2024年4月24日发(作者：拜访天)
Ｄｅｃ．２０１１
铸 造
ＶｏＩ．６０ Ｎｏ．１２
ＦＯＵＮＤＲＹ ・１２４５・
铜对铸态高强度球墨铸铁性能的影响
马晓丽 ，雷富军 ，刘俊英 ，王小红 ，堀江皓
（Ｉ．青海大学机械工程学院，青海西宁８１００１６；２．日本岩手大学工学部。Ｅｌ本盛冈亍０２０—８５５０）
摘要：试验了一种在铸态下得到高强度球墨铸铁的方法。利用稀土的石墨化作用，再添加一定量的碳化物形成元素
锰，珠光体稳定化元素铜，使薄壁球墨铸铁不产生白口，基体组织为微细全珠光体，从而得到高强度球墨铸铁。试验
结果表明：铜添加量为１．５％的Ｙ型试样，其抗拉强度超过９００ＭＰａ，伸长率为４％左右；铜添加量为１５％的 ｌ０Ｅｌｍ试
样，其抗拉强度接近１ １００ ａ，伸长率为７％左右。
关键词：高强度球墨铸铁；白口化倾向；珠光体
中图分类号：ＴＧ１４３．５文献标识码：Ａ文章编号：１００１—４９７７（２０１ １）１２—１２４５—０４
Ｉ ｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ Ｃｕ ｏｎ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｈｉｇｈ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ Ｄｕｃｔｉｌｅ Ｃａｓｔ Ｉ ｏｒｎ
ＭＡ Ｘｉａｏ～ｌｉ，ＬＥＩ Ｆｕ－ｊｕｎ ，ＬＩＵ Ｊｕｎ—ｙｉｎｇ’，ＷＡＮＧ Ｘｉａｏ－ｈｏｎｇ’，Ｈｉｒｏｓｈｉ Ｈｏｒｉｅ
（１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｑｉｎｇｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉｎｉｎｇ ８１ ００１ ６，Ｑｉｎｇｈａｉ，Ｃｈｉｎａ；
２．１ｗａｔｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｉｎ Ｊａｐａｎ，Ｍｏｒｉｏｋａ亍Ｏ２Ｏ一８５５０，Ｊａｐａｎ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｔｈｉｎ ｗａｌｌｅｄ ｄＵｃｌｌｉｅ ｃａｓｔ ｊｒｏｎ ｗｉｔｈ ｎｏ ｃｈｉｌ１ ｗａｓ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｂｙ ａｄｄｉｎｇ ａ
ｃｅｒｔａｉｎ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｃａｒｂｉｄｅ ｆｏｒｍｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔ Ｍｎ ａｎｄ ｐｅａｒｌｉｔｅ ｓｔａｂｉｌｉｚｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔ Ｃｕ，ａｎｄ ｉｔｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ｉＳ ａｌｆ ｆｉｎｅ ｐｅａｒｌｉｔｅ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａＩ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｗｉｔｈ １．５％ＣＵ ａｄｄｉｔｉｏｎ ｔｈｅ Ｙ－ｓｈａｐｅ ｓａｍｐｌｅ
ｈａｓ ａ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｍｏｒｅ ｔｈａｎ ９００ ＭＰａ ａｎｄ ａｎ ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ ｏｆ ａｂｏｕｔ ４％：ｗｈｉｌｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｂａｒ ｓａｍｐｌｅ
０ｆ １０ ｍｍ．ｉｔｓ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｉＳ ｃｌｏｓｅ ｔｏ１ １０Ｏ ＭＰａ ａｎｄ ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ ｉＳ ａｒｏｕｎｄ ７％．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｄｕｃｔｌｉｅ ｃａｓｔ ｉｒｏｎ；ｃｈｉｌｌｉｎｇ ｔｅｎｄｅｎｃｙ；ｐｅａｒｌｉｔｅ
薄壁球墨铸铁件在生产中容易出现白口化倾向， 情况下容易引起缩松和夹杂，一般认为共晶组织是最
