脉冲电流参数对过共晶高铬铸铁近液相线熔化后凝固组织的影响

第36卷第2期 北京科技大学学报 Vol.36 No.2 2014年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feb.2014 脉冲电流参数对过共晶高铬铸铁近液相线熔化后凝固 组织的影响 陈 华2)，周荣锋)四，张玲”，周荣” 1)昆明理工大学材料科学与工程学院，昆明6500932)昆明理工大学机电工程学院，昆明650504 3)昆明理工大学分析测试研究中心，昆明650093 ☒通信作者，E-mail:zhourfchina(@hotmail.com 摘要对过共晶高铬铸铁近液相线溶化后的凝固过程进行脉冲电流处理，研究了脉冲电流参数（脉冲电压和频率）对凝固 组织的影响.发现脉冲频率和电压的增大都有助于过共晶高铬铸铁凝固组织中碳化物的细化和粒化.脉冲频率的增大促进 大量细小颗粒状初生碳化物的析出，离异共晶现象变得更加明显，层片状共晶碳化物减少.脉冲电压的增加促进初生碳化物 细化和粒化，片状共晶碳化物变短.过高的电压也促进离异共晶，导致更多的初生碳化物的形成. 关键词铸铁：脉冲电流：凝固：组织：碳化物：晶粒细化：粒化 分类号TG143.7 Effect of electric current pulse parameters on the solidification microstructure of hypereutectic high-chromium cast iron near-liquidus melted CHEN Hua,ZHOU Rong feng ZHANG Ling,ZHOU Rong 1)School of Materials Science and Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650093,China 2)School of Mechanical and Electrical Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650504,China 3)Research Center of Analysis and Test,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650093,China Corresponding author,E-mail:zhourfchina@hotmail.com ABSTRACT Solidification of hypereutectic high-chromium cast iron samples near-liquidus melted was treated with electric current pulse (ECP).The effects of ECP parameters such as electric voltage and pulse frequency on the solidification microstructure were in- vestigated during the treatment.It is found that increasing the pulse frequency or electric voltage is helpful to carbide refinement and granulation in the cast iron.The increase of pulse frequency promotes the precipitating of a large number of fine granular primary car- bides and the occurrence of a divorced eutectic reaction,which lead to the decrease in number of lamellar eutectic carbides.The in- crease of electric voltage contributes to the primary carbides refining and granulating as well as the lamellar eutectic carbides shorten- ing.An excessive voltage value can also be favorable to the occurrence of a divorced eutectic reaction and the formation of additional primary carbides KEY WORDS cast iron:electric current pulse:solidification:microstructure;carbides;grain refinement:granulation 高铬铸铁因组织中存在大量M,C,型碳化物有 高铬铸铁.对于过共晶高铬铸铁，由于出现粗大的 力地增强了材料的磨损抗力，在治金、矿山、水泥、电 长杆状初生碳化物，导致其韧性急剧下降，从而降低 力、煤炭等领域承受高温、腐蚀、冲击和冲刷磨损的 其使用寿命，若能使碳化物数量进一步增加但又使 过流工况下被广泛应用).目前常用的是亚共晶 其不以粗大的碳化物形态出现，这样不仅可改善冲 收稿日期：2012-1208 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51261011)：云南省平台建设项目(2010DH025):云南省人才培养基金资助项目(2009C024) DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2014.02.006:http://journals.ustb.edu.cn

