低合金白口铸铁的稀土变质机理及新工艺

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1986.02.002 北京钢铁学院学报 1986年6月 Journal of Beijing University No.2 第6期 of Iron and Steel Technology June 1986 低合金白口铸铁的 稀土变质机理及新工艺 王兆昌 (铸工教研室) 摘 要 本研究首先实验肯定了抗磨低合金白口铸铁可以通过稀土变质处理使M,C型 化物成为板块状及断开分布，从而明显地提高了它们的韧性及抗磨性。 稀士变颂河在白口铸铁结晶过程中的作用经试验确认为：（1)形成硫氧化吻有利 于初生奥氏体在溶体中各处形核，及在固液界面富集造成成份过冷区使奥氏体枝晶 轴次发达，两者均有利于将共晶碳化物离断；(2)促使共晶转变温度降低，则有利 于离异共晶的增长，而扩大共晶转变温度范围；则有利于共晶结品的体积形核；最后稀土 在增长的共品碳化物上选择吸附则对获得板块状碳化物有利。 以上述的稀土变质机理假说为依据，试验开发了采用综合孕育剂及综合变质剂 的两步变质处理的新工艺，在采用较少的稀土变质剂用量时，仍可获得较高韧性的白 口铸铁。 关键词：稀上，变质。它口铸铁 Rare-earth Modification Mechanism and Duplex Modification of Low Alloy White Cast Iron Wang Chaochang Abstract In a brasion resistant low alloy white cast iron just as in unalloyed white cast iron,ledeburitic carbide morphology can be changed by RE modifica- tion to platelike carbide morphology having discontinuous distribution.The toughness of the alloy can thus be increased Table I and Fig.1 and2 ) Experiments showed that the effects of RE mnodification on the crystal- 1985-09-14收 22

北 京 钢 铁 学 院 学 报 年 月 第 期 时 。 往 低 合 金 自 娜 铸 铁 的 稀 土 变 质 机 理 及 新 工 艺 王 兆 昌 《铸工教研室 》 摘 要 本研究首先实验 肯定了抗磨 味合金 白口 铸铁可以 通过稀上变质处理使 型旅 化物成为板块状及断开分布 ， 从而明显地提高了它们的韧性及抗磨性 稀土变质 剂在白口铸铁结晶过程中的作用经试验确认为 形成硫氧化物有利 于初生奥氏体在熔体中各处形核 ， 及在固液界面富集造成成份 过冷区使 奥氏体 枝 晶 轴次发达 ， 两 昔沟有利于将共晶 淡化物扁断 促 皮共晶转变温度降低 ， 则 有 利 于 离异共晶的增 长 ， 而扩大共晶转变温度范围 则有利于共晶结晶的 体积形核 最后 稀 土 在增 长的共晶碳化物上选择吸附则对获得板块状碳化物有利 以上述的稀土变质机理假说为依据 ， 试验开发了采用综合孕育剂及综合变 质 剂 的两步变质处理的 新工艺 ， 在采用较少的稀土变质 剂用量时 ， 仍可获得较高韧性的 白 口 铸铁 关 键词 稀上 变质 白 口 铸 铁 一 呈 ， 一 几 ， 。 ， 工 。 一 一 收稿 咒 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1986．02．002

lization of white cast iron include the following.Most of RE is concen- 有 trated.in sulfide inclusions Fig.3 )which can serve as the substrate for the.crystallization of primary austenite and thus volumetric nucleation of austenite is effected Fig.4 )When crystallized in RE enriched melt,the order of austenitic dendrite axis can be increased thru the effect of constitu- tional undercooling(Fig.5).Both effects cause obstruction to the continuous growth of cutectic carbide.RE modification causes the lowering of eutectic freezing temperature which favors the growth of divorced auste nite-carbide eutectic(fig.6)and it alsc enlarges the eutectic freezing temperature range, favoring volumetric nucleation of eutectics.(Fig.7).Selective absorption of RE on eutectic carbide obstructs the continuous preferential edgewise growth of carbide and favors its more or less uniform growth in different directions as platelike carbide. Based on the above assumption of RE modification mechanism,the effect of RE modification can be improved by the following techniques.Lowering of C content causes the lowering of carbide content and the incresing of prim- ary austenite in white iron(Fig.8 )Slight increase of Si content causes the lowering of eutectic freezing temperature.Inoculation treatment before RE modification can help nucleate primary austenite,which is called duplex trea- tment.Use of complex inoculant and complex modifier can develop their advantageous effects with less unfavorable by effects.with this duplex modi- fication technology,better and more reproducible results of changing carbide morphology in low alloy white cast iron can be obtained with much less RE modifier addition Fig.9). Key words:rare carth,modification.white cast iron 前 言 低合金马氏体白口铸铁目前已发展成为重要的抗磨材料，用子制做各类碾轧辊和矿 山，电力、建材及机械等各个工业部门使用的物料研磨破碎和传送设备中的易磨件，代 替传统使用的钢缺材料，使它的使用寿命提高几倍，经济效益显著。但由于其组织是连 续的脆性碳化物(M:C)基底上分布着奥氏体的转变产物，所以当白口铸铁承受较大的应 力时，裂纹极易在碳化物及金属基体组织的界面上萌生并且容易沿脆性碳化物扩展。这 就妨碍了白口铸铁在冲击载荷较大的条件下应用，而且也影响材料的抗磨性。白口铸铁 的抗磨性随其断裂韧性的增加而增加。目前改善白口铸铁中碳化物的形貌及分布已成为 抗磨白口铸铁研究的焦点。 采用高合金化可以使白口铸铁的碳化物由MC型变为M,C3型（如在高铬白口铁） 23

