D0I:10.13374/.issn1001-053x.2011.10.005 第33卷第10期 北京科技大学学报 Vol.33 No.10 2011年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.2011 脉冲电流对热处理过程中非金属相形态的影响 李青春12)☒李仁兴2》 翟启杰》杨晓平”常国咸” 1)辽宁工业大学材料科学与工程学院，锦州1210012)上海市现代治金与材料制备重点实验室，上海200072 ☒通讯作者，E-mail:lqcsusan@126.com 摘要以铝硅合金和球墨铸铁为研究对象，分别采用正常热处理、室温及高温下施加脉冲电流处理的方法，研究了脉冲电 流对固态金属中非金属相形态的影响.结果表明：在脉冲电流处理下，铝硅合金中粗杆状共晶硅的粒化速度加快：球墨铸铁经 脉冲电流处理后，原有石墨的直径没有明显增大，石墨的平均似圆度略有增加，组织中出现了新生的球状小石墨；在脉冲电流 作用下非金属相周围位错的行为及原子的扩散是决定非金属相形态的主要原因. 关键词铝硅合金；球墨铸铁：脉冲电流：共晶硅：石墨 分类号TG143.5 Influence of pulse current on the shape of non-metal phases during heat treat- ment processes LI Qing-thun☒，LI Ren-xing2》,ZHAI Qi--i2》,YANG Xiao-ping》,CHANG Guo-ei 1)School of Materials Science and Engineering,Liaoning University of Technology,Jinzhou 121001,China 2)Shanghai Key Laboratory of Modem Metallurgy and Materials Processing,Shanghai 200072,China Corresponding author,E-mail:lqesusan@126.com ABSTRACT The effect of pulse current on the shape of non-metal phases in solid metals,such as Al-Si alloys and ductile cast irons was studied by applying pulse current at room-temperature and high temperature and compared to normal heat processing.The results show that pulse current accelerates the granulation of coarse band-form eutectic silicon in the Al-Si alloy.The diameter of original graphite in the ductile cast iron treated by pulse current does not increase obviously,the average round-shaped degree of graphite in- creases a little,and some spherical graphite appears in the structure.The behavior of dislocations adjacent to non-metal phases and the diffusion of atoms by the action of pulse current are main reasons for the shape of non-metal phases. KEY WORDS aluminum-silicon alloys:ductile cast irons:pulse current:eutectic silicon;graphite 脉冲电流利用其电致迁移效应田和电致塑性 理，即正常热处理、室温下施加脉冲电流处理以及高 效应回在细化再结晶晶粒)、促进非晶晶化0、形 温下施加脉冲电流处理，探讨了脉冲电流对固态金 成局域纳米结构因以及促进金属化合物分解6-)等 属材料中非金属相形态的影响机理. 领域达到了改善固态金属组织的目的，但是脉冲电 1实验方法 流对固态金属材料中非金属相的形态是否产生影 响，至今还鲜有人报导.铝硅合金中的共晶硅以及 铝硅合金的成分（质量分数）为A!81%, 球墨铸铁中石墨的形态和尺寸对其力学性能影响很 Si19%.球墨铸铁的成分（质量分数）为C3.449%, 大.为了改善金属材料中非金属相的形态，研究人 Si2.79%,S0.016%,P0.048%,Mn0.14%, 员采用在金属的凝固过程中施加强磁场)、超声 Mg0.028%.为考察脉冲电流对金属中非金属相形 波@和孕育剂等手段，取得了良好的效果.本文 态的影响，分别在室温和高温对铝硅合金和球墨铸 采用三种处理方法对铝硅合金和球墨铸铁进行热处 铁进行脉冲电流处理，并与相同工艺的正常热处理 收稿日期：2010-09-14 基金项目：辽宁省教有厅资助项目(2008T089)
