消失模泡沫材质对球墨铸铁组织与性能的影响

王邦伦， 陈 松， 贾文静， 任苗苗， 李善静

(安徽工程大学 机械与汽车工程学院, 安徽 芜湖 241000)

消失模铸件质量高、设计方便且生产成本低，球墨铸铁不仅具有较高的强度、韧性和耐磨性，还有良好的铸造性、可加工性[1-2]，因此，球墨铸铁消失模铸造工艺的应用越来越广泛。消失模泡沫材质有EPS、STMMA和EPMMA，其中前两种在工业生产中应用较多。不少学者对消失模泡沫材质进行了研究。李曦等研究了EPS和STMMA 2种泡沫材料的热氧化分解过程，利用热重分析仪分析了EPS和STMMA的热氧化降解行为特性及反应机理，发现在热氧化分解过程中EPS的分解温度比STMMA高，认为EPS泡沫的氧化分解速率受界面反应速率影响，由相界面反应机理控制；而STMMA泡沫的分解过程较为复杂，由多种反应机制控制[3]。白明雪对球墨铸铁铸造用消失模板材成型工艺及性能进行了研究，通过燃烧试验及物理性能测试认为，STMMA的燃烧性能较好，在残余率、气化分解等方面优于EPS；通过铸造试验发现，STMMA产生的黑渣缺陷比EPS少[4]。AZIMI等对消失模用泡沫热解特性进行了研究[5]。CAULK研究了充型过程中多种泡沫降解前沿气隙形成的模式对金属液充型的影响，认为在气隙模式下，泡沫的液态产物在金属液中受热气化形成大量气泡逸出，并进入金属液/泡沫界面形成气隙层[6-7]。

上述研究主要关注消失模泡沫材质本身的理化性能，但关于泡沫材质对球墨铸铁组织性能影响的研究较少。本文对比研究了EPS与STMMA 2种泡沫材料对球墨铸铁组织与性能的影响，为企业在消失模铸造中选择合适的泡沫材质提供一定参考。

1 实验材料及方法

消失模泡沫材料来源于企业A，铸造实验方案参照企业B。模具结构如图1所示(此模具为企业实验通用模具，实际只需6个，余2个)，模具由8束尺寸均为50 mm×50 mm×500 mm的长方体构成。其中3束泡沫模采用EPS材料，3束泡沫模采用STMMA材料。在1 530 ℃时将铁液浇注到模具中，空冷至室温，采用线切割方式在每束铸件上距顶端10 mm、100 mm及300 mm处取样(见图1)，共得到18个尺寸均为50 mm×50 mm×10 mm的长方体试样。

将试样依次用砂纸磨制、抛光布抛光后，用4%的硝酸酒精溶液腐蚀。用奥林巴斯BX51金相显微镜观察显微组织。用定量金相软件测定试样中石墨和珠光体的面积百分比。用310HBS-3000数显布氏硬度计测量试样硬度，每个试样测5个不同位置并取平均值；用显微硬度计测定试样不同显微组织的布氏硬度。

图1 铸造用模具三维图

2 试验结果

2.1 试样抛光态显微组织

图2为试样抛光状态的显微组织。可以发现，STMMA与EPS球墨铸铁试样在石墨尺寸、形态及分布方面无显著差异，所有试样局部都存在少量的蠕虫状石墨。

2.2 试样腐蚀后显微组织

图3为用4%硝酸酒精溶液腐蚀过后的试样的金相组织图片。可以发现，EPS与STMMA 2种球墨铸铁试样的基体组织都以珠光体为主，并含有少量铁素体。

图4为利用定量金相软件测得的2个试样的珠光体含量对比，可以看出，EPS球墨铸铁试样的基体组织中珠光体体积分数高于STMMA试样。

(a) 距离顶端10 mm的EPS试样 (b) 距离顶端100 mm的EPS试样

(c) 距离顶端300 mm的EPS试样 (d) 距离顶端10 mm的STMMA试样

(e) 距离顶端100 mm的STMMA试样 (f) 距离顶端300 mm的STMMA试样图2 不同试样的石墨结构和分布图

(a) 距离顶端10 mm的EPS试样 (b) 距离顶端100 mm的EPS试样

(c) 距离顶端300 mm的EPS试样 (d) 距离顶端10 mm的STMMA试样

(e) 距离顶端100 mm的STMMA试样 (f) 距离顶端300 mm的STMMA试样图3 用4%硝酸酒精溶液腐蚀后的不同试样的金相组织

图4 EPS和STMMA试样的珠光体含量

图5为高倍显微镜下球墨铸铁显微组织图片。可以看出，EPS球墨铸铁试样的珠光体片层间距明显小于STMMA；2种试样的石墨球周围都存在铁素体组织，但STMMA球墨铸铁试样的铁素体含量高于EPS。球状石墨是在液相中析出的，在球墨铸铁发生共晶转变前已经有球状石墨直接从铁水中析出，从而在球状石墨周围形成贫碳区。当碳当量一定时，在铁液凝固过程中形成的球状石墨越多，剩余铁液中碳浓度越低，形成的渗碳体含量也就越少，不利于在共析反应时珠光体形成[8]。在奥氏体共析反应中，由于奥氏体中碳原子浓度起伏，在高碳区形成渗碳体，贫碳区形成铁素体[9]。球状石墨越大，基体中的碳原子越容易扩散到石墨上，从而形成图5(a)所示的“牛眼状”铁素体。

