球墨铸铁材料成分分析与研究

项戈丰

摘要：本文研究显微照相的原理并利用显微照相及暗室技术，使用打磨、抛光标准步骤处理球墨铸铁得到标准试验样品，随后使用光学显微镜观察其微观组织结构，并使用规则阵点法测量球墨铸铁样品的成分密度百分比，最后使用Image Tool软件拟合实验数据得到平均成分占比，球铁平均成分占比为0.77。

关键词：球墨；铸铁；样品；Image Tool软件

DOI：10.12433/zgkjtz.20233346

以铁、碳和硅为基本元素，碳主要以球状石墨形式存在的铸铁称为球墨铸铁。它具有优良的力学性能，疲劳强度接近于中碳钢，多次冲击抗力高于中碳钢，屈强比比碳钢高一倍多。球墨铸铁已迅速发展为仅次于灰铸铁且应用广泛的铸铁材料。

球墨铸铁通过球化和工艺处理得到球状石墨，有效提高了铸铁的机械性能，特别是提高塑性和韧性，从而得到比碳钢还高的强度。珠光体型球墨铸铁具有中高等强度、中等韧性和塑性，综合性能较高，耐磨性和减振性良好，铸造工艺性能良好等特点，通过各种热处理改变其性能。

一、实验材料及方法

球墨铸铁具有优良的综合力学性能、铸造性能和切削加工性能。基于其优良的性能，适用于铸造一些受力复杂，强度、韧性、耐磨性要求较高的零件，目前，已广泛应用于大型柴油机机体、高铁齿轮箱和轴箱、地铁构架、风电轮毂和底座、重型燃气轮机壳体等。2020年全球球墨铸铁产量达2360万吨以上，其中我国的产量为1530万吨。随着对球墨铸铁技术指标要求提高以及现代化检测技术的发展，球墨铸铁标准不断修改和完善，使标准能更好地指导和服务于产品生产和检验。

（一）材料

本实验的实验材料为磨制抛光但未浸蚀处理的球墨铸铁金相样品。实验设备采用金相显微镜和金相显微镜用测微尺。

（二）实验材料制备方法

将试验样品轻轻拭去表面的灰尘。由于样品大小适中，此时无须镶嵌，可直接进入磨样步骤。开启水磨机总开关，待其达到预设转速时，开启水龙头，使磨盘表面浸湿。此时，将样品扣在磨盘上，使转动的磨盘不断摩擦样品表面，待摩擦一段时间后将样品旋转90°，继续摩擦一段时间。多次重复上述操作，直到样品表面的划痕方向保持一致且没有多个不同的面出现时，即可停止水磨过程。关闭时，注意先关闭水龙头再关闭机器总开关。

将水磨处理好的样品，放在样品底部挤上金刚石抛光膏，开启抛光机（实验前抛光布已经固定完毕），水龙头开启顺序和水磨机相同。轻轻摁住样品使其在抛光布上摩擦，摩擦方向垂直于划痕。待划痕基本消失后可切换方向或轻轻移动样品，使每个方向均匀被摩擦。若划痕过深水抛速度过慢可关闭水龙头干抛，注意每隔一段时间在抛光布上喷洒适量水，防止样品过热氧化，抛至样品表面较为光洁类似镜面即可。

（三）实验原理

1.成像记录

显微镜照相原理与一般照相原理相同，但额外附加了一套照相暗箱及照相镜头。

2.传统金相分析和计算机系统分析的比较

相比于传统金相分析，计算机系统分析多了定量分析的功能，观察分析速度更快，且数据保存和传输更容易。具体分析比较如表1所示。

3.暗室技术

暗室操作步骤：显影、水洗、定影、水洗，然后负片需要晾干处理，正片需要烘干处理后上光。

（四）数码照相

按照以上方法处理后的试验样品，开启光学显微镜进行数码照相。实验用金相显微镜的目镜放大倍数为10倍，物镜共有4个，放大倍数分别4倍、10倍、20倍、50倍，可使用转换器切换，切换时应注意样品位置，防止镜头触碰样品。将样品放至金相显微镜载物台上，准备观察，注意不要用手接触浸蚀后的表面。先用最低的4倍镜观察，升降载物台至物像较为清晰，再调整焦距至物像最清晰，选取不同的有代表性的区域拍照。再切换高倍的物镜观察，注意升降载物台与调焦，选取不同的区拍照，得到不同放大倍数下的显微镜照片。部分照片如图1所示。

二、结果与讨论

（一）规则阵点网格测量

采用规则阵点网格测量Vv（成分的体积占比），此时无须标记边长值，随后用相同的网格测量Sv（成分的面积占比），并从网格中读取相关信息参数，求出Vv和Sv的值，利用拍摄的图片进行多次测量求平均值，得出和的标准值。具体操作步骤如下：