第 33 卷 第 10 期 2011 年 10 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 33 No． 10 Oct． 2011 脉冲电流对热处理过程中非金属相形态的影响 李青春1，2) 李仁兴2) 翟启杰2) 杨晓平1) 常国威1) 1) 辽宁工业大学材料科学与工程学院，锦州 121001 2) 上海市现代冶金与材料制备重点实验室，上海 200072 通讯作者，E-mail: lqcsusan@ 126． com 摘 要 以铝硅合金和球墨铸铁为研究对象，分别采用正常热处理、室温及高温下施加脉冲电流处理的方法，研究了脉冲电 流对固态金属中非金属相形态的影响． 结果表明: 在脉冲电流处理下，铝硅合金中粗杆状共晶硅的粒化速度加快; 球墨铸铁经 脉冲电流处理后，原有石墨的直径没有明显增大，石墨的平均似圆度略有增加，组织中出现了新生的球状小石墨; 在脉冲电流 作用下非金属相周围位错的行为及原子的扩散是决定非金属相形态的主要原因． 关键词 铝硅合金; 球墨铸铁; 脉冲电流; 共晶硅; 石墨 分类号 TG143. 5 Influence of pulse current on the shape of non-metal phases during heat treatment processes LI Qing-chun1 ，2) ，LI Ren-xing2) ，ZHAI Qi-jie 2) ，YANG Xiao-ping1) ，CHANG Guo-wei 1) 1) School of Materials Science and Engineering，Liaoning University of Technology，Jinzhou 121001，China 2) Shanghai Key Laboratory of Modern Metallurgy and Materials Processing，Shanghai 200072，China Corresponding author，E-mail: lqcsusan@ 126． com ABSTRACT The effect of pulse current on the shape of non-metal phases in solid metals，such as Al-Si alloys and ductile cast irons， was studied by applying pulse current at room-temperature and high temperature and compared to normal heat processing． The results show that pulse current accelerates the granulation of coarse band-form eutectic silicon in the Al-Si alloy． The diameter of original graphite in the ductile cast iron treated by pulse current does not increase obviously，the average round-shaped degree of graphite increases a little，and some spherical graphite appears in the structure． The behavior of dislocations adjacent to non-metal phases and the diffusion of atoms by the action of pulse current are main reasons for the shape of non-metal phases． KEY WORDS aluminum-silicon alloys; ductile cast irons; pulse current; eutectic silicon; graphite 收稿日期: 2010--09--14 基金项目: 辽宁省教育厅资助项目( 2008T089) 脉冲电流利用其电致迁移效应［1］和电致塑性 效应［2］在细化再结晶晶粒［3］、促进非晶晶化［4］、形 成局域纳米结构［5］以及促进金属化合物分解［6--7］等 领域达到了改善固态金属组织的目的，但是脉冲电 流对固态金属材料中非金属相的形态是否产生影 响，至今还鲜有人报导． 铝硅合金中的共晶硅以及 球墨铸铁中石墨的形态和尺寸对其力学性能影响很 大． 为了改善金属材料中非金属相的形态，研究人 员采用在金属的凝固过程中施加强磁场［8--9］、超声 波［10］和孕育剂［11］等手段，取得了良好的效果． 本文 采用三种处理方法对铝硅合金和球墨铸铁进行热处 理，即正常热处理、室温下施加脉冲电流处理以及高 温下施加脉冲电流处理，探讨了脉冲电流对固态金 属材料中非金属相形态的影响机理． 1 实验方法 铝 硅 合 金 的 成 分 ( 质 量 分 数) 为 Al 81% ， Si 19% ． 球墨铸铁的成分( 质量分数) 为C 3. 449% ， Si 2. 79% ，S 0. 016% ，P 0. 048% ，Mn 0. 14% ， Mg 0. 028% ． 为考察脉冲电流对金属中非金属相形 态的影响，分别在室温和高温对铝硅合金和球墨铸 铁进行脉冲电流处理，并与相同工艺的正常热处理 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2011.10.005
