稀土变质钒白口铸铁中碳化物球化机理

,D0:10.13374/j.issn1001-053x.1987.s2.018 北京钢铁学院学报 1987年2月 Journal of Beijing University Special issue 专辑1 of Irom and Steel Technology No,1,1987.2 稀土变质钒白口铸铁中碳化物球化机理 徐恒钧 王兆昌 (铸工教研宗) 摘 要 探案了用变质方法改弈钒白口钻铁中碳化物的形貌和分布。用稀土综合变质剂对钒白口铸铁进行了变质处理， 使钒白口铁中方块状先共品碳化物和条状共酷碳化修变为圆整的球状碳化物，彻性和机械性能明显提高。 研究表明，一定的钒设是碳化物获得球化的必婴条件。，变质过程中产生的大量的高熔点的硫化物、氮化物是 VC非均质形核的基休，对VC以离异共品方式生长起着置要作用。稀土的脱硫脱氧作用，提高了VC一熔体间的界面 能，降低了VC的表面能的各向异性，使VC各个生长锥以大致相等的速度增长，从而长成球形。同时，高的界面能 有利于在生长过程中球面的稳定性。 稀士综合变质剂正是综合了提供非均质形核基体与提高VC一熔体界面能，蜂低界面能各向异性的优点，而且前 者与后者之间互相促进，因而发挥了较强的球化作用： 关键词：碳化物球化、稀土变质、钒白口佛钦 Mechanism of Spheroidization of Carbide in RE-Complex Modified Vanadium White Iron Xu Hengjun Wang Zhaochang Abstract. The effects of RE-complex modification on morphology of the carbide in- vanadium white iron was studied.After modification both the cubic-shape hyper eutectic Vc and strip-like eutectic V change into perfectly spheroidal carbide and the toughness and abrasion resistance of vanadium white iron is pronoun- cedly improved. The experimental results showed that to get spheroidal carbide a certain minimum content of'vanadium in white iron is necessary.The sulphide and ni- tride with higher melting point formed during modification process are the su- bstrate of heterogeneous nucleation of Vc and this is of great importance for carbide to grow in divorced eutectic.The desulphurizing and deoxidizing effects 35

北 京 钢 铁 学 院 学 报 年 月 ‘ 。 ， 专辑 、 ‘ ， 一二 一一 井 一 二 一下井 万 书一千 砰二 一一 二书 一一 二 于 二 口 二 一 一一— 砚 ” 二 稀土变质钒 白口 铸铁 中碳化物球化机理 徐恒钧 王 兆昌 铸工教研室》 摘 要 ， 探 索了用变质方法改 善钒 白口 铸铁中碳化物的形貌和分布 。 用稀土缘合变质荆对钒 白口 铸铁进行了变 质处理 ， 使钒 白口 铁 中方块状 先 共晶 碳化物和条状共晶碳化物变为圆 整的拜状碳化物 ， ’ 韧 性和机械性能明显提 高 研究表明 ， 一 定 的钒量是碳化物 获得袜化的必要条件 。 变质过程 中产生的大盆 的 高熔点的硫 化 物 、 氮 化 物 是 非均质形 核的 基体 ， 对 以 离异共品 方式生 长句着重要作用 。 稀土的脱硫脱氧作用 ， 提 高了 一熔体 间的界面 能 ， 降低了 的表面能的各向 异性 ， 使 各个生长锥以大 致 相等的速度增 长 ， 从 而 长成球形 · 同时 ， 高 的界面替 有利于在 生 长过程 中球面的稳定性 。 ， ， ， ’ 之 稀土综合变质剂 正是综合了提供非均质后核基体与提高 卜熔休 界面能 、 降低界面能各向异性的优点 ， 而且前 考润娟者之间互 相促 进 ， 因而发挥了钦强的 华化作 用‘ 关键词 碳化物球化 、 稀土变质 、 钒 白口 铸铁 一 豆 ” ” 九 万 无 ” 、 一 · 一 一 五 七 名 ‘ 一 亡 夕 已 ‘ 本 争尽 DOI ：10．13374／j ．issn1001—53x．1987．s2．018

