1. 绪言
近年来为减轻汽车重量，采用高强度钢较多。铸铁炉料中，高强度钢的比例也增加了。与普通钢相比，高强度钢含锰量多，致使铸铁含锰量增加。需要知道锰对铁素体球墨铸铁的各种影响。锰是稳定珠光体元素，铁素体球墨铸铁受锰的影响，会不会降低伸长率或恶化加工性能。为此，研究了添加硫化物1）、氧化物2）脱锰，吹入空气脱锰3），或者添加稀土4）消除锰的有害作用。
FCD450(相当QT450)铁素体球墨铸铁大型厚壁铸件的生产受到上述炉料条件影响，需要知道锰对厚壁球墨铸铁件材质的影响及对策。目前有关此问题的研究报告很少。本文以FCD450为对象，研究不同含锰量和壁厚的球墨铸铁件中组织对机械性能的影响。
2. 实验方法
采用生铁、含锰废钢、硅铁、锰铁、增碳剂做炉料，用10吨工频炉熔化铁液。原铁液含锰量0.3%，添加锰铁以获得含锰0.6%、0.9%、1.5%的铁液。每种含锰量的铁液1500kg,都在包内用硅铁孕育，用硅铁镁稀土合金球化处理。表1是最终目标化学成分。
表1 目标化学成分（质量%）
C
Si
Mn
P
S
Fe
Mn0.3%
3.5
2.6
0.3
0.03
0.03
其余
Mn0.6%
0.6
Mn0.9%
0.9
Mn1.5%
1.5
包内球化孕育处理后， 在自硬树脂砂型于1623K 浇注直径25mm, 长250mm 试棒及尺寸100×100×500mm、300×300×500mm、500×500×500mm 的厚壁楔型试块。测定园棒试块和厚壁楔形试块的温度，规定1523K 到共晶温度的温度变化速度为冷却速度。测出直径25mm, 长250mm 试棒的冷却速度为1.90K/s，100×100×500mm 楔型试块冷却速度为0.22K/s,300×300×500mm 楔型试块冷却速度为0.12K/s,500×500×500mm 楔型试块冷却速度为0.08K/s。
从园棒试块和厚壁楔形试块切取试样加工成JIS Z 2201规定的4号拉伸试样，测定抗拉强度和伸长率。在拉伸试样旁取样观察金相组织，测定硬度。用金相显微镜放大50倍和100倍观察5个视野，测定石墨球径、石墨球数、球化率和珠光体面积率。
对含锰量0.9%的各种壁厚试样用电子探针分析仪做面分析和线分析，了解锰的分布状况。用电子探针分析和X线衍射做相分析。
通过热处理调整基体组织，研究基体组织和石墨对机械性能的影响。从含锰量0.3%、0.9%的500×500×500mm厚壁楔形试块切取直径26mm长度220mm圆棒，用电炉对其进行热处理。从1173K缓慢冷却到1023K，使厚大试块切取的圆棒热处理后获得的珠光体面积率和同一含锰量的铸态圆棒试样的珠光体面积率相同。热处理试样的石墨组织和热处理前相比，没有大的变化。从热处理试样切取4号拉伸试样，测定抗拉强度和伸长率，在拉伸试样旁测定硬度和观察金相组织。用珠光体面积率相同的铸态圆棒和热处理圆棒进行比较，研究石墨组织的影响。用同一个厚壁楔形试块切取的珠光体面积率不同的铸态试棒和热处理试棒进行比较，研究基体组织的影响。
3.实验结果和考察
3.1 壁厚对组织的影响
图1是不同冷却速度和含锰量的试样的金相组织。壁厚增大，冷却速度降低，基体组织的珠光体减少，石墨球径增大，球墨数量减少。含锰量增加，各种壁厚试样的珠光体数量都增加。冷却速度低于0.12K/s的厚壁楔形试块中，当含锰量0.3%、0.6%时，晶界有珠光体组织，当含锰量0.9%、1.5%时，晶界有硬度高达700-1200HV的粗大异相形成。经X线衍射确认此粗大异相主要是渗碳体。图2是粗大渗碳体的扫描电镜图像和电子探针分析的特征X线图像。在粗大渗碳体中有Mn和Cr的偏析，它使渗碳体稳定化。Cr、Mn、Mo、V在最终凝固部位偏析促使厚壁铸件晶界形成碳化物5、6），文献7）认为Mn和Cr是晶界形成碳化物的原因。本试验中，壁厚增加，冷却速度缓慢，Mn和Cr在最终凝固部位浓缩，形成了渗碳体。含锰量增加到0.9%形成粗大渗碳体，所以锰的偏析是形成粗大渗碳体的主要原因。在粗大渗碳体附近还有Fe-Mn-P系化合物或Cr、Ti、V的碳化物。这些Cr、Ti、V是废钢带入的。