第10期 李青春等：脉冲电流对热处理过程中非金属相形态的影响 ·1239· 进行比较 加脉冲电流，淬水 室温下施加脉冲电流的实验装置原理图如图1 球墨铸铁和铝硅合金的正常热处理均在退火炉 所示.试样经铜制夹具接于脉冲电源的输出端.试 中进行，其工艺与施加脉冲电流的处理工艺相同. 样的尺寸为80mm×8mm×2mm,试样有效部分的 经上述三种方法处理后，切开试样的横断面并观察 长度为35mm.利用脉冲电流通过试样时热效应的 组织.采用4%硝酸酒精对球墨铸铁试样进行侵蚀， 累积来加热试样.为了测量试样的温度变化，采用 用蔡司AXiover2 OOMAT型金相显微镜观察试样中 耐高温胶把热电偶的偶头粘到试样的中间部位.脉 间部位的组织.采用7%氢氟酸水溶液侵蚀铝硅合 冲电流的脉宽为90μs,最大电流密度jm≈1.9kA· 金试样，用扫描电子显微镜观察铝硅合金中共晶硅 mm-2.铝硅合金的处理工艺是试样在2min内加热 的形态 到530℃并保温10min后空冷.球墨铸铁的处理工 2实验结果和分析 艺是试样在2min内加热到920℃并保温3min后 淬水. 2.1脉冲电流对铝硅合金中共晶硅形态的影响 示波器 图3(a)为铝硅合金从室温加热到530℃并保 制制卡具 温10min的共晶硅组织.从图中可以看出，共晶硅 为典型的粗杆状或板条状.图3(b)是脉冲电流处 理下铝硅合金从室温加热到530℃并保温10min后 的组织.比较图3(a)和图3(b)可以看出，与相同工 艺的正常处理相比，在室温下对铝硅合金进行脉冲 电流处理，粗大的杆状共晶硅变成短棒状，组织中有 林冲电源 球状或粒状共晶硅出现.图3(c)为铝硅合金在 530℃保温8h的共晶硅组织.图3(d)为铝硅合金 在530℃保温8h的同时施加脉冲电流的共晶硅组 图1室温加脉冲电流的实验装置原理图 织.比较图3(c)和图3(d)可以看出，在高温下施加 Fig.1 Experimental setup schematic of applying pulse current at 脉冲电流，粗大的杆状共晶硅变细、变短，并出现了 room-emperature 大量球状或粒状的共晶硅，短杆状或粒化的共晶硅 高温下施加脉冲电流的实验装置原理图如图2 外形变得更加圆整.比较图3(a)和图3(c)可以看 所示.试样的尺寸为90mm×10mm×8mm.将试样 出，在正常处理下，若温度相同保温时间延长，只有 用两根紫铜管顶住，紫铜管通循环水冷却以确保紫 少部分共晶硅转变成粒状，还有相当部分的共晶硅 铜管既不因温度过高而变形，又不会因为温度升高 保持板条状或短棒状，可见延长保温时间并不能明 使铜管的电阻增大而影响脉冲信号的传递.将热电 显加速共晶硅的粒化过程.但是，不管在室温还是 偶与试样的中间部位接触，通过自动控温仪观察试 高温对铝硅合金进行脉冲电流处理，脉冲电流都使 样温度的变化.脉冲电流的电压为300V,脉冲电流 共晶硅粒化的速度明显加快 的频率为15Hz.铝硅合金的处理工艺是试样在 室温下对铝硅合金进行高密度脉冲电流处理， 530℃保温8h的同时施加脉冲电流，淬水.球墨铸 铝硅合金的温度迅速升高.升温过程中由于膨胀过 铁的处理工艺是试样在920℃保温3min的同时施 程与温升过程不同步，将产生沿试样长度方向的瞬 电阻炉 时热压应力☒.另外，脉冲电流和脉冲电流自感应 水冷卡具 产生的脉冲磁场之间的相互作用将对铝硅合金产生 电磁收缩力.在热压应力和电磁收缩力的共同作用 温度仪 味冲电源 下，共晶硅周围的αA!基体很容易发生微观或局部 的塑性变形，从而在共晶硅周围产生位错圈，在脉冲 电流作用下位错开始滑移.当αA!基体内的位错 滑移到共晶硅周围时，由于共晶硅的强度高于A! 图2高温加脉冲电流的实验装置原理图 基体，αA1基体周围的运动位错受到Al基体的 Fig.2 Experimental setup schematic of applying pulse current at 阻碍.根据位错塞积理论，同号位错在前进的途中 high temperature 遇到障碍物而被钉扎住，在共晶硅周围形成位错
