混合稀土对灰铸铁组织及性能的影响

灰铸铁具有良好的铸造以及其他多方面的优良性能，但力学性能较低。在灰铸铁中加入稀土元素，可以提高灰铸铁的力学性能，如抗拉强度、耐磨性、硬度等。同时稀土元素还可以减少灰铸铁的白口倾向，净化铁液，去除杂质。本试验研究了不同的混合稀土加入量对灰铸铁的石墨形态和基体组织的影响，进而研究不同的混合稀土加入量对灰铸铁力学性能的影响，从而找到佳的稀土加入量，为大规模的工业化生产提供依据。

1试验材料及方法

采用中频感应电炉熔炼，铁液出炉温度为1380~1420℃，孕育处理及浇注温度约为1350℃试验棒1组6件，同一箱造型，手工砂型铸造，造型材料为原砂、膨润土（4%~5%）、水（4%~5%）。事先用锯将混合稀土制成小片状，粒度控制在2~5mm，并用天平称量，于浇注前撒入浇包内的铁液中，边浇边搅拌，使浇包中的稀土元素充分熔化、分布均匀。

材料的抗拉强度和耐磨性分别在WE-30液压万能试验机和ML-10磨料试验机上测定；用HRS-150洛氏硬度试验机测定试样的洛氏硬度；用XJL-2立式金相显微镜分别观察灰铸铁的石墨形态和金相组织。

2试验结果及分析

2.1金相组织观察

2.1.1混合稀土对石墨形态的影响

不同混合稀土加入量的灰铸铁石墨组织形态（未腐蚀）未加稀土的灰铸铁中的石墨粗大，呈片状，形态以A型石墨为主，也有极少量的菊花状和枝晶状石墨；加入0.1%混合稀土，石墨较细小，头部变钝，属于细小的A型石墨；加入0.3%混合稀土，石墨变细小，分布较均匀，且无方向性，头部较钝；加入0.5%的混合稀土，石墨细化，且分布比较均匀，头部变圆钝。

可见，添加混合稀土能使灰铸铁中的石墨组织细化和均匀化，当稀土加入量为0.1%时，石墨组织是理想的细小A型石墨。这是由于稀土元素在铁液中与硫、氧反应，生成稀土化合物，从而清除石墨棱面上的表面活性元素，使石墨基面与铁液的界面能降低；能促使石墨以螺旋位错的方式沿基面法向生长，使石墨形成蠕虫状或球状，而且随着稀土加入量的增加，石墨球化倾向将增强，这种效果在稀土加入量为0.3%时开始明显。

2.1.2混合稀土对基体组织的影响

稀土元素对铸铁有较好的孕育和变质作用。对不同混合稀土加入量的灰铸铁基体组织进行观察。未加稀土的灰铸铁的基体组织中珠光体较多，且呈连续片状分布；混合稀土加入量为0.1%时，珠光体细化，呈细片状或粒状分布，但不均匀；混合稀土加入量为0.3%时，珠光体以细片状均匀分布或以颗粒状弥散分布；继续提高混合稀土加入量，铁素体数量增多，珠光体细化且分散度增加。

可见，添加稀土元素可以对显微组织细化和均匀化，但是加入过量的混合稀土，反而会使铁素体增多。这是由于一般灰铸铁的显微组织，在高温时基本是由奥氏体和石墨以及不同数量的渗碳体等三相组成，而稀土具有细化奥氏体组织的作用，可增加铸铁中奥氏体枝晶的数量，使二次臂间距变小，枝晶变得细密[2]，故添加稀土元素可以细化灰铸铁的基体组织。另外，稀土是碳化物形成元素，一般会使珠光体数量增加。但是稀土的加入使铸铁中出现D、E型石墨时，铁素体量将显著增加，而铁素体的硬度和强度比珠光体低，所以要控制铁素体的含量，混合稀土加入量不应超过0.5%。

2.2力学性能试验结果

对试样进行力学性能测试，拉伸试验每组做3个试样，测试结果取平均值；洛氏硬度试验每组做3个试样，每个试样测4个点，所测结果取平均值；磨损试验参照国家标准GB/T12444.1—1990《金属磨损试验方法》，磨损试样为圆形（Ф6.3mm×20mm），选用GCr13标准钢球（Ф8mm）作摩擦副，在室温条件下，设定工作载荷50N，转速v=360r/min，摩擦时间t=20min，每组试验做3个试样，测试结果取平均值根据绘出灰铸铁的抗拉强度、硬度和磨损量与混合稀土加入量的关系曲线。

可以看出，未加稀土的灰铸铁的抗拉强度、硬度及耐磨性较低，稀土灰铸铁的抗拉强度、硬度与普通灰铸铁相比都有显著提高，而且它们具有相似的规律性。当混合稀土的加入量在0~0.1%之间时，随着混合稀土的加入量增多，灰铸铁的抗拉强度、硬度和耐磨性逐渐提高；当稀土加入量为0.1%时，灰铸铁的抗拉强度、硬度和耐磨性都同时达到一个峰值；如果继续增加混合稀土，抗拉强度、硬度和耐磨性又都会下降。

可见，混合稀土添加到灰铸铁中，铸铁的力学性能，包括强度、硬度、耐磨性都得到了显著提高，这与金相组织所反映的情况是一致的，特别是，混合稀土加入量为0.1%时，材料的抗拉强度、硬度及耐磨性同时达到峰值，力学性能好。这是由于稀土的孕育效果具有双重性。当混合稀土量在0~0.1%之间时，石墨细化，分布均匀，头部变钝，钝片状的片状石墨能减少对基体的冲击作用，降低产生微裂纹的倾向，从而提高灰铸铁的抗拉强度。基体组织中的珠光体细化，且晶粒越细小，使得组织界面多，缺陷多，阻碍位错的移动，抗拉强度、硬度提高。随着混合稀土量的继续增加，石墨片变得更加细长，而石墨越细长，对基体的冲击、切割作用就会增强，会产生更多的微裂纹，这会使灰铸铁的抗拉强度降低。另外，基体组织中铁素体的量增加，而铁素体的拉伸强度、硬度比珠光体小，所以力学性能下降。灰铸铁的耐磨性与其显微组织有着重要的联系，试验表明，灰铸铁具有均匀分布的石墨和珠光体基体时，耐磨性好。

3结论

（1）稀土对灰铸铁组织的作用主要表现在整体宏观组织和微观组织的细化和均匀化，同时会使片状石墨向着蠕球状转化。稀土能促使石墨片细小、头部变钝、分布均匀，使铁素体增多，珠光体细化且弥散度分布增加。

（2）混合稀土加入量在一定范围内，可提高灰铸铁的抗拉强度和硬度，改善其耐磨性，但加入量超过一定值，力学性能反而会下降。

（3）在本试验条件下，混合稀土加入量为0.1%时，抗拉强度、硬度和耐磨性同时达到峰值，力学性能好。