目前,獲得高強度HT250灰鑄鐵棒主要是通過添加鉻、銅、鉬和鎳等合金元素來實現,但是隨著合金價格的提高,生產成本不斷增加。為降低生產成本,本課題在HT250灰鑄鐵棒材質的基礎上,采用氮、鈦、鈮對鐵液進行微合金化,通過金相組織觀察、SEM分析、EDS分析、拉伸試驗和硬度試驗,研究了氦、鈦、鈮對HT250灰鑄鐵棒性能的影響規律。

    試驗結果表明,含氮量為0.0055％～0.013%、含錳量為1.0%～1.36%時,試樣的金相組織為A型石墨+細片狀珠光體+少量鐵素體。隨著含氮、錳量的增加:片狀石墨長度變短、寬度稍有增加,彎曲程度加大,石墨端部鈍化,對基體的割裂作用減弱;細片狀珠光體含量略有增加,珠光體層片間距減小;試樣的抗拉強度和硬度逐漸*,當含氮量為0.012%、含錳量為1.24%時,試樣的抗拉強度和硬度達到***大值,分別為395MPa和260HBW。當鐵液中含氮量≥0.011%時,鑄件表面下開始出現氣孔缺陷。

    在適當含氦量(0.0080%左右)基礎上,含鈦量在0.055%～0.149%范圍內時,試樣的金相組織為A型和D型石墨+珠光體+少量鐵素體。隨著含鈦量的增加:A型石墨減少,D型石墨增多;鐵素體的含量增多,珠光體的含量減少;試樣的抗拉強度呈現降低的趨勢,當含鈦量為0.149%時,試樣的抗拉強度***小,為230MPa;而試樣的布氏硬度略有增加,當含鈦量為0.149%時,試樣的布氏硬度***大,為219HBW。鈦在含氮灰鑄鐵中的存在形式有以下兩種:少部分固溶于基體中,呈均勻分布;大部分與鐵液中的碳、氮形成鈦的碳氮化物,并多以三角形、四邊形及帶棱角的不規則塊狀鑲嵌于基體之中,呈彌散分布。

    在適當含氮量(0.0080%左右)基礎上,當含鈮量在0.004%～0.177%范圍內時,試樣的金相組織主要為A型石墨+細片狀珠光體,當含鈮量>0.051%時,組織中出現了少量D、E型石墨。試樣的抗拉強度和硬度隨著含鈮量的增加而逐漸增加,當含鈮量為0.177%時,試樣的抗拉強度和硬度達到***大值,分別為360MPa和226HBW。鈮在HT250灰鑄鐵棒中的存在形式有以下兩種:少量固溶于基體中,呈均勻分布;大部分以富鈮碳氮化物Nb(C,N)形式鑲嵌于金屬基體中,其形態有方形、菱形,不規則的條狀和棒狀。

    綜上所述,在本試驗范圍內,采用氮、鈦微合金化,試樣的抗拉強度有所下降;而采用氮、錳和氮、鈮微合金化,可以顯著提高灰鑄鐵型材的強度和硬度。當含氮量為0.0085%、含錳量為1.24%時,試樣的抗拉強度和硬度分別為307MPa和237HBW,且鑄件表面下無氣孔缺陷;當含氮量為0.0079%、含鈮量為0.177%時,試樣的抗拉強度和硬度分別達到360MPa和226HBW。