稀土在离心灰铸铁管中的作用

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1991.06.021 北京斜技大学学报 第13卷第6期 Vol,13No.6 1991年11月 Journal of University of Science and Technology Beijing Nov.1991 稀土在离心灰铸铁管中的作用 宋维锡·熊仲明·王明强·戴纯茹·粟翠云 摘要：利用光学显微镜和扫描电镜并结合电子探针和化学分析，研究了稀土在离心灰 ,铁管中的作用。结果表明，在保证灰口饰铁的先决条件下，普通离心灰韩铁管的组织，尽 管可随基本化学成分和，造条件的不同而变化，但其特征是组织粗大且很不均匀，并有明显 的分层现象。加入微量稀土后，无论显微组织和宏观组织都显著趋于细化和均匀化，同时， 化学成分的偏析也有明显改著。 关镜词：稀土灰铁，离心储管，组织 The Role of RE in Centrifugal-Casting Grey Cast Iron Pipes Song Weixi·Xong Zhungming'Wang Minggiang· Dai Chunru Su Caiyun ABSTRACT:By means of OPM,SCM,EP and chemical analysis,the role of RE in centrifugal-casting grey cast iron pipes is studied,The results show that the structures are very course and heterogeneous in glay cast iron pipes for ordinary centrifugal-casting.When a suitable quantity of RE is added into the melt during pouring,both the macro-and microstructures become fine and homo- geneous,and the degree of chemical segregation is also considerably reduced, KEY WORDS:RE grey cast iron,centrifugal-casting pipe,structure 铸铁的组织及其组织转化，在金属材料中是最复杂的，如何控制和改善铸铁组织，是铸 铁生产者长期探讨的重要课题之一。 1990-09-17牧到初稿，1991-07-03收到悠改篇 ·治金系(Department of Metallurgy) ··树料科学与工程系(Department of Materials Science and Engincering) 526

给 卷第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 成 。 了 ， 。 ， 稀土在离心灰铸铁管中的作用 宋维锡一 熊仲 明二 王 明 强 ‘ 戴纯茹” 粟翠云 摘 要 利 用光学显微镜和 扫描电镜并结合电子探针和 化学 分析 ， 研究了稀土在离心 灰 铸铁管中的 作用 。 结果表明 ， 在保证灰 口 铸铁的 先决条件下 ， 普通离心灰铸铁管的组织 ， 尽 管可随墓本化学成分和铸造条件的不 同而 变化 ， 但其特征是组织粗大且很不 均匀 ， 井有明显 的分层现象 。 加人徽量希土后 ， 无论 显微组织和 宏观组织都显著趋于细化和 均匀化 ， 同时 ， 化学成分的偏析也有明显改善 。 关健词 藉土灰铁 ， 离心铸管 ， 组织 一 夕 平 劣 ‘二 夕 “ 夕 平 ” 夕 ” 夕 夕 ’ 二 “ 九 ， ， 一 ， 五 。 “ 一 五 五 残 ， 一 ， 了 五 ， 一 ， 。 铸铁的组织及其组织转化 ， 在金属材料中是最 复杂的 ， 如何控制和改善铸铁组织 ， 是铸 铁生产者长期探讨的 重要课题之一 。 。 一 一 收到初稿 ， 一 一 收到修改稿 二 冶金系 习 亡 怪 材料科学与工 程系 护 血 皿 导 尽 立 书 写 君芍 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1991．06．021