第 36 卷 第 2 期 2014 年 2 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 36 No． 2 Feb． 2014 脉冲电流参数对过共晶高铬铸铁近液相线熔化后凝固 组织的影响 陈 华1，2) ，周荣锋1，3) ，张 玲1) ，周 荣1) 1) 昆明理工大学材料科学与工程学院，昆明 650093 2) 昆明理工大学机电工程学院，昆明 650504 3) 昆明理工大学分析测试研究中心，昆明 650093  通信作者，E-mail: zhourfchina@ hotmail． com 摘 要 对过共晶高铬铸铁近液相线溶化后的凝固过程进行脉冲电流处理，研究了脉冲电流参数( 脉冲电压和频率) 对凝固 组织的影响． 发现脉冲频率和电压的增大都有助于过共晶高铬铸铁凝固组织中碳化物的细化和粒化． 脉冲频率的增大促进 大量细小颗粒状初生碳化物的析出，离异共晶现象变得更加明显，层片状共晶碳化物减少． 脉冲电压的增加促进初生碳化物 细化和粒化，片状共晶碳化物变短． 过高的电压也促进离异共晶，导致更多的初生碳化物的形成． 关键词 铸铁; 脉冲电流; 凝固; 组织; 碳化物; 晶粒细化; 粒化 分类号 TG 143. 7 Effect of electric current pulse parameters on the solidification microstructure of hypereutectic high-chromium cast iron near-liquidus melted CHEN Hua1，2) ，ZHOU Ｒong-feng1，3)  ，ZHANG Ling1) ，ZHOU Ｒong1) 1) School of Materials Science and Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650093，China 2) School of Mechanical and Electrical Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650504，China 3) Ｒesearch Center of Analysis and Test，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650093，China  Corresponding author，E-mail: zhourfchina@ hotmail． com ABSTＲACT Solidification of hypereutectic high-chromium cast iron samples near-liquidus melted was treated with electric current pulse ( ECP) ． The effects of ECP parameters such as electric voltage and pulse frequency on the solidification microstructure were in￾vestigated during the treatment． It is found that increasing the pulse frequency or electric voltage is helpful to carbide refinement and granulation in the cast iron． The increase of pulse frequency promotes the precipitating of a large number of fine granular primary car￾bides and the occurrence of a divorced eutectic reaction，which lead to the decrease in number of lamellar eutectic carbides． The in￾crease of electric voltage contributes to the primary carbides refining and granulating as well as the lamellar eutectic carbides shorten￾ing． An excessive voltage value can also be favorable to the occurrence of a divorced eutectic reaction and the formation of additional primary carbides． KEY WOＲDS cast iron; electric current pulse; solidification; microstructure; carbides; grain refinement; granulation 收稿日期: 2012--12--08 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51261011) ; 云南省平台建设项目( 2010DH025) ; 云南省人才培养基金资助项目( 2009CI024) DOI: 10． 13374 /j． issn1001--053x． 2014． 02． 006; http: / /journals． ustb． edu． cn 高铬铸铁因组织中存在大量 M7C3型碳化物有 力地增强了材料的磨损抗力，在冶金、矿山、水泥、电 力、煤炭等领域承受高温、腐蚀、冲击和冲刷磨损的 过流工况下被广泛应用［1--3］． 目前常用的是亚共晶 高铬铸铁． 对于过共晶高铬铸铁，由于出现粗大的 长杆状初生碳化物，导致其韧性急剧下降，从而降低 其使用寿命，若能使碳化物数量进一步增加但又使 其不以粗大的碳化物形态出现，这样不仅可改善冲