of rare earth elements raises the VC/melt interfacial tension and at the same time decreases the difference in the interfacial tension of advancing planes of different indices.Therefore the basal planes of growth pyramids advance at about equal speed,and finally the carbide grows as a spheroid.Furthermore,the higher interfacial tension makes the spheroidal surface of vC stable during growth process. Key words,carbide spherojdization,rare earth modification,vanadium white cast iron 前 言 白口铸铁是工程上大量使用的抗磨材料。虽然白口铸铁不断发展，本世纪三十年代 由第一代谱通白口铸铁发展到第二代镍硬铸铁，直到六十年代发展到第三代高铬铸铁， 但是白口铸铁低的韧性和脆断倾向仍然妨碍它的广泛应用。提高具有高的抗磨性的白口 铸铁的韧性一直是治金工作者十分重视和感兴趣的课题。 白口铸铁脆性的主要原因在于白口铸铁中碳化物的形状和分布破坏了基体的连续 性，因此在外力作用下，易于在材料中产生较大的应力集中，使裂纹易于萌生和扩展。 ·为了提高白口铸铁的韧性，必须在保证基体机械性能良好的条件下，改善碳化物的形 态和分布。最理想的情况是碳化物以小的球形存在，并在基体中均匀分布。 变质处理是改变合金中非金属相的结晶形貌的一种有效的手段，例如，用变质处理 的方法使灰口铁中的片状石墨变为球状石墨以后，铸铁机械性能获得了惊人的改善。球 墨铸铁的发明给我们研究白口铸铁以极大启示。既然可以使灰口铸铁中的片状石墨改变 为球状，且能够在铸造状态下获得球墨，那么，如能将原来具有规则立方体状，片状或 连续网状碳化物的白口铸铁经过变质改变为具有球状碳化物的白口铸铁，无疑会提高白 口铸铁材料的韧性，这对结晶理论的发展和满足工程上对高性能抗磨材料的需求都具有 重要意义。 在用变质处理的方法改变白口铁中碳化物的形状和分布方面，国内外已有文献报 导。已经有人在普通白口铁〔1)和高铬铸铁中「2’3做过研究，取得了碳化物孤立化、 块状化甚至球化的效果，但对变质机理阐述不够，对钒白口铁的变质研究很少。最近一 些年来国外对钒白口铸铁的研究日益重视？由于钒白口铸铁具有许多优良性能，国外 有人认为，有些使用条件苛刻的零件，如轧辊，将排斥常规的镍铬白口铸铁，应用含钒 白口铸铁是一种新的趋势。我国是富产钒的国家之一，加强对钒白口铸铁的研究和重视 是完全必要的。 在本工作中用稀土综合变质剂对钒白口铁进行了变质处理，目的在于弄清稀土等元 素对白口铁中碳化物结晶形貌的影响，阐明碳化物球化的理论，找出碳化物球化的条件。 36