(b) STMMA试样图5 球墨铸铁试样显微组织图片

2.3 试样布氏硬度

图6为2种试样的布氏硬度图。QT600的硬度范围为：190～270 HB[10]。由图6可以看出，试样的布氏硬度均符合要求，同一铸件距离顶端越近硬度越高，但EPS球墨铸铁试样所有位置的布氏硬度均高于STMMA。

图6 EPS和STMMA试样的布氏硬度

3 分析与讨论

3.1 显微组织分析

STMMA与EPS球墨铸铁试样在石墨尺寸、形态、分布方面无显著差异，但STMMA球墨铸铁试样的基体组织中珠光体含量低于EPS。2种材质的球墨铸铁试样的珠光体含量与石墨含量的关系如图7所示。

图7 2种试样珠光体含量与石墨含量的关系

由图7 可以看出，STMMA球墨铸铁试样的石墨含量高于EPS，而EPS球墨铸铁试样珠光体含量高于STMMA；对于同一试样，石墨含量与珠光体含量的变化呈负相关。碳在球墨铸铁中的存在形式主要有石墨和碳化物两种，其中碳化物主要是渗碳体，而渗碳体主要存在于珠光体中。因此，从显微组织的角度来看，球墨铸铁中的碳主要存在于石墨和珠光体两种组织中，其中石墨是纯碳，珠光体的含碳量为0.77%。对于同一种球墨铸铁试样，含碳量一定，所以若石墨体积分数下降，则珠光体体积分数升高，反之亦然。

在相同成分的铁液中，STMMA球墨铸铁试样因在共晶转变前在液相中析出的石墨比EPS多，故在共析反应时所形成的珠光体数量比EPS少，基体中铁素体含量比EPS多。

3.2 力学性能分析

球墨铸铁的力学性能主要受石墨球大小、数量、分布及珠光体含量、片层间距的影响[11]。当球墨铸铁试样中石墨尺寸、形态及分布不发生显著变化时，其力学性能主要取决于试样的基体组织。通过显微硬度计测得球墨铸铁中各显微组织的硬度：石墨约为5 HBW、铁素体约为80 HBW、珠光体约为290 HBW。根据经验公式，可得球墨铸铁布氏硬度与显微组织的关系为：

HB=5fG+80fa+290fP

(1)

球墨铸铁试样中各显微组织体积分数的关系为：

fG+fa+fP≈1

(2)

根据碳含量可得：

fG+0.0077fP≈C

(3)

由式(1)-式(3)可得

HB≈210fP-75C+80

(4)

式中：HB为球墨铸铁布氏硬度，单位HBW；fG为石墨体积分数；fa为铁素体体积分数；fP为珠光体体积分数；C为碳元素质量分数。对于含碳量一定的球墨铸铁，由式(4)可知，布氏硬度取决于珠光体体积分数，珠光体含量越高，球墨铸铁的硬度越高；由式(2)、式(3)可知，当珠光体含量升高时，石墨与铁素体含量都会降低。故EPS球墨铸铁试样因基体组织中珠光体体积分数高于STMMA球墨铸铁试样而硬度较高。

珠光体的力学性能主要由珠光体的片间距决定，珠光体片间距越小，强度和塑性越好。这是因为当铁素体和渗碳体片层较薄时，相界面增多，位错运动的阻力增大，即珠光体抵抗塑性变形的能力增大，故强度提高。同时，片间距减小，渗碳体片层较薄，晶界在外力作用下容易滑移，从而使珠光体的塑性提高[12-14]。EPS球墨铸铁试样的珠光体片间距明显小于STMMA，因此，其力学性能高于STMMA。

4 结语

通过研究分析，得主要结论如下：

(1) STMMA与EPS 2种消失模泡沫材质的球墨铸铁在石墨尺寸、形态、分布方面无明显差异，但STMMA试样的石墨含量高于EPS。

(2) EPS球墨铸铁试样的基体组织中珠光体含量高于STMMA，且珠光体片层间距小于STMMA，致使EPS球墨铸铁试样的布氏硬度高于STMMA。

(3) 对于含碳量确定的球墨铸铁，其布氏硬度取决于珠光体体积分数，珠光体含量越高，球墨铸铁的硬度越高；当珠光体含量升高时，石墨与铁素体含量都会降低。

本文主要检测了试样的布氏硬度，对其塑性、韧性等力学性能尚未检测，后续将通过拉伸试验和冲击试验对力学性能进行测定。