船用大功率柴油机是目前近海及远洋船舶首选的动力装置，经过长足时间的发展研究，现代低速柴油机的各项性能指标都很有了很大的改进，而气缸套的磨损问题一直都是柴油机发展的瓶颈。因此，如何提高气缸套耐磨性以确保低速机安全可靠地运行，一直以来是国内外学者深入研究的技术难点^[1-3]。铸铁是制造低速柴油机气缸套的传统材料, 国内外有关改善缸套材料磨损抗性的研究大多以铸铁材料为基础，通过改进铸造、成型、加工工艺以提高铸铁组织均一性，进而得到具有较好耐磨性的铸铁缸套；或是对铸铁进行微量元素合金化的改性处理来提升铸铁本身的力学性能和服役性能^[4-7]。

采用震压造型技术(jolt/squeeze mold techniques)、自动浇注和高压造型静态工艺过程控制(statistical process control, SPC)来改善缸套的微观组织均匀性、以得到较好力学性能与耐磨性能的铸铁缸套，使静态铸造缸套在重载柴油机市场的跌落趋势得以逆转。全俄铁道运输科学研究院研究表明：运用硅钡铁、硅铁合金和稀土元素进行综合变性，采用钒微合金化以及铜含量最优化的方法，降低铸铁中镍、钼元素含量，从而进一步提升其机械性能^[8]。

本文主要通过加入微量双稀土(镧La、铈Ce)元素，采用常规铸铁熔炼方法制得稀土改性铸铁材料。通过控制稀土加入量，并对加入不同含量稀土元素的铸铁进行组织性能评估，为稀土改性以提高低速机缸套材料的综合性能提供了切实可行的方案。

1 实验材料及方法

实验所用原始炉料为商用Q10、硼铁、磷铁、硅铁、锰铁、45#钢、镧铈混合稀土等。铸件铁液的主要化学元素质量百分比(%)：C 3.0~3.2，Cu 1.0~1.5，P 0.2~0.4，B 0.02~0.04，Mn≤0.8，Si≤1.1，S≤0.1；镧铈混合稀土的化学元素质量百分比成分(%)为：La 34.47，Ce 65.53，其他小于等于0.3。

根据稀土加入量的不同本文设置了7组实验，稀土加入量分别为：0%、0.1%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%。

1.1 铸铁熔炼工艺

本实验铸铁材料使用试算法得出各合金的成分含量，烧损和炉料搭配也被考虑其中。实验采用多功能电磁感应炉熔炼。铁水温度设置为1 500 ℃~1 550 ℃。出炉之前加入稀土元素。出炉温度选择1 350 ℃~1 400 ℃；待试样冷却至室温，取出并清洁表面，对试样进行去应力退火。退火温度选在500 ℃~550 ℃，保温时间2~8 h。每炉炉料10 kg，炉料清洁无铁锈；采用75硅铁作为孕育剂，颗粒度控制在1~2.5 mm。孕育剂随流加入，即在出铁水时均匀加入孕育剂，75硅铁孕育剂则和铁液一起进入浇包，尽快浇铸，为提高铸件的表面质量，可在砂型表面涂一层石墨粉，冷却方式选择随砂箱冷却。

1.2 组织结构表征方法

通过线切割、磨制抛光制得金相试样，选用浓度为4%的硝酸酒精溶液对试样进行腐蚀，采用金相显微镜(OLYMPUS-PM3型)进行组织观察；采用扫描电子显微镜(JROL JSM-6480A型)进行形貌观察；采用电子显微镜自配的EDS能谱分析仪测量试样组织中的稀土元素的分布；采用多功能X射线衍射仪(X′Pert Pro型，荷兰)进行物相分析，其中仪器采用铜靶的Kα射线，波长为1.540 6 nm，扫描速度为5(°)/min, 2θ范围是20°~100°。

1.3 力学性能测试

采用万能试验机对国标规格待测试样进行拉伸测试；使用HVS-1000型显微硬度仪测试试样表面显微硬度，实验载荷50 g, 加载时间15 s；采用MDW-02型往复式摩擦试验机对试样进行摩擦磨损测试，试验载荷30 N、对磨球是硬度为HRC65的GCr15、频率为3.3 Hz、时间30 min、采样间隔10 min、温度为室温，实验前对试样进行超声波清洗，然后用电子天平对试样称重，得出磨损前质量M。实验结束后，得到磨损后质量m。多次称量得出磨损平均值。