表2是含锰0.9%的各种壁厚试块的珠光体部位和晶界部位的锰的线分析结果。
图1 试样的金相组织
图2 粗大渗碳体的扫描电子显微镜照片和电子探针分析元素分布
（左上：渗碳体）
表2是含锰0.9%的各种壁厚试块的珠光体部位和晶界部位的锰的线分析结果。冷却速度1.9K/s的圆棒试样中珠光体部位锰的浓度为0.4～1.2%，晶界处锰的浓度为1.2～4.6%。冷却速度0.12K/s的厚壁楔形试块中珠光体部位锰的浓度为1.6～4.8%，晶界处锰的浓度为4.8～6.8%，锰的浓度比较高。冷却速度0.08K/s的厚壁楔形试块各部位锰的浓度与冷却速度0.12K/s的厚壁楔形试块各部位锰的浓度大体相同。无论圆棒试样还是厚壁楔形试块，其珠光体区域和晶界处锰的浓度都存在差异，表明晶界处存在锰的偏析。与冷却速度1.9K/s的圆棒试样相比，冷却速度小于0.12K/s的厚壁楔形试块中晶界处的珠光体处锰的浓度增大到4倍，晶界渗碳体处增大到2倍。冷却速度小于0.22K/s的厚壁楔形试块中晶界处最终凝固部位形成的Fe-Mn-P化合物的锰浓度达到10～13%。
图3 是冷却速度和珠光体面积率、石墨球径、球墨数量、球化率的关系。含锰量增加，珠光体面积率也增加8）。冷却速度降低，铁素体增多，珠光体面积率下降。含锰量不同，冷却速度的影响也不同，含锰量越高，冷却速度的影响越小。石墨组织受冷却速度的影响，与含锰量无关，壁厚增大，冷却速度降低，石墨球数减少，石墨球径增大，有球化率降低倾向。冷却速度小于0.22K/s的厚壁楔形试块中，石墨球径大于30μm，石墨球数小于50个/mm2，球化率就会低于80%。由于冷却速度低，石墨粗大，不能保持球状，使球化率下降。冷却速度下降，石墨面积率也有增加倾向，但是石墨面积率在6～9%范围，其影响很小。总之，冷却速度和含锰量影响基体组织，冷却速度影响石墨尺寸、数量和球化率。
表2 珠光体区域和共晶团边界的锰含量（%）
图4 抗拉强度和金相组织的关系
图5是伸长率和珠光体面积率、石墨球径、石墨球数、球化率的关系。球墨铸铁的伸长率受基体组织和球化率的影响，珠光体面积率少，球化率高于80%，伸长率高。冷却速度大于0.22K/s，含锰量增加，珠光体面积率增大，伸长率显著下降。但是增加壁厚增大，冷却速度降低到0.12K/s以下时珠光体面积率的影响减小，含锰量低，珠光体面积率也低的情况，伸长率也不会提高。分析不同含锰量的情况，冷却速度低珠光体面积率低伸长率也低的倾向，不能仅用珠光体面积率来解释。含锰量增大引起珠光体面积率增大时，冷却速度的影响就变小了。石墨球径增大，球化率下降，石墨球数越少，伸长率越低。含锰量0.3%、 0.6%，冷却速度低于0.12K/s时，因石墨球径增大，球化率80%左右，使伸长率下降。即含锰量低珠光体面积率低时，石墨组织影响使伸长率下降。含锰量大于0.9%时，主要是珠光体面积率影响伸长率的下降，石墨组织的影响很小。伸长率受石墨球径、石墨球数、球化率、珠光体面积率的综合影响。还有前述的晶粒粗大，最终凝固部位的微缩松，晶界碳化物的存在也综合影响伸长率的变化。
图5 伸长率和金相组织的关系
图6是硬度和珠光体面积率、石墨球径、石墨球数、球化率的关系。硬度受含锰量、珠光体面积率的影响，有明确的比例关系。各种含锰量试样，由于壁厚增大，珠光体面积率下降，硬度也随之下降。硬度受含锰量和珠光体面积率很大影响。由于壁厚增大，石墨球径和石墨球数发生变化，硬度有下降倾向。
图6 布氏硬度和金相组织的关系
3.3 热处理对组织和机械性能的影响
表3列出了两种含锰量试样的抗拉强度、伸长率、硬度测定结果以及金相组织、珠光体面积率、球化率、石墨面积率。
表3 铸态和热处理试样的金相组织和机械性能
含锰量
0.3%
状态
铸态
铸态
热处理
断面尺寸(mm)
直径25
500×500
500×500
抗拉强度（MPa）
466
351
446
伸长率（%）
22
6
10
布氏硬度（HB）
167
151
166
珠光体面积率（%）
20
8
20