招 ‘ 曰明 陀 幼咖 吐 砂 妞止 一 诚 以触 们魂 纽 以 一 饭 认 ， 珍 一 仁汀 玩 一 讹 急俪 仕 即 砂。 比 ， “ 。 茗 扬恤 廿 还君 烤 恳 卜 “ 印 亡 。 七 长。 记 。 是 加 忱 “ 叱 掀 料 一 扒 价 仇 沙 “ 时 一 比 馆 ‘ “ 让 砰 州 “ 群 一 “ 卿 鱿 “ 盯 ， ，。 叶 卜 “ ‘ 运 时 。 二 呈 嘛 覃硬 及 一 ， 。 卜 交 “ “ “ 麦 “ 士 主 · · ” ， “ 笼。 “ 一 至 ” 功 · 扭 卜 亡 ， 翻 “ 呷 沙 爪卿熙必。 分操。 蒸答淤蒸照洲麟 前 言 翩别 ，种 胭暇分 低合金马氏体 白日 铸铁 目前已发 展 成为重要的抗磨 材料 ， 用 于制做各类碾轧辊 和矿 吓 电方 、 建材及机械等 各个工业部 门使用 的物料研 磨破碎和传送设备 中的易磨件 ， 代 粼 的抗磨 性随 蒸 其断裂 祺 韧性的 增加 蒸 而增加 。羚 目前改善 斌 白口铸铁熬中碳化物 的 形貌瀚及分布 已成为 抗磨 白口 铸铁研究 的焦点 。 采用高合金化可以 使白 口铸铁的碳化物 由 。 型变为 ， 。 型 如在高铬白口铁

或MC型（如在高钨或高钒白口铁），固然可以获得在金属基芪上分布弧立的簇伏或粒 状碳化物，但高合金化白口铸铁的生产成本高使其推广应用困难。锻造白口铸铁将碳化 物破碎，工艺复杂而且只能用于简单形状件。向白口铸铁的熔液中加入微量变质剂，改 变碳化物共晶的凝固条件，获得不连续分布的板块状碳化物，生产工艺简便而且成本低 廉，将是提高抗磨白口铸铁韧性的最为经济有效的措施。 白口铸铁中MC与灰口铸铁中的石墨都是层状结构而且都有较强的原子键的各向异 性及择优取向增长的倾向。MaC及石墨都是共晶结晶时的领光相。它们的增长决定铸铁共 晶团的形貌。稀土元素已经证明是灰铸铁的十分有效的变质剂，使片形石墨变为球形石 墨。从凝固理论分析，稀土元素变质处理也有可能改变白口铸铁中共晶凝固条件而获得 孤立分布的板块状碳化物。本研究首先由实验肯定了低合金白口铸铁经过稀土变质处理 后取得的效果。试验探讨了稀土变质剂在白口铸铁结晶过程中的作用，由此提出稀土变 质机避及进一步获得更为稳定的稀土变质效果的新工艺。 1,稀土变质处理的效果 在普通白口铸铁中进行稀土变质处理的试验研究已经表明，可以使莱氏体共晶变为 板块状碳化物的共晶，同时使碳化物由连续网状分布变为孤立分布。利用定量金相技术 测定碳化物颗粒总周长与总面积之比表示颗粒分布的断开程度，将此比率称为碳化物的 形状因子(S.F,),在白口铸铁中随着稀土变质剂量的增加，碳化物的形状因子及韧 性均逐渐增大，但达到最大值以后又开始随稀土变质剂量的增加而减少(1)。 目前抗磨白口铸铁主要是低合金的。稀土变质处理高碳珠光体Cr-Mo白口铁（3.20 ~3.40%C,0.25~0.45%Cr,及0.38~0.43%Mo),中碳马氏体Ni-Cr白口铁 （2.80~3.40%C,4.2~4.3%Ni及1.80~1.84%Cr)与低碳马氏体中锰白口铁(2.4 ~2.6%C,3.5~4.0%Mn)均可以得到与处理普通白口铁时相似的结果，即碳化物形 状因子及韧性随稀土变质剂量增加而增加（表1及图1）。 表1低合金白口铸铁的稀土变质处理效果 Table 1 Effect of RE modification of low alloy white cast iron Kind of alloy Tres tment Mierograph Shane Factor Impact toughness J./cm2 Before Modifi- 0.190,21 4.4-5.2 High C Cr-Mo cation Fig.I a After Modifi- cation Fig.I b 0.20-0.26 5.28.2 Before Modifi- cation Fig.Ie 0.21-0.32 6.16.4 Medium C Ni-Cr After Modifi- cation Fig.1 d 0.29-0.35 6.48.2 Before Modifi- Low C mediam Fia,1 c cation 0.36-0,41 的aBg&ne9e After Modifi- cation Fig.1 f 0.360.38 5.09.6 扫描电镜观察稀土变质处理的低合金白口铸铁试禅的深浸断口，则可以更清浙地看 到碳化物的板块状形貌及孤立分布（图2）。 24