取一个5×5的标准网状方格，每格的单位边长为50μm，取6张实验标准金相显微镜照片图，每张图中随机位置放入一个网状方格并固定。圈出落在网格格点上的黑点并统计其个数，除以网格格点数得到Vv，6张实验照片分别计算Vv后取平均值得到Vv的标准值。随后在每个网格取一条边，统计落在此边上的黑点数，求出黑点与此边的交点个数（落在边上的黑点的交点数记作2，落在网格顶点上的黑点的交点数记作1，相加得到总交点数），对6张实验照片取平均值，得到标准交点数，乘2后除以方格的单位边长50μm后得到Sv的标准值。后续计算过程中使用Pp代替Vv。

利用如下公式可求出的误差：

其中，Pp为测量对象落在总测试点上的分数；PT为测试用的总点数；σ为Pp的标准偏差。可见，测量的标准偏差与测量对象的相对量及测试用的总点数有关。定量前，给出要求的相对误差，并通过少量点的测量（如150～200个点）估计P值，然后算出测试应用的总点数PT。

由网格图可得，Pp的平均值为1/5，测试用总格点数PT为25×6=150，代入上述公式得σ（P，P）=0.033。

由公式Cwt%=Vv pc/（Vv pc+（1-Vv）pFe），代入Vv =1/5，pc=2.62 g/cm3; pFe=7.86 g/cm3，得Cwt%=0.77。

（二）  Image Tool软件拟合数据分析

随后用Image Tool软件确定面积百分数，单击open打开图片文件，单击“处理”按钮后，点击“color to Grayscale”将灰度图转变为黑白二值图，单击黑白键设定门槛值，将右侧门槛调节到图像中所需区域被盖上，选择“Analysis”菜单对图像进行各种分析，最终在result窗口中得到所需数据，由定出的球墨体积分数估算出球铁平均成分。图2为使用Image Tool软件处理后得到的灰度图，运行Image Tool软件，得出分析结果，如图3所示。

三、实验结论

本实验研究球墨铸铁的平均成分，得到以下结论：

经过多次计算取平均值，得到球铁平均成分占比值为0.77。

球墨体积分数测量结果的误差来源为：根据球墨体积分数的计算公式，除了C和Fe的密度数据的误差，剩下的误差只来自Vv ，故误差可能来自拍摄选择的区域并未覆盖样品所有区域，测量时卡在网格线边缘的粒子并未被算入，网格线覆盖区域较少具有偶然性影响平均值等。

光学显微镜在研究显微组织中的主要优点为：光学显微镜的构造相比于其他显微镜要简单许多，使用起来更加方便，没有真空系统，观察样品和实验速度也会更快，便于快速进行实验，在简单观察样品方面是最优选择。主要缺点为：光学显微镜的放大倍数和分辨率相比于其他大型显微镜而言较低，在需要高倍数精确观察和精准测量时心有余而力不足，在功能性和精度方面略逊一筹。

四、研究意义和前景

规则阵点法测量材料结构的应用不只是能体现在球墨铸铁等金属材料上。在其他很多非纯态物质材料的研究过程中，采样拍照采用规则阵点法测量也是所有测量方法中的首选。其中，不同的地方在于，对于分布不均的试样可能会用到分层切片处理或采用计算机三维阵点模拟物质分布来计算，可以使得到的结果更具有普遍性。因为同种材料在不同的压力环境下的形态分布可能有较大的差异。规则阵点测量法不仅可以测量第二相的分布，在体积可明确计算的条件下，还可以对第三相第四相等进行测量，使用相同的步骤进行多次测量计算即可，但是会存在较大的误差。虽分布更为均匀，但在复杂压力环境下平均体积的计算存在系统误差，可以通过计算机模拟消除。目前，规则阵点测量法在计算材料的两相区和多相区的结构和分布中运用极其广泛，涉及的技术和学科交叉较多，为含量计算和纯度等参数的计算提供了一种途径。

在实验中观察到，部分球墨铸铁样品的表面磨损较为严重，在实验时需要切去表面薄薄的一层以防止干扰规则阵点的构建。虽然刮去后内部清晰可见，但仍存在计算误差。对此，实验人员需要寻找方法能改善球墨铸铁的表面性能，以减少其因磨损对表层结构的影响。利用表面改性技术对球墨铸铁表面进行熔覆和合金化处理，可提高球墨铸铁表面硬度和耐磨性。常用的表面改性技术有热喷涂、堆焊、激光表面合金化以及等离子束表面合金化等技术，均可使球墨铸铁的表面性能有较大的提升，也可使用球墨铸铁耐磨合金涂层改善球墨铸铁表面，常见的处理方法是使用表面合金化合金粉末。表面合金化用合金粉末种类繁多，合金粉末体系不断完善。目前，应用广泛的合金粉末是自溶性金属基合金粉末和陶瓷合金化粉末等。

参考文献：

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