灰鑄鐵具有良好的鑄造以及其他多方面的優(yōu)良性能，但力學性能較低。在灰鑄鐵中加入稀土元素，可以提高灰鑄鐵的力學性能，如抗拉強度、耐磨性、硬度等。同時稀土元素還可以減少灰鑄鐵的白口傾向，凈化鐵液，去除雜質(zhì)。本試驗研究了不同的混合稀土加入量對灰鑄鐵的石墨形態(tài)和基體組織的影響，進而研究不同的混合稀土加入量對灰鑄鐵力學性能的影響，從而找到佳的稀土加入量，為大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)提供依據(jù)。

1試驗材料及方法

采用中頻感應電爐熔煉，鐵液出爐溫度為1380~1420℃，孕育處理及澆注溫度約為1350℃試驗棒1組6件，同一箱造型，手工砂型鑄造，造型材料為原砂、膨潤土（4%~5%）、水（4%~5%）。事先用鋸將混合稀土制成小片狀，粒度控制在2~5mm，并用天平稱量，于澆注前撒入澆包內(nèi)的鐵液中，邊澆邊攪拌，使?jié)舶械南⊥猎爻浞秩刍?、分布均勻?/span>

材料的抗拉強度和耐磨性分別在WE-30液壓萬能試驗機和ML-10磨料試驗機上測定；用HRS-150洛氏硬度試驗機測定試樣的洛氏硬度；用XJL-2立式金相顯微鏡分別觀察灰鑄鐵的石墨形態(tài)和金相組織。

2試驗結(jié)果及分析

2.1金相組織觀察

2.1.1混合稀土對石墨形態(tài)的影響

不同混合稀土加入量的灰鑄鐵石墨組織形態(tài)（未腐蝕）未加稀土的灰鑄鐵中的石墨粗大，呈片狀，形態(tài)以A型石墨為主，也有極少量的菊花狀和枝晶狀石墨；加入0.1%混合稀土，石墨較細小，頭部變鈍，屬于細小的A型石墨；加入0.3%混合稀土，石墨變細小，分布較均勻，且無方向性，頭部較鈍；加入0.5%的混合稀土，石墨細化，且分布比較均勻，頭部變圓鈍。

可見，添加混合稀土能使灰鑄鐵中的石墨組織細化和均勻化，當稀土加入量為0.1%時，石墨組織是理想的細小A型石墨。這是由于稀土元素在鐵液中與硫、氧反應，生成稀土化合物，從而清除石墨棱面上的表面活性元素，使石墨基面與鐵液的界面能降低；能促使石墨以螺旋位錯的方式沿基面法向生長，使石墨形成蠕蟲狀或球狀，而且隨著稀土加入量的增加，石墨球化傾向?qū)⒃鰪?，這種效果在稀土加入量為0.3%時開始明顯。

2.1.2混合稀土對基體組織的影響

稀土元素對鑄鐵有較好的孕育和變質(zhì)作用。對不同混合稀土加入量的灰鑄鐵基體組織進行觀察。未加稀土的灰鑄鐵的基體組織中珠光體較多，且呈連續(xù)片狀分布；混合稀土加入量為0.1%時，珠光體細化，呈細片狀或粒狀分布，但不均勻；混合稀土加入量為0.3%時，珠光體以細片狀均勻分布或以顆粒狀彌散分布；繼續(xù)提高混合稀土加入量，鐵素體數(shù)量增多，珠光體細化且分散度增加。

可見，添加稀土元素可以對顯微組織細化和均勻化，但是加入過量的混合稀土，反而會使鐵素體增多。這是由于一般灰鑄鐵的顯微組織，在高溫時基本是由奧氏體和石墨以及不同數(shù)量的滲碳體等三相組成，而稀土具有細化奧氏體組織的作用，可增加鑄鐵中奧氏體枝晶的數(shù)量，使二次臂間距變小，枝晶變得細密[2]，故添加稀土元素可以細化灰鑄鐵的基體組織。另外，稀土是碳化物形成元素，一般會使珠光體數(shù)量增加。但是稀土的加入使鑄鐵中出現(xiàn)D、E型石墨時，鐵素體量將顯著增加，而鐵素體的硬度和強度比珠光體低，所以要控制鐵素體的含量，混合稀土加入量不應超過0.5%。