2 稀土改性对铸铁组织结构的影响 2.1 基体组织金相分析

不同稀土浓度下基体组织形貌如图 1所示。

在未加入稀土时，铸铁基体的主要组织状态为：渗碳体+珠光体+石墨。同时有少量的残余奥氏体。渗碳体的含量在未加入稀土时(0%)最少，随着稀土加入量的增加，铸铁组织中的渗碳体呈明显增加的趋势，渗碳体是铸铁组织中典型的强化相。二次渗碳体Fe3CⅡ从初生奥氏体中直接析出。根据实验条件，铸铁的碳浓度为3.16%，对比铁碳平衡相图，处于亚共晶状态，在高温时，随着不断冷却，奥氏体为过饱和相，从液相中最先被析出，为初生奥氏体相。继续冷却，初生奥氏体中开始析出二次渗碳体，渗碳体在奥氏体缺陷或者晶界处形核。继续冷却，奥氏体发生共析转变，原位生成珠光体，析出三次渗碳体，三次渗碳体Fe3CⅢ的量可忽略不计。室温下可看到渗碳体在珠光体的外围分布。冷却到室温时，可观察到基体的组织状态为：渗碳体+珠光体+石墨。综合观察各稀土浓度的铸铁组织，稀土浓度为0.6%时组织中相种类、尺寸及分布形态较其他稀土浓度下的组织分布更为均匀。室温下的金相照片中，渗碳体围绕着珠光体的分布并长大(即变态莱氏体Ld′)，可以看到基体组织存在较多的枝晶状变态莱氏体Ld′，表现为渗碳体和室温下的珠光体形成的机械混合物。通过观察金相照片可分析出，稀土浓度为0.6%时其组织状态为：珠光体+ Fe3CⅡ+Ld′+石墨。

2.2 石墨形貌金相分析

不同稀土浓度下铸铁中石墨形貌如图 2所示。

如图 2所示，未加入稀土元素时，基体中的石墨为典型的片状石墨，石墨的尖端比较尖锐。整体看来，片状石墨的分布比较均匀。当稀土浓度由0%~0.1%时，石墨的形态有很大的变化，介于片状和蠕虫状之间。对于每一条石墨，由原来的完整的片状变得不连续，部分呈现出有方向性的短片状。稀土浓度为0.2%时的石墨形态接近于E型石墨。当浓度增大到0.2%时，石墨的分布变得不均匀，形态上更接近于分散的团状，在低倍中看不到片状的痕迹。高倍下(0.2%高倍照片)，形态较不规则，有部分表现为团状，另一部分形貌则很不规则。总体而言，石墨呈现出点状和小片状的无方向性的分布。石墨分布于初生奥氏体的枝晶间隙，整体分布垂直于一次枝晶的形态可以被称为D型石墨。因为D型石墨分布密集，且位于一次枝晶之间。当受到外界作用时，石墨的影响类似于缺陷，对基体产生割裂作用，因而对机械性能反而产生消极的影响。稀土浓度由0%增加到0.2%，石墨的含量逐渐减小。

当稀土浓度增大到0.4%时，石墨的分布更加细小均匀。观察可看到石墨的形态介于蠕虫状和球状之间，部分石墨从形貌近乎球状。石墨的大小也很均匀，含量有所增加。

稀土浓度继续增大到0.6%时，石墨的球化程度基本达到最高，石墨的分布很均匀，含量和稀土浓度为0.4%时接近。

当铸铁中的稀土浓度增大到0.8%时，石墨表现为蠕虫状。石墨从形貌上更加粗大，而且不同区域的粗大程度不一致。有部分石墨开始显现出片状的特征。石墨的含量也继续提高，但分布并不均匀。

稀土含量继续增加到1.0%时，石墨为蠕虫状，但长度方向变得更细。部分有片状的特征。相比较于未加入稀土时片状石墨平滑的边缘，浓度为1.0%时的石墨边缘不平整，而且石墨的弯曲程度较大。但粗大的石墨含量降低，部分石墨为离散的状态。石墨的分布不均匀。

综合基体组织分析和石墨形态分析，当稀土加入量为0.6%的时候，石墨的球化程度最大，组织显示材料可能具有更优良综合性能。

2.3 稀土元素的分布情况

稀土浓度为0.6%时的能谱图片以及成分数据如图 3和表 1所示，可以发现LG1区域为石墨，碳含量达90%以上。002区域为渗碳体。001区域为珠光体。稀土元素在石墨中分布最少，不到1%。在渗碳体中的含量为2.30%。在珠光体中的碳含量最多，达到3%以上。可以判断005点为碳化物。006推测为三次渗碳体, 从铁素体中沿晶界中析出。007区域为珠光体。008区域为二次渗碳体。005点处碳化物位于石墨的核心，同时稀土含量最高，接近8%。008处为二次渗碳体组织，稀土元素的含量也很高。珠光体中的稀土元素含量约为3%。

2.4 体心立方α-Fe晶格常数变化

对改性铸铁进行X射线衍射分析，使用Jade软件对体心立方α-Fe晶格常数进行精确测量，所得变化趋势如图 4所示。可以看到，加入稀土元素之后的α-Fe晶格常数产生了变化，随着稀土的加入，晶格常数呈现出增大的趋势。根据以往研究表明稀土元素以合金化的方式固溶到了基体中。^[9]

3 稀土改性对铸铁性能的影响 3.1 拉伸试验

拉伸试件的直径为6 cm，标距为50 mm。拉伸试验数据如表 2所示。

由图 5可以发现，拉伸曲线呈现出双强峰。与未加入稀土元素相比，加入了微量稀土元素之后，抗拉强度得到提升。这与金相中稀土浓度为0.1%时石墨的形态由A型转变为E型石墨相关，说明当铸铁中存在E型石墨时，会使性能得到提升。当稀土浓度超过0.6%之后，抗拉强度开始下降。对比金相照片，发现此时的石墨片开始粗化，奥氏体枝晶的数量显著减少，因此强度下降。