铸铁的主要用途之一是制造铸铁管。目前我国铸铁管的年生产量约10t,其中大部分仍 为灰铁管1)，且其强度偏低是长期以来的突出问题之一，亟待解决。 本文着重揭示离心铸铁管组织的形成和变化规律，以期从根本上解决强度偏低的问 题。 1试验方法 模拟生产条件，在实验室自制的离心机上浇注离心管，其尺寸为中110mm×130mm×· (9.3~12.5)mm。沿其横断面制取金相试样，借光学显微镜和电镜分析其宏观和微观组织， 用逐层化学分析法和微区电子探针定量分析法分析各化学元素的分布，以探讨离心作用对组 织和成分的影响以及后二者的关系，特别是稀土的作用。 试样的化学成分(%)为：碳3.69~3.83，硅2.19~2.43，锰0.45~0.56，磷<0.10， 疏<0.07，FeSiRE加入量为0.0~0.6。 主要工艺参数：离心机转速为(1160~1400)r/min,铁水孕育处理温度为1540~ 1560℃，浇注温度为1290~1350℃。 光学显微组织分析按常规进行，扫描电镜组织分析采用盐酸溶液深蚀试样后进行。 2试验结果及分析讨论 图1（)是未加稀土的离心灰铁管管壁横断面的宏观组织，由外向内大致分为4个区域， 这些区域的显微组织如图1(b)、(©)所示。由图1(a)可以看出，区域I(靠近外壁区)显示 100:m (a)宏观组织 (b)(a)的I、I区放大 (c)(a)的I区放大 图1灰铁管壁横断面的组织(4%硝酸酒籍设蚀) Fig.1 The structurcs of grey cast iron pipe 527

铸铁的主要 用途之 一 是制造铸铁管 。 目前我 国铸铁 管的年生 产量约 ， 其 中大部分 仍 为灰铁管 〔 ” ， 且其强 度偏 低是长期 以来 的 突 出问题之 一 ， 亚待解决 。 本文 着重揭示离心铸铁管组织的形成和变化规律 ， 以期从根本上 解 决 强 度 偏 低 的 间 题 。 试验 方法 模拟生 产条件 ， 在 实验室 自制的离心机上浇 注 离心 管 ， 其尺寸 为们 火 一 。 沿 其横断 面制取金相试 样 ， 借 光 学显微镜和 电镜分 析 其宏 观和 微观组织 ， 用 逐层 化学分 析法和微区电 子探针 定量分 析法分 析各 化学 元素的分布 ， 以探 讨离心作 用对组 织和成分 的影响 以及后二 者的 关 系 ， 特别是 稀 土 的 作用 。 试样的 化学成分 为 碳 一 ， 硅 一 ， 锰 一 ， 磷 ， 硫 。 ， 加 人量 为 一 。 主要工 艺参数 离心机转速 为 铁 水孕 育 处 理 温 度 为 浇 注温 度为 一 ℃ 。 光学显微组织 分 析按 常规 进行 ， 扫描 电镜组织 分析采 用盐酸溶液深 蚀试 样后进行 。 试验结果及分析讨论 图 是未加 稀土的 离心灰铁 管管壁 横断 面的 宏 观组织 ， 由外向 内大致分 为 个区域 ， 这些区域 的显 微组织 如 图 、 所示 。 由图 “ 可 以看 出 ， 区域 靠 近外壁 区 显 示 图 琴 · 的 、 一 灰铁管 壁横断面 的组织 硝酸 酒精浸 蚀 争