·178 北京科技大学学报 第36卷 击韧性，而且将进一步提高耐磨性，使过共晶高铬铸 间空隙填充密封以防金属液外流.将上述带电极组 铁在冲蚀磨损工况中的应用成为可能 合试样放入管式电阻炉中，用铜芯线连接电极与高 20世纪90年代初期，Nakada等因首先研究脉 压脉冲电源 冲电流(electric current pulse,ECP)作用下低熔点 S-15%P%合金凝固过程，发现凝固组织中初生相 由树枝状变为球状.之后国内外大量的科研人员就 脉冲电流对低熔点合金凝固过程的影响进行了大量 研究)，肯定了脉冲细化凝固组织的作用，提出了 脉冲孕育形核，枝晶碎断及晶雨等细化机制0 对于高熔点合金特别是铁基合金的凝固过程， a一刚玉管：b一电极：c一试样：一水玻璃砂：c一管式电阻炉：f一 脉冲处理效果有所不同1-.有研究表明脉冲电 脉冲电源 流不能完全消除树枝状晶或柱状晶回；也有研究表 图2脉冲电流处理凝固过程装置示意图 明脉冲电流对组织无明显细化作用).笔者所在 Fig.2 Sketch of the ECP experimental apparatus 课题组对过共晶高铬铸铁凝固过程进行脉冲电流处 将试样缓慢加热至1360℃，保温3min至试样 理的研究表明，脉冲电流使得高铬铸铁中碳化物细 熔化，随后断电随炉冷却，从1360℃开始冷却时即 化及颗粒化4均：但高铬铸铁中碳化物的电导率比 施加脉冲，冷却过程中对熔体施加脉冲电流处理 剩余液相的电导率小两个数量级6切，与现有大部 3.5min的（脉冲电流处理结束立即取出试样，发现 分研究的细化对象有所区别回，其中碳化物的细化 试样仍为糊状半固态)，脉冲处理结束继续炉冷至 和粒化机理将有所区别. 室温.用电火花切割将试样从中部截断并制备金相 本文以过共晶高铬铸铁为研究对象，研究了脉 试样.用Leica EZ4D型光学显微镜观察金相组织并 冲电压和频率对过共晶高铬铸铁凝固组织中碳化物 进行组织照片采集.用Image tool图像分析软件对 的影响，初步探讨了脉冲电流细化碳化物的机理. 金相组织进行定量分析. 1实验材料及方法 2 实验结果与分析 实验所用过共晶高铬铸铁成分（质量分数）为 图3为脉冲电流处理后过共晶高铬铸铁的凝固 4.21%C、22.40%Cr和1.61%Si,在中频感应熔 组织.为方便讨论，实验过程中对试样进行了无施 炼炉中熔炼，浇注出Φ18mm×150mm的棒状试样. 加脉冲电流的相同加热熔化和炉冷凝固过程处理， 试样经打磨去除氧化皮和粘砂备用，其铸态组织如 组织如图3(a)所示.与铸态试样组织（图1）相比， 图1所示.差热分析(DTA)测得其液相线和固相线 加热熔化凝固后组织发生了很大的变化，对于初生 温度分别为1357℃和1289℃. 碳化物，大部分为尺寸较小的颗粒状碳化物，其中出 现部分尺寸较大的带有空洞的六角形初生碳化物 (图3(a)),粗大杆状碳化物消失.对于共晶碳化 物，铸态条件下为长片状，且片层间距较宽（图1）， 加热熔化后炉冷（图3(a)),共晶碳化物变得细密， 碳化物片变短，片间距缩小，且共晶碳化物围绕着尺 寸较为粗大的初生碳化物生长，呈现出以初生碳化 物为核心向外辐射生长的模式.另外，在共晶团周 100um 围出现条状的碳化物 可见，经过近液相线加热熔化后，过共晶高铬铸 图1过共品高铬铸铁铸态组织 铁的凝固组织中初生碳化物和共晶碳化物比铸态的 Fig.1 As cast microstructure of hypereutectic high-chromium cast 都发生了细化甚至部分粒化.这可能是因为近液相 iron 线熔化后，熔体中的共晶碳化物完全熔化，而部分初 脉冲电流处理实验装置如图2所示.将尺寸为 生碳化物未完全熔化呈细小核心弥散分布于熔体 中l8mm×150mm的试样放入刚玉管中部，将镍质电 中，后续炉冷过程中熔体内部保持较为均匀的温度 极与试样紧密接触，用水玻璃砂将电极与刚玉管之 而抑制碳化物定向生长，杆状初生碳化物和长片层

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 击韧性，而且将进一步提高耐磨性，使过共晶高铬铸 铁在冲蚀磨损工况中的应用成为可能［4--5］． 20 世纪 90 年代初期，Nakada 等［6］首先研究脉 冲电流( electric current pulse，ECP) 作用下低熔点 Sn--15% Pb 合金凝固过程，发现凝固组织中初生相 由树枝状变为球状． 之后国内外大量的科研人员就 脉冲电流对低熔点合金凝固过程的影响进行了大量 研究［7--8］，肯定了脉冲细化凝固组织的作用，提出了 脉冲孕育形核、枝晶碎断及晶雨等细化机制［9--10］． 对于高熔点合金特别是铁基合金的凝固过程， 脉冲处理效果有所不同［11--15］． 有研究表明脉冲电 流不能完全消除树枝状晶或柱状晶［12］; 也有研究表 明脉冲电流对组织无明显细化作用［13］． 笔者所在 课题组对过共晶高铬铸铁凝固过程进行脉冲电流处 理的研究表明，脉冲电流使得高铬铸铁中碳化物细 化及颗粒化［14--15］; 但高铬铸铁中碳化物的电导率比 剩余液相的电导率小两个数量级［16--17］，与现有大部 分研究的细化对象有所区别［9］，其中碳化物的细化 和粒化机理将有所区别． 本文以过共晶高铬铸铁为研究对象，研究了脉 冲电压和频率对过共晶高铬铸铁凝固组织中碳化物 的影响，初步探讨了脉冲电流细化碳化物的机理． 1 实验材料及方法 实验所用过共晶高铬铸铁成分( 质量分数) 为 4. 21% C、22. 40% Cr 和 1. 61% Si，在中频感应熔 炼炉中熔炼，浇注出 18 mm × 150 mm 的棒状试样． 试样经打磨去除氧化皮和粘砂备用，其铸态组织如 图 1 所示． 差热分析( DTA) 测得其液相线和固相线 温度分别为 1357 ℃和 1289 ℃ ． 图 1 过共晶高铬铸铁铸态组织 Fig． 