硼对低合金灰铸铁性能的影响

编辑导语：硼在灰铸铁中能够形成硬质相的硼碳化物，当硼加入量控制在0.02%～0.10%时，可显著增加灰铸铁的耐磨性能。以低合金灰铸铁为研究对象，通过改变加入无水硼砂的含量来控制铸铁中硼的含量（0～40 ppm），通过直读光谱仪、光学显微镜、万能拉伸试验机等设备，对其组织和性能进行分析。研究结果表明，微量的硼使得灰铸铁金相中存在少量的铁素体，对于模数类似于Y50试块时，硼由7 ppm提高至20 ppm时，其抗拉强度降低15 MPa、硬度降低5.5 HBW。

引言

灰铸铁由于其良好的铸造性能、机械加工性能和低成本，使其广泛应用于发动机、机床、模具等生产领域。灰铸铁的性能取决于微观组织，组织不同其使用性能就截然不同。含硼铸铁由于其金相中分散的含硼碳化物，一般认为是Fe₂₃(CB)₆，Fe₃(CB)含硼碳化物，其对铸铁的强度和硬度均存在影响，含硼碳化物增加了铸件的硬度从而提高了铸件的耐磨性能，含硼铸铁主要用于生产气缸套。严继斌以灰铸铁气缸套为研究对象，指出生产硼铸铁气缸套合适的硼含量为0.03%～0.06%，并研究了硼含量在0.01%～0.10%范围内对其抗拉强度和硬度的影响，其关系如图1所示。在过去很长一段时间，人们都是将硼作为合金元素来研究其对铸铁组织和性能的影响，很少有资料介绍在微量层面上硼含量对灰铸铁组织和性能的影响。

图1 硼对HT200抗拉强度与硬度的关系

实际生产球墨铸铁时，发现当铁水中硼含量超过7 ppm（0.000 7%），其显著降低球墨铸铁中的珠光体含量，使得铁素体含量升高，严重降低了铸件的机械性能从而导致铸件不合格。在生产低温冲击球墨铸铁时，当硼含量较低时铁素体球墨铸铁金相试样腐蚀后，在晶界无类似珠光体组织如图2所示，当铁素体球墨铸铁中硼含量高于20 ppm（0.002%）时，在腐蚀后观察基体组织，发现晶界处存在极细的类似珠光体结构如图3所示，这种珠光体结构即使是使用高温石墨化热处理也不容易消除，从而降低了低温冲击韧性。由此我们猜测，微量的硼对球墨铸铁的这种影响对灰铸铁应该也是同样的，只是可能存在的影响范围不同，需要进一步研究才能确定。

图2 不含硼QT400-18,腐蚀后（400× ）

图3 含硼30 ppm时QT400-18,腐蚀后（400× ）

另外，在实际生产时，由于原材料的不稳定，带入硼元素有时候不可避免，因此微量的硼对灰铸铁金相和性能的影响很有研究的必要。基于此，本文以低合金灰铸铁为研究对象，通过改变加入硼砂的含量来控制铸铁中硼的含量（0～40 ppm），使用直读光谱仪检测仪、光学显微镜、万能拉伸试验机等设备，对其组织和性能进行分析。

1 试验条件及试验方案

1.1 灰铸铁的基本成分设定

为了减少试验变量，防止其它因素对试验的干扰，选定材质为HT250材质，其配料采用废钢60%，同材质回炉料40%，其主要化学成分控制参数：C控制在3.2%～3.25%，Si控制在1.9%～2.0%，Mn控制在0.60%～0.70%，P控制在≤0.04%，S控制在0.08%～0.09%，Cu控制在0.6%～0.65%，Cr控制在0.20%～0.25%。选择这一成分及配料，很大程度覆盖了公司一些产品的工艺，其试验结果对实际生产更具有指导意义。

1.2 实验方案

铸铁常规熔炼工艺包括：加料熔化、检测成分、调整成分、过热静置、测温扒渣、出水孕育。所添加的随流孕育剂和无水硼砂需进行150～200 ℃烘干处理。铁水化学成分采用ThermoScientific（赛默飞）ARL 4460直读光谱仪检测，光谱仪的检测不确定度是U=0.0093%；将铁水倒入抬包中时加入随流孕育剂和无水硼砂，然后浇注楔形三角试片、Y50试块和光谱检测用试样。三角试片、光谱试样、Y50试块尺寸如图4至图6所示。为了明确硼对厚大灰铸铁性能的影响，本次研究不选用常规的φ30 mm试棒，直接选用球铁上常用的壁厚50 mm的Y50试块，其结果覆盖面更广，能从三角试片判断微量的硼对薄壁件白口倾向的影响，也能通过厚壁试块凝固速度比较慢，如果存在硼的偏析，偏析对凝固过程的影响会在厚壁试块金相中得以体现，因此这种试验方案更合理。在低合金灰铸铁中加入微量硼元素的方案如表1所示，Y50试块及试样取样位置见图7。