出由外向里逐层凝固明显的特征；区域M和W则都具有明显的体积凝固特征；唯有区域I的 凝固特征不太明确。逐层凝固是以柱状奥氏体枝晶作为先导的，残留在奥氏体枝晶间的液 体，随后转变为石墨与奥氏体的共晶体。经金相分析表明，共晶体内石墨很细，所有的奥氏 体，特别是柱状枝晶奥氏体，在固态下都转变为铁素体和石墨的共析体。事实上，不仅区域 I,由区域I的未端起已失掉顺序凝固的特征，已分辩不出奥氏体枝晶与共晶体，只能看 出区域I主要是由较粗大的石墨与珠光体所组成的，铁素体的含量较少，最多不超过10%。 而在区域I的末端，或区域I、I的交界处， 存在着几乎完全由铁素体和较粗大的石墨所组 成的过渡区。区域Ⅲ与区域Ⅳ是相似的，其凝 固过程主要都是等轴（石墨与奥氏体的）共晶 球团的生核与成长过程，所不同的是共品球团 的大小以及凝固后共晶球团中奥氏体转变为珠 光体或铁素体与石墨共析体的相对程度有差 异。区域V比区域皿的共晶团数较少，而铁素 体化的程度则较高。值得指出的是，这些区域 中共晶团的铁素体化大多是由其内部起始并向 图2内层共晶团组织(4%硝酸酒精浸蚀) 外扩展到一定程度后便停止了，剩余的部分则 Fig,2 The microstructure of an eutectic 转变为珠光体，参见图2。 cell inner layer in Figl 对上述几个区域石墨分布形态的观察表明，由区I到区I,除了紧靠模壁一层有少部分 较粗大的石墨外，其他石墨则是由很细小的点状或细片状向粗片状逐步转变的。区域I、W 中的石墨尺寸相差较小，区域I呈典型的B型分布，区域W则介于A型与B型分布之间。 共晶球团经盐酸溶液深蚀后的扫描电镜组织如图3所示，可以看出，同一共晶团中的石 墨尽管是相互贯通的，但其形态及尺寸相差却很大。图8(a)为一种类型，其中部为曲折细 小的石墨，而外缘则为较平直的粗大石墨；图3(b)是另一类型，其中心部分的石墨反而粗 大，其形状近似星状。这说明，前者是由共品核心起始而成长起来的，而后者则是由石墨核 心起始并以星状形式成长到一定程度后，才开始共晶的。 图3共品球团扫描电镜组织（盐酸溶液泾蚀） Fig.3 SEM micrograph of eutectic cells 图4(a)是经0,2%的FeSiRE孕育后的宏观组织，与图1(a)相对比，不难看出，整体组织 已显著细化并均匀化了。 528

出 由外向 里逐层 凝 固明显 的特征 区域 和 则都具 有 明显 的 体积 凝 固特 征 唯有区域 的 凝 固特征不太 明确 。 逐层 凝 固是 以柱状奥 氏体枝 晶 作为 先导的 ， 残 留在 奥 氏体枝 晶 间 的 液 体 ， 随后转变 为石 墨 与奥 氏体的 共晶体 。 经金相分 析表 明 ， 共晶 体 内石墨很细 ， 所有的奥 氏 体 ， 特 别是柱状枝 晶奥 氏体 ， 在 固态下 都转变 为铁素体和石墨 的 共析体 。 事 实上 ， 不 仅区域 ， 由区域 工的 末端起 已失掉顺序 凝 固的 特 征 ， 已分 辩不 出奥 氏体枝 晶与共晶体 ， 只 能 看 出区域 主要 是 由较 粗 大的石墨 与珠 光体所组成 的 ， 铁素体的 含量较 少 ， 最多不 超过 。 而在 区域 的 末端 ， 或 区域 、 的 交界处 ， 存在 着几乎完全 由铁素 体和较粗大的 石墨 所组 成 的过渡区 。 区域 与区域 是相似的 ， 其凝 固过程主要 都是等轴 石墨 与奥 氏体的 共晶 球 团的生核 与成长过程 ， 所不 同的是共晶球 团 的大小以及凝固后共晶球 团中奥 氏体转变 为珠 光体或铁素体与石墨 共析体的 相对 程 度 有 差 异 。 区域 比区域 工的 共 晶 团数较 少 ， 而铁素 体化的程度则较 高 。 值 得指 出的 是 ， 这些 区域 中共晶 团的铁素体化大多是 由其内部起始并向 外扩展到一定程度后便停止 了 ， 剩余的 部分 则 转变 为珠光体 ， 参见图 。 图 内层共晶团组织 硝酸酒情浸蚀 主 呈 对上述 几个 区域 石墨分 布形 态的观察表 明 ， 由区 到 区 ， 除 了紧靠模壁一层有少部分 较粗大的 石墨 外 ， 其他石墨则是 由很细小的 点状或 细片状向粗片状逐步转变 的 。 区域 、 中的 石墨尺寸相差较 小 ， 区域 呈 典型的 型分布 ， 区域 则介于 型 与 型分布之 间 。 共晶球 团 经盐酸溶液深蚀后的 扫描电镜 组织 如图 所示 ， 可 以看 出 ， 同一共晶 团中的石 墨 尽管是相互贯通 的 ， 但其形 态及尺寸 相差 却很 大 。 图 为一种类型 ， 其中部为曲 折 细 小的 石墨 ， 而 外缘则 为较 平直的粗大石墨 图 是 另一类型 ， 其 中心部分 的石墨反 而 粗 大 ， 其形状 近似星状 。 这说 明 ， 前者是 由共晶核 心起始 而成 长起 来的 ， 而后者则是 由石墨核 心起始并以 星状形 式成长 到一定程度后 ， 才开始共晶的 。 图 共 晶球团扫描电镜组织 盐酸溶液浸蚀 图 是经。 的 孕 育后的 宏观组织 ， 与图 相对 比 ， 不难看 出 ， 整体组织 已 显著细化并均匀化了