第 10 期 李青春等: 脉冲电流对热处理过程中非金属相形态的影响 进行比较． 室温下施加脉冲电流的实验装置原理图如图 1 所示． 试样经铜制夹具接于脉冲电源的输出端． 试 样的尺寸为 80 mm × 8 mm × 2 mm，试样有效部分的 长度为 35 mm． 利用脉冲电流通过试样时热效应的 累积来加热试样． 为了测量试样的温度变化，采用 耐高温胶把热电偶的偶头粘到试样的中间部位． 脉 冲电流的脉宽为 90 μs，最大电流密度 jm≈1. 9 kA· mm － 2 ． 铝硅合金的处理工艺是试样在 2 min 内加热 到 530 ℃并保温 10 min 后空冷． 球墨铸铁的处理工 艺是试样在 2 min 内加热到 920 ℃ 并保温 3 min 后 淬水． 图 1 室温加脉冲电流的实验装置原理图 Fig． 1 Experimental setup schematic of applying pulse current at room-temperature 图 2 高温加脉冲电流的实验装置原理图 Fig． 2 Experimental setup schematic of applying pulse current at high temperature 高温下施加脉冲电流的实验装置原理图如图 2 所示． 试样的尺寸为 90 mm × 10 mm × 8 mm． 将试样 用两根紫铜管顶住，紫铜管通循环水冷却以确保紫 铜管既不因温度过高而变形，又不会因为温度升高 使铜管的电阻增大而影响脉冲信号的传递． 将热电 偶与试样的中间部位接触，通过自动控温仪观察试 样温度的变化． 脉冲电流的电压为 300 V，脉冲电流 的频率为 15 Hz． 铝硅合金的处理工艺是试样在 530 ℃保温 8 h 的同时施加脉冲电流，淬水． 球墨铸 铁的处理工艺是试样在 920 ℃ 保温 3 min 的同时施 加脉冲电流，淬水． 球墨铸铁和铝硅合金的正常热处理均在退火炉 中进行，其工艺与施加脉冲电流的处理工艺相同． 经上述三种方法处理后，切开试样的横断面并观察 组织． 采用 4% 硝酸酒精对球墨铸铁试样进行侵蚀， 用蔡司 AXiover200MAT 型金相显微镜观察试样中 间部位的组织． 采用 7% 氢氟酸水溶液侵蚀铝硅合 金试样，用扫描电子显微镜观察铝硅合金中共晶硅 的形态． 2 实验结果和分析 2. 1 脉冲电流对铝硅合金中共晶硅形态的影响 图 3( a) 为铝硅合金从室温加热到 530 ℃ 并保 温 10 min 的共晶硅组织． 从图中可以看出，共晶硅 为典型的粗杆状或板条状． 图 3( b) 是脉冲电流处 理下铝硅合金从室温加热到 530 ℃并保温 10 min 后 的组织． 比较图3( a) 和图3( b) 可以看出，与相同工 艺的正常处理相比，在室温下对铝硅合金进行脉冲 电流处理，粗大的杆状共晶硅变成短棒状，组织中有 球状或粒状共晶硅出现． 图 3 ( c) 为铝硅合金在 530 ℃保温 8 h 的共晶硅组织． 图 3( d) 为铝硅合金 在 530 ℃保温 8 h 的同时施加脉冲电流的共晶硅组 织． 比较图3( c) 和图3( d) 可以看出，在高温下施加 脉冲电流，粗大的杆状共晶硅变细、变短，并出现了 大量球状或粒状的共晶硅，短杆状或粒化的共晶硅 外形变得更加圆整． 比较图 3( a) 和图 3( c) 可以看 出，在正常处理下，若温度相同保温时间延长，只有 少部分共晶硅转变成粒状，还有相当部分的共晶硅 保持板条状或短棒状，可见延长保温时间并不能明 显加速共晶硅的粒化过程． 但是，不管在室温还是 高温对铝硅合金进行脉冲电流处理，脉冲电流都使 共晶硅粒化的速度明显加快． 室温下对铝硅合金进行高密度脉冲电流处理， 铝硅合金的温度迅速升高． 升温过程中由于膨胀过 程与温升过程不同步，将产生沿试样长度方向的瞬 时热压应力［12］． 另外，脉冲电流和脉冲电流自感应 产生的脉冲磁场之间的相互作用将对铝硅合金产生 电磁收缩力． 在热压应力和电磁收缩力的共同作用 下，共晶硅周围的 α-Al 基体很容易发生微观或局部 的塑性变形，从而在共晶硅周围产生位错圈，在脉冲 电流作用下位错开始滑移． 当 α-Al 基体内的位错 滑移到共晶硅周围时，由于共晶硅的强度高于 α-Al 基体，α-Al 基体周围的运动位错受到 α-Al 基体的 阻碍． 根据位错塞积理论，同号位错在前进的途中 遇到障碍物而被钉扎住，在共晶硅周围形成位错 ·1239·
·1240· 北京科技大学学报 第33卷 图3正常处理与脉冲电流处理后铝硅合金的组织.(a)正常热处理(530℃保温10min):(b)室温加脉冲电流处理(530℃保温10min): (c)正常热处理(530℃保温8h):(d)高温加脉冲电流处理(530℃保温8h) Fig.3 Microstructures of the Al-Si alloy after normal and electropulsing heating:(a)normal heat treatment (at 530C for 10 min):(b)applying pulse current at room-emperature (at 530C for 10min):(c)normal heat treatment (at 530C for 8h):(d)applying pulse current at high tempera- hure(at530℃for8h) 塞积. 上少量短条状的混合形态. 高温下施加低密度脉冲电流可加速铝硅合金中 2.2脉冲电流对球墨铸铁中石墨形态的影响 位错的形成.位错的尺寸存在一个满足亚稳态条件 图4(a)是球墨铸铁的铸态组织，图4(b)是正 的极小值).要想增加位错半径则需外部能量的 常热处理后球墨铸铁的组织.比较图4(a)和 输入，位错才能稳定存在.高温下施加脉冲电流相 图4(b)可以看出，铸态球墨铸铁在920℃保温3min 当于周期性地给金属输入瞬态能量，使位错半径达 后，石墨球的直径变大.