球铁中“黑斑”区的组织及其形成机理研究

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1982.s1.004 北京钢铁学院攣报 1982年增刊 球铁中“黑斑”区的组织 及其形成机理研究 金相教研室 宋维锅 铸工教研室 连金江 摘 要 应用光学显微镜和扫描电镜分析研究了球铁中“黑斑”区的组织。结果表明，“球墨琥 碎论”难于成立。提出了新的关于黑斑形成的机理。 一、前 言 “黑班”（或称灰斑）是球铁铸件中常见的宏观缺陷之一。它的出现，会使球铁铸件的强 度，特别是韧性，显著下降，严重影响球铁的扩大应用，因而引起了国内、外科技界的广泛 注视。自五十年代后期以来，各国有关学者一直都在为此进行着大量研究工作1-15]，特别 是在关于黑斑的形成的机理方面。但至今，较为流行的看法，仍然是由Karsay等【1)早在 60年代初提出的所谓“球墨破碎论”。但提出者本人直到70年代初，仍难进一步提出更充分 的论据【3。近年来，虽有一些较为详细的研究【51，但仍难出“球晏破碎论”的范畴。 作者曾在“大断面球铁中黑班的结构”一文中【1]较深入地揭露了黑斑的结构实质，即 宏观上的一个黑班，在微观上相当于一个粗大共晶球团，其中石墨在表面上虽是孤立的蠕虫 状或块状，但在空间上大多是相互联接为一体的。并由此对“球量破碎论”提出了疑问。这 在当时，虽是一个较为重要的新进展，但仍有不少问题没有解决。本文继续前文的工作，进 行了进一步的研究，提H出了新的关于黑斑的形成机理。 二、试验方法 球铁的熔炼、处理、浇铸和所用的相应装置，以及试样的制备和分析方法，基本同前 文1'。试样的成分经化学分析结果，如表1所示。其中1~5·为心30柱形模拟小试样， 6·~8·为标准楔形试样。 -31-

北 京 钢 铁 学 院 学 报 年 增刊 球铁中 “ 黑斑 ” 区的组织 及其形成机理研究 金 相教 研室 铸 工教 研室 宋维 祖 连金 江 摘 要 应 用 光学显 微 镜和 扫 描 电 镜 分析研 究 了球 铁 中 “ 黑斑 ” 区 的 组 织 。 结 果表 明 ， “ 球 冬破 碎 论 ” 难 于 成立 。 提 出 了新 的 关 于 黑斑 形 成 的 机理 。 一 、 前 弓全 厂 “ 黑斑 ” 或 称 灰斑 是球铁铸 件 中常 见的 宏观缺陷之一 。 它 的 出现 ， 会使球铁 铸 件的 强 度 ， 特别是 韧性 ， 显 著下降 ， 严 重 影响球铁 的扩 大应用 ， 因而引起 了 国内 、 外科技 界的广泛 注视 。 自五 十年代后 期以来 ， 各 国有关学 者一直都在为此进行着大量研究工 作 ‘ 一 ’ 〕 ， 特别 是 在关 于黑斑 的 形 成的 机理 方面 。 但至 今 ， 较 为流行的 看 法 ， 仍然是 由 等 【 ” 忿 ’ 早 在 年代 初提 出的所 谓 “ 球墨破 碎 论” 。 但提 出者 本人直 到 年代初 ， 仍难进 一步提 出更 充分 的 论据 “ ’ 。 近 年来 ， 虽有一些较 为详 细 的研究 “ ’ ’ ， 但仍难 出 “ 球墨破 碎论” 的范铸 。 作 者 曾在 “ 大断面 球铁 中黑斑 的结 构 ” 一文 中 【 ‘ ’ 较深 入地揭露 了黑 斑 的结 构实质 ， 即 宏观上的一 个黑 斑 ， 在微观 上 相 当于 一个粗大共 晶球团 ， 其 中石墨在表面 上 虽 呈 孤立的 蠕 虫 状或块状 ， 但在空间上大 多是 相互联 接为一体的 。 并 由此对 “ 球墨破碎论 ” 提 出了疑 问 。 这 在当时 ， 虽是 一个较 为重 要的新进展 ， 但仍 有 不少 问题没 有解决 。 本文继续前 文的工 作 ， 进 行 了进一步的研究 ， 提 出 了新的 关 于黑斑 的形 成机理 。 二 、 试验方法 球铁 的熔炼 、 处 理 、 浇 铸 和 所 用 的相应装置 ， 以 及试样的制 备和分析方法 ， 基 本同前 文“ ’ 。 试 样的 成分经 化学 分析结果 ， 如表 所 示 。 其 中 ’ 。 为万 柱 形模拟 小试样， 为标准楔 形 试样 。 一 一 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1982．s1．004