而通过添加稀土元素（ＲＥ）对于薄壁球墨铸铁件的白 好的。硅含量增加时，铁素体的量将增加，而珠光体
口化倾向有非常明显的抑制作用［１】。其主要理论依据是
减少，强度降低。锰具有一定的稳定珠光体的作用，
通过添加与原铁液中硫（Ｓ）量相对应化学量的稀土元 在生产珠光体球墨铸铁时，可以利用锰稳定珠光体的
素，在铁液中形成稀土硫化物，此硫化物作为石墨析 作用消除铁素体组织，特别是消除石墨球周围的铁素
出的核心，对石墨化起非常明显的促进作用。使薄壁 体（牛眼）组织［６］。但是锰的添加量应适量，否则会出
球墨铸铁件的石墨球数增加，因此其白口化倾向被显 现游离的渗碳体。虽然锰有稳定珠光体的作用，但其
著抑制。 作用也是有限的，而较为有效地方法是添加铜。铜在
制备高强度球墨铸铁一般有两种方法口－３］：一种是通 共析转变时具有促进珠光体形成，减少或完全抑制铁
过热处理工艺，另一种是通过添加合金化元素在铸态下
素体形成的作用。但铜元素容易在晶界偏析，形成不
直接获得珠光体球墨铸铁。高强度球铁中有一种奥贝球
规则石墨，其作用非常弱小，但也阻碍石墨球化。因
铁［４】，它必须利用等温淬火得到，这种铸铁具有非常优 此，通过添加这些元素来提高球铁强度，但过量添加
异的强韧性，但切削性能差。另外，为了获得贝氏体组 会带来碳化物生成元素的原有性质——促进白口化，
织，需要热处理，因而使成本增加。因此，本研究通过
进一步阻碍石墨球化，反而给材质带来不利影响。基
添加元素控制组织，使得在铸态下得到高强度球墨铸
于以上考虑，本试验为了提高球铁抗拉强度，将硅锰
铁。当铸铁的组织为微细的珠光体组织时，其强度会提
及铜的添加量按设计成分（表１）进行试验，以得到铸
高，为了得到微细的珠光体组织，有研究同认为，添加
态高强度球墨铸铁。
碳化物生成元素 伍及珠光体稳定元素ｃｕ是有益的。
生产球墨铸铁时，必须考虑各种元素的影响，碳
１ 试验方法
在亚共晶的情况下容易引起针孔和缩松，在过共晶的
试验原材料用生铁、Ｆｅ．Ｍｎ、铜线等，采用１０ ＨＺ，
收稿日期：２０１ １－０９—１６收到初稿，２０ｔ １－１０—２０收到修订稿。
作者简介：马晓丽（１９８６－），女，硕士生，主要从事金属材料加工研究。Ｅ－ｍａｉｌ：７７ｍａｘｉａｏｌｉ＠１６３．ｃｏｒｎ
通讯作者：雷富军，男，教授，Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｅｉｔｊ１１２９＠１６３．ｃｏｒｎ
Ｄｅｃ．２０１１
・
１２４６・ ＦＯＵＮＤＲＹ
ＶＯＩ．６０ Ｎｏ．１２
２０ ｋＷ的高频电炉进行熔炼，１次的熔化量为７ ，配置
成如表１所示的目标成分。用涂了氧化铝的１０号坩埚进行
熔炼。球化剂用Ｆｅ．Ｓｉ．Ｍｇ（５．９％Ｍ 合金，加入量为
１．４％，用包底冲入法进行球化，用Ｆｅ．ｓｉ孕育剂进行孕育
处理，加入量为Ｏ－４％。待球化孕育处理完成之后，浇人
呋喃树脂Ｙ型试样（ＪＩＳＢ号）铸型、 １０ ｍｍｘｌ５０ ｎ１ｎ１田
呋喃树脂自硬铸型以及荧光分析用金属型。
表１铁液目标成分
Ｔａｂｌｅ １ Ｔｈｅ ｔａｒｇｅｔ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｍｏｌｔｅｎ ｉｒｏｎ
Ｃ Ｓｉ Ｍｎ Ｐ Ｓ ＣＵ
ＲＥ的添加利用ＲＥ．Ｓｉ（３３．５７％Ｓｉ，３ １．０５％ＲＥ）合金，
与球化剂一起添加。得到的Ｙ型试样加工成拉伸试样，
Ｙ型试样如图１所示，用Ｏ１０ ａｒｉｎ试样加工成平行颈部
的 ６ ｍｍｘ５０ ｍｍ拉伸试样，进行拉伸试验，试样如图２
所示。并运用图像解析装置测定这些试样的石墨球数、
ｄ龟 瘟簸 擐
球化率、珠光体面积等。试块成分分析结果如表２所示。
１５０ ．
图１ Ｙ型试样尺寸图
Ｆｉｇ．１ Ｓｉｚｅ ｏｆＹ ｓｈａｐｅ ｓａｍｐｌｅ
图２ １Ｏ ｎｌｎｌ试样尺寸图
Ｆｉｇ．２ Ｓｉｚｅ ｏｆ￣ｌＯ ｍｍ ｓａｍｐｌｅ
表２铁液最终成分分析值
Ｔａｂｌｅ ２ Ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｍｅｌｔ ｉｒｏｎ， ％
Ｃ Ｓｉ Ｍｎ Ｐ Ｓ Ｃｕ
２．２６ Ｏ．５６ Ｏ．５４
３．６５ ２．４８ ０．９６ ０．Ｏ１６ ０．０１４ ０．９３
２．６７ １．４５ １．４０
２试验结果及分析
２．１铜和锰对球墨铸铁抗拉强度的影响
图３是Ｙ型试样的锰添加量及铜添加量和抗拉强度
的关系。当铜添加量为１．０％、１．５％时，随锰添加量
（从０．６％到１％之间）的增加，球铁的抗拉强度都只有
微弱增加。当锰添加量在０．６％到１％之间，铜添加量为
１．５％时球铁的抗拉强度比铜添加量０．６％和１％的要高。
当锰的添加量超过１％时，所有添加铜的试样中，抗拉
强度都呈现下降趋势。因此，在本试验条件下最适合
