球墨铸铁管断后伸长率不合格原因分析

王洪礼 成 龙

(新疆维吾尔自治区产品质量监督检验研究院，新疆830011)

球墨铸铁管具有强度高、塑性好、耐压耐腐蚀强、防腐效果好、安装便捷、材质优良、抗压强度高、接口密封性好、管网运行安全系数大等优点，同时也是一种节能、节材产品，越来越多的受到城建输水输气基础工程的重视，是我国城镇供水、排水及输气行业应用的主流管材之一。某客户委托不同厂家依据GB/T 13295—2008生产的2批次球墨铸铁管在检验过程中出现一批次断后伸长率不合格现象，为找出不合格原因，对影响球墨铸铁管断后伸长率不合格的各因素采用化学成分、宏观检验和显微组织分析方法进行分析研究，在此基础上，提出提高断后伸长率的建议。

1 理化检验

1.1 材料拉伸及硬度检验

在送检的2批次球墨铸铁管上分别截取试验样块，依据GB/T 13295—2008要求加工拉伸试棒和硬度试样，在微机控制电子万能试验机上依据GB/T 228.1—2010中规定的以10 MPa/s恒定应力速率控制进行拉伸试验；在布氏硬度计上依据GB/T 231.1—2009标准规定采用直径10 mm的圆球，保压15s进行硬度试验。试验结果如表1所示。

表1 拉伸试验及硬度试验测试结果Table 1 Results of tensile test and hardness test

测试结果表明，1#球墨铸铁管抗拉强度、布氏硬度满足标准要求，断后伸长率低于标准要求；2#球墨铸铁管抗拉强度、断后伸长率和布氏硬度均满足标准的要求。

1.2 材料化学成分检验

在送检的2批次球墨铸铁管上分别截取化学成分试样，进行机加工制备成化学成分试样，依据GB/T 1348—2009的规定，采用Q8火花直读发射光谱仪对C、Si、Mn、P、S、Mg等主要元素进行测试，测试结果如表2所示。

测试结果表明，1#球墨铸铁管化学成分中C、Si、Mg不符合标准要求，Mn、S和P符合标准要求；2#球墨铸铁管全部化学成分符合标准要求。

1.3 试样宏观检验

对2批次拉伸试样断口进行宏观观察，如图1所示。由图1可知，1#球墨铸铁管拉伸断口呈现较明显的暗灰色，无金属光泽；2#球墨铸铁管拉伸断口呈现较明显的银灰色，有金属光泽。一般认为，球墨铸铁管拉伸断口呈银灰色状态，如呈暗灰色时，则存在球化不良缺陷。断口位置未出现明显的塑性形变，断口属于脆性断裂。

表2 球墨铸铁的化学成分(质量分数，%)Table 2 Chemical compositions of nodular cast iron pipe (mass fraction, %)

图1 拉伸试样断口宏观形貌Figure 1 Macroscopic morphology of the tensile bar fracture

(a)抛光态 ×100

(b)腐蚀态 ×100图2 1#球墨铸铁管金相照片Figure 2 Metallographs of 1# nodular cast iron pipe

1.4 金相检验

在2批次球墨铸铁管上分别截取试样，通过机械加工、粗磨、细磨、抛光工序后，将其试样置于Vert A1型金相显微镜下观察金相组织，观察结果如图2和图3所示。

依据GB/T 9441—2009标准进行评定，1#球墨铸铁管球化评定级别为4级，石墨大小级别3级以上。同时可以看出，石墨大小分布不均匀，极少量石墨呈球状，且球状石墨聚集，呈开花状，石墨球出现破裂，呈现石墨漂浮金相缺陷状态，存在显著的球化不良现象。通过4%硝酸酒精对其进行腐蚀观察其金相组织，可以看出，基体组织为铁素体+珠光体以及少量的球状石墨所构成。

(a)抛光态 ×100

(b)腐蚀态 ×100图3 2#球墨铸铁管金相照片Figure 3 Metallographs of 2# nodular cast iron pipe

2#球墨铸铁管球化评定级别为1级，石墨大小级别7级。同时可以看出，石墨大小分布均匀，球化良好。通过4%硝酸酒精对其进行腐蚀观察其金相组织，可以看出，其基体组织为铁素体+珠光体以及球状石墨所构成。

2 分析与讨论

1#球墨铸铁管金相组织中石墨级别3级以上，球化级别高于一般要求的1～3级，出现球化不良和石墨漂移现象，基体组织为铁素体+珠光体+少量球状石墨。2#球墨铸铁管金相组织中球化评定级别为1级，石墨大小级别7级，基体组织为铁素体+珠光体以及球状石墨所构成，组织为正常组织。1#球墨铸铁管金相组织存在球化不良及石墨漂浮的现象是影响球墨铸铁管断后伸长率不合格的主要因素。通过分析得出，球墨铸铁管金相存在球化不良及石墨漂浮的主要原因为：一是合金的加入量偏少；二是球化剂数量适宜，铁液的C、Si含量偏高；三是铁液的温度不适应，在温度较高时会出现球化剂过量烧损，并且在温度偏低时合金极易出现“死结”现象；四是生产工艺控制不当。

原材料的优劣是影响产品质量的关键因素，使用劣质的原材料不可能生产出合格的产品。1#球墨铸铁管中C、Si、Mg是导致球墨铸铁管断后伸长率不合格的原因之一。球墨铸铁管规定C含量在3.30%～3.70%，Si含量在2.10%～2.40%范围内，在C、Si含量超过共晶成分时，浇注温度过高，铁液凝固之前石墨析出，液态停留一定时间后，石墨长大并聚集，由于石墨密度比铁水轻，聚集的石墨出现上浮现象，进而出现石墨漂浮现象。

球墨铸铁管规定球化剂Mg含量在0.025%～0.046%范围内，球化剂含量过少同时出现球化剂过量烧损，导致球墨铸铁管球化不良现象。

生产工艺决定球墨铸铁管球化效果，球化效果的好坏直接影响球墨铸铁管综合力学性能。在铁液C、Si含量相同的情况下，石墨球的数量多而球径小，有利于提高石墨的球化率，球化率提高表明石墨圆整度增加从而减少基体的割裂作用，使球墨铸铁管的断后伸长率提高；同时，石墨球数量越多，基体铁素体晶粒越细，材质的伸长率越高。生产工艺控制不当会导致球墨铸铁管出现球化不良现象。

3 结论

化学成分和生产工艺控制不当使球墨铸铁管出现球化不良和石墨漂移金相缺陷现象，导致球墨铸铁管断后伸长率不合格。生产厂家应严格控制原料化学成分的含量和生产工艺参数，以获得良好金相组织，提高球化率，提高球墨铸铁管的内在质量水平，以提高球墨铸铁管的综合力学性能。