， “ ， ， 可 位未 ， ， 时山 ， 应 亡 五 。 ， 前 吕 白 口铸铁 是 工程上大 量使用的抗磨材料 。 虽然 白口 铸铁不 断发 展 ， 木 世纪三十年代 由第一代 普通 白 口 铸铁 发 展 到第二代 镍硬铸铁 ， 直到六十年代发 展 到第三代高铬铸铁 ， 但是 白 口铸铁低 的韧性 和脆 断倾 向仍 然妨碍 它的广泛 应用 。 提高具有高的抗磨性的 白 口 铸铁 的韧性一直是冶 金 工作者十分重 视和感兴趣 的课题 。 白 口 铸铁脆性的主 要 原因在于 白口 铸铁 中碳化物的形状和分布破坏 了基 体 的 连 续 性 ， 因此 在外力作用 下 ， 易于在材料 中产生较大的应力集 中 ， 使 裂纹 易于 萌生和扩展 。 两 为 了提 高 白 口 铸铁 的韧性 ， 必须在保证基体机械性能 良好 的条件下 ， 改 善碳 化物的形 态和分布 。 最理想 的情况是碳 化物 以小 的球形存在 ， 并在基体 中均匀分布 。 变质处理是改变 合 金 中非金属相的结晶形貌 的一种有效的手段 ， 例如 ， 用变质处理 的方法 使灰 口铁 中的 片状 石墨 变为球状 石墨 以后 ， 铸铁机械性 能获得 了惊 人的改善 。 球 墨 铸铁 的发明 给我们研究 白 口 铸铁 以极大 启示 。 既然 可以使灰 口铸铁 中的片状石墨改变 为球状 ， 且能够在铸造状态下获得球墨 ， 那么 ， 如能将原 来具有规 则立方体状 ， 片状或 连续 网状碳 化物的 白口 铸铁 经过变质改变为具有球状碳 化物的 白 口 铸铁 ， 无疑会提 高 白 口铸铁材料 的韧性 ， 这 对结 晶理论 的发展和满足 工程上对高性能抗磨材料 的需求都具有 重 要 意义 。 在 用 变质处理 的方法改 变 白 口铁 中碳 化物的形状 和分 布方面 ， 国内外 已 有 文 献 报 导 。 已经有 人在普通 白 口铁 〔 ’ 二和 高铬铸铁 中 「 ’ 做过研究 ， 取得 了碳 化 物 孤 立 化 、 块状化甚 至球化的效果 ， 但对变质机理阐述不够多 对钒 白 口铁 的变质研究很少 。 最近一 些 年来 国外对钒 白 口 铸铁 的研究 日益 重 视 ， 飞由于钒 白 口 铸铁具有许 多优 良 性 能 ， 国外 有 人认 为 ， 有些使用 条件苛刻 的零件 ， 如轧辊 ， 将排斥常规的镍铬 白口 铸铁 ， 应用 含钒 白 口 铸铁 是一种新 的趋势 。 我 国是富产钒 的 国家之一 ， 加 强对钒 白 口铸铁 的研究和重视 是完全必要 的 。 在本工 作 中用稀土综合变质剂对钒 白 口 铁进行 了变质处理 ， 目的在 于弄清稀土等元 素对 白 口铁 中碳化物结 晶形貌 的影响 ， 阐明碳 化物球化的理论 ， 找 出碳 化物球化的条件

1钒白口铸铁变质处理 工业纯度的钒白口铁是在100kVA中频电炉中熔化的，原铁水化学成份如表1所示。 钒量从0%变动到10%。变质剂为稀土综合变质剂。其中稀土由1R提供，氮由氮化 锰铁提供。 表1原铁水的化学成份 Table 1 Chemical Composition of base iron Composition C Si Mn P V Fe Content, 2.5- 1.8- 1.8- 0.0350.040 0- Blan. % 2.7 2.1 2.1 10 金相观察发现，对含钒量小于3.5%的白口铸铁，变质后蜂窝状莱氏体基本消失，渗 碳体由连续网状变为断开的块状，并且组织得到细化，见图1()(b),X射线研究表明， (a)3.5%V,未变质 (b)3.5%V,变质后 (c)7%V,木变质 (d)7%V,变质后 37

钒白口 铸铁变质处理 工业纯 度 的钒 白口铁 是在衷。 中频电炉 中熔化的 。 原铁 水化 学 成份如表 所 示 钒量从 。 变动 到 。 变质剂为稀土综合变质剂 。 其 中稀土 由 ’ 提供 ， 氮 由 氮 化 锰铁提供 。 表 原铁 水的化学成 份 ， 。 。 。 一 。 。 。 。 。 。 金相 观察发现 ， 对含钒 量小 于 的 白口 铸铁 ， 变质后蜂窝状 莱 氏体基本消失 ， 渗 碳 体 由连续 网状 变为断 开 的块状 ， 并且组织 得到细 化 ， 见 图 ， 射线 研 究表明 ， ， 未 变质 ， 变质后 肠 ， 未 变质 吓 ， 变质后