或 型 如在高钨或高钒 白口铁 ， 固然可 以获得在金 属基康上 分布孤 立的簇伏或位 状碳 化物 ， 但高合金化 白口 铸铁的生 产成本高使其推广应用 困难 。 锻造 白口 铸铁将碳 化 物破碎 ， 工艺复杂而 且只能用 于简单形状件 。 向 白 口 铸铁的 熔液 中加 入微量 变质荆 ， 一 改 变碳 化物 共 晶的凝 固条件 ， 获得不连续分布的板块状碳化物 ， 生 产工艺简便而 且成本低 廉 ， 将是提 高抗磨 白口 铸铁韧性的最为经济有效的措施 。 白口 铸铁 中 。 与灰 口 铸铁 中的石墨 都是 层状结 构而且都有较强 的原子键的各向异 性及 择优取 向增长的倾 向 。 。 及石墨 都是 共 晶结 晶时的领先相 。 它 们 的增长决定铸铁 共 晶团的 形貌 。 稀土元素 已经证 明是 灰铸铁的十分有效的变质剂 ， 使片形石墨 变为球形石 墨 。 从凝 固理论分 析 ， 稀土 元素 变质处理也有可能 改变 白 口 铸铁 中共 晶凝 固 条件而获得 孤立分布的板块状碳 化物 。 本研究首先由实 验肯定 了低 合金 白口 铸铁经 过稀上 变质处理 后取得的效果 。 试验 探讨 了稀土变质剂 在 白口铸铁结 晶过程 中的 作用 ， 由此提 出稀土 变 质机理及进一步获得更为稳定的稀土变质效果 的新工艺 。 稀 土 变质处理 的效果 在普通 白口铸铁 中进行稀土 变质处理的试 验研究 已经表 明 ， 可 以使莱 氏体共晶变为 板块状碳化物的 共 晶 ， 同时使碳化物 由连续网 状分布变为孤立分布 。 利用定量金相技术 测 定碳化物颗粒总周长与 总面积 之 比表示 颗粒分布的断开程 度 ， 将 此 比率称为碳化物 的 形状 因子 ， 在 白口铸铁 中随着稀上 变质剂 量 的 增加 ， 碳化物的形状因 子 及 初 性均逐 渐增大 ， 但达到最大值以后又 开始随稀土 变质剂 量 的 增加而减少 〔 〕 。 目前抗磨 白口 铸铁 主要是低 合金的 。 稀土 变质处理高碳珠光 体 卜 。 白口铁 ， ， 及 。 ， 中 碳 马 氏 体 卜 白 口 铁 ， 及 。 与低碳 马 氏体 中锰 白 口 铁 一 ， 均可 以得到与处理普通 白口铁时相似 的结果 ， 即碳 化物 形 状 因子及韧性 随稀土 变质剂 量 增加而 增加 表 及 图 。 表 低 合 金 白 口 铸 铁 的 稀 土 变质 处 理 效 果 ‘ · 一 ·· 一 苏 一一犷一不一苏 ， 荔【 一草‘ 互丁蒸一茸 … ， 厂 。 。 一 ￡ 二一 主一 。 。 一 一 工 。 。 一 一 。 扫描电镜观察稀土 变质处理 的低 合金 白口铸铁试 样的深浸 断 口 ， 则 可 以更清浙 地看 到碳 化物的板块状 形貌 及孤立分布 图

(d)N3-70.40%REr100X (a)C2-80.00%RBr160X (b)C2-90.34%REr160X (e)M2-10.00%REr400X (c)N3-60.00%REr100X (f)M2-20.37%REr400X 图1低合金白口镑铁稀士变质处理前后的组织 Fig.1 Microstructure of low alloy white cast iron bofore and after RE modification (a)及(b)珠光体Cr-Mo.Pearlitio Cr--Mo(e)及(d)马氏体Ni/Cz,Mattonsitio Ni-Cr (e)及(f)针状组织中MnAcicular modium Mn 25

、 叭 一 魂。 形 蹂 声 一 书丑 又 勺燕牙 暴 一 黔彝一鬓馨 肠 一 多 丈‘ 么一 书 火 甲峪少朴粉次肠 受书 心扮‘ ，，， 几‘ 冷” 。 义石义七 钾 肠观马熟 需，赶 茜 。 扮 一 多 卜吧 扣粤 ， 从 一 么 一 。 了多 通 义 图 低合金白口 铸铁稀土变质处理前后的组织 厂 珠光体 一 。 。 ， 。 洲 及 七 。 及 五瓦 主 比 份 妞 几 卜 。 及但 马民体 “ 林。 一 针状组织中 玩“ 一

