Si对高Si/C比灰铸铁奥氏体枝晶数量的影响规律

DQI:01经74的1ssn100103x.1紧科技大学学报 第16卷第3期 Vol.16 No.3 19946 Journal of University of Science and Technology Beijing June 1994 S对高Si/C比灰铸铁奥氏体枝晶数量的影响规律+ 董洪标)朱峻”姜春梅”钟雪友)李富帅) 1)北京科技大学冶金系，北京00832)冶金部设备研究院 摘要本文运用定向凝固方法，在不同冷却条件下对不同成分灰铸铁的凝固过程运用微分仪进 行热分析，结果表明：在碳当量相同的条件下，随着Si/C比的提高，F一C-Si合金的最小共晶 凝固温度升高.并进一步分析了Si使高S/C比灰铸铁奥氏体枝晶数量增加的原因，提出了Si促 使灰铸铁共晶共生区向右偏移的一论断，并利用出现奥氏体枝晶的临界冷却速度，半定量地描绘 出了硅使得共晶共生区向右偏移的曲线· 关键词硅，灰铸铁，共晶温度，共晶共生区 中图分类号TG115 Effect of Si on the Quantity of Austenite Dendrite in High Ratio Si/C Grey Iron* Dong Hongbiao Zhu Jun)Jiang Chunmei Zhong Xueyou Li Fushuai2) 1)Department of Metallurgy.USTB.Beijing 100083 2)Institute of Machinery of Metallurgy Ministry ABSTRACT In this paper the directional solidified grey iron of various carbon equivalent were thermodynamically analyzed,and the results show:under the condition of similar carbon equivalent,as the Si/C ratio increases the minimum eutectic solidification temperature of Fe-C-Si alloy rises,and the quantities of austenite dendrite are increased.Further analysis shows:the mechanism of increased quantities of austenite dendrites is that silicon makes the eutectic coupled zone move to the right in the Fe-C phase diagram. KEY WORDS Si,grey iron,eutectic temperature,eutectic coupled zone 在一定的碳当量范围内，提高硅碳比是提高灰铸铁强度的有效的手段，这已被大量的 科学实验及广泛的生产实践所证实·研究者们发现：在相同碳当量的条件下，随着硅 碳比的提高，灰铸铁中的奥氏体枝晶数量增加·关于硅是如何影响奥氏体枝晶的数量，即 其影响机制，国内外都有报道，但观点不一致，本文作者在确定硅提高共晶温度的前提下， 提出了硅使共晶共生区向右偏移的新观点，并在实验中得到验证· 1993-08-09收稿第一作者：男27岁讲师顾士 +本课题由北京市自然科学基金资助

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 吨 眠 对高 比灰铸铁奥氏体枝晶数量的影 响规律 董洪标 ’ 朱峻 ’ 姜春梅 ’ 钟雪友 ’ 李 富帅 北 京科技大 学 冶金 系 ， 北 京 月 冶金部设备研究 院 摘要 本文运用 定 向凝 固方法 ， 在 不 同冷却条件下 对不 同成 分灰 铸铁 的凝 固 过 程 运 用 微 分 仪 进 行 热分析 结果表 明 在 碳 当量相 同的条件下 ， 随着 比的提高 ， 一 一 合金 的最小 共 晶 凝 固温度 升高 并 进一步 分析 了 使高 比灰铸铁奥 氏体枝 晶数量增加 的原 因 ， 提 出 了 促 使灰铸铁共 晶共 生 区 向右偏 移 的一论 断 ， 并利用 出现奥 氏体枝 晶的临界 冷却速度 ， 半定量地 描绘 出了硅 使得共 晶共生 区 向右偏移 的 曲线 关健词 硅 ， 灰铸铁 ， 共 晶温度 ， 共 晶共生 区 中圈分类号 必 ’ ’ 山 改 ’ 叩 即 ’ 乙 矛初 ’ 琶 ， 珊 ， 氏劝 〕 弼 尽 任卿 ， 理 饭 叹 而以 匹月 ， 让 叹 ， 卫 币 一 一 ， ℃ 娜 粥 巴 此 劝 一 万 ， ， 。 沈 ， 。 功 在 一 定 的碳 当量范 围 内 ， 提 高硅碳 比是 提 高灰 铸铁 强 度 的有 效 的 手 段 ， 这 已 被 大 量 的 科 学 实 验 及 广 泛 的 生 产 实 践 所 证 实 研 究 者 们 发 现 在 相 同 碳 当量 的 条 件 下 ， 随 着 硅 碳 比的提 高 ， 灰铸铁 中的奥 氏体枝 晶数量增 加 关于 硅是 如何 影 响 奥 氏 体 枝 晶 的 数 量 ， 即 其影 响机制 ， 国 内外都有报道 ， 但观 点 不 一 致 本 文 作 者 在 确 定 硅 提 高 共 晶 温 度 的前 提下 ， 提 出 了硅 使共 晶共生 区 向右偏 移 的新 观 点 ， 并在 实验 中得到 验证 卯 一 一 的 收稿 第一 作 者 男 岁 讲 师 硕 士 十 本课题 由北 京 市 自然 科 学 基金 资助 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1994．03．006