图4 三角试块

图5 光谱检测用试样

图6 Y50试块

表1 在低合金灰铸铁中加入微量硼元素的方案

图7 Y50试块及试样取样位置

2 实验结果及分析

2.1 三角试片白口倾向

为了研究微量硼对三角试片白口倾向影响，孕育后浇注了底边15 mm高30 mm的三角试块，检验硼对铁水白口倾向的影响，实验证明，在40 ppm硼含量的影响下，其白口厚度2 mm，未见其对低合金灰铸铁孕育后白口有明显的增大的痕迹，三角试片断口处白口情况如图8所示。

图8 三角试片断口白口检查

2.2 机械性能

如图7所示，在试块位置加工试样，并对试样在检测中心进行力学性能测试，测试结果如表2所示，并对结果进行统计分析见图9。

表2 硼对试块性能的影响

图9 硼对低合金灰铸铁力学性能的影响

检测结果显示硼对厚壁低合金灰铸铁强度、硬度均有降低的作用。实际生产中采取φ30 mm试棒测试力学性能，由于试棒较小导致冷却速度快，硼合金对性能、金相的影响并不明显，因此未发现性能、金相的变化，推测硼对性能、金相的影响与铸件壁厚存在关系。

本次试验证明对于模数类似于Y50试块的低合金灰铸铁，当硼由7 ppm提高至20 ppm，其抗拉强度降低约5%（15 MPa）；对于模数类似于Y50试块的低合金灰铸铁，当硼由7 ppm提高至25 ppm，其硬度降低约3%（5.5 HBW）。说明生产中应该对于微量硼给予重视，特别是生产厚大断面的灰铸铁件，从材料的安全和成本控制角度上讲，建议硼含量控制在20 ppm是比较合理的。

2.3 试块金相与微量硼的关系

灰铸铁试验试块的金相检测说明，硼在40 ppm以内，石墨形态均为A形，说明微量的硼对石墨形态影响不大，且在放大100倍条件下珠光体含量均能满足≥98%珠光体，但是含硼低合金灰铸铁的石墨周边伴随有微量的铁素体，硼含量越高，这种铁素体数量越大越明显，这是导致力学性能下降的原因，如图10至图13所示，含硼低合金灰铸铁的石墨周边伴随有微量的铁素体情况。

生产经验得知，硼在7 PPM就可以对珠光体球墨铸铁的组织造成影响，严重降低珠光体含量。本次试验说明，硼对灰铸铁在40 PPM时才能观察到珠光体含量的降低作用。因此，硼对球墨铸铁金相中珠光体含量的影响更大，对灰铸铁金相中的珠光体的的影响要弱一些，这可能与灰铸铁中含有较高的锰、铬、铜等合金能保证珠光体的含量有关。有理论认为在凝固过程，硼形成了介稳定碳化物，吸附在石墨上，不断促进碳从基体向石墨上迁移，这种机理导致了奥氏体碳偏低，最终共析转变时形成了铁素体。另外球墨铸铁的共晶团细小，碳的短程迁移较灰铸铁更加快速到石墨上，因此硼对以珠光体组织为主的球墨铸铁凝固共析转变过程的影响更大。

3 结语

⑴硼含量在40 ppm以下，未见其对低合金灰铸铁孕育后白口有明显的增大的现象；

⑵硼对厚壁低合金灰铸铁强度、硬度均有降低的作用，实际生产采用φ30 mm试棒测试力学性能并不能检测到这种性能的变化，说明硼对性能的影响与壁厚存在关系；

⑶对于模数类似于Y50试块的低合金灰铸铁，当硼由7 ppm提高至20 ppm，其抗拉强度降低约5%，其硬度降低约3%；

⑷微量的硼对珠光体为主的球墨铸铁和灰铸铁的性能都有影响，且对球墨铸铁的影响大于灰铸铁；

⑸生产中应该对于微量硼给予重视，特别是生产厚大断面的灰铸铁件，从材料的安全和成本控制角度上讲，建议硼含量控制在20 ppm以内是比较合理的。

作者单位：1.宜宾普什联动科技有限公司；2.四川省动力零部件制造工程技术研究中心

编辑审核：柳建国

微信编辑：蔡文娟