(a)Low C medium Mn 320× (b)Ni-Cr 500× 图2稀上变质白口铸铁的深浸断口上碳化物的形號(1〕 Fig.2 Carbide morphology in deeply etehed fracture of RE modified low alloy white cast iron 2。稀土变质剂的作用 通过大量的试验可以对稀土变质剂在白口铸铁结晶的各个阶段的作用综述如下。 稀土在白口铸铁中的面分布及相分布可以指明稀土的作用。利用扫描电镜及附属的X 光能谱仪对稀土变质处理的普通白口铸铁及稀土变质处理的中锰白口铸铁进行稀土面分 布的测定，均表明稀土元素是富集在点状夹杂中而在碳化物及金属基体中的含量都极少 (图8)。在碳化物中稀土的含量又高于在奥氏体中。碳化物的显微硬度随稀土残留量 (RE「)增加而增高，而奥氏体则不是，但碳化物的显微硬度约在RE≈0,3%时达到 最高值则表明碳化物中稀土含量也有个极限值。将稀土变质中锰白口铁试样在俄歇谱仪 的真空室中折断后就地观测，无法察觉任何稀土在断口富集的现象，因此试验没有肯定 稀土在碳化物晶界吸附，虽然是表面活性元素稀土是有这种可能的。 分析这些点状夹杂主要是稀土的硫氧化物，虽然氧含量很低；在这些稀土夹杂物 上还可能吸着有其它硅酸盐夹杂物，因而使稀土夹杂物有时具有双重结构（图3a)。 稀土硫化物的熔点都在2000℃以上，比重也较大，因而不易上浮。稀土夹杂物对材料的 冲击韧性有不利的影响。但铈的硫化物CeS、Ce,Ss及CesS,都是立方晶系。在这些硫 化物晶格中，Ce-S原子间的距离为2.88~2.98A。依照非自发形核时，结晶基底与结 晶物质的点阵参数匹配法则，稀土硫化物可以成为白口铸铁初生奥氏体的非自发晶核。 用图象分析仪测定了初生奥氏体的平均相间距，得出稀土变质剂量对初主奥氏体的相间 距的影响（图4）。对于低共品的F-C合金，稀上变质剂可以使凝固开始温度升高， 也证实其初生奥氏体起孕育作用。 在稀土变质白口铸铁中，当初生奥氏体从熔液中结晶时，因为稀土元素在奥氏体中 的溶解度很小，而且它在固液两相中的平衡分配系数K0远远小于一，稀土元素将在奥氏 体枝晶结品前沿的熔体中富集，形成成份过冷区，有利于形成奥氏体枝晶的多次分枝及 减少奥氏体的枝晶臂的闻距。试验在普通白口铸铁中进行不同稀土量的变质处理并测定 26

三 只 一 图 稀上变质白口 铸铁的深浸断 口 上碳化物 的形貌且 〕 召 卜 位 五 已 怜 比 日 妞 稀土变质剂的作用 ， 通 过大量 的试 验 可 以对稀土 变质剂在 白口铸铁结 晶的 各个 阶段的 作用综述如 下 。 稀土在 白口铸铁中的面分布及相分布可 以指 明稀主 的作用 。 利用 扫描电镜及附属的 光能谱 仪对稀上变质处理的普通 白口 铸铁及稀土 变质处理的中锰白口 铸铁 进行稀上面分 布的测定 ， 均表明稀土元素是富集在 点状夹杂 中而在碳化物及金属基体中的含量都极少 图 。 在碳 化物 中稀土 的含量 又 高于在奥 氏体 中 。 碳化物的显微硬 度随稀土残 留量 增加而 增高 ， 而 奥氏体则不 是 ， 但碳化物 的 显微硬 度约 在 、 时 达到 最高值则表 明碳 化物 中稀土含量 也有 个极限值 。 将稀土 变质中锰 白口铁试样在俄 歇谱 仪 、的真空室 中折断后就地观测 ， 无法察觉任 何稀土在断 口 富集的现象 ， 因此试 验没有肯定 稀土 在碳化物 晶界吸附 ， 虽然是 表面活性元素稀 土是 有这种可能 的 。 分析这些 点状夹杂 主要 是稀土 的硫氧化物 ， 虽 然氧含量 很低 在这些稀 土 夹 杂 物 上 还 可 能 吸着有 其它硅酸盐夹杂物 ， 因而 使稀土夹杂物有时具有双重结构 图 。 。 稀 土硫化物的熔点都在 ℃ 以 上 ， 比重也较大 ， 因而 不 易上浮 。 稀土夹杂物对材料的 冲击 韧性有不 利 的影 响 。 但钵的硫化物 、 争 及 。 、 都是立 方 晶系 。 在 这 些硫 化物 晶格 中 ， 一 原子 间的距 离为 。 依熊非 自发形核时 ， 结 晶基底 与 结 晶物质的 点阵参数匹 配法则 ， 稀 土硫化物可 以成 为 白 口 铸铁初生奥 氏体的非 自发 晶核 。 用 图象分析仪测 定 了初 生 奥 氏体的 平均相 间距 ， 得 出稀土 变质剂 量对初生 奥 氏体的 相 间 距 的影 响 图 。 对于低共 晶的 一 合 金 ， 稀 土 变质剂 可 以 使凝 固开始温 度升 高 ， 也证实 共初 生奥氏体起孕 育作用 。 在稀土 变质 白 口铸铁 中 ， ‘ 当初生 奥 氏体从熔液 中结 晶时 ， 因为 稀 土 元 素在奥 氏体中 的溶解度很小 ， 而 且它 在 固液 两 相 中的平衡分配系数 。 远 远 小于一 ， 稀土元素将在奥 氏 体枝 晶结 品前 沿 的熔体 中富集 ， 形 成成份过冷 区 ， 有利于 形 成奥 氏体枝 晶的 多次分 枝 及 减少奥 氏体的 枝 晶臂 的 间距 。 试 验在普通 白口 铸铁 中进行不 同稀上量 的 变质处理 并测定