(a)宏观组织影(b)(a)的外层放大：(c)(a)的中层放大：(d)(a)的内层放大 图1加入FeSiRE(2%RB)的灰，铁管壁断面组织 Fig.4 The structures of RE (2%)treated grey cast iron pipe (a)中层 (b)内层 图5 FeSiRE加人量为0,2%的石最组织 Fig.5 The graphite structures of RE (0.2%)treated pipe 组织之所以细化和均匀化，首先是由于共晶团尺寸的普遍减小和管壁内外层趋于均匀 化；其次是各处石圣的形态和大小以及基体组织中的珠光体或铁素体的相对尺寸和相对数量 都得到一定程度的细化和均匀化。参见图4(b)、(c)、(d)及图5(a)、(b),并与图1相对照。 此外，由图5还可以看出，靠近管壁内表层比之中层出现了较多的星状石墨，这些星状石墨 周围也大多围绕着一定宽度的铁素体，见图4（©）。这至少意昧着加人稀土后，管壁内层石墨 的形核率增大了。中层共晶团数的增加，显然与石墨形核率的增大有关。正由于共晶团数的 529

的外层放 大 的 中层放大， 图 加人 的 灰铸铁管壁断面 组 织 中层 内层 图 加 人 量 为。 的石 墨 组 织 丁 组织之 所以细化和 均 匀 化 ， 首 先是 由于 共 晶 团尺寸 的普遍减 小和 管壁 内外层 趋 于 均 匀 化 其次是各处石墨的 形 态和 大小 以及基体组织 中的珠 光体或铁素体的 相对尺寸 和 相对数量 都得到一定程度的细化和 均 匀化 。 参 见图 、 、 及 图 、 ， 并 与图 相对照 。 此 外 ， 由图 还可 以看 出 ， 靠 近管壁 内表 层 比之 中层 出现 了较 多的 星状石墨 ， 这些 星状 石 墨 周围也大多围 绕着一定宽度的 铁素 体 ， 见 图 。 。 这至 少意昧 着加 人 稀 土后 ， 管壁 内层 石墨 的形核率增大 了 。 中层共晶团数的增加 ， 显然 与石墨形核率的增大有关 ， 正 由于 共 晶团数的 昌