图4(c)为脉冲电流处理 到满足亚稳态条件的极小值，从而加速了位错的形 下，球墨铸铁从室温加热到920℃并保温3min的组 成.另外，在高温下对铝硅合金施加脉冲电流相当 织，图4(d)为球墨铸铁在920℃保温3min的同时 于对基体中己有的位错施加一切应力.位错在脉冲 施加脉冲电流的组织.从图中可以看出，与相同工 电流作用下开始滑移，到达共晶硅附近会产生一定 艺的正常高温石墨化处理相比，脉冲电流处理后，原 程度的位错塞积 有石墨球的直径并没有明显增加.表1给出了不同 共晶硅周围的位错塞积使共晶硅具有较高的能 处理条件下原有石墨的平均似圆度值.可以看出， 态和较大的能态不均匀性，这使其粒化过程大大加 不管在室温还是高温施加脉冲电流，原有石墨的平 快.另外，粗杆状共晶硅的熔断、粒化过程还受硅原 均似圆度都略有增加 子扩散能力的控制.脉冲电流可加速原子的扩散迁 另外，从图4(c)和4(d)中还可以看出，不管 移过程，这为共晶硅的粒化过程创造了条件.熔断 在室温还是高温施加脉冲电流，组织中都出现了 后的枝条长度越短，原子从条状晶两端向中部扩散 新生的小石墨.在室温施加脉冲电流后，新生石墨 迁移而使其厚度增加就越容易，粒化就越快.有些 主要在渗碳体附近形成。在高温施加脉冲电流后， 较长的共品硅枝条需要通过多次熔断而成为短条 新生石墨主要在奥氏体品界形核，如图中箭头所 状，如果来不及进一步熔断，则将以条状或短条状的 示.将脉冲电流处理后的试样打断，观察试样断口 形态存在于合金中.因此，最终出现以粒状为主加 截面的扫描电镜组织如图5所示.从图中可以看
北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 图 3 正常处理与脉冲电流处理后铝硅合金的组织． ( a) 正常热处理( 530 ℃保温 10 min) ; ( b) 室温加脉冲电流处理( 530 ℃保温 10 min) ; ( c) 正常热处理( 530 ℃保温 8 h) ; ( d) 高温加脉冲电流处理( 530 ℃保温 8 h) Fig． 3 Microstructures of the Al-Si alloy after normal and electropulsing heating: ( a) normal heat treatment ( at 530 ℃ for 10 min) ; ( b) applying pulse current at room-temperature ( at 530 ℃ for 10 min) ; ( c) normal heat treatment ( at 530 ℃ for 8 h) ; ( d) applying pulse current at high temperature ( at 530 ℃ for 8 h) 塞积． 高温下施加低密度脉冲电流可加速铝硅合金中 位错的形成． 位错的尺寸存在一个满足亚稳态条件 的极小值［13］． 要想增加位错半径则需外部能量的 输入，位错才能稳定存在． 高温下施加脉冲电流相 当于周期性地给金属输入瞬态能量，使位错半径达 到满足亚稳态条件的极小值，从而加速了位错的形 成． 另外，在高温下对铝硅合金施加脉冲电流相当 于对基体中已有的位错施加一切应力． 位错在脉冲 电流作用下开始滑移，到达共晶硅附近会产生一定 程度的位错塞积． 共晶硅周围的位错塞积使共晶硅具有较高的能 态和较大的能态不均匀性，这使其粒化过程大大加 快． 另外，粗杆状共晶硅的熔断、粒化过程还受硅原 子扩散能力的控制． 脉冲电流可加速原子的扩散迁 移过程，这为共晶硅的粒化过程创造了条件． 熔断 后的枝条长度越短，原子从条状晶两端向中部扩散 迁移而使其厚度增加就越容易，粒化就越快． 有些 较长的共晶硅枝条需要通过多次熔断而成为短条 状，如果来不及进一步熔断，则将以条状或短条状的 形态存在于合金中． 因此，最终出现以粒状为主加 上少量短条状的混合形态． 2. 2 脉冲电流对球墨铸铁中石墨形态的影响 图 4( a) 是球墨铸铁的铸态组织，图 4( b) 是正 常热处 理 后 球 墨 铸 铁 的 组 织． 比 较 图 4 ( a ) 和 图 4( b) 可以看出，铸态球墨铸铁在 920 ℃保温3 min 后，石墨球的直径变大． 图 4 ( c) 为脉冲电流处理 下，球墨铸铁从室温加热到 920 ℃并保温 3 min 的组 织，图 4( d) 为球墨铸铁在 920 ℃ 保温 3 min 的同时 施加脉冲电流的组织． 从图中可以看出，与相同工 艺的正常高温石墨化处理相比，脉冲电流处理后，原 有石墨球的直径并没有明显增加． 表 1 给出了不同 处理条件下原有石墨的平均似圆度值． 可以看出， 不管在室温还是高温施加脉冲电流，原有石墨的平 均似圆度都略有增加． 另外，从图 4( c) 和 4( d) 中还可以看出，不管 在室温还是高温施加脉冲电流，组织中都出现了 新生的小石墨． 在室温施加脉冲电流后，新生石墨 主要在渗碳体附近形成． 在高温施加脉冲电流后， 新生石墨主要在奥氏体晶界形核，如图中箭头所 示． 将脉冲电流处理后的试样打断，观察试样断口 截面的扫描电镜组织如图 5 所示． 从图中可以看 ·1240·
