添加不同稀土量的球化剂对球墨及蠕墨铸铁的组织及机械性质的影响(P.695~701)

文源摘录：铸造工学第84卷（2012）第12号/ P.695~701

日期：2013/1/29 翻译：叶昭甫

添加不同稀土量的球化剂

对球墨及蠕墨铸铁的组织及机械性质的影响

山中英明、赵柏荣、冈田和彦

1. 前言：

由于稀土金属的进口日益困难，所以对稀土使用的削减，替代技术的开发有着殷切的期待。在铸造业，稀土主要用在球化剂的添加，对于球墨及蠕墨铸铁的生产性和品质面有着种种不同的功能，所以稀土使用的削减活动，首先要先确认不同稀土含量对铸铁材质的影响。

2. 实验方法

2.1材质的选定

铸铁的机械性质，主要受石墨及基地组织的影响，由于稀土的添加可有效增加球墨铸铁的石墨数，所以推测球化剂中稀土含量的变化，会使金相组织变化影响机械性质，所以选定铁素体系的FCD500及珠光体系的FCD700材质，还有使用同样的球化剂的FCV350材质的蠕墨铸铁也一并检讨。各种材质的目标成分显示于表1。

2.2铸造方法

以100kg的中频炉熔解，使用FCD返材及废钢各50kg的配合比，以增碳剂，Fe-75%Si，Fe-75%Mn、铜屑来调整成分。本实验用的球化剂的化学成分显示于表2，使用约含稀土1.5%、1.0%、0%(RE1.5、RE1.0、RE0)的3种球化剂，采浇包中三明治法做球化处理，球化剂用量在FCD500材质时用1.0%，FCD700时用1.05%、FCV350时用0.4%，一次接种使用0.3%的Fe-75%Si，覆盖剂使用冲压圆铁屑0.3%；为了减少浇注过程中的降温，球化处理前先以铁水预热浇包，再将铁水倒回炉中升温后再出汤做球化处理，随后取样做化学成分分析，在出汤后2分钟、8分钟、17分钟以Ba系接种剂（Fe~75%Si-1.5%Ca-0.5%Ba-2.5%Al）做随流接种，分别浇注酚醛系自硬性砂模的JIS G5502Y型 B号试棒（以下称YB）。另外，为确认随流接种的效果，在球化17分钟后，也同时浇注未随流接种的YB试棒。在图1显示从出汤后经过时间与浇注温度的关系，浇注开始到结束温度约下降200℃，浇注后90分钟共析变态已完全终了，进行拆箱。

2.3调查方法

调查出汤后2分钟及17分钟浇注的YB试棒的残留Mg量，以及所有YB的金相组织及机械性质。金相组织以拉伸试片的夹持部使用金相显微镜观察，以影像解析装置依据JIS G5502来测定球化率、石墨数、石墨粒径及珠光体量。机械性质测试采取YB试棒下部25mm的中央部做成JIS 4号拉伸试棒进行拉伸试验，

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并以试棒的夹持部做硬度测试；各材质的化学成分表示于表3。

化 学 成 分

球 化 率 % 球化率

珠光体率

图3 经过时间与球化率、珠光体率的关系(FCD500)

图2 经过时间及残留Mg的关系

珠 光 体 率 %

3. 实验结果及考察

3.1 Y型试棒的残留Mg

关于YB试棒出汤后的经过时间与残留Mg的关系显示于图2，稀土含有量最高的RE1.5其Mg的残留量也最高，但RE1.0与RE0则没什么变化，球化剂中稀土含量与残留Mg并没有很明确的相关性；任一支YB试棒伴随着时间经过，残留Mg都会下降，不同的稀土含量下降的程度大约一样。

3.2 FCD500材质的组织及机械性质

浇注的5支YB试棒，依浇注顺序以YB1~5表示。出汤后的经过时间与球化率及珠光体率的关系表示于图3，在图中的白色圆圈代表未接种品。以球化率来看，在接种品与稀土含量无关，所有的YB试棒都是85%以上的良好球化率；但是，出汤后17分钟后的未接种品的球化率则比接种品低下，在RE0时会大幅下降至约50几%。在图3中箭头指示的RE0的YB3与YB5的组织照片显示于图4，RE0出汤17分钟后有接种的YB3试棒石墨组织仍良好，未接种的YB5则出现拟片状石墨，球化率低下。珠光体率则随着时间经过缓缓下降，跟接种有无无关，不同的稀土含量时差别不大。

出汤后的经过时间与石墨数及石墨粒径的关系显示于图5，所有试棒的倾向是，伴随着时间经过石墨数增加而石墨粒径减小，推想这主要是因为浇注温度影响了冷却速度；还有，跟接种品比，未接种的石墨数少而石墨粒径大；以不同的稀土量来比较石墨数，接种品与经过时间无关，石墨数大约一样；未接种品中RE0的石墨数最少，RE1.0的最多，这是因为稀土形成球墨的成核物质导致石墨数增加，而RE0因没有稀土所

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以成核物质少。堀江等着眼于石墨成核作用的研究指出，薄肉球墨铸铁石墨数的增加决定于S含量与其化学量论的稀土添加量，而稀土添加量存在着最适当的范围。RE1.0为何石墨数比RE1.5多的理由，在此次的YB试棒中也推断不出来。随流接种有增加石墨数的作用。

出汤后经过时间与抗拉强度及降伏强度的关系显示于图6，对应珠光体率，抗拉强度及降伏强度伴随着时间经过缓缓下降，在有接种时，跟不同的稀土量关系不大；球化率低的RE0的YB4与YB5，抗拉强度、降伏强度也都低下。出汤后的经过时间与延伸率及硬度的关系显示于图7。延伸率随着时间的经过有增加的倾向，跟稀土量的不同影响不大；在图中箭头指示的RE1.5的YB3，在破断面附近可发现细碎状石墨（chunky），Si及RE（Ce）会促进细碎状石墨，浇注温度过低也会促进这些异常石墨的生长，这可能会影响延伸率；球化率低的RE0的YB4、5试棒延伸率也低。随着时间的经过，硬度也缓缓下降，受不同的稀土量影响不大。