2.2力學性能試驗結(jié)果

對試樣進行力學性能測試，拉伸試驗每組做3個試樣，測試結(jié)果取平均值；洛氏硬度試驗每組做3個試樣，每個試樣測4個點，所測結(jié)果取平均值；磨損試驗參照國家標準GB/T12444.1—1990《金屬磨損試驗方法》，磨損試樣為圓形（Ф6.3mm×20mm），選用GCr13標準鋼球（Ф8mm）作摩擦副，在室溫條件下，設定工作載荷50N，轉(zhuǎn)速v=360r/min，摩擦時間t=20min，每組試驗做3個試樣，測試結(jié)果取平均值根據(jù)繪出灰鑄鐵的抗拉強度、硬度和磨損量與混合稀土加入量的關(guān)系曲線。

可以看出，未加稀土的灰鑄鐵的抗拉強度、硬度及耐磨性較低，稀土灰鑄鐵的抗拉強度、硬度與普通灰鑄鐵相比都有顯著提高，而且它們具有相似的規(guī)律性。當混合稀土的加入量在0~0.1%之間時，隨著混合稀土的加入量增多，灰鑄鐵的抗拉強度、硬度和耐磨性逐漸提高；當稀土加入量為0.1%時，灰鑄鐵的抗拉強度、硬度和耐磨性都同時達到一個峰值；如果繼續(xù)增加混合稀土，抗拉強度、硬度和耐磨性又都會下降。

可見，混合稀土添加到灰鑄鐵中，鑄鐵的力學性能，包括強度、硬度、耐磨性都得到了顯著提高，這與金相組織所反映的情況是一致的，特別是，混合稀土加入量為0.1%時，材料的抗拉強度、硬度及耐磨性同時達到峰值，力學性能好。這是由于稀土的孕育效果具有雙重性。當混合稀土量在0~0.1%之間時，石墨細化，分布均勻，頭部變鈍，鈍片狀的片狀石墨能減少對基體的沖擊作用，降低產(chǎn)生微裂紋的傾向，從而提高灰鑄鐵的抗拉強度。基體組織中的珠光體細化，且晶粒越細小，使得組織界面多，缺陷多，阻礙位錯的移動，抗拉強度、硬度提高。隨著混合稀土量的繼續(xù)增加，石墨片變得更加細長，而石墨越細長，對基體的沖擊、切割作用就會增強，會產(chǎn)生更多的微裂紋，這會使灰鑄鐵的抗拉強度降低。另外，基體組織中鐵素體的量增加，而鐵素體的拉伸強度、硬度比珠光體小，所以力學性能下降。灰鑄鐵的耐磨性與其顯微組織有著重要的聯(lián)系，試驗表明，灰鑄鐵具有均勻分布的石墨和珠光體基體時，耐磨性好。

3結(jié)論

（1）稀土對灰鑄鐵組織的作用主要表現(xiàn)在整體宏觀組織和微觀組織的細化和均勻化，同時會使片狀石墨向著蠕球狀轉(zhuǎn)化。稀土能促使石墨片細小、頭部變鈍、分布均勻，使鐵素體增多，珠光體細化且彌散度分布增加。

（2）混合稀土加入量在一定范圍內(nèi)，可提高灰鑄鐵的抗拉強度和硬度，改善其耐磨性，但加入量超過一定值，力學性能反而會下降。

（3）在本試驗條件下，混合稀土加入量為0.1%時，抗拉強度、硬度和耐磨性同時達到峰值，力學性能好。