结果见表7。从表7可以看出，随着含铌量的增加，含铌试样组织中珠光体层片间距略有减小。当含铌量达到0.051%时，试样基体组织中出现铌的碳氮化物颗粒，随着含铌量的继续增加，铌的碳氮化物数量增加，形态更加多样。析出的NbC、NbN或复合型的碳氮化合物Nb（C，N），这些硬质相弥散分布在基体组织中，提高基体强度和耐磨性。 表7 含铌灰铸铁试样金相组织分析结果
含铌灰铸铁试样的共晶团如图5所示，随着含铌量的增加，共晶团数量增多，试样B-4和试样B-6的共晶团数量明显多于试样B-1和试样B-3，且平均尺寸减小。有文献指出，Nb（C，N）相是先于石墨形成，可以作为石墨的异质形核核心，在灰铸铁中加入铌，可以使灰铸铁的共晶团个数增多、细化、分布均匀。
（4）铌对含氮灰铸铁力学性能的影响 含铌灰铸铁试样的抗拉强度和硬度见表8。少量的铌固溶于金属基体中，引起晶格畸变，产生交互应力场，阻碍位错移动和固溶强化的作用。大部分铌在基体中形成富铌的碳氮化物Nb（C，N），弥散分布于基体中，可以“钉扎”位错，有效地阻碍位错运动，造成基体强化。富铌的碳氮化物Nb（C，N）不在晶界析出，不会削弱晶间结合力，相反铌可以固定氧、氮，使游离于共晶间的不纯物减少并趋于分散，净化了共晶晶粒组织，增加其结合力，提高材料强度。综合以上因素，在含氮灰铸铁中添加铌，有利于提高灰铸铁的抗拉强度和硬度。 表8 含铌灰铸铁试样的抗拉强度和硬度 3 硫对灰铸铁石墨形态分布的影响 铸铁中合理的含硫量有益于优化石墨形态分布和解决高强薄壁化容易产生白口的问题。本试验S含量优选0.1%，配合其他成分和工艺，得到金相组织。A型石墨（＞95%）+细片珠光体（≥99%）+铁素体或碳化物（＜1%），石墨形态Ι级（＞90%），长度等级3～5。HT250试棒的金相组织见图6。 图6 HT250试棒的金相组织 硫能降低碳在铁液中的溶解度，增强碳的活度，是促使孕育反应顺利进行不可缺少的成分。硫与锰、稀土形成MnS和RES等化合物的熔点在1600℃以上，不仅无阻碍石墨化的作用，反而可以作为石墨化的非自发性晶核，促使铸铁石墨化，改善石墨形态，尤其有利于A型石墨的形成。但是要注意的是，硫在铸铁中的双重作用。硫含量在不同CE情况下，抗拉强度值均随S含量的增加而明显提高，但当含S量超过某一临界值时强度开始降低。 （来源：铸造工程） |
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