的锰的添加量规定为１．０％。
图３锰的添加量和抗拉强度的关系
Ｆｉｇ．３ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ
Ｍｎ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆｄｕｃｔｉｌｅ ｃａｓ
日自苣 啜轼搭
ｔ ｉｒｏｎ
２．２铜对球墨铸铁抗拉强度和伸长率的影响
锰的添加量为１．０％时，铜添加量与球墨铸铁抗拉
强度和伸长率的关系如图４所示。
图４ Ｃｕ添加量与球墨铸铁抗拉强度和伸长率的关系
Ｆｉｇ．４ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ Ｃｕ ｃＯｎｔｅｎｔ ａｎｄ ｔｅｎｓｉｌｅ
ｓｔｒｅｎｇｔｈ＆ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ ｒａｔｅ
由图４可以看出，Ｙ型试样和ｑＯｌＯ ｍｍ试样的抗拉
强度，随着铜添加量的增加，抗拉强度均在增加。其
中 １０ ｍｍ试样的抗拉强度增加的程度比Ｙ型试样的
大。铜添加量为１．５％的 １Ｏ ＩＩｌＩｎ的试样抗拉强度接近
１ １ ００ ＭＹａ，Ｙ型试样的抗拉强度也超过９００ ＭＰａ。
一
对于伸长率而言，随着铜的添加量的增加，Ｙ型试
样的伸长率呈现先增后减的微弱变化，其值为４％左右。
１０ ｍｍ的试样，随铜添加量的增加，伸长率呈现下降
趋势，但比Ｙ型试样的伸长率要大，其值为６‰９％。
２．３铜对球墨铸铁组织的影响
为了进一步研究随着铜添加量的增加，抗拉强度
增加的原因，试验研究了铜添加量与石墨球数之间的
关系，如图５所示。
铸造 马晓丽等：铜对铸态高强度球墨铸铁性能的影响
咖瑚鲫姗枷姗枷
蒸
Ｃｕ添加量，％
图５不同试样铜添加量和石墨球数之间的关系
Ｆｉｇ．５ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｎｏｄｕｌｅ ｃｏｕｎｔ ａｎｄ
Ｃｕ ａｄｄｉｔｉｏｎ ｏｆｄｕｃｔｉｌｅ ｃａｓｔ ｉｒｏｎ
ｃｕ添加量／％
图６铜添加量和珠光体面积率的关系
Ｆｉｇ．６ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ａｒｅａ ｒａｔｅ ｏｆｐｅａｒｌｉｔｅ ａｎｄ
Ｃｕ ａｄｄｉｔｉｏｎ ｏｆｄｕｃｔｉｌｅ ｃａｓｔ ｉｒｏｎ
从图５可以看出， １Ｏ ｉｒｌｎｌ的试样总体石墨球数比
Ｙ型试样明显要多，这应该是 １０ ａｉｒｎ试样抗拉强度要
一
般认为铸铁中的石墨占１０％的体积，因此，很难断
明显高于Ｙ型试样的一个原因。同样分析Ｃｕ添加量与石
墨球化率之间的关系也发现了类似上述结果。Ｃｕ是珠
光体稳定元素，图６是铜添加量和珠光体面积率的关系。
铜添加为０．６％以上的试样中Ｙ型试样和 １Ｏ ｍｍ试
样珠光体面积率都在９５％以上。铜添加量为１％以上的
试样中，基体组织几乎完全为珠光体。当铜添加量为
１．５％时， １０ ｍｉｌｌ试样比Ｙ型试样石墨球数多、石墨球
旃 豫最 褥
定石墨球数的差异是＃１０ ｍｍ试样远比Ｙ型试样抗拉强
度高的唯一理由，应该在基体组织方面还有原因。
随着铜添加量的不同，Ｙ型试样的珠光体组织照
片如图７所示。图８为 １０ ｍｍ试样中珠光体组织照片。
由图７可以看出，所有的试样中珠光体片间距不是均
一
的，存在珠光体粗糙部和细密部。由图８可以看出，
在铜添加量为１．５％的试样中，珠光体组织较均一而且
细化。
更圆整且石墨球径小，而二者的珠光体量趋于９９％，
（ａ）Ｃｕ添加量为ｏ．６％（粗糙部） （ｂ）ｃｕ添加量为１．５％（粗糙部）
一
（ｃ）Ｃｕ添加量为０．６％（细密部）
Ｃｕ添加量 ％
（ｄ）Ｃｕ添加量为１．５％（细密部）
图７ Ｃｕ￣ｔｌ量不同的Ｙ型试样的珠光体组织
Ｆｉｇ．７ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆＹ－ｓｈａｐｅ ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｅｒｅｎｔ Ｃｕ ａｄｄｉｔｉｏｎ ‘
（ａ）Ｃｕ添加量为０．６％ （ｂ）Ｃｕ添加量为１．５％
图８ Ｃｕ添加量不同的ｃＰｌ０Ⅱｌｍ试样的珠光体组织
Ｆｉｇ．８ Ｍｉｒｏｓｔｅｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆｐｅａｒｌＲｅ Ｏｆ １０ ｍｍ ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ
图９ Ｃｕ添加量与Ｙ型试样珠光体平均片间距的关系
Ｆｉｇ．９ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｐｅａｒｌｉ￣ａｖｅｒａｇｅ ｓｐａｅ￣ｏｆ