奥氏体枝晶臀间距，表明臂间距是随稀土变质量增加而逐渐减小（图5）。 《&)Micr0 straciure (5)RE erea distribution 图3稀士变质中锰白口转铁的组织及稀土面分布(REr0.398%) Fig.3 Mrcrostruclure snd RE area distribution of Re modified medium Mn white cast iron 2000X 1'RES1,% 0 1.02.03. 2地，0 .Add REg 台40 。Add'g2 40 0 35 25 30 20 0 0.3 0.60.9 1.2 010.20.30.4 0.5 REm1￥，% RE 图稀土对初生奥氏体悟网距的影响 图5稀土对奥氏体枝晶的二次枝晶臂间距的影响 Fig.4 Effect of RE modification on mean Fig.5 Effect of RE modified on 2nd arm free path between Austenite distance of Austenite dendrite 稀土变质对白口铸铁共晶转变的影响首先表现为使共晶转变温度降低。白口铸铁的 共晶转变都是以领先相一碳化物的片为基础而后开始奥氏体一M,C两相共晶的协同增长 或离异增长。稀土在增长的碳化物晶体上选择吸附及降低熔体中碳的活度都必然使共晶 转变难于进行，因此使共晶过冷度加大及使共晶凝固范围加大。，稀土变质剂量对白口铸 铁的共晶过冷度及共晶凝固温度范围的影响见图6及图7。共晶过冷度加大有利于离异 共品的增长而共晶凝团范围加大则有利于体积形核。 稀土是表面话性元素，可以在共晶碳化物上选择吸附，改变MsC的结晶惯习。M,C 中的铁原子及碳原子是排列成三面棱形的链状结构，各个棱形面是层状排列并且与 (001)面平行。在各个层上是F©一C原子间强的共价键结合而在层间则是更弱的金属键 27

奥 氏体枝晶臂间 距 ， 表明臂向距 是随稀土 变质量增加而逐渐减小 图 匕 。 吞 趁 已 卜 ‘一、几 一﹄ 八、 八一、甘 图 稀土变质中锰 白口 铸铁的组织及韦节士面分补 所 ” 拓 止 走‘ 入德正亡 孟。 万 之 了 ￡“ 份 公 王 刁 书 引 尘 宝 功 一， 赶 只名跳 ，多 · 舰 习“助以盆 、 ‘ 、 、 戈 下 “ ’ 二 么 、 卜 、 、 、 ’ 队 一 ‘ ， 一 一 ，、 、 ‘ 。 兰 ’ ‘ 门 曰 、 、 、 、 、 、 、 ‘ 、 、 、 喃 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 垫孺 只 工，，另 之十斌产众 代沈日尸声 只包 ， 另 图 「 稀土对社奥氏体相陋 的影响 名 ， 盛 毛 了 主 评 几 图 稀土对奥氏体枝晶 的二次枝晶臂间 距的影响 ‘ 名 ” 。 让 吕 亡 必 杯 或离粼异增长 覃。 探稀土 在黝增长的 霉 碳 髯 化 者物 赣 晶体 翼 上需选 择爵吸附及 蕾 降 雷 低 鬃熔体 耀 中碳 黑 的活狱度都必滥然使共矍晶 转变难于进行 ， 因此使共 晶过冷度加大及使共晶凝 固范围 加大 。 稀土 变质剂量对 白口 铸 铁 的共 晶过冷度及 共 晶凝 固温度范围的影响见图 及图 。 共晶过冷度加大有利千离异 共晶的 增长而共 晶凝 固范 围加大则有利于体积形 核 。 稀 上是表面 活性元素 ， 可以在共 晶碳化物上选择吸附 ， 改 变 汇的结晶惯 习 。 中的铁 原子及碳 原子是排列成三面棱形的链状结构 ， 各个棱形面是 层 状 排 列 并 且 与 面平行 。 在各个层上是 一 原子间强的共价键结 合而 在层何则是更弱的金属键