第10期 李青春等：脉冲电流对热处理过程中非金属相形态的影响 ·1241· 出，新生小石墨长成球状.与原有石墨相比，新生 如果新生石墨继续长大，圆形小石墨有可能会 石墨的圆整度较高，这是因为新生石墨还比较小， 变形. d 图4正常处理与脉冲电流处理后球墨铸铁的组织.()铸态组织：(b)正常热处理：()室温加脉冲电流处理：()高温加脉冲电流处 Fig.4 Microstructures of the ductile cast iron after normal and electropulsing heating:(a)as-cast:(b)normal heat treating:(c)applying pulse current at room-emperature:(d)applying pulse current at high temperature 图5脉冲电流处理时石墨的形状.(a)原有石墨：(b)新生石墨 Fig.5 Shape of graphite after electropulsing heating:(a)original graphite:(b)fresh graphite 塞积.这些位错塞积促进渗碳体分解的同时也为新 表1不同处理条件下原有石墨的平均似圆度 Table 1 Average round-shaped degree of graphite at different treatment 生石墨的形核创造了有利位置.在时间短、升温速 conditions 度快的情况下，碳原子来不及远程扩散，新生石墨只 球墨铸铁的 正常热 室温加 高温加 能在渗碳体附近形核.在球墨铸铁的高温石墨化中 处理条件 铸态组织 处理 脉冲电流脉冲电流 施加低密度脉冲电流时，球墨铸铁的温度升高并不 平均似圆度 0.59 0.62 0.65 0.63 大，因此热压应力很小.但是，脉冲电流促使晶界上 位错滑移和攀移以及晶界上的空位浓度增加，渗碳 室温下施加高密度脉冲电流时，球墨铸铁的温 体分解后的碳原子沿晶界的扩散速率迅速增加，因 度迅速升高.在温度升高的过程中，由于受到热压 此新生石墨主要在奥氏体晶界处形核 应力和电磁收缩力的作用，在渗碳体附近形成位错 脉冲电流作用下，当位错遇到原有石墨时，由于
第 10 期 李青春等: 脉冲电流对热处理过程中非金属相形态的影响 出，新生小石墨长成球状． 与原有石墨相比，新生 石墨的圆整度较高，这是因为新生石墨还比较小， 如果新 生 石 墨 继 续 长 大，圆形小石墨有可能会 变形． 图 4 正常处理与脉冲电流处理后球墨铸铁的组织． ( a) 铸态组织; ( b) 正常热处理; ( c) 室温加脉冲电流处理; ( d) 高温加脉冲电流处 理 Fig． 4 Microstructures of the ductile cast iron after normal and electropulsing heating: ( a) as-cast; ( b) normal heat treating; ( c) applying pulse current at room-temperature; ( d) applying pulse current at high temperature 图 5 脉冲电流处理时石墨的形状． ( a) 原有石墨; ( b) 新生石墨 Fig． 5 Shape of graphite after electropulsing heating: ( a) original graphite; ( b) fresh graphite 表 1 不同处理条件下原有石墨的平均似圆度 Table 1 Average round-shaped degree of graphite at different treatment conditions 处理条件 球墨铸铁的 铸态组织 正常热 处理 室温加 脉冲电流 高温加 脉冲电流 平均似圆度 0. 59 0. 62 0. 65 0. 63 室温下施加高密度脉冲电流时，球墨铸铁的温 度迅速升高． 在温度升高的过程中，由于受到热压 应力和电磁收缩力的作用，在渗碳体附近形成位错 塞积． 这些位错塞积促进渗碳体分解的同时也为新 生石墨的形核创造了有利位置． 在时间短、升温速 度快的情况下，碳原子来不及远程扩散，新生石墨只 能在渗碳体附近形核． 在球墨铸铁的高温石墨化中 施加低密度脉冲电流时，球墨铸铁的温度升高并不 大，因此热压应力很小． 但是，脉冲电流促使晶界上 位错滑移和攀移以及晶界上的空位浓度增加，渗碳 体分解后的碳原子沿晶界的扩散速率迅速增加，因 此新生石墨主要在奥氏体晶界处形核． 脉冲电流作用下，当位错遇到原有石墨时，由于 ·1241·
