高铬铸铁中不同初生相在不同凹槽半径过流冷却体中的形貌演变.pdf

6 0 有色金属 冶炼部分 h t t p H y s y l ．b g r i m m ．e n 2 0 1 2 年7 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／J ．i s s n ．1 0 0 7 - 7 5 4 5 ．2 0 1 2 ．0 7 ．0 1 7 高铬铸铁中不同初生相在不同凹槽半径 过流冷却体中的形貌演变 田琴，雷源源，朱涛，王丽 贵州大学材料与冶金学院，贵阳5 5 0 0 0 3 摘要采用过流冷却体法制备高铬铸铁半固态浆料。研究高铬铸铁中不同初生相在不同凹槽半径过流 冷却体中的形貌演变。结果表明采用过流冷却体法细化高铬铸铁半固态浆料组织是行之有效的方法。 呈树枝状长大的初生奥氏体的细化在凹槽半径较小的冷却体中以熔断为主。在凹榴半径较大的冷却体中 以扭折为主。呈杆状长大的初生M ，G 型碳化物在冷却体中的细化以破碎、折断、劈裂为主，在凹槽半径 较小的冷却体中较凹槽半径较大的冷却体中易形成包裹层较厚的杆状碳化物，且较难被破碎和折断。 关键词倾斜板冷却体法} 凹槽半径；高铬铸铁；初生奥氏体；初生M ，C 3 碳化物 中图分类号T F 8 1 1文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 6 2 0 1 2 】0 7 0 0 8 0 0 4 M o r p h o l o g yE v o l u t i o no fD i f f e r e n tP r i m a r yP h a s ei nH i g h ‘c h r o m i u m I r o na tD i f f e r e n tG r o o v eR a d i u so fS l o p eP l a t eC o o l i n gB o d y T I A NQ i n ，L E IY u a n y u a n ，Z H UT a o ，W A N GL i F a c u l t yo fM a t e r i a l sa n dM e t a l l u r g y 。G u i z h o uU n i v e r s i t y ，G u i y a n g5 5 0 0 0 3 ，C h i n a A b s t r a c t S e m i s o l i ds l u r r i e so fh i g h c h r o m i u mi r o nw e r ep r e p a r e dw i t hs l o p ep l a t eo v e r f l o w i n gc o o l i n g m e t h o d ，a n dt h em o r p h o l o g ye v o l u t i o no fd i f f e r e n tp r i m a r yp h a s ei nt h o s es l u r r i e sa td i f f e r e n tg r o o v er a d i - U S0 fs l o p ep l a t ec o o l i n gb o d yW a Ss t u d i e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h es l o p ep l a t ec o o l i n gm e t h o di sa ne f 。 f e e t i v em e t h o dt or e l i n et h em i c r o s t r u c t u r eo fs e m i s o l i ds l u r r yo fh i g h c h r o m i u mi r o n ．T h er e f i n e m e n to f p r i m a r ya u s t e n i t eb yd e n d r i t i cg r o w t hi nar e l a t i v e l ys m a l l e rg r o o v er a d i u so fc o o l i n gb o d yi sm a i n l yi nt h e f o r mo ff u s i n g ，a n dt h es t r u c t u r eo ft h a ti nr e l a t i v e l yl a r g e rg r o o v er a d i u so fc o o l i n gb o d yi sm a i n l yk i n ‘ k i n g ．