铸铁中各形态石墨间的相互转变

D0I:10.13374/j.issm1001-053x.1989.02.022 第11卷第2期 北京科技大学学报 Vo1.11No.2 1989年3月 Journal of University of Science and Technology Beijing Mar,1989 铸铁中各形态石墨间的相互转变 杨平宋维钖 韩其勇 王亚男 (北京科技大学) (鞍山钢铁学院) 捕要：采用定向凝固方法，并借助金相显微镜和扫描电镜等手段，研究了饰含量 的变化对铸铁中各形态石量间相互转变的影响。发现：在控制界面准进速度不变的条件下， 陆饰含量的增加，可从片状石虽依次向过冷石墨、婚墨，枝品间石墨、球缺状石最连续转变， 这种转变是逐惭进行的。与文献〔1门的结论相结合，可以得出：球墨、罐曼、片曼之间的转 变是可逆的。此外，还发现在韩含量高的情况下，石最与奥氏体仍可进行密合共品生长。 关健词：定向凝固、铸铁，石圣 The Morphology Transition between Various Forms of Graphites in Unidirectional Solidification Yang Ping Song Weixi Han Qiyong Wang Yanan ABSTRACT:The influences of content of cerium on the transition of various forms of graphites in casting iron is studied by means of undirectional solidification,optical microscope and scanning electron microscope.The conclusions are that,as the content of cerium is increased gradually,the flake graphite can transformed successively to supercooled graphite,vermicular graphite,interdendrile vermicular graphite and sector-like graphite under a constant moving speed of interface between solid and liquid.According to the resulls of reference1),the conclusion is drawn that the morphology transition between nodular graphite,vermicular graphite and flake graphite is reversiblc.Besides,the coupling cutectic growth between graphite and austenilc is observed even in a liquid of high content of cerium. KEY WORDS:unidirectional solidification,cast iron,graphite 1988一01一27收篇 I21

第 卷第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 。 、 尸 。 铸铁 中各形态石墨 间的相互转变 杨 平 宋维 扬 韩其勇 王 亚 男 北京 科伎大学 鞍 山钢 铁学 院 摘 要 采 用定向凝 固方 法 ， 并借助 金 相 显微 镜 和扫描 电镜 等 手段 ， 研 究 了沛 含 里 的 变化 对铸 铁 中各形 态石 虽 间相 互 转 变的 影响 。 发 现 在控 制界 面推 进速度 不 变的条件 下 ， 随 钵 含欣的 增加 ， 可从 片状石虽依次 向过冷 石 墨 、 拐 墨 、 枝晶 间石墨 、 球缺 抉 石墨连 续转 变 ， 这 种转 变是 逐 渐 进行 的 。 与 文献〔 门的 结论 相 结合 ， 可 以得 出 球 里 、 姗盛 、 片墨之 间 的 转 变是 可逆的 。 此 外 ， 还 发现 在沛含盆高的情 况 下 ， 石 虽 与奥氏休 仍可 进行密 合 共 晶生 长 。 关健词 定 向凝 固 、 铸铁 ， 石 墨 月 甲 抢 林 平 月 。 皿 ， ‘ ， ， ， 认 ， 一 〔 〕 ， ‘ ， ， ， ， 一 一 收 稿 甲 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1989．02．022

片墨、蠕墨、球墨之间的相互关系早已受到人们的广泛重视。这里所说的相互关系是指 片墨上长出蠕墨或球墨，或相反的过程。而不是指分别形核及生长。冷速的提高及球化剂量 的增加有利于使片墨转变为球墨已得到肯定。文献〔2〕通过浇注楔形试样发现：在球化剂含 量不变时，随冷却速度的提高，有利于球墨的形成。但未细致考察各形态石墨是如何相互转 变的。文献〔3)通过分析不同镁含量下的石墨形态得出：通过分枝，片墨、蠕量、球墨之间 可以互相转变。文献〔1)采用定向凝固方法，控制界面推进速度不变，发现：随稀土的不断 烧损，石墨形态连续地由球墨向松枝状石墨、蠕墨、过冷石墨、片墨转变，并预示这种转变 应是可逆的。为此，本实验仍采用定向凝固方法，控制固液界面推进速度不变，考察在逐渐 增加铈含量时，由片墨向蠕墨、球墨转变的可能性及其细节。 1实验过程 试样采用首钢生铁栋制，其成分为3.88%C,2,06%Si,0.067%P,0.023%S, 0.64%Mn。熔炼参数为： 试样号：D-6 行走时间：12min(未加Ce)/10min(第1次)/ 重量：55.5g 10min(第2次) 保温：1450°C 电机电压：150V 加铈：第1次加0,4g第2次加0.5g推进速度：22mm/h 定向凝固装置同文献〔1)，试样尺寸约中10mm×60mm,氩气保护，凝固时试样由支架固 定，炉体由直流电机带动，可使其平稳匀速上升，以确保定向凝固效果。 生铁熔化后，先使其定向生长一段，然后向熔体中加金属，为保证平直的固液界面不 受干扰，加铈时要格外小心，不搅动。因氧化铝坩埚与铈作用很剧烈，所以第1次加铺后 10min再加1次铈，以延长石墨在高铈熔体中生长的时间。再次行走10mn后，淬入水中， 以保留固液界面。最后将试样沿其轴向对称剖开进行分析。 2实验结果及讨论 实验表明，向正在单向生长的片墨铸铁熔体中加金属铈，由于界面推进速度不变，引起 石墨形态的变化主要是由于铈含量的不同引起的。 160μm 图1从左向右为生长方向 Fig.1 Growing from left to right side 125

