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稀土变质铸铁石墨形态的转变

作者：bearingpower 发表时间：2010-12-12

稀土变质铸铁石墨形态的转变关键字：铸铁凝固过程中形成的石墨相形态,随铁水成分(变质剂含量、硫和氧等杂质元素的含量、其它微量元素的含量等)、冷却速度、孕育状态等呈现出丰富多样的变化。长期以来,人们一直在努力寻求不同石墨形态之间相互转变的规律。早期的文献大多推崇一种“渐变说”,即认为随着冷却速度的增大或球化剂含量的增加,石墨相形态发生由A型片状→D型片状(过冷型石墨)→蠕虫状→球状的一系列转变;这些转变是连续的;石墨从一种形态转变到另一种形态是一种渐变过程,而不是结束一种形态,代之以另一种形态的形核和生长。但这一学说所依据的实验事实大多是采用对变质处理后的铁水进行保温,在不同的时间液淬采样进行观察的实验方法所得到的,由于研究中不能得到连续的衰退组织,因而未提出各种石墨形态连续转变的充分证据。近期的研究都采用定向凝固技术来考察铸铁中石墨形态的转变,这样不仅可以观察到加入变质剂前后和熔体衰退过程中石墨形态的连续转变,而且还可以对凝固速度(R)、温度梯度(GL)和变质剂含量(C0)与石墨形态之间的关系进行定量研究。结果有人发现,在过冷型石墨与蠕虫状石墨之间存在着明显的分界线,并据此提出了一种“渐变?突变?渐变”的观点,认为石墨形态由球状→蠕虫状→过冷型片状→A型片状的转变是石墨生长机制发生了渐变?突变?再渐变的过程。其中球状石墨→蠕虫状石墨的转变是渐变;蠕虫状石墨→过冷型石墨的转变为突变;过冷型石墨→A型片状石墨的转变则是再一次渐变。但也有的实验结果进一步证实了石墨形态从片状→蠕虫状→球状和从球状→蠕虫状→片状两个方向的转变都是一种渐变过程。随工艺因素的单调连续变化,石墨形态由球状→蠕虫状→片状或由片状→蠕虫状→球状的转变序列已是毫无疑问。但对珊瑚状、碎块状和开花状等过渡形态或变态石墨在转变序列中处在什么位置,即它们的形成条件,人们的看法还存在很大的分歧。变质铸铁石墨形态的多样性在低凝固速度(或冷却速度)下得以充分表现。考察低凝固速度下变质铸铁的凝固过程对于全面、准确、深入地揭示石墨形态的转变规律是极为重要的,而这一点在以往的研究工作中却是较为缺乏的。作者采用定向凝固技术考察稀土变质铸铁在低凝固速度下石墨形态的转变规律,并对各种石墨形态的试样进行实际稀土含量的化学分析,以期对如下几个有争议的问题作出确切回答:1随着稀土含量和冷却速度的单调变化,石墨形态按什么序列进行转变,尤其是要查明珊瑚状和开花状等石墨形态在转变序列中处于什么位置;2在石墨形态的转变过程中是否存在有些文献中所说的“突变”现象;3稀土含量和冷却速度(或凝固速度)在石墨形态的转变过程中起什么作用。为了能观察到稀土含量由少到多和由多到少两个相反过程中石墨形态的连续转变现象,在灰铸铁试样定向凝固中途加入稀土进行变质处理。 1实验方法实验在自制的Bridgman法定向凝固装置上进行。试样原料由生铁、废钢、硅铁和锰铁配制,在中频感应炉中熔化后浇铸成10mm的预制棒料。将预制棒料表面的氧化皮和夹渣磨去,取90g装入内径8.5mm,外径12mm,长250～300mm的刚玉质坩埚中,随定向凝固加热炉一起升温并重熔。待试样熔化后,将炉温稳定在1400℃,开始下拉试样。先以81mm/h的速度将试样下拉95mm(此时试样已进入稳态凝固段),然后停止下拉并向试样中加入0.8%(质量分数)的富铈混合稀土(Ce>80%)和0.6%的75Si-Fe合金(以试样中剩余液相质量计),搅拌约5min后以选定的速度(≤62mm/h)下拉试样至全部凝固。凝固后试样总长度为195～200mm,保证了试样中段有约50mm长的稳态凝固(凝固速度等于试样下拉速度)段。稳态凝固过程中,液?固界面前沿液相温度梯度GL=62～72℃/cm。试样的化学成分见表1。整个凝固过程中由试样顶端向坩埚中吹氩,以防试样氧化。实验表明,这样可使所加稀土的蠕化衰退时间延长达3.5h,为制取低凝固速度下的稀土变质铸铁试样提供了必要条件。将制备好的定向凝固试样(稳态凝固段)沿轴向剖开进行金相观察,然后由相应石墨形态的金相试样上用钼丝切割机切片进行化学分析,测定其稀土残留量。表1 试样化学成份/％元素CSiMnPS碳当量混合稀土(Ce>80%)7S Si-Fe加入量原始成份(分析值)3.621.851.490.0620.0244.150.80.6最终成份(计算值)3.622.281.490.0620.0244.28--原始成份加上孕育用7S Si-Fe所带入的硅量（不计烧损）

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