Vol.16 No.3 董洪标等：Si对高Si/C比灰铸铁奥氏体枝晶数量的影响规律 .227. 1 实验过程 实验原料采用工业纯铁、光谱纯石墨电极和单晶硅，在DZ-D01型真空感应炉内熔炼， 为了减小初生相对最小共晶温度的影响，选用共晶成分的灰铸铁，见表1中1一3，取熔配得 的母合金材料300g,装入40mm×50mm的刚 表1实验中所用灰铸铁的化学成分/% 玉坩锅内，在硅-钼棒炉内熔化，并加热至1350℃， Table 1 Chemical composition of grey iron/% 保温20min,使石墨充分溶解.整个过程在氩 试样编号C Si CE Si/C 气保护下进行.以防止氧化、脱碳.用镍铬-镍 1 3.831.5 4.30 0.39 镍铝热电偶接Eu一2型测温仪记录冷却曲线，精 3.602.24.30 0.61 度为±0.5℃，试样用苦味酸钠进行浸蚀，观 3.303.04.30 0.91 4.000.984.33 0.25 察并测量奥氏体枝晶的数量.将表1中4-8试样 5 4.41 0.984.74 0.22 制成Φ8mm×100mm的定向凝固试样，置于定 6 5.140.985.47 0.20 向凝固装置的结晶器中，升温到1400℃，保温20 3.572.644.45 0.74 min,测得固-液界面前沿的温度梯度为100℃/cm. 8 4.002.64 488 0.66 以不同的生长速度进行定向凝固试验，在速度变化时保温l0in.将定向凝固试样沿纵向剖 开，制成金相样品，用苦味酸钠溶液着色腐蚀，进行金相观察· 2实验结果与分析 2.1硅对灰铸铁最小共晶温度的影响 3种不同Sⅰ含量的共晶成分灰铸铁在不同冷却条件下的热分析曲线，通过微分仪测得的 最小共晶温度(T)值见表2.从实验结果可以看出：在相同的冷却条件下，随着Si含量 的增加，灰铸铁的最小共晶温度升高，文献[1]表明凝固过程中铸铁的最小共晶温度与其过 冷度的关系，反映了铸铁的过冷倾向，所以，在相同的冷却速度下，随着S含量的增加，共 晶过冷度减小，最小共品温度升高· 灰铸铁共晶凝固时，石墨相作为领先相首先形核析出，随后奥氏体依附于它而形核，协同 生长.文献[2]指出：Si在1200℃使高纯度的Fe-C合金的表面能由1.73×10-4J/cm2降低 到1.15×10J/cm2,使表面张力及固-液转变的临界过冷度降低.因此在Fe-C合 金中加人S以后，使灰铸铁的最小共晶温度升高· 2.2硅对灰铸铁奥氏体枝晶数量的影响机制 表2列出了3种不同含硅量的灰铸铁在不同凝固条件下所得的组织和通过定量金相分析所得 奥氏体枝晶含量，它表明同一成分灰铸铁随冷却速度增大奥氏体枝晶增多，因为冷却速度增大 使共晶过冷度增大，则奥氏体枝晶的数量增多·而不同成分的灰铸铁在相同的冷却速度下，随 着$含量的增加，在共晶过冷度减小的同时，奥氏体枝晶的数量却增加， 根据F-C相图可作如下分析：硅使奥氏体枝晶数量增加的原因只能有下列3种可能性， 见图1