片墨 、 蠕墨 、 球墨之 间的相互关系早 已受到人们 的广泛重视 。 这里 所说的相互 关系是指 片 墨上长出蠕墨或球墨 ， 或 相反 的过 程 。 而 不是 指分别 形 核及生长 。 冷 速 的提 高及 球化剂 量 的增加有 利 于使片 墨转 变为球墨 已得到肯定 。 文 献 〔 〕通过 浇注 楔 形试 样 发现 在 球化 剂 含 量不变时 ， 随冷 却 速度 的提高 ， 有利于球墨 的形成 。 但 未细致 考察各形态 石墨是 如 何相 互转 变 的 。 文 献 〔 〕通过分 析不 同镁含量下的石 墨形态 得 出 通 过分 枝 ， 片墨 、 蠕 墨 、 球 墨 之 间 可 以互相转 变 。 文献 〔 〕采 用定 向凝 固方法 ， 控 制界 面推 进 速度 不 变 ， 发现 随 稀 土 的 不 断 烧 损 ， 石 墨 形态连续地 由球墨 向松 枝状石 墨 、 蠕 墨 、 过 冷石 墨 、 片 墨 转变 ， 并预 示 这种转 变 应是可 逆的 。 为此 ， 本 实验 仍采用定 向凝 固方法 ， 控 制固 夜界 面推 进 速 变不 变 ， 考察 在逐渐 增加 钵含 量时 ， 由片墨 向蠕墨 、 球墨转 变的可 能 性 及 其细 节 。 实验过程 试 样 采 用 首 钢 生 铁 炼 制 ， 其 成 分 为 ， ， ， ， 。 ， 。 熔 炼参 数 为 试 样号 一 行 走时 未加 第 次 重 量 第 次 保 温 电机 电压 加 钵 第 次加 第 次加 推进速度 定 向凝 固装置 同 文献 〔 〕 ， 试 样尺寸约 必 ， 氢 气保护 。 凝 固时试 样 由支架 固 定 ， 炉 体 由直流 电机带 动 ， 可使 其 平稳 匀速上升 ， 以 确保定 向凝 固效 果 。 生铁 熔化 后 ， 先使 其定 向生长一 段 ， 然 后 向熔体 中加金属钵 ， 为 保 证平直 的 固液界面不 受干 扰 ， 加饰时要 格 外 小 心 ， 不搅 动 。 因氧 化 铝增涡 与钵作 用很剧 烈 ， 所以 第 次 加 钵 后 扭 再加 次钵 ， 以延 长 石 墨在 高钵熔体中生长 的时 间 。 再 次行走 。 。 初 后 ， 淬入 水 中 ， 以 保 留 固液界面 。 最 后将试 样沿 其轴 向对 称剖开 进 行分 析 。 实验结果及 讨论 实验 表 明 ， 向正在单 向生长 的片墨 铸铁熔体 中加 金属钵 ， 由于 界面推进 速度不 变 ， 引起 石 墨 形 态 的 变化主要是 由于饰含量 的不 同引起 的 。 勿 李 哭 ‘件帐、 用必 ， 德老 缪 参枷 ‘ 令 考 ，像 淤 梦、 粼 尹滩 ︸ · 一 衡︸ 、 解 一公火‘ 违瞥 、严妙于 蒸 夕 卜、 藉寥 ﹃ 一笋犷 耐 感扒犷一 图 从 左 向右为 生 长方 向 尽 亡 ‘