·1242· 北京科技大学学报 第33卷 石墨较软，石墨处相当于孔洞，位错遇到石墨不会产 (田吴洋，唐国翌，丁飞，等.镁合金丝材的电致塑性拉拔研 生位错塞积.因此，碳原子向原有石墨的扩散没有 究.有色金属，2007,59(2)：10) B]Zhou Y Z,Xiao S H,Guo J D.Recrystallized microstructure in 受到影响.另外，渗碳体分解后的碳原子在渗碳体 cold worked brass produced by electropulsing treatment.Mater 附近或奥氏体晶界上形成新生石墨，阻碍了碳原子 Lt,2004,58(12/13):1948 向原有石墨的扩散.因此，与相同工艺的正常热处 4]Mizubavashi H.Takemoto R.Seki Y.Collective motion of many 理相比，脉冲电流处理后，原有石墨的直径并没有明 atoms in amorphous alloys induced under passing electric current. 显变大.在正常高温石墨化时，并没有外加驱动力 Mater Sci Eng A,1996,217/218:384 使位错塞积在渗碳体附近，新生石墨并没有有利的 [5]Zhang W,Sui M L,Zhou Y Z,et al.Evolution of microstructures in materials induced by electropulsing.Micron,2003,34(35): 形核位置.因此，正常的高温石墨化退火中，渗碳体 189 分解后的碳原子主要向原有石墨扩散并使之长大， [6]Li Q C,Li R X,Chang G W,et al.Research of microstructure of 组织中并没有出现新生的石墨. spherical graphite iron by electropulsing annealing.Mater Process 综上所述，脉冲电流通过影响非金属相周围位 Technol,.2009,209(4):2015 错的行为及原子的扩散，进而影响非金属相的形态 Li QC,Chang G W,Zhai QJ.Cementite decomposition in spher- ical graphite iron by electropulsing.Mater Sci Technol,2009,25 3结论 (2):199 8] Wang Q,Wang C J,Liu T,et al.Control of solidified structures (1)不管在室温还是在高温对铝硅合金进行脉 in aluminum-silicon alloys by high magnetic fields.Mater Sci., 冲电流处理，共晶硅的粒化速度都明显加快 2007,42(24):10000 (2)与相同工艺的高温石墨化过程相比，球墨 9]Radjal A,Miwa K.Effects of the intensity and frequency of elec- tromagnetic vibrations on the microstructural refinement of hypoeu- 铸铁经脉冲电流处理后，原有石墨的直径没有明显 tectic Al-Si alloys.Metall Mater Trans A,2000,31(3):755 增大，但原有石墨的平均似圆度略有增加，组织中出 [10]Liu X B,Takamori S,Osawa Y.Effect of matrix structure on ul- 现了一些新生的球状小石墨. trasonic attenuation of ductile cast iron.J Mater Sci,2007,42 (3)脉冲电流作用下非金属相周围位错的行为 (1):179 及原子的扩散是决定非金属相形态变化的主要原因 [11]Wu YY,Liu X F,Jiang B G,et al.Eutectic nucleation in Al- 25wt.Si alloy through DSC.Rare Met,2010,29(1):62 [12]Conrad H,Sprecher A F.Dislocations in Solids.Amsterdam: 参考文献 Elsevier,1989:497 [Hummel R E.Electromigration and related failure mechanisms in [13]Cheng K J.Cheng S Y.On the stability of dislocation.Rare Met integrated circuit interconnect.Int Mater Rev,1994,39(3):97 Mater Eng,2002,31(2):81 Tian H Y,Tang G Y,Ding F,et al.Research on electroplastic (程开甲，程漱玉.论位错的稳定存在。稀有金属材料与工 drawing of Mg-alloy wire.Nonferrous Met,2007,59 (2):10 程，2002,31(2)：81)