表1 试样的化学成分及宏观组织 序球化剂孕育剂 化 学 成 分 % 碳当景 加入量加入量 C+Si 宏观组织 号！% % C Si Mn P Mg Ce % 11.15 0.84 3.401.750.440.0540.0110.0220.033 3.98 无黑斑 21.60 0.84 3.402.230.51-0.0100.0200.034 4.14 边缘分布着 12mm黑斑 31.60 1.50 3.203.200.490.0530.0190.0430.120 4.27 均匀分布着 1~2mm黑斑 41.60 1.64 3.402.850.520.0450.0100.0410.043 4.35 均匀分布着 3~4mm黑斑 51.60 1.20 3.204.620.490.0530.0190.0430.120 4.74 黑斑成片 62.16 7.30 3.394.480.370.0620.027 一 4.88 黑斑密布 7 1.60 3.20 3.205.980.490.0530.0190.0710.053 5.19 整个断面 呈灰暗色 1.5010.50 3.385.640.370.0620.027 5.26 黑斑密布 注：球化剂为6#稀土领合金及稀土硅铁合金： 孕青州为76SiF8合金： Mg、Ce为光请分析结果， 三、试验结果及分析讨论 1.黑斑区的宏观组织 用肉眼即可以发现，试样的冲击断口上或一般锯断面上有无黑斑存在以及黑斑的形貌和 分布状况，如将断面再磨平、抛光、并经酸液稍浸后，黑斑将更为显明，如图1所示。各试 样的宏观分析结果列于表1。可以初步看出，冷却慢、碳当量高，特别是硅含量较多时，球 铁中出现黑斑的倾向性较大。 (a)断口，11， ()抛光面，经酸稍设，11.5 图】典型黑囊的宏观组织 2,黑斑的显微组织 应用光学显微镜和扫描电镜对各试样进行了详细的分析，结果表明，一个黑斑是由一个 或几个已成长到一定程度的球状、星状或树枝状石墨，再与奥氏体紧偶合一起进行共晶转 -32一

表 试样的化学 成分及宏观组织 序 球化剂孕育剂 加 入 量 加 入量 化 学 成 分 碳 当量 专 宏 观 组 织 叮口任 ，以人 皿月 。 。 ‘ 。 ‘ 。 一号 一 。 ， 。 。 。 。 。 。 协“‘们︸ ︸ 口 一， 。 。 。 。 。 。 一 无黑斑 边缘分布着 黑斑 均匀分 布着 黑斑 均匀分布着 黑斑 黑斑 成片 黑 斑 密布 整 个断 面 呈 灰暗 色 黑 斑 密 布 司 一 ，一 行，八，了几 ， 卫‘ ，几﹄夕 。 。 。 。 。 。 。 一 一 。 。 勺‘﹃ 注 球 化 荆 为 稀 土 候 合金 及 稀土 硅 铁 合 金 ， 孕 育加为 合金 ， 、 ” 为 光 谱 分 析结 果 三 、 试验结果及分析讨论 燕斑 区 的宏 观组 织 用 肉眼 即可 以发现 ， 试样的 冲击断 口 上或 一般 锯 断面上 有无黑斑 存在 以 及黑 斑 的 形 貌和 分布状 况 如将断面 再磨 平 、 抛 光 、 并经酸 液稍浸后 ， 黑斑 将更 为显 明 ， 如图 所 示 。 各试 样的 宏观分 析结果列于表 。 可 以初步看 出 ， 冷却慢 、 碳 当量 高 ， 特别 是硅 含量较 多时 ， 球 铁 中出现 黑斑 的 倾 向性较大 。 断 口 ， 抛 光 而 ， 经 酸 稍 浸 ， 图 典型 黑 斑 的宏 观 组 织 黑斑 的显徽 组织 应 用 光学 显微镜 和扫描 电镜对 各试样进行 了详 细 的 分 析 ， 结 果 表 明 ， 一 个黑斑 是 山一 个 或几 个已 成长到 一定 程度 的 球状 、 星状或 树枝状石 墨 ， 再 与奥 氏体 紧密偶 合 一起进 行 共 晶转 一 一

变、而形成的单个共晶晶粒或多个共晶品粒的复合体，即共晶球团，见图2一4。共晶球团 内的石墨主要为细密石墨，其空间形貌为珊瑚枝状。 (a)光学显微镜下，×125： (b)同一视场经深蚀后的扫描电德组织，×150 图2黑斑的显微组织(4·) (a)单中心(4)， (b)多中心(6) 图3属斑的显散组织，未浸蚀，×125： (a)单中心： (b)双中心. 图4黑斑的扫描电镜组织(6)，盐酸酒精深蚀，： 33-