Ｙ ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ ａｎｄ Ｃｕ ａｄｄｉｔｉｏｎ
ｗｉｈｄｔｉｆｆｅｒｅｎｔＣｕ ｃｏｎｔｅｎｔ
为了进行定量分析，用细密部分和粗大部分所占
珠光体面积率来进行比较，但实际测定非常困难。因
比Ｃｕ添加量为０．６％试样珠光体片间距小。 １Ｏ ｍｌ／１的
试样与Ｙ型试样相比较，珠光体片间距细化了一半左
此，用细密部分和粗大部分珠光体片间距这样一个半
定量的概念进行探讨。珠光体片间距的测定，选择任
右。这也是 ｌ０ ａｒｉｎ试样比Ｙ型试样抗拉强度及伸长率
高的一个原因。通过铜元素添加量的不同引起球墨铸
意５个视场，拍摄１ ０００倍金相照片，根据照片测定平
均的珠光体片间距。图９是Ｙ型试样的Ｃｕ添加量和平均
珠光体片间距的关系。图１０为 １Ｏ ｏｎｉ试样的Ｃｕ添加 ｔ
铁组织发生变化进而使其性能发生变化。
量和平均珠光体片间距的关系。
由图９和图１０比较发现，ｃｕ添加量为１．５％的试样
３结论 ．
（１）对于 １０ １Ｔｉｍ试样和Ｙ型试样，铜添加量为
Ｄｅｃ．２０１１
・１２４８・ ＦＯＵＮＤＲＹ
ＶＯ１．６Ｏ ＮＯ．１２
参考文献：
［１１ 堀江皓，小绵利宪，阿布喜佐男，等．稀土类元素对薄壁球墨铸 】
铁石墨球数的影响［Ｊ］．铸物，１９８５，５７（１２）：７７８—７８３．
【２】ＢｏｓｎｊａｋＢ，ＲａｄｕｌｏｖｉｃＢ，Ｐｏｐ－ＴｏｎｅｒＫ．Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆｍｉｃｒｏ—ａｌｌｏｙｉｎｇ
ａｎｄ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｎ ｔｈｅ ｋｉｎｅｔｉｃｓ ｏｆ ｂａｉｎｉｔｉｃ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｉｎ ａｎｓｔｅｍｐｅｒｅｄ
ｄｕｃｔｉｌｅ ｉｒｏｎ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，
２００１（１０）：２０３．
Ｃｕ添加量／％
【３］Ｒｅｆａｅｙ Ａ，Ｆａｔａｈａｌｌａ Ｎ．Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｏｎ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆＡＤＩ
ａｎｄ ｌｏｗ￣ｌｏｙｅｄ ｄｕｃｔｉｌｅ ｉｒｏｎ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ，２００３
（３８）：３５１．
图１０ Ｃｕ添加量与 １Ｏ ｍｍ试样珠光体平均片间距的关系
Ｆｉｇ．１ ０ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｐｅａｒｌｉｔｅ ａｖｅｒａｇｅ ｓｐａｃｉｎｇ ｏｆ
ｌＯ ｍｍ ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ ａｎｄ Ｃｕ ａｄｄｉｔｉｏｎ
［４］井川克也，新山英辅，田中雄一，等．材料工程学［Ｍ］．东京：朝
仓书店，１９９５：１４．
１．５％时，试样抗拉强度和伸长率都比铜添加量为０．６％
的试样大，虽然此时试样的基体组织为全珠光体，但
当铜添加量为１．５％时其片层间距比较小，所以其对应
的抗拉强度较高
［５】井川克也，喜多新男，草川隆次，等．球墨铸铁应用基础［Ｍ】．东
京：丸善株式会社，１９９３：７１．
［６］吴德海．球墨铸铁【Ｍ］．北京：中国水利水电出版社，２００６：５４．
［７］小绵利宪，堀江皓，雷富军，等．薄壁球墨铸铁的机械性能评价
［Ｊ］．铸造工学，２００１，７３（６）：２５３．
（２）铜添加量为１．５％的Ｙ型试样，得到了超过
９００ ＭＰａ的抗拉强度和４％左右的伸长率。铜添加量为
１．５％的ｑｂｌ０ ｍｍ试样，得到了接近１ １００ ＭＰａ的抗拉强
度和７％左右的伸长率。
（编辑：刘冬梅，ｌｄｍ＠ｆｏｕｎｄｒｙｗｏｒｌｄ．ｃｏｒｎ）
圣
广州市
产企业
研究所
告内容
控制技术、汽车铸铁件的生产与控制以及智能化铁水分析系统。
近些年国内铸铁行业发展迅速，无论是产量还是生产技术都有很大提高，但仍有许多技术问题需要深
入探讨，圣泉集团凭借与国际铸造行业的广泛接触，组织了本次报告会，将欧洲的先进铸造技术介绍到国
内，为我国铸造企业的技术进步提供有效的支持。本次活动是圣泉为铸造企业提供全方位技术支持的一部
分，也是“圣泉与铸造企业同行——铸造新材料新技术全国巡回推广会”的又一次全新尝试，报告会效果