抗拉强度 图4 使用不含RE球化剂，FCD500的石墨组织受接种的影响

抗拉强度、降伏强度 MPa 降伏强度

图6 经过时间与抗拉强度、降伏强度的关系（FCD500）

石 墨 数 个/mm2 石 墨 粒 径 μm 石墨数

延 伸 率 % 石墨粒径

图5 经过时间与石墨数、石墨粒径的关系（FCD500）

图7 经过时间与延伸率、硬度的关系（FCD500）

硬 度 HB

3.3 FCD700材质的组织及机械性质

出汤后的经过时间与球化率及珠光体率的关系显示于图8，有接种的YB试棒与稀土含量无关，全部都是球化率95%以上，但是，出汤经过17分钟后的未接种RE0球化率则大幅下降只有77%。跟FCD500材质比较起来，由于FCD700的球化剂用量较多，所以各试棒的球化率都较高；没有随流接种时，使用稀土0%球化剂的球化率也低下；珠光体率随着时间的经过也下降。

出汤后的经过时间与石墨数及石墨粒径的关系显示于图9,有接种时RE1.5及RE1.0的石墨数差别不大，但RE0则变少；未接种时，则与前述FCD500材质有同样倾向，RE1.0的石墨数最多，RE1.5、RE0则依序减少。另一方面，在有接种时，不同的稀土量石墨粒径的差别不大。

出汤后的经过时间与抗拉强度及降伏强度的关系显示于图10，抗拉强度、降伏强度伴随着时间经过而缓缓下降，有接种时不同的稀土量影响不大，球化率低的RE0的YB4、5抗拉强度、降伏强度也低。

出汤后的经过时间与延伸率及硬度的关系显示于图11，浇注开始8分钟后延伸率全部增加，在17分钟后RE1.5及RE1.0则下降，在这些破断面的附近有少量的粗大石墨及细碎状石墨（chunky）存在；RE0的

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延伸率则看不到降低的倾向；不同稀土量的延伸率没有大的差异。硬度随着时间的经过缓缓下降，不同的稀土量对其影响不大。

3.4 FCV350材质的组织及机械性质

出汤后的经过时间与球化率的关系显示于图12，跟先前所述FCD500及FCD700不同，在有接种时，伴随着稀土量的下降球化率呈阶梯状的下降。还有，未接种的RE1.5及RE1.0的球化率差异不大，但都比有接种的大幅下降，不含稀土的RE0的降幅最大。YB1及YB4试棒的组织照片显示于图13，RE1.5及RE1.0有无接种的关系不大，都呈球状石墨及拟片状石墨混合的CV蠕墨组织，RE0则除球状石墨及拟片状石墨外，还析出了多量的片状石墨；也就是说，含有稀土的RE1.5及RE1.0看不到片状石墨。当有随流接种时，球化率还会向上升，特别是稀土含量高的RE1.5上升量更大；但是接种也无法改善不含稀土RE0的片状石墨的析出。

出汤后的经过时间与石墨数及石墨粒径的关系显示于图14，就石墨数来看，RE1.5及RE1.0的差别不大，RE0则大幅增多，这是因为球状石墨及拟片状石墨再加上二次元观察面出现的片状石墨也一个一个计数的关系，这和正确的石墨数（共晶胞数）不同；关于石墨粒径也是同样的情形。

出汤后的经过时间与珠光体率的关系显示于图15，图15中箭头所示YB1的组织照片显示于图16；RE1.5与RE1.0珠光体率的差别不大，RE0则大幅增加，这也是受石墨片状化的影响。

出汤后的经过时间与抗拉强度及降伏强度的关系显示于图17,有接种时随着稀土量的减少，抗拉强度、降伏强度也下降，特别是有片状石墨析出的RE0更是大幅下降。另一方面，未接种品比有接种的抗拉强度及降伏强度都下降，RE1.5与RE1.0相差不大，但RE0则明显下降，这从图18所示球化率与抗拉强度的关系可看到这些相关关系，拟片状石墨增加时石墨前端的切开作用与片状石墨析出时基地的连续性下降都对抗拉强度有很大的影响。

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出汤后的经过时间与延伸率及硬度的关系显示于图19，相对于经过时间，对延伸率的变化做与球化率的变化相同的推移，球化率大幅下降的 RE0，其延伸率也低，RE1.5及RE1.0则大致一样，处于较高球化率、延伸率的状态；未接种时RE1.5、RE1.0及RE0与有接种时大致处于同样的状态。球化率与延伸率的关系显示于图20，珠光体率与延伸率的关系显示于图21；延伸率与球化率及珠光体率都有相关，但与珠光体率的相关性更高，当珠光体率低时延伸率则增高。硬度则与珠光体率相对应，珠光体率高则硬度也高，RE1.5及RE1.0相差不大，但RE0则较高。

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4. 结言

对于FCD500、FCD700、FCV350材质，使用不同稀土含量的球化剂对材质影响的确认结果如下：

① FCD500、FCD700材质有随流接种时，不同稀土含量对材质几乎没有影响；但如使用不含稀土的球化剂，如球化处理后经过时间太长，若没接种，则球化率会低下，机械性质也会低下。

② FCV350材质有随流接种时，若球化剂中稀土含量变低则球化率也会变低，且机械性质下降；特别是当使用不含稀土的球化剂，不管有没有随流接种都会有片状石墨析出，机械性质也会显著降低。