在图1中，从左向右沿生长方向出现了3个区域，其中粗片墨区为未加铈时的石墨形 态，石墨基本上以恒定的片间距向前生长。加铈后，形成了粗蠕墨区域，石量中的大部分被 奥氏体阻断而停止生长，其片间距明显增大，且由平直的片墨变为卷曲的蠕墨，接着出现枝 晶间石墨区，这时石墨生长的方向性不明显，见图1。在粗蠕墨前也生长出球团状石墨， 见图1b。由于没有孕育作用，同时，单向生长也不利于具有对称性的球墨的形成，所以石 墨的圆整度很差。 第2次加铈后，生长出的石墨形态见图2。与纯Fe-C-Si球铁中常出现的枝晶间石墨 (最后凝固区域)的形态相同，采用电子探计测出石墨中富集铈。这种石墨能够高度共晶生 长说明：铈含量高的熔体不一定形成球墨。 借助于扫描电镜可进一步考察各形态石墨之间转变的细节。 2.1片墨向过冷石墨再到粗蠕墨的转变或片显直接向粗蠕墨的转变 试样经抛光后，不经浸蚀，用光学显微镜已可粗略观察到这种转变，见图8。为进一步 考察转变的细节，用扫描电镜进行了观察。图4给出由片墨转变成粗蠕墨时各部位的形貌。 图4a中箭头为两枝尚未转变的片墨，其表面原先比较平滑，呈板状。显然是由于加人铈原 子的作用，而使其表面变得凹凸不平，但在尚未充分生长前已被奥氏体封闭。另外两枝片墨 已转变成蠕墨，并有一定程度的生长，但从蠕墨杆部、根部的形貌来看，它仍保留着片墨的 一些特征。即仍具有板片状结构特点，但厚度较大，只有在其端部（图4）才呈圆弧形，而 这里恰是其生长的终点，具有蠕墨的显著特征。这说明石墨生长时一且以基面与液相接触， 则很容易被奥氏体包围而停止生长。球墨的生长即是如此。 80um 图2第2次加Cc后的石墨形态（固液界面处） 图3从片墨或过冷石墨长成蠕墨 Fig.2 Morphology of graphite at solid and Fig.3 Flake graphites transform vermi- liquid interface when cerium cular or supercooled graphite added sccondly 图5给出从过冷石墨转变为粗蠕墨的过程。可以看到：所谓过冷石墨其实质是分散度较 大的共晶团的组织组分。其空间组织形同一朵蔷薇花的花瓣，但花瓣较直，无明显卷曲，见 图5a。图5b现示出从过冷石墨共品团中生长出来的粗蠕墨，根部和端部的形态（从略）。 这里，蟠墨的立体形貌近似为卷曲片状，它不同于高稀土条件下产生的杆状蠕墨。另外，还 应特别指出的是：这里的‘过冷石墨'，并不是过冷度增大的结果，因为，试样是以恒定的速 度单向推进的，它只能是铈原子作用的结果。 126