非常好，与会代表希望圣泉今后更多地组织类似学术活动。
2024年4月24日发(作者：拜访天)
Ｄｅｃ．２０１１
铸 造
ＶｏＩ．６０ Ｎｏ．１２
ＦＯＵＮＤＲＹ ・１２４５・
铜对铸态高强度球墨铸铁性能的影响
马晓丽 ，雷富军 ，刘俊英 ，王小红 ，堀江皓
（Ｉ．青海大学机械工程学院，青海西宁８１００１６；２．日本岩手大学工学部。Ｅｌ本盛冈亍０２０—８５５０）
摘要：试验了一种在铸态下得到高强度球墨铸铁的方法。利用稀土的石墨化作用，再添加一定量的碳化物形成元素
锰，珠光体稳定化元素铜，使薄壁球墨铸铁不产生白口，基体组织为微细全珠光体，从而得到高强度球墨铸铁。试验
结果表明：铜添加量为１．５％的Ｙ型试样，其抗拉强度超过９００ＭＰａ，伸长率为４％左右；铜添加量为１５％的 ｌ０Ｅｌｍ试
样，其抗拉强度接近１ １００ ａ，伸长率为７％左右。
关键词：高强度球墨铸铁；白口化倾向；珠光体
中图分类号：ＴＧ１４３．５文献标识码：Ａ文章编号：１００１—４９７７（２０１ １）１２—１２４５—０４
Ｉ ｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ Ｃｕ ｏｎ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｈｉｇｈ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ Ｄｕｃｔｉｌｅ Ｃａｓｔ Ｉ ｏｒｎ
ＭＡ Ｘｉａｏ～ｌｉ，ＬＥＩ Ｆｕ－ｊｕｎ ，ＬＩＵ Ｊｕｎ—ｙｉｎｇ’，ＷＡＮＧ Ｘｉａｏ－ｈｏｎｇ’，Ｈｉｒｏｓｈｉ Ｈｏｒｉｅ
（１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｑｉｎｇｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉｎｉｎｇ ８１ ００１ ６，Ｑｉｎｇｈａｉ，Ｃｈｉｎａ；
２．１ｗａｔｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｉｎ Ｊａｐａｎ，Ｍｏｒｉｏｋａ亍Ｏ２Ｏ一８５５０，Ｊａｐａｎ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｔｈｉｎ ｗａｌｌｅｄ ｄＵｃｌｌｉｅ ｃａｓｔ ｊｒｏｎ ｗｉｔｈ ｎｏ ｃｈｉｌ１ ｗａｓ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｂｙ ａｄｄｉｎｇ ａ
ｃｅｒｔａｉｎ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｃａｒｂｉｄｅ ｆｏｒｍｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔ Ｍｎ ａｎｄ ｐｅａｒｌｉｔｅ ｓｔａｂｉｌｉｚｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔ Ｃｕ，ａｎｄ ｉｔｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ｉＳ ａｌｆ ｆｉｎｅ ｐｅａｒｌｉｔｅ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａＩ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｗｉｔｈ １．５％ＣＵ ａｄｄｉｔｉｏｎ ｔｈｅ Ｙ－ｓｈａｐｅ ｓａｍｐｌｅ
ｈａｓ ａ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｍｏｒｅ ｔｈａｎ ９００ ＭＰａ ａｎｄ ａｎ ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ ｏｆ ａｂｏｕｔ ４％：ｗｈｉｌｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｂａｒ ｓａｍｐｌｅ
０ｆ １０ ｍｍ．ｉｔｓ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｉＳ ｃｌｏｓｅ ｔｏ１ １０Ｏ ＭＰａ ａｎｄ ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ ｉＳ ａｒｏｕｎｄ ７％．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｄｕｃｔｌｉｅ ｃａｓｔ ｉｒｏｎ；ｃｈｉｌｌｉｎｇ ｔｅｎｄｅｎｃｙ；ｐｅａｒｌｉｔｅ
薄壁球墨铸铁件在生产中容易出现白口化倾向， 情况下容易引起缩松和夹杂，一般认为共晶组织是最
