球墨鑄鐵管由于耐腐蝕、力學(xué)性能優(yōu)良，被廣泛的應(yīng)用于給水、排水、灌溉系統(tǒng)中。球墨鑄鐵管中鑄鐵的球化質(zhì)量對球墨鑄鐵管的質(zhì)量具有決定性作用，其中鎳的含量對球墨鑄鐵管的球化質(zhì)量會產(chǎn)生什么影響？
鎳是石墨化元素，在球墨鑄鐵鐵液中和固態(tài)球鐵中都可以無限制地溶解，不會與碳形成化合物，可減少或消除游離滲碳體的形成，降低白口和脆性轉(zhuǎn)變溫度，強(qiáng)化基體組織，提高球鐵的強(qiáng)度和低溫沖擊韌性。
鐵素體基體組織的球墨鑄鐵具有較高的強(qiáng)度和優(yōu)良的塑性和韌性，特別是具有優(yōu)良的低溫韌性。通過熱處理的方法可以影響或改變球墨鑄鐵的基體組織，提高基體組織中鐵素體含量，從而進(jìn)一步提高球墨鑄鐵的低溫韌性。但當(dāng)球墨鑄鐵中鎳含量控制調(diào)節(jié)不當(dāng)時，會惡化球墨鑄鐵的組織形貌而導(dǎo)致低溫沖擊韌性的降低，或退火工藝選擇不當(dāng)時，會導(dǎo)致球墨鑄鐵的組織分布不均勻而影響其性能的穩(wěn)定性。
為此，我們在較為系統(tǒng)地研究不同鎳含量對球墨鑄鐵組織性能的影規(guī)律響的基礎(chǔ)上，確定了鎳元素的適宜加入量，根據(jù)球墨鑄鐵的具體鑄態(tài)顯微組織，經(jīng)過多次試驗(yàn)制訂了球墨鑄鐵的熱處理工藝。
1試驗(yàn)材料與方法
參考已有的研究成果，試驗(yàn)將低溫高韌性球墨鑄鐵的化學(xué)成分設(shè)計(jì)為如下表所示。
試驗(yàn)原材料選用某企業(yè)生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)高純生鐵，加入量為總爐料的60%；廢鋼選用成分穩(wěn)定的低錳、低磷碳素鋼，加入量約為總爐料的40%；增碳劑選用微硫型，其成分要求98%以上固定碳量，0.2%以下灰份，粒度2~6mm；球化劑選用牌號為FeSiMg8RE3球化劑，加入量1.6%，粒度要求1~3mm；孕育劑采用硅鐵和硅鋇復(fù)合長效孕育劑，加入量占澆注鐵水量的0.15% ~0.25%， 粒度為0.3~0.8mm，以增加石墨球數(shù)，改善石墨形態(tài)；鎳選用含鎳99%的電解鎳板，鐵液中鎳元素的含量通過加入量來控制。
依照規(guī)范的球墨鑄鐵合金熔煉、球化和孕育處理工藝進(jìn)行熔制，并使用QL-5800型火花直讀光譜分析儀檢測球墨鑄鐵的化學(xué)成分。分別制備鎳含量為0.0% .0.4%、0.6%和0.8%的U形球墨鑄鐵試塊。使用SXW-3-11箱式電阻爐對鑄態(tài)球墨鑄鐵進(jìn)行退火處理；用SH-W330型測溫儀測溫；用JBS-300B型沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)；用HS-3001A型伺服萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)；用日本島津HMV-2型全自動顯微硬度計(jì)測試硬度；用XJG-04型金相顯微鏡觀察顯微組織；用SSX-550型掃描電鏡觀察拉伸斷口形貌。
2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
不同鎳含量對鑄態(tài)球墨鑄鐵組織的影響
下圖為不同鎳含量球墨鑄鐵鑄態(tài)顯微組織。
由此可見，不同鎳含量下球墨鑄鐵鑄態(tài)組織均為鐵素體+石墨球+少量珠光體組成，沒有滲碳體和磷共晶組織。石墨呈黑色圓球狀，圍繞在其周圍的白色塊狀物質(zhì)為鐵素體，而不規(guī)則的暗灰色物質(zhì)為珠光體。隨著鎳含量在0.0%至0.6%之間的增加，鐵素體晶粒逐漸細(xì)小，石墨球亦逐漸細(xì)小圓整，且數(shù)量增多；鎳含量為0.8%時,石墨球化率和均勻性有所下降。
不同鎳含量對鑄態(tài)球墨鑄鐵力學(xué)性能的影響
不同鎳含量鑄態(tài)球墨鑄鐵的室溫力學(xué)性能測試結(jié)果如下表所示。
可見，隨著鎳含量在0.0%~0.8%之間逐漸增加，球墨鑄鐵的硬度和抗拉強(qiáng)度逐漸提高，屈服強(qiáng)度先升高后下降，而伸長率卻總體呈下降趨勢。
分析認(rèn)為，當(dāng)其他化學(xué)成分一定時，不同鎳的加入可間接的抑制石墨球和鐵素體的形成，降低奧氏體轉(zhuǎn)變溫度，延遲球墨鑄鐵中奧氏體向鐵素體的轉(zhuǎn)變，促使珠光體量的增加，導(dǎo)致不同成分球墨鑄鐵顯微組織的差異。而球墨鑄鐵的力學(xué)性能與其珠光體含量和石墨球形態(tài)密切相關(guān)，隨著鎳含量的增加，珠光體含量增加，珠光體屬于便脆性組織，其含量越高，則球墨鑄鐵的硬度和抗拉強(qiáng)度越高，而韌性下降，所以伸長率降低。當(dāng)含鎳量在0.4% ~0.6%之間變化時，含鎳量增加可對基體產(chǎn)生晶粒細(xì)化作用，但對石墨的球化效果影響不大，所以球墨鑄鐵的屈服強(qiáng)度逐漸提高，而當(dāng)含鎳量在0.6%~0.8%之間變化時，含鎳量增加會導(dǎo)致碳當(dāng)量偏離最佳值，會惡化球墨鑄鐵鑄態(tài)組織和石墨球的形態(tài)，使石墨球化率和均勻性下降，所以球墨鑄鐵的屈服強(qiáng)度逐漸下降。因此，當(dāng)含鎳量為0.6%時, 鑄態(tài)球墨鑄鐵石墨球數(shù)量較多，且細(xì)小圓整，鐵素體晶粒也較為細(xì)小，組織形貌和綜合力學(xué)性能相對較佳。