1 As cast microstructure of hypereutectic high-chromium cast iron 脉冲电流处理实验装置如图 2 所示． 将尺寸为 18 mm × 150 mm 的试样放入刚玉管中部，将镍质电 极与试样紧密接触，用水玻璃砂将电极与刚玉管之 间空隙填充密封以防金属液外流． 将上述带电极组 合试样放入管式电阻炉中，用铜芯线连接电极与高 压脉冲电源． a—刚玉管; b—电极; c—试样; d—水玻璃砂; e—管式电阻炉; f— 脉冲电源 图 2 脉冲电流处理凝固过程装置示意图 Fig． 2 Sketch of the ECP experimental apparatus 将试样缓慢加热至 1360 ℃，保温 3 min 至试样 熔化，随后断电随炉冷却，从 1360 ℃ 开始冷却时即 施加脉冲，冷却过程中对熔体施加脉冲电流处理 3. 5 min［15］( 脉冲电流处理结束立即取出试样，发现 试样仍为糊状半固态) ，脉冲处理结束继续炉冷至 室温． 用电火花切割将试样从中部截断并制备金相 试样． 用 Leica EZ4D 型光学显微镜观察金相组织并 进行组织照片采集． 用 Image tool 图像分析软件对 金相组织进行定量分析． 2 实验结果与分析 图 3 为脉冲电流处理后过共晶高铬铸铁的凝固 组织． 为方便讨论，实验过程中对试样进行了无施 加脉冲电流的相同加热熔化和炉冷凝固过程处理， 组织如图 3( a) 所示． 与铸态试样组织( 图 1) 相比， 加热熔化凝固后组织发生了很大的变化，对于初生 碳化物，大部分为尺寸较小的颗粒状碳化物，其中出 现部分尺寸较大的带有空洞的六角形初生碳化物 ( 图 3( a) ) ，粗大杆状碳化物消失． 对于共晶碳化 物，铸态条件下为长片状，且片层间距较宽( 图 1) ， 加热熔化后炉冷( 图 3( a) ) ，共晶碳化物变得细密， 碳化物片变短，片间距缩小，且共晶碳化物围绕着尺 寸较为粗大的初生碳化物生长，呈现出以初生碳化 物为核心向外辐射生长的模式． 另外，在共晶团周 围出现条状的碳化物． 可见，经过近液相线加热熔化后，过共晶高铬铸 铁的凝固组织中初生碳化物和共晶碳化物比铸态的 都发生了细化甚至部分粒化． 这可能是因为近液相 线熔化后，熔体中的共晶碳化物完全熔化，而部分初 生碳化物未完全熔化呈细小核心弥散分布于熔体 中，后续炉冷过程中熔体内部保持较为均匀的温度 而抑制碳化物定向生长，杆状初生碳化物和长片层 · 871 ·

第2期 陈华等：脉冲电流参数对过共晶高铬铸铁近液相线熔化后凝固组织的影响 ·179· 状的共晶碳化物比例降低.同时，由于大量存在的 化物呈辐射状模式生长，但共晶碳化物片层间距变 弥散核心起到弥散形核的效果，总体来讲其碳化物 宽，碳化物片厚度增大，部分共晶团内碳化物呈颗粒 尺寸比铸态的要细小 状，共晶团周围的条状碳化物也变短变粗.随着脉 2.1脉冲电流频率对过共晶高铬铸铁凝固组织的 冲频率增大到30Hz(图3(c)),较大尺寸初生碳化 影响 物周围共晶团依稀可见，但不再呈辐射状模式生长， 图3(b)~(d)为脉冲电压U(500V)一定时， 共晶团内部只出现少部分的片状碳化物，大部分为 随着脉冲频率∫的增加而处理的高铬铸铁凝固组 颗粒状碳化物，发生了向初生碳化物转变的趋势，使 织.脉冲频率较小（图3(b)中f为15Hz)时，相比于 得初生碳化物的数量进一步增加.频率进一步增大 图3(a)中的组织，脉冲电流处理后组织中尺寸较大 到45Hz(图3(d)),组织中共晶团消失，只在初生碳 的初生碳化物依然存在，而细小初生碳化物颗粒增 化物附近出现少量片层状共晶组织，且碳化物片的 多.大部分共晶碳化物依然绕着尺寸较大的初生碳 厚度有所增大，其余的碳化物全部为颗粒状初生碳 100m 100n 100m 100m 图3不同脉冲电流频率和电压处理后的高铬铸铁凝固组织.(a)U=0V,f=0Hz:(b)U=500V,f=15Hz:(c)U=500V,f=30Hz:(d) U=500V,f=45Hz:(e)U=1000V,f=15Hz:(f0U=1400V,f=15Hz Fig.3 Solidification microstructures of the high-chromium cast iron after ECP treatment with different frequencies and voltages,respectively:(a)U =0V,f=0Hz;(b)U=500V,f=15Hz:(c)U=500V,f=30Hz:(d)U=500V,f=45Hz:(e)0=1000V,f=15Hz:(0U=1400V,f =15Hz

第 2 期 陈 华等: 脉冲电流参数对过共晶高铬铸铁近液相线熔化后凝固组织的影响 状的共晶碳化物比例降低． 同时，由于大量存在的 弥散核心起到弥散形核的效果，总体来讲其碳化物 尺寸比铸态的要细小． 图 3 不同脉冲电流频率和电压处理后的高铬铸铁凝固组织． ( a) U = 0 V，f = 0 Hz; ( b) U = 500 V，f = 15 Hz; ( c) U = 500 V，f = 30 Hz; ( d) U = 500 V，f = 45 Hz; ( e) U = 1000 V，f = 15 Hz; ( f) U = 1400 V，f = 15 Hz Fig． 3 Solidification microstructures of the high-chromium cast iron after ECP treatment with different frequencies and voltages，respectively: ( a) U = 0 V，f = 0 Hz; ( b) U = 500 V，f = 15 Hz; ( c) U = 500 V，f = 30 Hz; ( d) U = 500 V，f = 45 Hz; ( e) U = 1000 V，f = 15 Hz; ( f) U = 1400 V，f = 15 Hz 2. 