T h er e f i n i n go fp r i m a r yM 7 C 3c a r b i d e sb yr h a b d i t i f o r mg r o w t hi sm a i n l yi nf o r m so fc r a c k i n g ，b r e a k i n ga n ds p l i t t i n g ．F o rp r i m a r yM 7C sc a r b i d e s ，i ti sr e l a t i v e l ye a s yt of o r mt h i c k e rs w a t h i n gl a y e rl o n gr o d p r i m a r yc a r b i d e si ns m a l l e rg r o o v er a d i u so fc o o l i n gb o d yt h a ni nb i g g e rg r o o v er a d i u s ，a n dt h e s ec a r b i d e s a r ed i f f i c u l tt ob ec r u s h e da n db r o k e n ． K e yw o r d s s l o p ep l a t ec o o l i n gm e t h o d ；g r o o v er a d i u s ；h i g h c h r o m i u mi r o n ；p r i m a r ya u s t e n i t e ；p r i m a r y M 7C ac a r b i d e 采用过流冷却法制备高铬铸铁半固态浆料时， 冷却体的参数如长度、角度、预热温度、凹槽半径等 对熔体中初生相的形貌有明显影响‘1 - 引。对于亚共 收稿日期2 0 1 2 - 0 4 2 6 基金项目贵州省科学技术基金项目 黔科合J 字[ 2 0 1 2 1 2 1 1 2 号 作者简介田琴 1 9 8 0 一 ，女。土家族，贵媸江口人，讲师。壤士． 晶高铬铸铁和过共晶高铬铸铁而言，不同的初生相 结构就会导致性能不同，其形貌演变历程也有所不 同。为此，本文采用不同凹槽半径过流冷却体制备 万方数据 2 0 1 2 年7 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／[ y s y l ．b g r i m m ．c n 6 1 高铬铸铁合金浆料，主要研究不同初生相形貌的变 化过程，为高韧性半固态高铬铸铁产品的开发提供 理论上的依据。 1 试验原料和方法 根据文献[ 4 3 的结果，试验所用亚共晶高铬铸铁 固液相线温度分别为12 3 9 ．9 ℃和12 9 0 ℃，过共晶 高铬铸铁固液相线温度分别为】2 4 6 ℃和13 16 ℃。 A 向 因此，试验时采用的浇注温度为13 9 0 ℃，冷却体长 度、角度、预热温度分别为5 0 0m m 、3 0 。、室温。合金 经1 0k g 中频感应炉熔炼后在保温炉中调整到预定 温度，然后经冷却体冷却后直接淬入水中，以观察初 生奥氏体和初生M ，C 3 型碳化物的形貌。为便于比 较，同时在半固态温度区间浇注一组未经冷却体冷 却的试样。过流冷却体装置示意图见图1 。 4 向 凹槽半径1 0 0n u n A 向 凹槽半径4 肌i n t o 图l过流冷却体装置和浇注示意图 F i g ．1 S k e t c hm a po fi n c l i n e dc o o l i n gp l a t eu n i ta n dp o u r i n g 采用平均横截面直径D 和平均形状系数Q 描 述初生M ，C 。型碳化物的形貌，其中D 表征初生碳 化物颗粒的大小，其值越小，表示颗粒越细小，反之 越粗大[ ”。 2 试验结果及分析 图2 为未经冷却体冷却的液、固温度区间高铬 铸铁熔体液淬组织，其中初生奥氏体相呈发达树枝 状 图2 a 中的白色相 ，平均等效直径约8 6p m ，而 初生M ，C 。型碳化物则呈粗大长杆状 图2 b 中的白 色相 ，平均横截面直径约6 0p m 。 圈2 未经过流冷却体处理的液固区间亚共晶 a 和过共晶 b 高铬铸铁液淬组织 F i g ．2Q u e n c h e dm i c r o s t r u c t u r eo fh y p o e u t e c t i c a a n dh y p e r e u t e c t i c b i nh i g h - c h r o m i u mi r o n sw i t h o u tt r e a t i n go fi n c l i n e dc o o l i n g 经冷却体处理的高铬铸铁液淬组织见图3 和图 4 。与图2 比较可见，图3 、图4 中的初生相明显变 得细小，等轴晶粒明显增多。