而通过添加稀土元素（ＲＥ）对于薄壁球墨铸铁件的白 好的。硅含量增加时，铁素体的量将增加，而珠光体
口化倾向有非常明显的抑制作用［１】。其主要理论依据是
减少，强度降低。锰具有一定的稳定珠光体的作用，
通过添加与原铁液中硫（Ｓ）量相对应化学量的稀土元 在生产珠光体球墨铸铁时，可以利用锰稳定珠光体的
素，在铁液中形成稀土硫化物，此硫化物作为石墨析 作用消除铁素体组织，特别是消除石墨球周围的铁素
出的核心，对石墨化起非常明显的促进作用。使薄壁 体（牛眼）组织［６］。但是锰的添加量应适量，否则会出
球墨铸铁件的石墨球数增加，因此其白口化倾向被显 现游离的渗碳体。虽然锰有稳定珠光体的作用，但其
著抑制。 作用也是有限的，而较为有效地方法是添加铜。铜在
制备高强度球墨铸铁一般有两种方法口－３］：一种是通 共析转变时具有促进珠光体形成，减少或完全抑制铁
过热处理工艺，另一种是通过添加合金化元素在铸态下
素体形成的作用。但铜元素容易在晶界偏析，形成不
直接获得珠光体球墨铸铁。高强度球铁中有一种奥贝球
规则石墨，其作用非常弱小，但也阻碍石墨球化。因
铁［４】，它必须利用等温淬火得到，这种铸铁具有非常优 此，通过添加这些元素来提高球铁强度，但过量添加
异的强韧性，但切削性能差。另外，为了获得贝氏体组 会带来碳化物生成元素的原有性质——促进白口化，
织，需要热处理，因而使成本增加。因此，本研究通过
进一步阻碍石墨球化，反而给材质带来不利影响。基
添加元素控制组织，使得在铸态下得到高强度球墨铸
于以上考虑，本试验为了提高球铁抗拉强度，将硅锰
铁。当铸铁的组织为微细的珠光体组织时，其强度会提
及铜的添加量按设计成分（表１）进行试验，以得到铸
高，为了得到微细的珠光体组织，有研究同认为，添加
态高强度球墨铸铁。
碳化物生成元素 伍及珠光体稳定元素ｃｕ是有益的。
生产球墨铸铁时，必须考虑各种元素的影响，碳
１ 试验方法
在亚共晶的情况下容易引起针孔和缩松，在过共晶的
试验原材料用生铁、Ｆｅ．Ｍｎ、铜线等，采用１０ ＨＺ，
收稿日期：２０１ １－０９—１６收到初稿，２０ｔ １－１０—２０收到修订稿。
作者简介：马晓丽（１９８６－），女，硕士生，主要从事金属材料加工研究。Ｅ－ｍａｉｌ：７７ｍａｘｉａｏｌｉ＠１６３．ｃｏｒｎ
通讯作者：雷富军，男，教授，Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｅｉｔｊ１１２９＠１６３．ｃｏｒｎ
Ｄｅｃ．２０１１
・
１２４６・ ＦＯＵＮＤＲＹ
ＶＯＩ．６０ Ｎｏ．１２
２０ ｋＷ的高频电炉进行熔炼，１次的熔化量为７ ，配置
成如表１所示的目标成分。用涂了氧化铝的１０号坩埚进行
熔炼。球化剂用Ｆｅ．Ｓｉ．Ｍｇ（５．９％Ｍ 合金，加入量为
１．４％，用包底冲入法进行球化，用Ｆｅ．ｓｉ孕育剂进行孕育
处理，加入量为Ｏ－４％。待球化孕育处理完成之后，浇人
呋喃树脂Ｙ型试样（ＪＩＳＢ号）铸型、 １０ ｍｍｘｌ５０ ｎ１ｎ１田
呋喃树脂自硬铸型以及荧光分析用金属型。
表１铁液目标成分
Ｔａｂｌｅ １ Ｔｈｅ ｔａｒｇｅｔ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｍｏｌｔｅｎ ｉｒｏｎ
Ｃ Ｓｉ Ｍｎ Ｐ Ｓ ＣＵ
ＲＥ的添加利用ＲＥ．Ｓｉ（３３．５７％Ｓｉ，３ １．０５％ＲＥ）合金，
与球化剂一起添加。得到的Ｙ型试样加工成拉伸试样，
Ｙ型试样如图１所示，用Ｏ１０ ａｒｉｎ试样加工成平行颈部
的 ６ ｍｍｘ５０ ｍｍ拉伸试样，进行拉伸试验，试样如图２
所示。并运用图像解析装置测定这些试样的石墨球数、
ｄ龟 瘟簸 擐
球化率、珠光体面积等。试块成分分析结果如表２所示。
１５０ ．
图１ Ｙ型试样尺寸图
Ｆｉｇ．１ Ｓｉｚｅ ｏｆＹ ｓｈａｐｅ ｓａｍｐｌｅ
图２ １Ｏ ｎｌｎｌ试样尺寸图
Ｆｉｇ．２ Ｓｉｚｅ ｏｆ￣ｌＯ ｍｍ ｓａｍｐｌｅ
表２铁液最终成分分析值
Ｔａｂｌｅ ２ Ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｍｅｌｔ ｉｒｏｎ， ％
Ｃ Ｓｉ Ｍｎ Ｐ Ｓ Ｃｕ
２．２６ Ｏ．５６ Ｏ．５４
３．６５ ２．４８ ０．９６ ０．Ｏ１６ ０．０１４ ０．９３
２．６７ １．４５ １．４０
２试验结果及分析
２．１铜和锰对球墨铸铁抗拉强度的影响
图３是Ｙ型试样的锰添加量及铜添加量和抗拉强度
的关系。当铜添加量为１．０％、１．５％时，随锰添加量
（从０．６％到１％之间）的增加，球铁的抗拉强度都只有
微弱增加。当锰添加量在０．６％到１％之间，铜添加量为
１．５％时球铁的抗拉强度比铜添加量０．６％和１％的要高。
当锰的添加量超过１％时，所有添加铜的试样中，抗拉
强度都呈现下降趋势。因此，在本试验条件下最适合