1 脉冲电流频率对过共晶高铬铸铁凝固组织的 影响 图 3( b) ～ ( d) 为脉冲电压 U ( 500 V) 一定时， 随着脉冲频率 f 的增加而处理的高铬铸铁凝固组 织． 脉冲频率较小( 图3( b) 中 f 为15 Hz) 时，相比于 图 3( a) 中的组织，脉冲电流处理后组织中尺寸较大 的初生碳化物依然存在，而细小初生碳化物颗粒增 多． 大部分共晶碳化物依然绕着尺寸较大的初生碳 化物呈辐射状模式生长，但共晶碳化物片层间距变 宽，碳化物片厚度增大，部分共晶团内碳化物呈颗粒 状，共晶团周围的条状碳化物也变短变粗． 随着脉 冲频率增大到 30 Hz( 图 3( c) ) ，较大尺寸初生碳化 物周围共晶团依稀可见，但不再呈辐射状模式生长， 共晶团内部只出现少部分的片状碳化物，大部分为 颗粒状碳化物，发生了向初生碳化物转变的趋势，使 得初生碳化物的数量进一步增加． 频率进一步增大 到 45 Hz( 图 3( d) ) ，组织中共晶团消失，只在初生碳 化物附近出现少量片层状共晶组织，且碳化物片的 厚度有所增大，其余的碳化物全部为颗粒状初生碳 · 971 ·

·180 北京科技大学学报 第36卷 化物，且具有相当比例的带空洞的空心碳化物.可 更为显著.另外，图4(a)显示，随着频率的增大，组 见，随着频率的增大，凝固过程出现离异共晶的趋势 织中初生碳化物平均等效直径逐渐减小. 70 70 (b) 65 60 60 50 45 45 40 35 35 30 10 20 30 40 02004006008001000120014001600 领率Hx 电压N 图4初生碳化物平均等效直径与脉冲电流频率()和电压(b)之间的关系 Fig.4 Relations of the average equivalent diameter of primary carbides with ECP frequency (a)and voltage (b) 由麦克斯维电磁理论图可知，当金属熔体通入 (图4) 脉冲电流J时，熔体中将出现变化的磁场B,电场与 2.2脉冲电压对过共晶高铬铸铁凝固组织的影响 磁场的交互作用则会产生电磁力(Lorentz力).单 图3(b)、(e)和(f)为脉冲频率f(15Hz)一定 次脉冲圆柱熔体内距中轴线，处产生的电磁力(F) 时，随着脉冲电压U的增大而处理的高铬铸铁凝固 的方向为沿径向指向中轴线.F的大小可以通过下 组织.如上所述，施加频率和电压都较小的脉冲电 式计算而得 流时，其中的初生碳化物和共晶碳化物的尺寸都有 F=JxB= 所增大（图3(b)).当电压升高到1000V时（图3 2 (1) ()),粗大的初生碳化物受到抑制，大部分为细小 式中：r为圆柱熔体中距中轴线的距离，m;J。为脉冲 初生碳化物（图4(）)并呈弥散分布，但尺寸较图3 电流密度，A·m2o为真空磁导率，4x×10-7H· (b)中细小初生碳化物要大些.共晶碳化物也呈均 m1,高温金属熔体温度远高于其居里温度，因此高 匀分布，围绕着初生碳化物呈辐射状生长的共晶团 铬铸铁熔体的磁导率为真空磁导率) 消失，共晶碳化物也不再呈规则的层片状出现，但其 在本实验范围内，当频率为15Hz时电流趋肤 片的长度有所变短，片的厚度增大.当脉冲电压继 深度约为154mm,频率为45Hz时电流趋肤深 续增大到1400V时（图3(f)),细小初生碳化物数 度n阁为89mm,而实验中圆柱试样半径为9mm,因 量进一步增加，同时还出现了较多的短杆状初生碳 此金属熔体中的电流可近似看成是均匀分布的. 化物，平均等效直径与1000V时基本接近（图4 从式(1)可以看出，电磁力从圆柱心部向外是 (b)).此时无空洞的实心初生碳化物居多，而且相 当一部分颗粒状初生碳化物边界不规整，在形状上 逐渐增大的.电磁力会对熔体产生压缩，促使熔体 与六角形初生碳化物有明显的区别.共晶碳化物的 产生搅拌.搅拌将进一步促使原子扩散，堆积速度 数量明显减少，以小共晶团或几个片层状分布于初 增加，未完全熔化的碳化物核心生长速度加快，初生 生碳化物之间，也出现了离异共晶现象 碳化物的形成几率增加.搅拌也促使后续共晶凝固 脉冲电压升高，脉冲电流产生的电迁移效果增 时共晶碳化物的厚度增大，碳化物片层间距增大 强，溶质原子的移动速率增加，一定条件下促进碳化 (图3(b)).随着脉冲频率的增大，熔体内部的搅拌 物长大导致碳化物粗化的几率增大；但最终碳化物 频率增大.这使得熔体中温度梯度和浓度梯度降 没有粗化反而细化，这跟熔体内部产生的焦耳热 低，碳化物的定向生长受到抑制：同时快速搅拌将加 有关 速熔体散热，过冷度增大，形核率增加：另外促使原 熔体通入脉冲电流时将产生焦耳热，从而会导 子扩散速度进一步加快，较高温度下形成的初生碳 致试样温升，其由下式计算得出吗： 化物的比例增多，离异共晶的现象变得越来越明显 (图3(c)和(d)),即使出现部分共晶碳化物，其片 △T=ipc,d）-'d. (2) 厚也相对增大（图3(d)).总的来说，由于形核率增 式中，△T为试样的温升，p为电阻率，jo为电流密度， 大，初生碳化物的尺寸随着频率的增大而逐渐细化 c,为试样比热容，d为试样密度，t为脉冲持续时间