添加稀土元素之后材料的抗拉强度明显提高，也可以从致韧效应来解释^[10]。通过观察组织可以发现，加入稀土元素之后，铸铁基体组织中的珠光体含量逐渐减小，且形成与强度更高的渗碳体的分层结构。渗碳体的形状开始为网状，后来变为排列规则的枝晶状，此时拉伸性能为最佳。可以认为是由于这种分层致韧效应所导致的^[11]。

3.2 拉伸断口分析

观察不同稀土浓度下改性铸铁拉伸断口的扫描图片(如图 6所示)。可以发现，不加入稀土时，断口为典型的穿晶解理断口，即由于原子间结合键的破坏引起的沿特定晶面(解理面)发生的脆性穿晶断裂。稀土浓度为0.6%时，拉伸断口仍为典型的准解理断口。但团状石墨清晰可辨，在石墨的内部可以看到白亮的小颗粒，推测为稀土元素与氧形成的氧化物颗粒。

3.3 显微硬度试验

硬度是反映铸铁材料综合性能的指标。通过硬度数据可以反映出材料的强度、耐磨性和可切削性。工业中常把硬度作为评价铸铁质量的一项标准。观察图 7可以发现稀土的加入可以显著提高铸铁的硬度，这样的结果可以从金相图中分析。当加入稀土元素之后，铸铁中的石墨形态开始由片状逐渐转变为团状，且渗碳体由含量极少转变为均匀分布的枝晶状，这些都是使铸铁综合性能有所改善的因素。

由图 7可知，在不同的稀土浓度下，铸铁基体的显微硬度有较大的差异。可以从不同浓度下铸铁基体中的渗碳体形态来说明。未加入稀土时，铸铁中基本为珠光体，渗碳体的含量极少。但当加入稀土元素之后，渗碳体逐渐增多，一开始为网状的二次渗碳体，硬度的提升也不是很明显。但当稀土浓度逐渐增多至0.6%的过程中，渗碳体的形态转变为枝晶状，而且逐渐均匀细化，因此在浓度为0.6%时的硬度为最高。稀土含量继续增加，渗碳体变得粗化，分布也变得不均匀，硬度值迅速下降。

同时，可以发现，不同稀土浓度下硬度曲线的变化规律和拉伸曲线的变化规律是一致的，即都会在浓度为0.1%和浓度为0.6%时出现较大值。这样的规律和上述的组织状态分布也是一致的。

3.4 摩擦磨损测试

加入稀土前后铸铁摩擦系数变化如图 8所示。通过观察摩擦系数曲线，可以发现，加入稀土元素之后，摩擦系数有了明显的下降。同时，未加入稀土元素时，随着摩擦磨损实验的进行，铸铁材料的摩擦系数有上升的趋势。但是加入了稀土元素时候，摩擦系数不仅降低了一个水平，并且在开始进行实验时迅速下降，随着实验的进行，有下降的趋势。说明稀土元素的加入，对于增强铸铁材料的耐磨性有着良好的促进作用。

图 9为不同掺杂稀土浓度情况下磨损量数据图，考虑到不同成分的稀土改性铸铁质量并不相等，因此采用磨损百分比(磨损量除以磨损前的质量)，利用Origin软件对磨损百分比数据进行拟合，同时将磨损量的数据合并进去。结果发现磨损量和磨损百分比的变化规律很相似。在稀土浓度为0.6%左右时，磨损量为最小。加入稀土浓度为0.1%的铸铁材料与未加入稀土的铸铁材料相比，磨损量的减小不明显。

4 结论

1) 在未加入稀土元素时，石墨主要为片状，较少的渗碳体分布在珠光体的外围，可以看到极少数量的变态莱氏体。随稀土浓度逐渐增加，石墨的形态开始细化，片状石墨逐渐转变为分散的团状，蠕虫状，甚至接近于球状。

2) 随着稀土浓度不断增加，基体中的渗碳体含量也不断增加，形态上由网状变为枝晶状，最后转变为团片状。在浓度为0.6%左右，渗碳体在基体中的分布最为均匀。

3) 稀土元素加入之后，基体中的α-Fe晶格常数产生了变化，说明晶格产生了畸变，可由此进一步深究稀土元素的合金化作用。

4) 加入微量稀土元素之后，材料的抗拉强度和硬度得到明显提升，逐渐增加稀土元素，改性作用开始变得明显。当稀土元素的含量在0.6%左右时，改性作用最为显著。当稀土元素含量超过0.8%之后，性能迅速下降。

5) 通过对试样进行摩擦磨损测试，可以得出稀土改性后铸铁材料摩擦系数和磨损量的变化，从而评定该材料的耐磨性。可以发现，加入微量稀土元素之后，摩擦系数下降了一个水平，耐磨性显著提高。磨损量在稀土浓度为0.6%时为最少。