变 、 而 形 成的 单个共 晶晶粒 或 多个 共 晶 品粒的 复合 体 ， 即 共晶球 团 ， 见图 。 共 晶球 团 内的 石 墨 主 要为细 密 石 鉴 ， 共空 间形 貌 为珊 瑚 枝状 。 拒 蕊蒙 或攀澡翼篡囊 蘸 蒙 叠 蒸 。 光 学 显徽 镜 下 ， 正 同 一 视 场经 深 蚀 后 的扫 描 电债 组 织 图 黑 斑 的 显 徽 组 织 。 单 中心 ， 多 中心 口 图 黑 斑 的 敏 微 红碑乏 ， 未 浸 蚀 火 与 膨 墉 心 单 中心 双 中 心 图 黑 斑 的扫 描 电 镜 组 织 ， 盐 酸 酒 精 深 蚀

和一般共晶组织相似，黑斑中的石盛其分散度在接近边缘时逐渐减小，直至显著聚集粗 化。显然，这是共晶发生部分离异的结果。值得特别指出的是，球铁中的这类共晶发生离异 后，其中石墨仍可发展为不同程度的扇形体或球缺，见图5，它犹如石墨枝头蓓蕾开花似的， 堪称奇观。这一现象说明了一个很重要的问题，它意味着，由一个石墨球上分出来的石墨晶 枝，尽管与奥氏体共晶成长，经过辗转弯扭和频繁再分枝、并历经长达儿千个微米的途径 后，仍能始终保持着与其所由生长的母球的完全联系以及相关的晶体学取向和似相的成长机 理。正是这一原因，使人们经常在球铁显微镜组织中发现各种石墨断面具有球体组块的特 征，而认为它是球墨破碎后被液流带到各处的碎块。显然，这是一种误见。 (a)硝酸酒精浸烛，×2001 (a)米授蚀，偏光，×400 图5黑斑边界区的显微组织(4#)， 对试样所进行的一系列的逐层研磨和观察表明，黑斑内部除了具有很明显的原奥氏体枝 晶网的遗迹外，还存在着一些与密合共晶体本身很少相干的不同形态石墨，如球状、星状和 枝状石墨等，见图6~7。黑斑内的原奥氏体枝晶网，显然是贯穿于整个黑斑区组织的一个 组成部分，它独立于黑斑，并应是先于黑斑而形成的，参看图8。但并不能简单地认为，它 就是正常的亚共晶铸铁中的先共晶奥氏体。黑斑内部那些无规分布的孤立石墨，有的处于原 奥氏体枝晶内，有的则否。前者大多呈球状，后者则还可以呈星状或枝状。从这些石器的形 图6黑雍内的球圆(5#，来浸蚀，×22 图7黑雍内的树枝状石墨(4#)，未浸蚀，×100. 一34-

变 、 而 形 成的 单个共 晶晶粒 或 多个 共 晶 品粒的 复合 体 ， 即 共晶球 团 ， 见图 。 共 晶球 团 内的 石 墨 主 要为细 密 石 鉴 ， 共空 间形 貌 为珊 瑚 枝状 。 拒 蕊蒙 或攀澡翼篡囊 蘸 蒙 叠 蒸 。 光 学 显徽 镜 下 ， 正 同 一 视 场经 深 蚀 后 的扫 描 电债 组 织 图 黑 斑 的 显 徽 组 织 。 单 中心 ， 多 中心 口 图 黑 斑 的 敏 微 红碑乏 ， 未 浸 蚀 火 与 膨 墉 心 单 中心 双 中 心 图 黑 斑 的扫 描 电 镜 组 织 ， 盐 酸 酒 精 深 蚀