这是因为在流经冷却 体熔体中的初生相与液相问的界面上产生了特定的 温度和溶质原子分布，且熔体内部液、固相之间及熔 体与冷却体之间发生了摩擦、剪切、碰撞等物理作 用，从而制备的初生相较图2 中的初生相细小，初生 奥氏体最大平均等效直径约为4 3 ／z m 图3 a ，初生 碳化物最大平均横截面直径约2 3 ．6 4 “m 图4 a 。等 轴晶粒也增多。可见，采用过流冷却法细化高铬铸 铁半固态浆料组织是行之有效的方法。但冷却体凹 槽半径不同，高铬铸铁初生相的细化程度也不同。 驾 引翌么一孚 万方数据 6 2 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 2 年7 期 图3 不同凹槽半径的过流冷却体制备的亚共晶高铬铸铁液淬组织 F i g ．3Q u e n c h e dm i c r o s t r u c t u r eo fh y p o e u t e c t i ch i g h c h r o m i u m i r o n so fd i f f e r e n tg r o o v er a d i u so fi n c l i n e dc o o l i n gp l a t e a R 1 0 0 m m 围4 不同凹槽半径的过流冷却体制备的过共晶高铬铸铁合金熔体液淬组织 F i g ．4Q u e n c h e dm i c r o s t r u c t u r eo fh y p e r e u t e c t i ch i g h c h r o m i u m i r o n so fd i f f e r e n tg r o o v er a d i u so fi n c l i n e dc o o l i n gp l a t e 2 ．1 凹槽半径对高铬铸铁中初生相形貌的影响 从图3 、图4 可以看出，凹槽半径为4 0 0m m 时 制备的初生相比凹槽半径为1 0 0m m 的要细小一 些。当熔体流过凹槽半径小的冷却体时，由于接触 面积变小，造成熔体的流动层堆积较厚，减缓了散热 速度，最终使得熔体内部保持较高的温度，减少了冷 却时的过冷度，先形核的晶核较少，同时原子的扩散 较快，初生相长大速度较快，易于形成较粗大的树枝 晶或长杆状晶粒。这些较粗大的树枝晶或杆状晶粒 难以被熔体与冷却体及熔体内部固、液相的冲刷、剪 切、摩擦等物理作用所扭折、破碎、劈裂，从而形成 “蔷薇”状 图3 a 中的A 、较发达枝晶状 图3 a 中的 B 或短杆状 图4 a 中的C 。相反，当凹槽半径较大 时，过冷度也就越大，先形核的晶核较多，晶核长大 时相互抑制，同时原子的扩散速率较慢，降低了晶核 的长大速度，致使形成的初生相较细小，这些细小的 初生相在碰撞、摩擦、剪切中易于被扭折、破碎，从而 使制备的初生相较凹槽半径为1 0 0m m 时细小，等 轴晶粒多 图3 b 、图4 b 。可见，冷却体凹槽半径对 高铬铸铁中初生相的形貌有明显影响。同时，初生 相的形貌除了受上述因素影响外，还与自身的结构 和性能有关。 2 ．2 高铬铸铁中不同初生相形貌的演变过程 对于亚共晶高铬铸铁而言，当合金液受到冷却 体激冷时，其内部首先形成大量的F C C 结构的初生 奥氏体晶核并呈枝晶状长大。晶核长大过程中，由 于奥氏体中固溶碳的质量分数高于合金液中碳的质 量分数，则易于在奥氏体／液相界面附近富集碳原 子，使该处平衡结晶温度降低，过冷度变小，使奥氏 体晶核的进一步长大受到抑制。当合金熔体在凹槽 半径为1 0 0m m 的冷却体中流动时，熔体的流动层 较厚，熔体内部温度较高，先形成的枝晶臂容易熔断 而形成细小的等轴奥氏体颗粒，从而形成图3 a 所示 枝晶D 和奥氏体颗粒E 那样的形貌。由于E 仍处 于脱落前的位置，证明这是熔断的结果，而非是外力 引起的折断。图3 a 中的等轴颗粒主要呈规则排列， 万方数据 2 0 1 2 年7 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 6 3 表明此时晶粒的细化以熔断为主。同时，熔体中原 子的扩散速度较快，使奥氏体晶核的长大速度加快， 且在熔体流动中奥氏体／液相界面高浓度区快速消 失，这为枝晶臂的进一步长大提供了有利条件，两方 面的作用。使得奥氏体晶核易于长成较粗大枝晶臂， 由于奥氏体的韧性较好，这些较粗大的枝晶臂在不 断地相互碰撞、摩擦以及冷却体的剪切、冲刷中被扭 折成类似图3 a 中A 的蔷薇状，部分枝晶臂由于过 于粗大，不易被熔体内部及熔体与冷却体间的物理 作用扭折而保持原有形状 见图3 a 中B 。