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 化物，且具有相当比例的带空洞的空心碳化物． 可 见，随着频率的增大，凝固过程出现离异共晶的趋势 更为显著． 另外，图 4( a) 显示，随着频率的增大，组 织中初生碳化物平均等效直径逐渐减小． 图 4 初生碳化物平均等效直径与脉冲电流频率( a) 和电压( b) 之间的关系 Fig． 4 Ｒelations of the average equivalent diameter of primary carbides with ECP frequency ( a) and voltage ( b) 由麦克斯维电磁理论［18］可知，当金属熔体通入 脉冲电流 J 时，熔体中将出现变化的磁场 B，电场与 磁场的交互作用则会产生电磁力( Lorentz 力) ． 单 次脉冲圆柱熔体内距中轴线 r 处产生的电磁力( F) 的方向为沿径向指向中轴线． F 的大小可以通过下 式计算而得［16］． F = J × B = μ0 J 2 0 r 2 ． ( 1) 式中: r 为圆柱熔体中距中轴线的距离，m; J0为脉冲 电流密度，A·m － 2 ; μ0 为真空磁导率，4π × 10 － 7 H· m － 1，高温金属熔体温度远高于其居里温度，因此高 铬铸铁熔体的磁导率为真空磁导率［18］． 在本实验范围内，当频率为 15 Hz 时电流趋肤 深度［18］约为 154 mm，频率为 45 Hz 时电流趋肤深 度［18］为 89 mm，而实验中圆柱试样半径为 9 mm，因 此金属熔体中的电流可近似看成是均匀分布的． 从式( 1) 可以看出，电磁力从圆柱心部向外是 逐渐增大的． 电磁力会对熔体产生压缩，促使熔体 产生搅拌． 搅拌将进一步促使原子扩散，堆积速度 增加，未完全熔化的碳化物核心生长速度加快，初生 碳化物的形成几率增加． 搅拌也促使后续共晶凝固 时共晶碳化物的厚度增大，碳化物片层间距增大 ( 图 3( b) ) ． 随着脉冲频率的增大，熔体内部的搅拌 频率增大． 这使得熔体中温度梯度和浓度梯度降 低，碳化物的定向生长受到抑制; 同时快速搅拌将加 速熔体散热，过冷度增大，形核率增加; 另外促使原 子扩散速度进一步加快，较高温度下形成的初生碳 化物的比例增多，离异共晶的现象变得越来越明显 ( 图 3( c) 和( d) ) ，即使出现部分共晶碳化物，其片 厚也相对增大( 图 3( d) ) ． 总的来说，由于形核率增 大，初生碳化物的尺寸随着频率的增大而逐渐细化 ( 图 4) ． 2. 2 脉冲电压对过共晶高铬铸铁凝固组织的影响 图 3( b) 、( e) 和( f) 为脉冲频率 f ( 15 Hz) 一定 时，随着脉冲电压 U 的增大而处理的高铬铸铁凝固 组织． 如上所述，施加频率和电压都较小的脉冲电 流时，其中的初生碳化物和共晶碳化物的尺寸都有 所增大( 图 3( b) ) ． 当电压升高到 1000 V 时( 图 3 ( e) ) ，粗大的初生碳化物受到抑制，大部分为细小 初生碳化物( 图 4( b) ) 并呈弥散分布，但尺寸较图 3 ( b) 中细小初生碳化物要大些． 共晶碳化物也呈均 匀分布，围绕着初生碳化物呈辐射状生长的共晶团 消失，共晶碳化物也不再呈规则的层片状出现，但其 片的长度有所变短，片的厚度增大． 当脉冲电压继 续增大到 1400 V 时( 图 3( f) ) ，细小初生碳化物数 量进一步增加，同时还出现了较多的短杆状初生碳 化物，平均等效直径与 1000 V 时基本接近( 图 4 ( b) ) ． 此时无空洞的实心初生碳化物居多，而且相 当一部分颗粒状初生碳化物边界不规整，在形状上 与六角形初生碳化物有明显的区别． 共晶碳化物的 数量明显减少，以小共晶团或几个片层状分布于初 生碳化物之间，也出现了离异共晶现象． 脉冲电压升高，脉冲电流产生的电迁移效果增 强，溶质原子的移动速率增加，一定条件下促进碳化 物长大导致碳化物粗化的几率增大; 但最终碳化物 没有粗化反而细化，这跟熔体内部产生的焦耳热 有关． 熔体通入脉冲电流时将产生焦耳热，从而会导 致试样温升，其由下式计算得出［19］: ΔT = ∫ t 0 j 2 0 ρ( cpd) － 1 dt． ( 2) 式中，ΔT 为试样的温升，ρ 为电阻率，j0为电流密度， cp为试样比热容，d 为试样密度，t 为脉冲持续时间． · 081 ·

第2期 陈华等：脉冲电流参数对过共晶高铬铸铁近液相线熔化后凝固组织的影响 ·181· 500、1000和1400V电压下电流密度分别为252、 3结论 460和628Acm-2,计算所得500、1000和1400V电 压下在脉冲作用时间范围内试样的温升分别为 (1)脉冲电压和频率的增大都有利于碳化物的 0.487、1.63和3℃.可见电压较小时温升很小，当 细化和粒化. 电压增大试样温升增加，但在本实验范围内理论最 (2)脉冲电流频率的增大更有利于初生碳化物 大温升也才3℃，不足于完全融化碳化物. 的形成，过共晶高铬铸铁离异共晶现象明显，组织中 熔体内部通入脉冲电流时将产生焦耳热，焦耳 大部分为细小颗粒状初生碳化物.脉冲电压的增大 热功率密度（单位体积焦耳热）可通过下式计算 有利于获得弥散分布的细小初生碳化物颗粒和短小 而得0： 共晶碳化物共存组织.过高的脉冲电压也促进初生 碳化物的形成，产生离异共晶. (3) U 式中，σ为电导率，Sm 参考文献 电流通过内部析出细小碳化物的金属熔体时， 由于固液两相的电导率不同，流经两相的电流密度 [1]Chung R J,Tanga X,Li D Y,et al.Abnormal erosion-slurry ve- 不同.碳化物的电导率远远小于金属熔体的电导 locity relationship of high chromium cast iron with high carbon con- centrations.Wear.2011,271 (9/10):1454 率6一切，电流大部分将优先流经碳化物周围的液 2]Hao S J.High Chromium Cast Iron.Beijing:China Coal Industry 相，即电流围绕碳化物颗粒产生绕流效应.由式 Press,1993 (3)可知流经液相电流密度高，产生的焦耳热效应 (郝石坚.高铬耐磨铸铁.北京：煤炭工业出版社，1993) 大，导致碳化物周围液相温度升高.