超低碳球墨铸铁中碳化物形成机理与研究.pdfVIP

2014 中国铸造活动周论文集 超低碳球墨铸铁中碳化物形成机理研究 李卓情，刘金海，李文涛 （河北工业大学材料学院，天津 300132） 摘要：通过晶相显微镜和扫描电镜的观察，探究了超低碳球墨铸铁在金属型铸造下的两类碳化物——颗 粒状碳化物和网状碳化物的形成机理。结果表明：颗粒状碳化物是孕育剂、变质剂、球化剂经熔解或者反 应生成的剩余产物的基础上形成的潜在形核核心，并在此核心上形核长大，其分布由于受结晶时枝晶的择 优取向的影响而呈现一定的方向性；网状碳化物则是从初晶奥氏体和共晶奥氏体中析出来依附在这两种奥 氏体晶界上形成。 关键词：超低碳球墨铸铁；颗粒状碳化物；网状碳化物；异质形核；核心的长大 1 前言 超低碳球墨铸铁在金属型铸造过程中，在铸件的铸态组织中出现了两种不同形态和分布的碳化 物，即颗粒状碳化物和网状碳化物。当铸铁中的碳化物呈网状时，将显著降低铸铁的综合力学性能， 而当碳化物呈球状则会显著提高铸铁的综合力学性能。因此，弄清楚这两类碳化物的形成机理，对 提高球墨铸铁的铸态组织性能方面有很大的意义。而本文将对这两类碳化物的形核机理进行初步的 探讨。 2 试验材料与方法 2.1 试验材料 实验材料为超低碳球墨铸铁，其铁水成分为：1.0%~1.2%C、2.5%~2.7%Si 、2.3%~2.5%Mn 、 0.3%~0.5%Cr、0.2%~0.4%Mo、P0.03 、S0.03。变质元素为Mg 、Re 、Ca 等，孕育剂为硅钡孕育剂。 铁水在 100kg 中频感应电炉中熔炼，当铁水的温度到达 1650℃时出炉，球化剂与变质剂采取包内冲 入法。浇注温度为 1500℃，浇注时间为 12s，金属型采用保温冒口，浇铸试样尺寸为 Φ120mm×170mm 圆柱试样。 2.2 试验方法 对冷却至室温的试样进行本体的取样，并制备出金相。经 4%硝酸酒精腐蚀后，在 Nikon eclipse MA100 型光学显微镜下进行组织观察。利用 PhilipsXL30 型扫描电子显微镜和能谱仪观察分析铸态 腐蚀后的试样表面形貌，并通过能谱仪对试样表面组织进行半定量分析。 3 结果分析与讨论 3.1 颗粒状碳化物和网状碳化物的分布状态 从 Φ120mm×170mm 圆柱试样的底部进行取样，并通过金相显微镜观察到的石墨形貌如图 1 所 示。由于含碳量较低，发现在铸态基体中的石墨球的数量和体积极为细小。 1 2014 中国铸造活动周论文集 图1 低碳球铁石墨形态金相图 图2 低碳球铁铸态腐蚀后金相图 由图 1 和图 2 可以知道低碳球铁的铸态组织为石墨球、珠光体和碳化物，而碳化物呈现出两种 形貌特征，一种是呈颗粒状，另一种是分布在晶界处的网状结构，如图 2 所示。从图 2 可以看到颗 粒状碳化物呈弥散状分布在铸态的基体组织中，并且颗粒状的碳化物在铸态组织的晶粒中的排列具 有一定的方向性。其原因是胞晶生长时会朝向最佳散热方向择优生长，而胞晶晶界最后凝固的小溶 池有利于碳化物在此生成，胞晶的整齐排列也导致了生成的碳化物排列也较整齐[1] 。从图 2 中观察 到网状碳化物主要分布在晶界处，出现在晶界处偏聚的趋势。其原因是在液态合金发生共晶反应后， 温度下降至共晶反应线以下时，碳在奥氏体中的溶解度会不断下降，从而从初晶奥氏体和共晶奥氏 体中不断析出二次渗碳体[2] 。析出的二次渗碳体会偏聚在奥氏体的晶界处，当温度下降至室温时， 就会出现碳化物沿境界分布的形貌特征。 3.2 颗粒状碳化物的形核核心 在扫描电镜的明暗场中碳化物为暗灰色，碳化物周围为珠光体组织。由图 1 我们观察到在颗粒 状碳化物的中心出现了小凹坑，小凹坑中的物质在扫描电镜下有两种形貌特征，分别命名为相貌一 和形貌二，对小黑点进行扫描电镜和能谱分析其结果如图 3 所示。 由图3b 所示，其中只有 O 峰和 Mg 峰，其中元素的原子比为 O:Mg=49.5:50.5 。由此原子比可以 大概的判断形貌一中凹坑内的物质为 MgO 。其中Mg 元素来源于球化处理过程中加入的稀土镁，稀 土镁一方面促进了石