增多，而使每个共晶团内外层的石墨尺寸差也显著缩小了。 普通离心铸铁管沿管壁横断面组织的严重不均匀性所导致的显著分层现象，显然是和铁 水相对于模壁的旋转运动及其所产生的离心场对铁水凝固的特殊作用分不开的。 由图1(b)可以看出，凝固初期，尽管铁水相对于模壁作旋转运动，但由于模壁的作用， 仍与静态凝固相似，依然沿模壁生核并基本上沿垂直于模壁的方向成长，铁水的相对运动仅 能在凝固界面产生剪切作用。这种剪切作用，一方面会使枝晶削薄，被剥薄的降枝我片受离 心力场的作用，轻者如石墨等将向内层飘浮，它或者继续成长或者重熔；重者如奥氏体等则 有向外浮的趋势，紧贴凝固界面而继续成长。前者应是中、内层等轴晶的来源之一，后者则 应是外层奥氏体枝晶取向混乱的原因之一。 达到稳态后，即铁水相对于模壁或凝固层的运动停止后2)，且热流的方向性也不大显 著时，即应完全达到体积凝固阶段，此时在剩余整个液体中，各处生核和成长基本是一致 的。 但只要还有液体，离心场自始至终都会起作用，这种作用会使铁水中所溶解的元素和包 含的夹杂物以及在其中成长的晶体，分别按其有效重度3)的大小发生内浮和外沉现象。其 结果是，即使在整体凝固区，也会产生宏观偏析现象〔4)，成分的偏析更促使组织的不均匀 4.4 0.14r 0.9r D. D4 0 4.2 0.B6 0,2%fe5iE, 086 B 0,12 0,8 4.0 0.10 0.7 3.8 0.00.6 3.6 0.06 0.5 3.4 0.5 2.5 4.5 6.58.510.5 0.04 0.4 The distance from out side of the pipe wall/mm 0.02 0.3 0.2 0.5 2.5 4.5 6.58510.5 The distance from out side of the pipe wall/mmi 图6管横壁断面上碳含盘变化曲线 图7管壁横断面上锰、硫的分布 Fig.6 The change of C%across Fig.7 The Changes of Mn%and S% the pipe wall across the pipe wall 2.6 0.055860.2 FeSiPE 2.4 0.04 2.2 0.03 2.0 0.02 1.8 0 0.5 2.5 4.5 6.58.510.5 0.016 0.5 2.5 4.56.58.510.5 The distance from out side The distance from out side of the pipe wall/mm of the pipe wall/mm 图8管壁横断面上硅含量变化曲线 图9管壁横断上铈的分布 Fig.8 The change of Si%across Fig.9 The change of Ce%across the the pipe wall pipe wal! 530

增多 ， 而使每个共晶 团内外层的石墨尺寸差 也显著缩小 了 ， 普通离心铸铁管沿管壁横断 面组织 的严重不均匀性所导致的显著分 层现 象 ， 显 然是和铁 水相对于模壁的旋转运动及其所产生 的 离心场对铁 水凝固的 特殊作用分不开 的 。 由图 可 以看 出 ， 凝 固初期 ， 尽管铁 水相对于模壁作旋 转运动 ， 但由于模 壁的 作用 ， 仍 与静态凝固相似 ， 依然沿模壁生核并基本上 沿垂直于模壁的 方向成长 ， 铁水的 相对运动仅 能在 凝 固界面产生剪切 作 用 。 这种剪切作用 ， 一方面会使枝晶削薄 ， 被剥薄的碎枝残片受 离 心力场的 作用 ， 轻者如石墨 等将向 内层飘浮 ， 它或者继续成 长或者重熔 重者如奥氏体等则 有 向外浮的趋势 ， 紧贴凝 固界面而继续成 长 。 前者应是 中 、 内层 等轴晶的来源之 一 ， 后者则 应 是外层奥 氏体枝晶取向 混乱的原因之一 。 达到稳 态后 ， 即铁 水相对于模壁或凝固层的 运动停止后 亡 “ ’ ， 且热流的方向性也不 大 显 著时 ， 即应 完全达到 体积凝 固阶段 ， 此时在剩余整个液体中 ， 各处生核和 成长基 本 是 一 致 的 。 但只要 还有液体 ， 离心场 自始至 终都会起作 用 ， 这种作用会使 铁水中所溶解的元素和 包 含的夹杂物以 及在 其中成长的 晶体 ， 分 别按其有效重度 〔 “ ’ 的 大小 发生 内浮和外沉现象 。 其 结果是 ， 即使在整体凝 固区 ， 也会产生 宏观偏 析现 象 〔 弓 ’ ， 成汾的偏析更 促使组织的不均匀 斗 一 「 一 。 · 日 】 儿 “ ‘ 一 奋 污艺 口户一 。 夺 。 。 了 演 。 崎人，‘ … ， 欲口 ， 。 多 日 ， 钩 。 。 南 〔 ‘ 一匕 ‘ 口口户口刃 叉了矛飞 图 管横壁断面上碳含量变化 曲线 日 钊 而 ， 图 管壁横断面 上锰 、 硫 的分布 。 五 纂 · 价 一 ‘ 恤 ， ， 日 · 气 上尺 气、 ’ 弓 阅 。 尸 丫 钊 上 卜 图 管壁横断面上硅 含量变化曲线 图 管壁横断上钵的分布 尸 万 二