在图 中 ， 从左 向右沿 生长 方向出现 了 个 区域 ， 其 中粗片墨 区为未加 钵时 的 石 墨 形 态 ， 石墨 基本上以 恒定 的片 间距 向前生长 。 加 钵后 ， 形成 了粗蠕墨 区域 ， 石墨 中的大部分被 奥 氏体阻 断而 停止 生长 ， 其片 间距 明显增大 ， 且 由平直 的片 墨 变为卷 曲的蠕墨 ， 接 着出现 技 晶间石墨 区 ， 这 时石墨 生长 的方向性不 明显 ， 见 图 。 在粗蠕墨前也生长 出球 团状 石 墨 ， 见 图 。 由于没有 孕 育作 用 ， 同时 ， 单 向生长 也 不利于具有 对称性 的球墨 的形成 ， 所 以 石 墨 的圆整 度很差 。 第 次加 钵后 ， 生长 出 的石 墨 形态 见 图 。 与纯 一 一 球铁 中常 出现 的枝 晶间 石 墨 最 后 凝 固区域 的形 态相 同 ， 采 用 电子探 计测 出石墨 中富集 钵 。 这 种石墨 能够高度共 晶生 长 说 明 钵含量高的熔体不一 定 形成 球墨 。 借 助于 扫描 电镜可进一 步考察各 形 态 石墨之 间转 变 的细 节 。 。 片 皿 向过 冷石 皿再 到粗蠕 皿的 转变或 片皿 直接 向粗蠕 墨 的 转变 试 样经抛光 后 ， 不经 浸蚀 ， 用 光 学显微 镜 已可 粗略观察到 这 种转 变 ， 见 图 。 为进 一 步 考察转 变的细节 ， 用 扫描 电镜进行 了观察 。 图 给 出 由片 墨转 变成 粗蠕墨 时各 部位 的形 貌 。 图 中箭头 为 两枝 尚未转 变 的片墨 ， 其表 面原先 比较 平滑 ， 呈 板状 。 显 然是 由于加 人 饰原 子 的作 用 ， 而使 其表面 变得 凹 凸不平 ， 但在 尚未充分 生长 前 已被 奥氏体封闭 。 另外 两枝片 墨 已转变成 蠕 墨 ， 并有一定 程度 的生长 ， 但从蠕墨 杆部 、 根 部 的形貌来看 ， 它 仍保 留着片墨 的 一 些 特征 。 即仍具有 板片状结 构特点 ， 但厚度 较大 ， 只 有在其端部 图 才呈 圆弧 形 ， 而 这 里恰是其生长 的终 点 ， 具有 蠕墨 的显著特征 。 这 说 明石 墨 生长 时一旦 以基面与液相接触 ， 则很容易被 奥氏体包 围而 停止生长 。 球墨 的生长 即是如 此 。 荔 晰 、 咧巍 图 第 次 加 后 的 石 墨 形 态 固液界面 处 图 从 片 墨 或 过 冷石 墨 长 成 蠕 墨 邻川孔 认由痴硒‘ 刁 一 图 给 出从过冷 石墨转 变为粗蠕墨 的过 程 。 可 以看到 所 谓过冷 石墨 其 实质是 分散度较 大 的共 晶 团 的组织 组分 。 其空 间组织形 同一 朵 蔷薇花 的花 瓣 ， 但花瓣 较直 ， 无 明显卷 曲 ， 见 图 。 图 现 示 出从 过 冷石 墨共 晶 团 中生长 出来 的粗蠕 墨 ， 根 部和端 部的形 态 从 略 。 这 里 ， 蠕墨 的立体形貌近似为卷 曲片状 ， 它 不 同于 高稀土 条件 下产生 的 杆状 蠕 墨 。 另外 ， 还 应 特别 指出的是 这 里 的 ‘ 过冷石墨 ’ ， 并 不是 过冷 度增大 的结 果 ， 因为 ， 试 样是 以恒定 的速 度单 向推进 的 ， 它 只 能是 钵原 子 作 用 的结 果 。 吴母

6511008 图43深蚀后的照片 图4b蠕墨根部 Fig,4a Morphology of graphite with Fig.4b The root of vermicular graphite sample decply etched 图4c媛墨杆部 图44蠕最端部 Fig.4c The rod of vermicular graphite Fig,4d The end of vermicular graphite 2,2从粗蠕墨向枝晶间蠕墨的转变 由图1可以看出，当粗蠕墨被奥氏体完全包围后，会发生单相奥氏体的单向生长，但这 种生长过程由于要向液相中排碳而不会持久，当碳在凝固界面富集到一定程度后石墨就会重 新形核生长。这在光学显微镜下已经可以看到；枝晶间蠕墨大部分是重新形核生长的。然而试 样深蚀后经扫描电镜观察发现：有些粗蠕墨可一直生长成为枝晶间石墨，见图6（注意比较图 258 图5a片墨转变成的过冷石墨共品团 图5b过冷石登上长出蠕罗 Fig,5a A cutectic cell of super- Fig.5b Vermicular graphite from super- cooled graphite cooled graphite cutectic cell 127

图 深蚀后 的照 片 图 蠕 墨 根部 勺 乍 图 蠕墨杆部 图 蠕墨端部 。 从 粗蛾 皿 向枝 晶 间蟋 皿的转变 由图 可 以看 出 ， 当粗蠕墨被奥 氏体完全包围后 ， 会发生单 相奥氏体的单 向生长 ， 但这 种生长过程 由于要 向液 相 中排碳 而 不会 持久 ， 新形核生长 。 这 在光 学显微镜 下 已经可 以 看到 当碳 在凝 固界面 富集到一 定程 度后石墨就 会重 枝 晶间蠕墨大部分是重 新形核 生长 的 。 然而试 样深蚀后经 扫描 电镜观察发现 有 些 粗蠕墨可 一 直生长成 为枝 晶间石墨 ， 见图 注意 比较图 卜 图 片 墨转 变成的过冷石 墨 共 晶团 图 过冷石 墨上 长出蠕 墨