()J0%V,不变质 ()10%V,变质后 图1稀上综合变质处理对不同钒量的白口铁中碳化物形貌的影响 Fig.1 Effect of RE-Complex modification on the morphology of carbides in white irons with different V contents 在钒量达到3.5%及3.5%以上的白口铁中出现VC。在含，3.5%的白口铁中，变质处理 后不仅渗碳体型碳化物有明显的孤立化趋向，同时，VC也由条状变为碎块状。见图1 (a)(b)。金相分析发现，当V量从7%变到10%时，碳化物VC的形貌有明显的变化，见 图1(c)(d)(e)(f)。照片(e)证明，10%V白口铁中在未变质的条件下，先共晶V,呈规则 的立方体形状，在方形V℃的周围是呈放射状分布的片条状共晶碳化钒，经变质处理以 后，V~呈球状，片状共晶Vc消失。见图1(f)和图2。 25880 阁2商帆白口铁中VC的形克(a)未变质(b)变质后 Fig.2 The morphology of V.'in high V white iron 2。稀土等元素的变质作用 用真空度为1.333×10~2Pa的真空感应电炉熔炼了高纯度的Fe--V-Si-Mn合金。原 材料为纯铁（S<0.005%,Si<0.005%,P<0.004%)、纯倪、金属硅、光谱石墨、电 解纯锰、经合金熔化后，过热到1500°.，然后浇入几个执型中，分别加人含有不同元素的添 38

， 未 变 质 ， 变质后 图 稀 上综合 变质处理对 不 同钒量 的 白口 铁 中碳化 物形貌的 影 响 一 · 在 钒 量达 到 及 以上 的 白口 铁 中出现 。 在含钒 的 白 口 铁 中 ， 变质处理 后不仅 渗碳体型碳 化物有明显 的孤立 化趋 向 ， 同时 ， 也由条 状 变 为碎 块状 。 见 图 。 金相分 析发现 ， 当 量从 变到 时 ， 碳 化物 的形貌有 明显 的变化 ， 见 图 。 照 片 证 明 ， 白 口铁 中在未变质 的条 件下 ， 先 共晶 呈规 则 的立方体形状 ， 在方形 的周 围是 呈放射 状 分 布的 片条状 共 晶碳 化钒 ， 经 变质 处理 以 后 ， 户 呈球状 ， 片状 共 晶 消失 。 见 图 和 图 。 习 高饥 白口 铁中 的形 说 未 熨质 、 ’ 稀土等元素的变质作用 用真空 度为 “ 的真空感 应 电炉熔炼 了高纯度 的 一 一 一 一 合 金 。 原 材料 为纯铁 。 ， ， 、 纯 钒 、 金属硅 、 光谱石墨 、 电 解纯 锰 、 经 合 金熔 化后 ， 过热到 “ ， 然 后 浇入 几 个模 型 ，卜 ， 分别 加入 含有 不 同元素 的添

加剂，冷后进行金槽。在未加入其他元的Pe-C-V-Si-Mn合金中，VC长成紧密 状有的接近形，丽3(a)。加入F:Q,后，无共晶VC是规则多边形，同册合金中 (a)未变质 (b》加入FeO: 1.. 25u (c)加入0.4%S ·(d):加入N (o)加入1 ()加人N和TI 39

加剂 ， 冷后边打金泊令 状 叭 有的接近 农形 ， 么 折 。 在未加入共他， 考的夕。 一 一 一 一 合 金 中 ， 长 成 紧 密 阴 。 加入 。 未变质 加人 ， ， 犷 一 月 二 山 ‘ ‘ 户 山石山月 盏 ，落 斌诊沁‘ ‘ 无一 、 铭卜 ‘ 加入 。 加人 尸 小宁韵 加入 上 、 犷 加人 和几