的锰的添加量规定为１．０％。
图３锰的添加量和抗拉强度的关系
Ｆｉｇ．３ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ
Ｍｎ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆｄｕｃｔｉｌｅ ｃａｓ
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ｔ ｉｒｏｎ
２．２铜对球墨铸铁抗拉强度和伸长率的影响
锰的添加量为１．０％时，铜添加量与球墨铸铁抗拉
强度和伸长率的关系如图４所示。
图４ Ｃｕ添加量与球墨铸铁抗拉强度和伸长率的关系
Ｆｉｇ．４ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ Ｃｕ ｃＯｎｔｅｎｔ ａｎｄ ｔｅｎｓｉｌｅ
ｓｔｒｅｎｇｔｈ＆ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ ｒａｔｅ
由图４可以看出，Ｙ型试样和ｑＯｌＯ ｍｍ试样的抗拉
强度，随着铜添加量的增加，抗拉强度均在增加。其
中 １０ ｍｍ试样的抗拉强度增加的程度比Ｙ型试样的
大。铜添加量为１．５％的 １Ｏ ＩＩｌＩｎ的试样抗拉强度接近
１ １ ００ ＭＹａ，Ｙ型试样的抗拉强度也超过９００ ＭＰａ。
一
对于伸长率而言，随着铜的添加量的增加，Ｙ型试
样的伸长率呈现先增后减的微弱变化，其值为４％左右。
１０ ｍｍ的试样，随铜添加量的增加，伸长率呈现下降
趋势，但比Ｙ型试样的伸长率要大，其值为６‰９％。
２．３铜对球墨铸铁组织的影响
为了进一步研究随着铜添加量的增加，抗拉强度
增加的原因，试验研究了铜添加量与石墨球数之间的
关系，如图５所示。
铸造 马晓丽等：铜对铸态高强度球墨铸铁性能的影响
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Ｃｕ添加量，％
图５不同试样铜添加量和石墨球数之间的关系
Ｆｉｇ．５ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｎｏｄｕｌｅ ｃｏｕｎｔ ａｎｄ
Ｃｕ ａｄｄｉｔｉｏｎ ｏｆｄｕｃｔｉｌｅ ｃａｓｔ ｉｒｏｎ
ｃｕ添加量／％
图６铜添加量和珠光体面积率的关系
Ｆｉｇ．６ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ａｒｅａ ｒａｔｅ ｏｆｐｅａｒｌｉｔｅ ａｎｄ
Ｃｕ ａｄｄｉｔｉｏｎ ｏｆｄｕｃｔｉｌｅ ｃａｓｔ ｉｒｏｎ
从图５可以看出， １Ｏ ｉｒｌｎｌ的试样总体石墨球数比
Ｙ型试样明显要多，这应该是 １０ ａｉｒｎ试样抗拉强度要
一
般认为铸铁中的石墨占１０％的体积，因此，很难断
明显高于Ｙ型试样的一个原因。同样分析Ｃｕ添加量与石
墨球化率之间的关系也发现了类似上述结果。Ｃｕ是珠
光体稳定元素，图６是铜添加量和珠光体面积率的关系。
铜添加为０．６％以上的试样中Ｙ型试样和 １Ｏ ｍｍ试
样珠光体面积率都在９５％以上。铜添加量为１％以上的
试样中，基体组织几乎完全为珠光体。当铜添加量为
１．５％时， １０ ｍｉｌｌ试样比Ｙ型试样石墨球数多、石墨球
旃 豫最 褥
定石墨球数的差异是＃１０ ｍｍ试样远比Ｙ型试样抗拉强
度高的唯一理由，应该在基体组织方面还有原因。
随着铜添加量的不同，Ｙ型试样的珠光体组织照
片如图７所示。图８为 １０ ｍｍ试样中珠光体组织照片。
由图７可以看出，所有的试样中珠光体片间距不是均
一
的，存在珠光体粗糙部和细密部。由图８可以看出，
在铜添加量为１．５％的试样中，珠光体组织较均一而且
细化。
更圆整且石墨球径小，而二者的珠光体量趋于９９％，
（ａ）Ｃｕ添加量为ｏ．６％（粗糙部） （ｂ）ｃｕ添加量为１．５％（粗糙部）
一
（ｃ）Ｃｕ添加量为０．６％（细密部）
Ｃｕ添加量 ％
（ｄ）Ｃｕ添加量为１．５％（细密部）
图７ Ｃｕ￣ｔｌ量不同的Ｙ型试样的珠光体组织
Ｆｉｇ．７ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆＹ－ｓｈａｐｅ ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｅｒｅｎｔ Ｃｕ ａｄｄｉｔｉｏｎ ‘
（ａ）Ｃｕ添加量为０．６％ （ｂ）Ｃｕ添加量为１．５％
图８ Ｃｕ添加量不同的ｃＰｌ０Ⅱｌｍ试样的珠光体组织
Ｆｉｇ．８ Ｍｉｒｏｓｔｅｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆｐｅａｒｌＲｅ Ｏｆ １０ ｍｍ ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ
图９ Ｃｕ添加量与Ｙ型试样珠光体平均片间距的关系
Ｆｉｇ．９ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｐｅａｒｌｉ￣ａｖｅｒａｇｅ ｓｐａｅ￣ｏｆ
Ｙ ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ ａｎｄ Ｃｕ ａｄｄｉｔｉｏｎ
ｗｉｈｄｔｉｆｆｅｒｅｎｔＣｕ ｃｏｎｔｅｎｔ
为了进行定量分析，用细密部分和粗大部分所占
珠光体面积率来进行比较，但实际测定非常困难。因
比Ｃｕ添加量为０．６％试样珠光体片间距小。 １Ｏ ｍｌ／１的
试样与Ｙ型试样相比较，珠光体片间距细化了一半左
此，用细密部分和粗大部分珠光体片间距这样一个半
定量的概念进行探讨。珠光体片间距的测定，选择任
右。这也是 ｌ０ ａｒｉｎ试样比Ｙ型试样抗拉强度及伸长率
高的一个原因。通过铜元素添加量的不同引起球墨铸
意５个视场，拍摄１ ０００倍金相照片，根据照片测定平
均的珠光体片间距。图９是Ｙ型试样的Ｃｕ添加量和平均
珠光体片间距的关系。图１０为 １Ｏ ｏｎｉ试样的Ｃｕ添加 ｔ
铁组织发生变化进而使其性能发生变化。
量和平均珠光体片间距的关系。
由图９和图１０比较发现，ｃｕ添加量为１．５％的试样
３结论 ．
（１）对于 １０ １Ｔｉｍ试样和Ｙ型试样，铜添加量为
Ｄｅｃ．２０１１
・１２４８・ ＦＯＵＮＤＲＹ
ＶＯ１．６Ｏ ＮＯ．１２
参考文献：
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ａｎｄ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｎ ｔｈｅ ｋｉｎｅｔｉｃｓ ｏｆ ｂａｉｎｉｔｉｃ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｉｎ ａｎｓｔｅｍｐｅｒｅｄ
ｄｕｃｔｉｌｅ ｉｒｏｎ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，
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Ｃｕ添加量／％
【３］Ｒｅｆａｅｙ Ａ，Ｆａｔａｈａｌｌａ Ｎ．Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｏｎ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆＡＤＩ
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（３８）：３５１．
图１０ Ｃｕ添加量与 １Ｏ ｍｍ试样珠光体平均片间距的关系
Ｆｉｇ．１ ０ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｐｅａｒｌｉｔｅ ａｖｅｒａｇｅ ｓｐａｃｉｎｇ ｏｆ
ｌＯ ｍｍ ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ ａｎｄ Ｃｕ ａｄｄｉｔｉｏｎ
［４］井川克也，新山英辅，田中雄一，等．材料工程学［Ｍ］．东京：朝
仓书店，１９９５：１４．
１．５％时，试样抗拉强度和伸长率都比铜添加量为０．６％
的试样大，虽然此时试样的基体组织为全珠光体，但
当铜添加量为１．５％时其片层间距比较小，所以其对应
的抗拉强度较高
［５】井川克也，喜多新男，草川隆次，等．球墨铸铁应用基础［Ｍ】．东
京：丸善株式会社，１９９３：７１．
［６］吴德海．球墨铸铁【Ｍ］．北京：中国水利水电出版社，２００６：５４．
［７］小绵利宪，堀江皓，雷富军，等．薄壁球墨铸铁的机械性能评价
［Ｊ］．铸造工学，２００１，７３（６）：２５３．
（２）铜添加量为１．５％的Ｙ型试样，得到了超过
９００ ＭＰａ的抗拉强度和４％左右的伸长率。铜添加量为
１．５％的ｑｂｌ０ ｍｍ试样，得到了接近１ １００ ＭＰａ的抗拉强
度和７％左右的伸长率。
（编辑：刘冬梅，ｌｄｍ＠ｆｏｕｎｄｒｙｗｏｒｌｄ．ｃｏｒｎ）
圣
广州市
产企业
研究所
告内容
控制技术、汽车铸铁件的生产与控制以及智能化铁水分析系统。
近些年国内铸铁行业发展迅速，无论是产量还是生产技术都有很大提高，但仍有许多技术问题需要深
入探讨，圣泉集团凭借与国际铸造行业的广泛接触，组织了本次报告会，将欧洲的先进铸造技术介绍到国
内，为我国铸造企业的技术进步提供有效的支持。本次活动是圣泉为铸造企业提供全方位技术支持的一部
分，也是“圣泉与铸造企业同行——铸造新材料新技术全国巡回推广会”的又一次全新尝试，报告会效果
非常好，与会代表希望圣泉今后更多地组织类似学术活动。