6100 B0-PHRI 图6a从蠕疑过渡到枝品间蠕量 图6b蠕墨延仲引枝品间石量区 Fig.6a Transition from vermicular to Fig.6b a higher magnification of interdendrite graphite graphite in a part of Fig.7a 1a与6a的各石墨区)。这意味着，在空间上，奥氏体不能完全阻断所有石墨的生长，图1 仅为一个剖面上的现象。图6b左上角的空洞为奥氏体枝晶在深蚀时被溶解后留下来的痕迹。 这里的枝晶间蠕墨不同于过冷石墨，它已完全不具有片墨的特征了。 23蠕曼及枝晶间石墨与球墨的关系 从图1b已看到，随铈含量的提高，在片墨前出现蠕最，继而形成大量的球墨。这里主 要讨论从蠕墨上长出球墨的可能性，而不是独立形核而长出的球墨。 一般来说，每一球墨都应具有自已的单独核心以及“扇形”体结构，因此，一个完整的 球墨不大可能从蠕墨或枝晶间石墨转变而来。试验表明，当稀土含量增加时，粗蠕墨或枝晶 间石墨只能在其端部生长成球缺状石晏，而不能称之为球墨：但从生长机理讲，这两者是相 同的。从图7可看出，枝晶间石墨在被奥氏体包围之前已长成球缺形端部。光学显微镜下看 到的一组平行于生长方向的小胞状体（见图Ta,)还未得到充分生长就被奥氏体枝晶挡住了。 图7b中石墨的表面有与球墨表面相同的层状结构，说明其沿c轴生长。 162t90 M62318题0uPM 图7a深蚀后的形貌（球缺状石婴） 图7b高倍照片表明具有球墨结为 Fig.7a Morphology of sector-like Fig.7b At high magnification showing a graphite structure of nodular graphite 综上所述，根据本实验结果，结合文献〔)所得结论（随稀土含量下降，球墨可向松枝状 石墨、蠕墨、过冷石墨、片状石墨转变)可得出：各种形态石墨间的相互转变是可逆的，既可 由球墨向着片墨方向转变，也可由片墨向着球墨方向转变。并且这种转变完全是在生长过程 128

图 从 蠕墨 过 渡 到 枝 晶 间 蠕墨 图 蠕 墨 延 伸到 枝 晶 间石 墨 区 与 的各石墨 区 。 这 意 味着 ， 在空间上 ， 奥 氏体 不能 完全 阻 断所有石墨 的生长 ， 图 仅 为一 个剖 面上 的现象 。 图 左 上角灼空 洞 为奥 氏体 枝 晶 在深 蚀 时 被 溶 解 后 留 下 来 的痕 迹 。 这 里 的枝 晶间蠕墨 不 同于过冷 石墨 ， ‘ 之已完全 不具有片 墨 的特 征 了 。 蛹 墨 及枝 晶 间石 皿与球 墨 的 关 系 从 图 已 看到 ， 随 钵含量 的提 高 ， 在片墨 前 出现蠕 墨 ， 继而形成 大 量 的球墨 。 这 里 主 要 讨 论从蠕墨 长 出球墨 的可 能 性 ， 而 不是 独 立 形 核而长 出的球墨 。 一般 来说 ， 每 一 球墨 都应具有 自己的单独核心 以 及 “ 扇 形 ” 体 结 构 ， 因此 ， 一 个完整的 球墨 不大可 能从 蠕墨 或 枝 晶 间石墨 转变而来 。 试 验 表 明 ， 当稀 土 含量增加 时 ， 粗蠕墨 或枝 晶 间石墨 只 能 在其 端部生长成 球 缺状 石墨 ， 而 不能称之 为球 墨 但从 生 长机 理 讲 ， 这 两者是 相 同的 。 从 图 了可 看 出 ， 枝 晶 间石墨 在被 奥 氏体 包 围之 前 已长成 球缺 形端部 。 光 学 显微镜下看 到 的一 组平 行于 生长 方 向 的小 胞状体 见 图 了 ， 还未 得到 充分 生长就被 奥 氏体枝 晶挡住 了 。 图 中石墨 的表面有 与 球墨 表 面相 同的层 状 结 构 ， 说 明其沿 。 轴生长 。 图 深 蚀 后 的 形 貌 球 缺 状 石 墨 一 图 高倍照 片表 明 具 有球 墨 结 沟 甲 综 上所述 ， 根据 本 实验结 果 ， 结合文献 〔 〕所得结论 随稀土含量 下降 ， 球墨 可 向 松枝状 石墨 、 蠕墨 、 过 冷 石墨 、 片 状 石墨转 变 可 得 出 各 种形态石墨 间 的相 互转 变是 可 逆的 ， 既可 由球墨 向着片墨 方 向转变 ， 也可 由片墨 向着球墨 方 向转 变 。 并且 这 种转变完全是 在生长过 程