球化率（%）
90
74
74
石墨面积率（%）
7
8
8
金相组织
含锰量
0.9%
状态
铸态
铸态
热处理
断面尺寸(mm)
直径25
500×500
500×500
抗拉强度（MPa）
592
340
505
伸长率（%）
9
3
3
布氏硬度（HB）
213
175
225
珠光体面积率（%）
52
42
52
球化率（%）
89
77
71
石墨面积率（%）
6
8
8
金相组织
经过热处理的500×500厚壁试块的珠光体面积率与直径25mm圆棒试样珠光体面积率相同，含锰量0.3%时都是20%，含锰量0.9%时都是52%。虽然石墨尺寸和数量不同，都是硬度相同，大小断面试样的硬度相近，说明石墨组织变化对硬度影响很小。但是，硬度虽然相近，热处理的大断面试块的抗拉强度和伸长率下降了。文献12）提出了抗拉强度和硬度的数学关系式：
σB =Y2.5 ～ 3.4Y×HB
其中，σB:MPa,HB:布氏硬度
此式适用于含锰量0.3%的试样。含锰量0.9%时硬度低于此式计算值。因此知道含锰量高时石墨粗大影响抗拉强度下降。文献13）认为，伸长率和硬度之间有良好的正比例关系。硬度166～167时，伸长率在20%左右，硬度213～225时，伸长率在7%左右。石墨尺寸小，含锰量0.3%、0.9%，都遵从这个比例关系。石墨尺寸增大后，伸长率要低于这个比例关系计算的数值，特别是含锰量0.3%时伸长率要大幅度下降。由此可以看出石墨组织对于伸长率的影响，含锰量低时影响很大。
为了了解基体组织的影响，把石墨面积率相同的铸态试样和热处理试样进行比较。经热处理的试样珠光体面积率增加，硬度提高，伸长率大体相同，抗拉强度提高了。对铸态厚壁楔形试块，含锰量变化引起珠光体面积率变化时，抗拉强度的变化很小，但是热处理引起珠光体面积率变化，抗拉强度变化很大。由此看出，铸态试块和热处理试块的基体对机械性能的影响不一样。
比较铸态和热处理后的金相组织发现，热处理后的基体是很细的粒状珠光体集合起来的组织，不同于铸态组织。图7是含锰量0.9%试样上看到的粗大渗碳体分解后的痕迹。在含锰量0.3%的试样上看不到粗大渗碳体。含锰量0.3%、0.9%的试样热处理后机械性能都得到改善。
铁素体-珠光体微细混合组织的去球墨铸铁经热处理后，晶粒越细化，相邻晶粒的应力集中的缓解效应越强烈，会明显提高强度14）。本研究也认为晶粒细化改善了抗拉强度。铁素体组织可以改善球墨铸铁的塑性变形能力。热处理增加了变形能小的珠光体，相同的珠光体面积率条件下，热处理试样比铸态试样的伸长率高。晶粒变化没有影响珠光体面积率。晶粒大小影响抗拉强度和伸长率。
要注意，厚大球墨铸铁件含锰量增加会使抗拉强度和伸长率下降。锰偏析引发粗大渗碳体，石墨粗大会使球化率下降，基体组织晶粒粗大也有不良影响。为改善机械性能，必须控制渗碳体、石墨粗大化引起球化率下降及晶粒粗大化的发生。
图7 热处理试块的金相组织（含锰量0.9%，试块厚度500mm）
4 结论
本实验研究了含锰量、壁厚和金相组织对厚大球墨铸铁件机械性能的影响，结论如下：
1 冷却速度低于0.12K/s的厚壁楔形试块含锰量0.9%以上时由于锰偏析产生粗大渗碳体。
2 石墨组织受冷却速度的影响，壁厚增大，冷却速度低于0.22K/s石墨球径增大，石墨球数减少，球化率下降到80%以下。珠光体面积率受含锰量和冷却速度的影响，含锰量增多，冷却速度的影响减小。
3 壁厚增大冷却速度低于0.22K/s时，石墨球径增大球化率下降和晶粒粗大化导致抗拉强度下降。特别是含锰量越高，其影响越大，冷却速度低于0.12K/s时，与珠光体面积率无关，抗拉强度都在350MPa左右。最终凝固部位存在粗大渗碳体也使抗拉强度下降。
4壁厚增大冷却速度低于0.12K/s时，石墨粗大球化率下降，晶粒粗大化，含锰量低使珠光体面积率减小都会使伸长率下降。含锰量高的情况下，除了石墨和晶粒的影响外，还有珠光体面积率增加和最终凝固部位存在粗大渗碳体也使伸长率下降。
5 石墨组织对于硬度的影响比较小，含锰量和壁厚增大引起珠光体面积率变化会影响硬度。