北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 石墨较软，石墨处相当于孔洞，位错遇到石墨不会产 生位错塞积． 因此，碳原子向原有石墨的扩散没有 受到影响． 另外，渗碳体分解后的碳原子在渗碳体 附近或奥氏体晶界上形成新生石墨，阻碍了碳原子 向原有石墨的扩散． 因此，与相同工艺的正常热处 理相比，脉冲电流处理后，原有石墨的直径并没有明 显变大． 在正常高温石墨化时，并没有外加驱动力 使位错塞积在渗碳体附近，新生石墨并没有有利的 形核位置． 因此，正常的高温石墨化退火中，渗碳体 分解后的碳原子主要向原有石墨扩散并使之长大， 组织中并没有出现新生的石墨． 综上所述，脉冲电流通过影响非金属相周围位 错的行为及原子的扩散，进而影响非金属相的形态． 3 结论 ( 1) 不管在室温还是在高温对铝硅合金进行脉 冲电流处理，共晶硅的粒化速度都明显加快． ( 2) 与相同工艺的高温石墨化过程相比，球墨 铸铁经脉冲电流处理后，原有石墨的直径没有明显 增大，但原有石墨的平均似圆度略有增加，组织中出 现了一些新生的球状小石墨． ( 3) 脉冲电流作用下非金属相周围位错的行为 及原子的扩散是决定非金属相形态变化的主要原因． 参 考 文 献 ［1］ Hummel R E． Electromigration and related failure mechanisms in integrated circuit interconnect． Int Mater Rev，1994，39( 3) : 97 ［2］ Tian H Y，Tang G Y，Ding F，et al． Research on electroplastic drawing of Mg-alloy wire． Nonferrous Met，2007，59( 2) : 10 ( 田昊洋，唐国翌，丁飞，等． 镁合金丝材的电致塑性拉拔研 究． 有色金属，2007，59( 2) : 10) ［3］ Zhou Y Z，Xiao S H，Guo J D． Recrystallized microstructure in cold worked brass produced by electropulsing treatment． Mater Lett，2004，58( 12 /13) : 1948 ［4］ Mizubayashi H，Takemoto R，Seki Y． Collective motion of many atoms in amorphous alloys induced under passing electric current． Mater Sci Eng A，1996，217 /218: 384 ［5］ Zhang W，Sui M L，Zhou Y Z，et al． Evolution of microstructures in materials induced by electropulsing． Micron，2003，34( 3-5) : 189 ［6］ Li Q C，Li R X，Chang G W，et al． Research of microstructure of spherical graphite iron by electropulsing annealing． J Mater Process Technol，2009，209( 4) : 2015 ［7］ Li Q C，Chang G W，Zhai Q J． Cementite decomposition in spherical graphite iron by electropulsing． J Mater Sci Technol，2009，25 ( 2) : 199 ［8］ Wang Q，Wang C J，Liu T，et al． Control of solidified structures in aluminum-silicon alloys by high magnetic fields． J Mater Sci． ， 2007，42( 24) : 10000 ［9］ Radjal A，Miwa K． Effects of the intensity and frequency of electromagnetic vibrations on the microstructural refinement of hypoeutectic Al-Si alloys． Metall Mater Trans A，2000，31( 3) : 755 ［10］ Liu X B，Takamori S，Osawa Y． Effect of matrix structure on ultrasonic attenuation of ductile cast iron． J Mater Sci，2007，42 ( 1) : 179 ［11］ Wu Y Y，Liu X F，Jiang B G，et al． Eutectic nucleation in Al- 25wt． % Si alloy through DSC． Rare Met，2010，29( 1) : 62 ［12］ Conrad H，Sprecher A F． Dislocations in Solids． Amsterdam: Elsevier，1989: 497 ［13］ Cheng K J，Cheng S Y． On the stability of dislocation． Rare Met Mater Eng，2002，31( 2) : 81 ( 程开甲，程漱玉． 论位错的稳定存在． 稀有金属材料与工 程，2002，31( 2) : 81) ·1242·