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稀土元素镧对灰铸铁组织及性能的影响
钟起彬 5701120044
通过在普通灰铸铁基础上添加不同含量的稀土元素镧，研究稀土元素
对灰铸铁组织及性能的影响，并找到稀土元素镧的最适合加入量。对不同
稀土元素镧含量的灰铸铁进行对比试验，观察、分析其金相组织和石墨形
态的变化，并进行抗拉强度、硬度和耐磨性试验。试验发现稀土元素镧的
加入使灰铸铁的基体组织与石墨形态改变，使其力学性能和耐磨性提高，
且镧含量为0.1%时，灰铸铁的综合指标最好。
摘要
灰铸铁是石墨呈片状分布的铸铁，它是应用最为广泛的一类铸铁。
这种铸铁具有良好的铸造性能以及其它多方面的优良性能，但力学性
能较低。在保证灰铸铁其他方面性能的同时，提高其抗拉强度、硬度
和耐磨性等力学性能指标，从而扩展灰铸铁的用途及使用寿命就成为
本文的研究课题
1， 试验内容与方法
1.1 配料
试验中所用的灰铸铁为一般工业用铸铁，其
化学成分如表1所示，试验所用的稀土元素镧的化
学成分如表2所示。
试样编号及各试样中的稀土加入量，如表3所
示。
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1.2 合金的熔炼及浇注


灰铸铁在感应电炉中进行熔炼，铁水出炉温度约为1380~1420℃。孕育
处理及浇注温度约为1350℃。试棒1组6件，同一箱造型，手工砂型铸造，
造型材料为原砂、膨润土（4%~5%)、水(4%~5%)。将稀土元素镧事先称
量并制成小片状，粒度控制在2~5 mm，浇注前将其撒入浇包内的铁水中，
边浇边搅拌，便浇包内的铺充分熔化、均匀分布。
1.3 试验方法
1.3.1力学性能测试
（1）拉伸试验 试验采用GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验
方法》拉伸试样为直径10mm的短比例试样；试验设备为万能力
学试验机。
（2）硬度试验 试验采用 GB230/T-91金属洛氏硬度试验方法》试
验设备为 HRS-150洛氏硬度试验机。
（3）磨损试验 试验采用 GB12444.2-90金属磨损试验方法环块型
磨损试验》规定的称重法；试样：块状试样；试验设备为ML-10磨
料试验机、FA1104N电子天平；试验正压力：30N。
1.3.2 金相组织观察
在试样材料上截取小试样，并把试样制备成标准的光学观察
试样。在砂纸上磨好后用P-2型抛光机对试样进行抛光，至
石墨形态清晰可见，再用3%硝酸酒精腐蚀试样，腐蚀时间
5s左右，冲洗干净，吹干，用XJL-02立式金相显微镜观察铸
铁组织并拍照。
2 ·试验结果及分析
2.1金相组织及石墨形态分析
图(a)为未加入稀土元素镧时灰铸铁
的金相组织图。观察显微镜中的石墨
形态可知，在未加入稀土元素镧时的
石墨端部尖锐.呈细长片状分布。未加
稀土的灰铸铁组织中珠光体较多，且
呈连续片状分布。
图（b）为当稀土元素镧的质量分数为0.1%时，灰铸铁的金相组织图。
可见，珠光体细化且弥散度提高，呈细片状和粒状均匀、弥散分布，观察
显微镜中的石墨形态可知，石墨细化且尖端出现钝化，呈蠕虫状。
图（c）为当稀土元素镧的质量分数为
0.3%时，灰铸铁的金相组织图。可见，
珠光体以细片状均匀分布和以颗粒状弥
散分布；观察显微镜中的石墨形态可知
石墨端部进一步钝化，呈蠕虫状，但石
墨的球化倾向低于稀土元素铺的加入量
为0.1%时。


图（d)为当稀土元素镧的质量分数为 0.5%时，灰铸铁的金相组织图。可见，珠光
体细化且分散度增加，以细颗粒状弥散分布。观察显微镜中的石墨形态可知，石墨
继续变小但呈细片状分布，球化倾向进一步减弱。
综上所述，稀土元素镧不仅能使铸铁中的石墨细化，且能使其变成蠕状
或球状，这是由于稀土元素在铁水中与硫、氧反应，生成稀土化合物，
从而清除石墨棱面上的表面活性元素，使石墨基面与铁水的界面能降
低，使其低于棱面的界面能，能促使石墨以螺旋位错的方式沿基面法向
生长，使石墨形成蠕虫状或球状。这种效果在稀土元素镧含量为0.1%时
最为明显。当稀土元素镧含量达到0.3%时，因稀土元素的化学活动性较
强，过高含量的稀土元素镧起到了强脱氧剂的作用，降低了铁水中的氧
含量，从而相对提高了C与Fe的亲和力，提高了铁水与石墨基面的界面
能，使铁水失去充分孕育的低界面能、高形核量等动力学条件，且使得
凝固方式具有糊状凝固的趋势，从而导致铁水不能得到充分孕育，白口
倾向有所增加，石墨球化倾向有所降低。据此推测，当稀土元素镧含量
更高时，铸铁的白口化倾向将会更为明显，石墨球化倾向将会进一步降
低。
2.2 力学性能测试结果
2.2.1 拉伸试验及洛氏硬度试验结果
对试样进行拉伸试验及洛氏硬度试验，其结果如表4、5所示。
根据表4、5绘出灰铸铁的抗拉强度和洛氏硬度值与稀土元素的加入量的关系曲线，如
图2、3所示。
2.2.2 磨损试验结果
对试样进行磨损试验，其结果如表6所示。根
据试验所获得的数据绘出稀土元素镧的加入量与
灰铸铁耐磨性的关系曲线，如图4所示。
可见稀土元素镧添加到铸铁中总的趋势是：导
致铸铁强度、硬度、耐磨性得到提高，这与金相
组织所反映的情况是吻合的。在观察2、4，试样
伸断口时发现，有铸造缺陷存在，推测这很可能
是在强度试验中出现的2、4，试样强度明显不符
合总趋势的原因。
3 结论
（1)加入稀土元素镧可以净化铁液，细化金属基体和石墨，将稀
土元素镧加入灰铸铁中，珠光体的数量会增加，组织细化，石墨
尖部变粗，尺寸变细，由片状向蠕虫状转变。
（2）加入稀土元素镧的质量分数为0.1%时，灰铸铁中珠光体
颗粒均匀细小，石墨尖部钝化，球化倾向最为明显。
（3）在灰铸铁中加入稀土元素镧后，灰铸铁的抗拉强度、硬
度和耐磨性都显著提高，当稀土元素镧的质量分数为0.1%时，
灰铸铁的力学性能最为理想。
参考文献：
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