当合金 熔体在凹槽半径为4 0 0m m 的冷却体中流动时，熔 体的流动层较薄，熔体的过冷度较大，形核率较高， 晶核长大过程中相互抑制，同时，由于此时熔体的温 度较低，原子的扩散速度较慢，晶核的长大速度较 慢，两者的综合作用使奥氏体晶核易于长成较细小 的枝晶臂，这些细小的枝晶臂相互间不断摩擦、碰 撞、剪切并受冷却体的剪切、摩擦，从而形成图3 b 中 F 的蔷薇状，这些蔷薇状晶粒经进一步的摩擦、剪 切、碰撞而形成熟化蔷薇，并最终形成图3 b 中的等 轴颗粒G 。从图3 b 可见，这些等轴状颗粒主要呈杂 乱无章排列，表明此时晶粒的细化以物理作用为主， 图3 b 中初生奥氏体平均等效直径为2 6p ．m 。 过共晶高铬铸铁中初生M ，c 3 型碳化物的结构 和性能与初生奥氏体不同，因而其形貌演变历程也 有所不同。当合金液激冷时，首先形成大量的H C P 结构的M ，C 。型碳化物晶核并以螺旋方式生长。在 生长过程中，螺旋位错在基底引起旋转台阶，沿着平 行于温度梯度的[ 0 0 0 1 3 方向生长旋转，在生长晶体 的中心，低熔点的液体被凝固化的碳化物所包围，而 螺旋状的台阶将继续吸附原子保持生长[ 6 ] 。最终形 成心部存在着单个或多个孔洞的六方棱柱或六方棱 锥形状晶体，孔洞大都贯穿于整个晶体，孔洞内充满 共晶液相的转变组织[ 7 ] 。熔体在凹槽半径为i 0 0 m m 的冷却体中流动时，流动层较厚，散热面较小， 熔体的过冷度较小，先形核的晶核较少，熔体中原子 的扩散速度较快，晶核不断吸附原子并沿平行于温 度梯度方向的[ o o o i ] 方向以螺旋方式快速生长，从 而形成近似相互平行的长杆状碳化物。其横向硬度 29 0 0H V 比横截面的高[ 8 ] 。在熔体流动过程中， 这些长杆状碳化物之间及它们与冷却体之间发生摩 擦、碰撞、剪切使碳化物破碎、折断、劈裂成短杆状 图4 a 中的C 或粒状 图4 a 中的H 。同时，碳化 物内部的孔洞也为碳化物之间的破碎、劈裂提供了 有利条件 图4 a 中的I 。这些短杆状或粒状初生 M ，C 。型碳化物呈杂乱无章排列，表明是物理作用 的结果。当熔体在凹槽半径为4 0 0m m 的冷却体中 流动时，熔体的流动层较薄，散热面较大，过冷度较 大，先形核的晶核较多，原子扩散速度较慢，此时碳 化物沿着平行于[ 0 0 0 1 ] 晶向形成较大的温度梯度， 因而碳化物沿着[ o o o i ] 晶向生长速度较凹槽半径为 1 0 0m m 的冷却体中快，但晶核生长中吸附的原子 不及凹槽半径为1 0 0m m 的冷却体中多，从而形成 包裹层较薄的细长杆状碳化物。流动过程中，这些 细长杆状碳化物在相互碰撞、剪切、摩擦及冷却体的 碰撞、冲刷作用下发生折断、劈裂和破碎，在这些破 碎后的碳化物的尖角凸起处，由于熔点较低，因而容 易在流动过程中被熔化，从而形成类似图4 b 中J 的 等轴状颗粒为主的弥散分布细小碳化物，图4 b 中碳 化物平均横截面直径约1 8 ．1 6 肚m 。 3结论 采用过流冷却体法可以有效细化高铬铸铁半固 态浆料的组织。呈树枝状长大的初生奥氏体的细化 在凹槽半径较小的冷却体中以熔断为主，在凹槽半 径较大的冷却体中以扭折为主。呈杆状长大的初生 M ，C 。型碳化物在冷却体中的细化以破碎、折断、劈 裂为主，在凹槽半径较小的冷却体中较凹槽半径较 大的冷却体中易形成包裹层较厚的杆状碳化物，且 较难被破碎和折断。 参考文献 [ 1 ] 田琴，周荣锋。蒋业华，等．冷却体角度对亚共晶高铬铸 铁半固态组织的影响[ J ] ．特种铸造及有色合金，2 0 0 6 ， 2 6 3 1 5 9 - 1 6 1 ． [ 2 3 李润娟，蒋业华，周荣锋，等．半固态高铬铸铁球状先共 晶奥氏体的形成[ J ] ．铸造，2 0 0 6 ，5 5 2 1 5 7 1 5 8 ． [ 3 ] 周荣锋，杨乘东，蒋业华，等．倾斜板长度对过共晶高铬 铸铁半固态组织的影响[ J ] ．特种铸造及有色合金， 2 0 0 8 ，2 8 2 1 2 5 1 2 7 ． [ 4 ] 田琴，周荣锋，蒋业华，等．过流冷却体法中高铬铸铁初生 相的细化研究[ J ] ．热加工工艺，2 0 1 I 。4 0 5 3 4 - 3 7 ．4 0 ． E s ] 皇志富，邢建东，吴义名．半固态过共晶高铬铸铁的制备 及组织定量分析[ J ] ．铸造技术，2 0 0 4 ，2 5 1 0 7 5 6 7 5 8 ． [ 6 ] 吴世常，李荣德，朱强．高铬铸铁复合变质剂的研究口] ． 沈阳工业大学学报，1 9 9 8 ，2 0 1 8 5 9 0 ． [ 7 ] 苏俊义，周庆德．铬系耐磨白口铸铁[ M ] ．北京国防工 业出版社，1 9 9 0 ． [ 8 ] D o g a nON ，H a w kJ 八E f f e c to fc a r b i d eo r i e n t a t i o no n a b r a s i o no fh i g hC rw h i t ee a s ti r o n [ J ] ．W e a r 。1 9 9 5 ，1 8 9 l3 6 1 4 2 ． 万方数据