适当强度的电 B]Bratberg J.Frisk K.An experimental and theoretical analysis of 压（图3(b)中的500V和图3(e)中的1000V)产生 the phase equilibria in the Fe-Cr-V-C system.Metall Mater Trans A,2004,35(12):3649 的焦耳热效应有利于抑制碳化物的定向生长，从而 [4]Carpenter S D,Carpenter D,Pearce JT H.XRD and electron mi- 获得大量细小粒状碳化物：但过高的电压（图3(） croscope study of an as-east 26.6%chromium white iron micro- 中的1400V)将使熔体温度升高，促使碳化物过分 structure.Mater Chem Phys,2004,85:32 长大，甚至出现杆状碳化物.当然，由于在碳化物和 [5]Zhi X H,Xing J D,Fu H G,et al.Effect of titanium on the as- 熔体之间产生的瞬时焦耳热效应，对碳化物产生强 cast microstructure of hypereutectic high chromium cast iron.Ma- 烈的热冲击，将促使粗大的碳化物熔化分解，出 ter Charact,2008,59(9):1221 [6]Nakada M,Shiohara Y,Flemings M C.Modification of solidifica- 现如图3()中边界不规则的碳化物，由于分解是沿 tion structures by pulse electric discharging.IS/J Int,1990,30 着内部空洞进行，组织中实心碳化物的比例增加. (1):27 2.3脉冲电流频率和脉冲电压对过共晶高铬铸铁 [7]Barak J P,Sprecher A F,Conrad H.Colony (grain)size reduc- 凝固组织的影响的区别 tion in eutectic Pb-Sn castings by electroplusing.Scripta Metall 从图3脉冲电流细化和粒化过共晶高铬铸铁凝 Mater,1995,32(6):879 [8]Wang J Z,Cang D Q,Tang Y,et al.Effects of electronpulse in- 固组织来看，脉冲电流频率和电压的影响本质是有 oculation treatment on the solidified structure of Al-5.0%Cu alloy. 所区别的.频率的增大使得熔体的受迫搅拌速度加 Foundry,1995(4):21 快，破坏熔体内部微区产生的温度场和浓度场，促使 (王建中，苍大强，唐勇，等.电脉冲孕有处理对A5.0%Cu 碳化物首先以颗粒状弥散形核长大，剩余液相中溶 合金凝固结构的影响.铸造，1995(4)：21) 质溶度降低而低于平衡结品条件下的共晶成分，导 9] Ding H S,Zhang Y,Jiang Y,et al.Study progresses on the 致共晶组织比例降低，频率较小范围内的增大将显 effects of pulsed current on alloy melts and the solidification micro- structures of alloys.Rare Met Mater Eng,2009,38(1):180 著促进离异共晶的出现.电压的增大则利于原子的 (丁宏升，张永，姜三勇，等.脉冲电流影响合金熔体特征及 迁移，碳化物粗化的几率增加，一定的电压不会使得 其凝固组织的研究进展.稀有金属材料与工程，2009,38 共晶碳化物消失，但碳化物片变短且增厚，而脉冲电 (1):180) 流的焦耳热效应产生的热冲击有效地分解粗大的初 [10]He S X,Wang J,Zhou Y H.Effect of high density pulse electric 生碳化物，达到细化和粒化的目的.过高的脉冲电 current on the solidification structure of low temperature melt of A356 aluminium alloy.Acta Metall Sin,2002,38 (5):479 压也促进初生碳化物的形成，产生了离异共晶，但其 (何树先，王俊，周尧和.高密度脉冲电流对A356铝合金低 初生碳化物的细化和粒化主要是由于脉冲电流的焦 温熔体凝固组织的影响.金属学报，2002,38(5)：479) 耳热效应促使粗大初生碳化物分解的结果. [11]Zhang M,Ren X F,Li J H,et al.Effect of pulsing current on

第 2 期 陈 华等: 脉冲电流参数对过共晶高铬铸铁近液相线熔化后凝固组织的影响 500、1000 和 1400 V 电压下电流密度分别为 252、 460 和 628 A·cm － 2，计算所得 500、1000 和 1400 V 电 压下在脉冲作用时间范围内试样的温升分别为 0. 487、1. 63 和 3 ℃ ． 可见电压较小时温升很小，当 电压增大试样温升增加，但在本实验范围内理论最 大温升也才 3 ℃，不足于完全融化碳化物． 熔体内部通入脉冲电流时将产生焦耳热，焦耳 热功率密度( 单位体积焦耳热) 可通过下式计算 而得［20］: p = j 2 0 σ ． ( 3) 式中，σ 为电导率，S·m － 1 ． 电流通过内部析出细小碳化物的金属熔体时， 由于固液两相的电导率不同，流经两相的电流密度 不同． 碳化物的电导率远远小于金属熔体的电导 率［16--17］，电流大部分将优先流经碳化物周围的液 相，即电流围绕碳化物颗粒产生绕流效应［21］． 由式 ( 3) 可知流经液相电流密度高，产生的焦耳热效应 大，导致碳化物周围液相温度升高． 适当强度的电 压( 图 3( b) 中的 500 V 和图 3( e) 中的 1000 V) 产生 的焦耳热效应有利于抑制碳化物的定向生长，从而 获得大量细小粒状碳化物; 但过高的电压( 图 3( f) 中的 1400 V) 将使熔体温度升高，促使碳化物过分 长大，甚至出现杆状碳化物． 