1RESi, 1'RES1,% 1.0 2.0 3.0 40 5.0 1.0 2.0 3.040 5.0 0 与5 10 40 15 oP11-P15eP21-P25 △60-65 20 1 0,3 0.6 0.91*2 1.5 0.3 0.60.91.2 REmix,% REmix,% 图6 稀土变质对共品过冷度的影响 图7稀土对共品凝園温度范图的影响 Fig.6 Effect of RE modification on cutectie, Fig.7 Effect of RE modification on enteetic undercooling freezing temp.range 1.RE mix.as modifier 1.RE mix as modifier 2.RE Si-Fe alloy as modifier 2.RE Si-Fe alloy as modifer 结合。因此在一般白口铸铁的榕体中允许渗碳体自由增长时，它都是沿(001)面的 〔010〕方向以边缘向前增长，最终长成片形c2,3)。但也正是由于M:C结构的原子间键 的强度的各向异性显著，稀土元素则更易于在M:C结品层片的凸出末端选择吸附而阻碍 其边缘向前的增长。如此MaC片在厚度方向，即〔001〕方向的增长速度，在稀土变质 处理的白口铁中更快，从而有利于获得板块状碳化物。 3.稀土变质机理 稀土变质机理可以根据上述试验结果的分析和白口铸铁结晶过程的各个阶段加以推 论。 在亚共晶白口铸铁中，初生奥氏体都是依靠非自发品核开始从溶液中形核。由于稀土 硫化物的存在，初生奥氏体可以在熔体中各处形核及增长。在稀土变质白口铸铁中初生 奥氏体枝品是多轴次分枝增长，其枝晶复杂，同时由于稀土变质剂的加入使共品转变温 度降低，奥氏体枝晶的结晶范围扩大，则更有利于奥氏体在熔体内各处形核及分枝轴次 增多。奥氏体在熔体内将阻碍共晶碳化物的边缘部位继续增长，阻止它们最终互相连接 成网。 当铁液冷却到共晶转变温度时，由于初生奥氏体量多，枝品的发展，及共品转变是 在一定的过冷温度下发生，稀土变质白口铸铁几乎都是以离异共晶增长方式进行共晶转 变，得到的组织经常是粗的碳化物聚集物包围的奥氏体，很少是菜氏体共晶，稀士在两 个共晶相，奥氏体及碳化物中的溶解度都很小，而且平衡分配系数都比一小得多，所以 稀土在两相结晶前沿的熔体中富集又为离异共晶增长创造了有利条件。 初生奥氏体不能促使共晶碳化物形核，因此共晶碳化物基础片首先在达到共晶转变 28

户 猫主， 务 乃 。 红 ， 。 万‘ ，劣 。 。 ， 奋 目 印卯叨 户勺 乡浑再耳习 劝卜城 鉴黑奖筹等书 孑泛 ﹂ 习幽 荞，泌 图 稀土变质对共 晶过冷度 的影响 多 影 户 洲， 一 多 。 ， ， 只枷主 ， 形 己砂乓卜，‘ 稀土对共晶凝 固温度范围的影响 垃 王。 瓜乞 吕 皿 已 一 日 皿 。 王 功 合 。 巴 双 爪、 也 亡 盈 卜 巴 垃 。 任 结 合 。 因此在一般 白 口 铸铁 的熔 体 中允许渗碳体 自由增长时 ， 它 都是 沿 面 的 〔 。 〕 方 向以边缘 向前增 一 长 ， 最终 一 长成片形 〔， “ 。 但也正是 由于 结构的原 子 间 键 的强度的各向异性显著 ， 稀土元素则 更 易于在 。 结 晶 层片的 凸 出末端选 择吸 附而阻碍 其 边 缘 向前的增长 。 如此 片在厚 度方 向 ， 即 〔 〕 方 向的增长速度 ， 在稀土变质 处理的 白口铁 中更快 ， 从而有利于获得板块状碳化物 。 稀土变质机理 稀土 变质机理可 以根据上述试验结果 的分析和 白口 铸铁结 晶过程 的各个 阶段加 以推 论 。 在亚共晶 白口铸铁 中 ， 初生 奥 氏体都是依靠非 自发晶核开始 从溶液 中形核 。 由于稀土 硫化物的存在 ， 初生奥氏体可以在熔 体中各处形核及增长 。 在稀土变质 白 白铸铁 中初生 奥 氏体枝 晶是 多轴次分枝增长 ， 其枝 晶复杂 ， 同时由于稀 土变质剂 的加 入使共晶转变温 度降低 ， 奥 氏体枝 晶的 结 晶范 围扩 大 ， 则 更有利 于奥 氏体在熔 体内各处形核及分枝轴次 增多 。 奥 氏体在熔体 内将阻碍 共 晶碳化物的边缘部位继续增长 ， 阻 止它们最终 互 相连 接 成网 。 当铁液 冷却到共 晶转变温 度时 ， 由于初生奥 氏体量 多 ， 枝 晶的发展 ， 及共 晶转变是 在一定的过冷温 度下发生 ， 稀土变质 白口 铸铁几 乎都是以离异共 晶增长方式进行 共晶转 变 ， 得到 的 组织 经常是粗 的碳 化物聚集物包 围的奥 氏体 ， 很少是 莱 氏体共 晶 ， 稀土在两 个共晶相 ， 奥 氏体及碳化物 中的溶解 度都 很小 ， 而且平衡分配系数 都 比一小得 多 ， 所以 稀土 在两 相结 晶前沿 的熔体 中富集 又 为离异共 晶增长创造 了有利 条件 。 初生 奥 氏体不 能促使共 晶碳化物形核 ， 因此 共 晶碳化物基础片首 先 在达到 共晶转变