态和分布特征来看，应与奥氏体枝晶网有一 定的联系。 由于黑斑是-一个直径甚至可达4~5毫 米的粗大共晶球团，在空间上又是任意分布 的，因而在一个金相试样上的同一观察面 上，会同时出现黑斑的不同剖面：有的接近 球团边缘；有的靠近球团中心；有的处于其 它中间位置。这样，尽管一个球团内的石墨 其空闻间形态和分布是相似的，但在不同剖面 上就会有不同的表现，参看图7~8。但实际 上，即使看来孤立分布的点状石墨，用扫描 镜也可以发现它们是相互联接的，见图9， 图8 斑区城的低倍组织(4#)，疏酸酒精没蚀，×9 并参看图2。 3.黑斑区城的基体组织 由图8及10可以看出，黑斑分布在这样一个基体上：它以珠光体为主并散布着各种不同 形态的变态球墨和一些较圆整的球墨，石墨周围大多有一层不同厚度的铁素体。无论铁素体 或珠光体，然，都是高温奥氏体的转变产物。可见，在凝固过程中的后期，应是球墨和各 种变态石墨与奥氏体共同在残余液体中成长着。事实上，这些石墨中有不少是和黑斑内部那 些与密合共晶不相干的石墨相似的，只是数量较多，或尺寸较大。此外，基体中也存着大量 奥氏体枝晶网，并与黑班内部的奥氏体枝晶网相连贯，显然，它们都是同一阶段形成的。只 是基体中的奥氏体枝晶网其表层大部分在固态下转变为珠光体，其余部分则转变为铁素体： 而不象黑斑内部的那样，完全转变为铁素体。 (a) 图9黑斑内的点状石题 (h) (3),×110,经深蚀后的扫捕电镜组织(h), 4.黑斑及黑斑区组织的形成机理 4试样的碳当量为4.35，应接近铸铁的共晶成分，5试样的碳当量达4.74，应属过共 晶，又都是在非常缓慢的冷却条件下凝固的。由图8及图17可知，其显微组织中都有粗大的 原奥氏体枝晶网。实际上，甚至碳当量高至5以上的各试样，如7·，8，也都具有奥氏体 枝晶网。作者认为，这些奥氏体枝晶网应属于，至少大部分应属于二相其品组织的一个组织 一35一

图 黑 斑 区 域 的低 倍 组 织 ， 硫 酸 酒 梢 浸 蚀 ， 态和分布特征 来看 ， 应 与奥 氏体枝 晶网 有一 定的联系 。 由于黑斑是一 个直径甚至 可达 毫 米 的粗 大共 晶球团 ， 在 空间上又 是任意分布 的 ， 因而在一 个金 相试样上的 同 一 观 察 面 上 ， 会 同时 出现 黑 斑的 不 同剖 面 有的 接近 球 团边缘， 有的靠近 球 团 中心， 有的处 于其 它 中间位笠 。 这 样 ， 尽 管一 个球 团 内的石墨 其空 间形态和分布是 相似的 ， 但在不 同剖面 上就会有 不 同的表现 ， 参看图 。 但实际 上 ， 即使 看来孤立分 布的 点状石 墨 ， 用 扫描 镜也可 以发现它们 是相互 联 接的 ， 见图 ， 并参看 图 。 黑斑 区 域 的基 体组 织 由图 及 可 以 看 出 ， 黑斑分 布在 这 样一 个基体上 它 以珠光体为主 并散布着 各种不 同 形 态的 变态 球 墨和 一 些较 圆整的球 墨 ， 石 墨 周 围大 多有一层 不同厚度的铁素体 。 无论 铁素体 或 珠光 体 ， 显然 ， 都 是 高温 奥 氏体的转变 产物 。 可 见 ， 在凝 固过 程中的后 期 ， 应是 球 墨和 各 种变 态石 墨 与奥 氏体共 同在残余 液体 中成长着 。 事实 上 ， 这 些石 墨 中有 不少是和黑 斑 内部那 些 与密合 共 晶不相 干 的石 墨相似的 ， 只是 数量 较 多 ， 或尺 寸较大 。 此 外 ， 基 体 中也 存着大最 奥 氏体枝 晶网 ， 并 与黑 斑 内部的奥 氏体 枝 晶网相连贯 ， 显 然 ， 它们 都是 同一 阶 段形 成的 。 只 是基 体 中的奥 氏体枝 晶网 其表层 大部分 在 固态下 转变为珠 光 体 ， 其余部分 则转变 为铁素 体， 而不象黑斑内部的 那样 ， 完 全转变 为铁素体 。 图 黑 斑 内 的 点状 石 里 卜 ， ， 经 深 蚀 后 的扫 描 电镜 组 织 黑斑 及 黑 斑 区组 织 的形 成机理 试样的 碳 当量 为 ， 应 接近铸铁的 共 晶成分 ‘ 试样的碳 当量 达 ， 应 属过共 晶 ， 又邦是在非常缓慢 的冷却 条件下凝 固的 。 由图 及图 可 知 ， 其 显微组织 中都 有粗大的 原奥 氏体枝 晶网 。 实际 上 ， 甚至 碳 当量 高至 以上 的 各试 样 ， 如 ， ， 也都 具 有奥 氏体 枝晶网 。 作 者认 为 ， 这 些 奥 氏体枝晶网应属 于 ， 至 少 大 部分应 属 于二 相 共 晶组 织 的 一 个组 织 一 一