微量元素铋对厚断面球铁组织及性能的影响

高文理 岑鸽等

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.适当降低残余稀土量，调整wRE /wBi加=1.3～1.5，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有掌握关键技术，如果直接用于生产，则会存在一定风险.

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进行光谱分析，并调整原铁液C和Si成分分别为：C 3.70±0.05%，Si 2.1±0.1%.出铁温度为1 500 ℃左右，采用冲入法球化， 球化时间控制在1～2 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1 340～1 350 ℃.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A3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10.5%，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80～100个/mm2增加至225～250个/mm2，圆整度、组织均匀度和石墨球化率也有相应增加.

元素Bi过去常被作为干扰元素对待，然而有Ce存在后，不但不干扰球化，反而对球铁球化有利.如在厚大断面球铁中加入少量的Bi确实可以防止和减少异形石墨的形成[2].原因可能是Bi起一定的孕育作用，加Bi可阻碍Si扩散，从而强化了高C区的长期存在，加强了高温铁液中C和Si浓度的起伏，可加大石墨均质和异质核心形成的倾向[7-10].

碎块石墨对厚大断面铸件的抗拉强度和伸长率的影响较大，性能值会随着碎块状石墨比例的增加而下降，而碎块石墨对硬度性能的影响非常小.对风电低温球墨铸铁，碎块状石墨的出现会降低低温冲击性能，增加产品的报废率[11-12].加入微量Bi可以在一定程度上抑制碎块石墨的形成和改善球铁组织，从而提高抗拉强度、伸长率、硬度和-40 ℃低温冲击韧度.从表5中可以看出，在添加微量Bi后，球铁的综合力学性能得到改善，特别是伸长率和低温冲击性能.

实验结果表明，对于A3试块，添加0.012%Bi可以明显消除其碎块石墨.而对于A4试块，添加微量Bi能够在一定程度上改善实验试块的石墨形态，有效抑制碎块石墨的产生，提高抗拉强度、伸长率、硬度和-40℃低温冲击韧度.随着Bi加入量的增加，其抑制作用呈先增强后减弱的趋势.Bi加入量的最佳值为0.010%～0.012%，此时综合性能也最佳，抗拉强度为337 MPa，伸长率为10.4%，-40 ℃低温冲击功可达到10.5 J.

2.4稀土对元素铋的中和作用

许多文献[2，7-8，13-14]认为，微量Bi和适量的稀土合金搭配，能显著提高厚断面球墨铸铁球化率，增加石墨球数.Buhr[15]证实在有Ce和RE元素存在时，Bi的反球化作用被中和，在允许的范围内可以防止石墨畸变，并使石墨球数增加.其中和作用的机理可能是[14，16]：稀土可能与Bi形成高熔点化合物CeBi和LaBi等，成为石墨的异质核心，该化合物还可能与部分硫化物互溶，增大石墨异质核心的尺寸.从文献[7]中得知，Ce与Bi形成的CeBi具有类似NaCl的晶格结构，其晶格常数为4.455×10-2μm，而石墨基面（0001）晶格常数为4.26×10-2μm，故从理论上认为该类化合物可成为石墨的结晶核心.

3结论

1） 添加微量Bi可以使250 mm × 250 mm × 300 mm试块的宏观黑斑淡化到宏观不易观察的灰斑.而对于180 mm × 180 mm × 200 mm试块，加0.012% Bi可以明显消除其碎块石墨.

2） 对于250 mm × 250 mm × 300 mm试块，添加微量Bi能够在一定程度上抑制碎块石墨的产生，提高抗拉强度、伸长率、硬度和-40 ℃低温冲击韧度.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质量分数的最佳值为0.010%～0.012%，此时综合性能也最佳，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.

3） 适当降低残余稀土量，调整wRE/wBi加=1.3～1.5，可进一步抑制碎块石墨的产生，改善球铁综合力学性能，抗拉强度最多提高12 MPa，伸长率最高增加3.9%，硬度值增加1～2 HB，而-40 ℃低温冲击功最多增加1.4 J.

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