温度及具有足够碳浓度的熔体中形核，而共晶奥氏体则在初生奥氏体上结晶。稀土在碳 化物晶体上被选择吸附，从而阻止其在择优边缘方向向前迅速增长成长片，迫使碳化物 在厚度方向增长成板块状。M,C板块加厚的过程中，由于受到择优边缘方向增长的影 响，各个板块都是错开排列，由于结品界面曲率半径较大，结晶前沿的熔液中贫碳，则 可以在碳化物板块的平面上形成薄层的奥氏体平面树枝晶，以后在奥氏体上又形成新的 碳化物板块，从而在两层板块状碳化物之间存在一薄层奥氏体的夹层。〔4)板块状碳化物 与奥氏体夹层之间的界面是平直的，表明两者在晶体增长过程中存在着联系。通常共晶 奥氏体与共品碳化物是离异增长时，两者之间的界面是弯曲的。板块状碳化物的增长 更具有小晶面增长方式的特点，逐层侧向增长加厚(5)。 虽然在离异增长的共品奥氏体及共晶渗碳体的结晶前沿的熔体内都富有稀土元案， 但因为稀土在奥氏体及碳化物中的溶解度不同，在两相结晶前沿富集的程度及造成的成 份过冷度不同，会使奥氏体的增长速度加快。造成奥氏体的增长速度显著超过渗碳体则 需要变质剂在两个相中的溶解度有很大的差别(6，？)。因此仅仅依靠稀土变质处理获得在 连续的金属基体上分布孤立的M,C型碳化物还难于做到而必须同时创造其它的工艺条 件。 4,稀土变质新工艺的开发 低合金白口铸铁经过稀土变质处理后可以具有更好的碳化物形貌及更高的冲击韧 性。稀土变质中锰白口铸铁在金属矿山选矿车间的分级机衬铁及球磨机衬板中应用取得 很好的经济效益。但长期以来沿用的旧工艺是在铁水包内冲稀土硅铁合金进行变质处 理，效果时高时低。通过对稀土变质机理的进一步了解，即可以在开发新工艺方面得出 下列有用的结论： (1)为获得在连续的金属基体上孤立分布的碳化物，降低碳含量及适当提高硅含 量是有利的。碳含量减少，碳化物量亦减少，而初生奥氏体量增加。这样就创造了奥氏 体包住碳化物的条件，使碳化物颗粒被隔断。白口铁水硅含量增加可以使介稳定共晶转 变温度降低更多(8)。白口铸铁采用1号稀土硅铁合金进行变质处理比采用稀土混合物进 行变质处理，增大了共晶过冷度（图6），变质的效果也更好()。 稀土变质低碳Ni-Cr白日铸铁（2.0%C、1.0%Si、4.3%Ni、1.8%Cr、0.43% REr)的铸态组织见图8，其冲击韧性高达13.2J/cm2 (2)由于初生奥氏体在熔体中各处形核是影响变质效果的重要环节，在稀土变质 处理之前，应预先对铁水进行孕育处理，即采用向熔体中加入奥氏体形核剂，面后进行 变质处理的两步变质处理新工艺。 白口铸铁经过孕育处理固然对初生奥氏体形核有利，但也将促进石墨化作用，因此 应选用合适的孕育剂或采用综合孕育剂。为强化变质效果则采用稀土综合变质剂为佳。 采用新的稀土变质处理工艺，熔炼中锰白口铸铁(2.63%C,0.84%Si,4,01%Mn), 使用含有1号稀土硅铁合金0.4%的综合变质剂进行处理，稀土残留量仅0.036%，铸态 组织如图9，，冲击韧性为5.4J/cm2,变质效果比较稳定。采用旧工艺，低碳中锰白口铸 29