当然，由于在碳化物和 熔体之间产生的瞬时焦耳热效应，对碳化物产生强 烈的热冲击［19］，将促使粗大的碳化物熔化分解，出 现如图 3( f) 中边界不规则的碳化物，由于分解是沿 着内部空洞进行，组织中实心碳化物的比例增加． 2. 3 脉冲电流频率和脉冲电压对过共晶高铬铸铁 凝固组织的影响的区别 从图 3 脉冲电流细化和粒化过共晶高铬铸铁凝 固组织来看，脉冲电流频率和电压的影响本质是有 所区别的． 频率的增大使得熔体的受迫搅拌速度加 快，破坏熔体内部微区产生的温度场和浓度场，促使 碳化物首先以颗粒状弥散形核长大，剩余液相中溶 质溶度降低而低于平衡结晶条件下的共晶成分，导 致共晶组织比例降低，频率较小范围内的增大将显 著促进离异共晶的出现． 电压的增大则利于原子的 迁移，碳化物粗化的几率增加，一定的电压不会使得 共晶碳化物消失，但碳化物片变短且增厚，而脉冲电 流的焦耳热效应产生的热冲击有效地分解粗大的初 生碳化物，达到细化和粒化的目的． 过高的脉冲电 压也促进初生碳化物的形成，产生了离异共晶，但其 初生碳化物的细化和粒化主要是由于脉冲电流的焦 耳热效应促使粗大初生碳化物分解的结果． 3 结论 ( 1) 脉冲电压和频率的增大都有利于碳化物的 细化和粒化． ( 2) 脉冲电流频率的增大更有利于初生碳化物 的形成，过共晶高铬铸铁离异共晶现象明显，组织中 大部分为细小颗粒状初生碳化物． 脉冲电压的增大 有利于获得弥散分布的细小初生碳化物颗粒和短小 共晶碳化物共存组织． 过高的脉冲电压也促进初生 碳化物的形成，产生离异共晶． 参 考 文 献 ［1］ Chung Ｒ J，Tanga X，Li D Y，et al． Abnormal erosion-slurry ve￾locity relationship of high chromium cast iron with high carbon con￾centrations． Wear，2011，271( 9 /10) : 1454 ［2］ Hao S J． High Chromium Cast Iron． Beijing: China Coal Industry Press，1993 ( 郝石坚． 高铬耐磨铸铁． 北京: 煤炭工业出版社，1993) ［3］ Bratberg J，Frisk K． An experimental and theoretical analysis of the phase equilibria in the Fe-Cr-V-C system． Metall Mater Trans A，2004，35 ( 12) : 3649 ［4］ Carpenter S D，Carpenter D，Pearce J T H． XＲD and electron mi￾croscope study of an as-cast 26. 6% chromium white iron micro￾structure． Mater Chem Phys，2004，85: 32 ［5］ Zhi X H，Xing J D，Fu H G，et al． Effect of titanium on the as￾cast microstructure of hypereutectic high chromium cast iron． Ma￾ter Charact，2008，59( 9) : 1221 ［6］ Nakada M，Shiohara Y，Flemings M C． Modification of solidifica￾tion structures by pulse electric discharging． ISIJ Int，1990，30 ( 1) : 27 ［7］ Barnak J P，Sprecher A F，Conrad H． Colony ( grain) size reduc￾tion in eutectic Pb-Sn castings by electroplusing． Scripta Metall Mater，1995，32 ( 6) : 879 ［8］ Wang J Z，Cang D Q，Tang Y，et al． Effects of electronpulse in￾oculation treatment on the solidified structure of Al-5. 0% Cu alloy． Foundry，1995( 4) : 21 ( 王建中，苍大强，唐勇，等． 电脉冲孕育处理对 Al--5. 0% Cu 合金凝固结构的影响． 铸造，1995( 4) : 21) ［9］ Ding H S，Zhang Y，Jiang S Y，et al． Study progresses on the effects of pulsed current on alloy melts and the solidification micro￾structures of alloys． Ｒare Met Mater Eng，2009，38( 1) : 180 ( 丁宏升，张永，姜三勇，等． 脉冲电流影响合金熔体特征及 其凝固组织 的 研 究 进 展． 稀有金属材料与工程，2009，38 ( 1) : 180) ［10］ He S X，Wang J，Zhou Y H． Effect of high density pulse electric current on the solidification structure of low temperature melt of A356 aluminium alloy． Acta Metall Sin，2002，38 ( 5) : 479 ( 何树先，王俊，周尧和． 高密度脉冲电流对 A356 铝合金低 温熔体凝固组织的影响． 金属学报，2002，38 ( 5) : 479) ［11］ Zhang M，Ｒen X F，Li J H，et al． Effect of pulsing current on · 181 ·