飞 舞 绝钾扮恶 翼 翼狱咒娥黔子骂黔黔鬓 潺辨潍税娜滩靴 蒸 桨桨罐急拿 蒸 黯靡蒸瓮篡瓢熊煞务燕霎盆瓢羹 感 黔魏藻盆霆翼薯霎 连续的金属基体上分布孤立的 型碳化物还难于做到而必须同时创造 其它 的 工 艺 条 件 。 稀土变质新工艺的开 发 低 合金 白口铸铁经过稀土变质处理后可以具有更 好的 碳化物 形貌 及更高的 冲 击 韧 性 。 稀土变质 中锰 白口 铸铁在金属矿 山选矿车 间的分级机衬铁及球磨机衬板 中应用取得 很好的经济效益 。 但长期 以 来沿用的 日工艺是在铁水包 内冲稀土硅铁 合金进 行 变 质 处 理 ， 效果时高时低 。 通 训 稀土 变质机理的进一步了解 ， 几 即可以在开发新工 艺方面得出 下列有用的结论 为获得在连 续的金属基体上孤立分布的碳化物 ， 降低碳含量 及适 当提高硅含 量是有利 的 。 碳含量减少 ， 碳化物量亦减少 ， 而初生 奥 氏体量 增加 。 这样就创造了奥 氏 体包住碳化物的条件 ， 使碳 化物颗粒被隔 断 。 白口铁水硅含量增加可以使介稳定 共晶转 变温 度降低更多 。 白口 铸铁采用 号稀土硅铁 合金进行变质处理 比采用稀土混合物进 行 变质处理 ， 增大 了共晶过冷度 图 ， 变质的效果也更好〔 ‘ 〕 。 稀上 变质低碳 一 白 口 铸铁 乐。 、 。 、 、 、 的铸态组织 见 图 ， 其冲击韧性高达 · 由于初生 奥 氏体在熔体 中各处形核是影 响 变质效果 的重 要环 节 ， 在稀上 变质 处理 之前 ， 应预 先对铁水进行孕育处理 ， 即 采用 向熔体中加 入奥 氏体形核剂 ， 而 后进行 变质处理的两步变质处理新工艺 。 白口铸铁经过孕 育处理 固然对初生 奥氏体形 核有利 ， 但也将促进石墨 化作用 ， 因此 应选用合适的孕育剂或采用 综 合孕育剂 。 为强 化变质效果则采用稀土综合变质荆为佳 。 采用 新的稀土 变质处理工艺 ， 熔炼 中锰 白口 铸铁 ， 别 斗 ， ， 的 ， 使用含有 号稀土硅铁 合金 的综 合变质剂 进行处理 ， 稀土残 留量仅 ， 铸态 组织如图 。 ， 冲击韧性为 气 变质效果比较稳定 。 采用 旧工艺 ， 低碳 中锰 白口铸

铁经过1号稀土硅铁合金0.80~1.2%变质处理，REr≈0.05~0.09%，铸态组织及性 能均见图1f及表1。因此稀土变质新工艺的效果是明显的。 图8稀土变质低碳Ni-Cr白口铸铁的组织 图9两步稀土变质处理中锰白口铸快的组织 N3-8100X (REr0,036%)400 Eig.8 Microstructure of RE modified low C Ni Fig.9 Microstructure of RE modified medium Mn Cr white cast iron white cast iron by new modification technigu 5结论 (1)低合金白口铸铁中MC型碳化物的形貌可以通过稀土变质处理加以改良，从 而使材料的冲击韧性进一步提高。 (2)稀土变质剂的作用主要在于增多初生奥氏体的数量及降低共晶转变温度和对 共晶碳化物选择吸附。 (8)采用促进奥氏体形核的孕育处理及稀土变质处理的两步处理方法，并采用棕 合孕育剂及综合变质剂则可以使用更少量的稀土合金获得较好的而且稳定的变质效果。 骜文献 〔1〕吕述祖，王兆昌；稀土变质白口俦铁的凝固形貌，北京钢铁学院科技资料， (1981),8. [236yH,K.Crpoerne qyryna,(1972). [8]Tapan,1o,Ctpyktypa 3Brekruneckux cnnaBon (1978),67 [4JRickard,J,BCIRA Journal,1,(1961),11. [5JPowen,G.L.F.Metals Forum,3,(1980),37. [6JTiller,W.A.Acta Metallurgica 5,1957,56. [7JaueHKo,A.M.lureunoe Jpou3BOncTBo,4,(1974),26. [8JHeine,R.W.AFS Transactions,28,(1977),537. 30

铁经过 号稀上硅铁 合金 一 变质处理 ， ” 一 ， ， 铸态组织 及 性 能均见 图 及表 。 因此稀土变质新工艺的效果 是 明显的 。 图 稀土变质低碳 卜 白口铸铁的组织 一 吕 义 图 ‘ 两 步稀土变质处理中锰白口 铸铁的组织 书 几 。 ‘ 扭 皿 口 肠 卜 ， 货 五 了 。 份 己 结 论 低合金 白日铸铁 中 型碳 化物的形貌可 以通 过稀土 变质处理加以改良 ， 从 而 使材料 的 冲击 韧性进一步提高 。 稀 土变质剂 的作用 主要 在于增多初生奥氏体的数量 及降低共 晶转变温度和对 共 晶碳 化物选择吸 附 。 采用 促进奥氏体形核的孕育处理及稀土 变质处理的两 步处理方 法 ， 并采用缘 合孕育剂及综 合变质剂则可 以使用 更少量 的稀土 合金获得较好的而且稳定的变质效果 。 参 考 文 献 〔 〕 吕述祖 ， 王兆 昌 稀 土 变质 白 口铸铁 的 凝 固形貌 ， 北京钢铁 学院科技资料 ， ， 。 〔 〕 夕 且 且 ， 卫 二 夕 了 ， 〔 〕 ， ， “ 双 任 卫 ， 〔 〕 ， ， ， ， ， 〔 〕 ， ， ， 分 ， 〔 〕 ， 毽 ， ， 〔 〕 二 二 只 ， 众二 二 往 卫 ， ， ， ‘ ， 〔 〕 ， ， ，