董洪标等 对高 比灰铸铁奥 氏体枝晶数量 的影 响规律 实验过程 实验 原料采 用 工 业纯铁 、 光 谱纯 石 墨 电极 和单 晶硅 ， 在 一 〕 〕 型真空感应炉 内熔 炼 为 了减小 初 生相 对最小共 晶温度 的影 响 ， 选用共 晶成分 的灰铸铁 ， 见 表 中 一 取 熔 配 得 的母合金材料 ， 装人 叫 的刚 玉柑锅内 ， 在硅 一 钥棒 炉 内熔化 ， 并加热至 ℃ ， 保温 ， 使石墨 充分 溶解 整 个过程在 氢 气保护下 进行 ， 以 防止 氧化 、 脱碳 用镍铬 一镍 表 实验 中所用 灰铸铁的化学成分 晓 知泪血川 姗声刘加 即 ， 试样编号 〔王 镍铝 热 电偶 接 一 型测 温 仪记 录冷却 曲线 ， 度 为 士 ℃ 试 样 用 苦 味 酸 钠 进 行 浸 蚀 ， 察并测量 奥 氏体枝 晶 的数量 将表 中 一 试样 制成 中 的定 向凝 固试样 ， 置 于 定 向凝 固装置 的结 晶器 中 ， 升温到 ℃ ， 保温 ， 测得固 一 液界面前沿 的温度梯度为 ℃ 住 品 ， 麟八一山︸凡，、 反王田印 ，一伟︸、 精观 ︺一、︸护夕 以 不 同的生长速度进行 定 向凝 固 试验 ， 在 速度变化 时保温 而 将定 向凝 固 试 样 沿 纵 向剖 开 ， 制成金相样 品 ， 用苦味酸钠溶液着色腐蚀 ， 进行金相观 察 实验结果 与分析 硅对灰铸铁最小 共晶温 度的影 响 种不 同 含 量 的共 晶成分 灰铸铁在不 同冷却条件下 的热分 析 曲线 ， 通 过微 分 仪测 得 的 最小 共 晶温度 值见表 从 实验结果 可 以 看 出 在相 同的 冷却 条 件 下 ， 随着 含 量 的增加 ， 灰铸铁 的最小共 晶温度 升高 ， 文献 【 表 明凝 固过程 中铸 铁 的 最 小 共 晶 温 度 与 其 过 冷 度的关系 ， 反 映 了铸 铁 的过 冷 倾 向 ， 所 以 ， 在相同的冷却速度下 ， 随着 含量 的增加 ， 共 晶过冷度减小 ， 最小 共 晶温 度 升高 灰铸铁共晶凝 固时 ， 石 墨相 作 为领 先相首先形核析出 ， 随后奥氏体依附于它而形核 ， 协 同 生长 文献 【 指 出 在 ℃ 使高纯度 的 一 合 金 的表 面 能 由 一 ‘ 降低 到 一 礴 二 ’ ， 使表 面 张力及 固 一 液转变 的 临界 过冷 度 降低 因此 在 一 合 金 中加人 以后 ， 使灰铸铁 的最小 共 晶温度升高 硅对灰铸铁奥氏体枝 晶数全 的影响机制 表 列 出了 种不 同含硅量 的灰铸铁在不 同凝固条件下所得 的组织 和通过定量金相分 析所得 奥 氏体枝 晶含量 它表 明同一 成分灰铸铁随冷却速度增大奥氏体枝晶增多 因为冷却速度增大 使共 晶过 冷度增大 ， 则奥 氏体枝 晶 的数量增多 而不 同成分的灰铸铁在相 同的冷却速度 下 ， 随 着 含量 的增加 ， 在共 晶过冷度减小 的 同时 ， 奥 氏体枝 晶 的数量却增 加 根 据 一 相 图可 作如下分析 硅使奥 氏体枝 晶数量增 加 的原 因只 能有下 列 种 可 能 性 ， 见 图

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董洪标等 对高 比灰铸铁奥 氏体枝晶数量 的影 响规律 实验过程 实验 原料采 用 工 业纯铁 、 光 谱纯 石 墨 电极 和单 晶硅 ， 在 一 〕 〕 型真空感应炉 内熔 炼 为 了减小 初 生相 对最小共 晶温度 的影 响 ， 选用共 晶成分 的灰铸铁 ， 见 表 中 一 取 熔 配 得 的母合金材料 ， 装人 叫 的刚 玉柑锅内 ， 在硅 一 钥棒 炉 内熔化 ， 并加热至 ℃ ， 保温 ， 使石墨 充分 溶解 整 个过程在 氢 气保护下 进行 ， 以 防止 氧化 、 脱碳 用镍铬 一镍 表 实验 中所用 灰铸铁的化学成分 晓 知泪血川 姗声刘加 即 ， 试样编号 〔王 镍铝 热 电偶 接 一 型测 温 仪记 录冷却 曲线 ， 度 为 士 ℃ 试 样 用 苦 味 酸 钠 进 行 浸 蚀 ， 察并测量 奥 氏体枝 晶 的数量 将表 中 一 试样 制成 中 的定 向凝 固试样 ， 置 于 定 向凝 固装置 的结 晶器 中 ， 升温到 ℃ ， 保温 ， 测得固 一 液界面前沿 的温度梯度为 ℃ 住 品 ， 麟八一山︸凡，、 反王田印 ，一伟︸、 精观 ︺一、︸护夕 以 不 同的生长速度进行 定 向凝 固 试验 ， 在 速度变化 时保温 而 将定 向凝 固 试 样 沿 纵 向剖 开 ， 制成金相样 品 ， 用苦味酸钠溶液着色腐蚀 ， 进行金相观 察 实验结果 与分析 硅对灰铸铁最小 共晶温 度的影 响 种不 同 含 量 的共 晶成分 灰铸铁在不 同冷却条件下 的热分 析 曲线 ， 通 过微 分 仪测 得 的 最小 共 晶温度 值见表 从 实验结果 可 以 看 出 在相 同的 冷却 条 件 下 ， 随着 含 量 的增加 ， 灰铸铁 的最小共 晶温度 升高 ， 文献 【 表 明凝 固过程 中铸 铁 的 最 小 共 晶 温 度 与 其 过 冷 度的关系 ， 反 映 了铸 铁 的过 冷 倾 向 ， 所 以 ， 在相同的冷却速度下 ， 随着 含量 的增加 ， 共 晶过冷度减小 ， 最小 共 晶温 度 升高 灰铸铁共晶凝 固时 ， 石 墨相 作 为领 先相首先形核析出 ， 随后奥氏体依附于它而形核 ， 协 同 生长 文献 【 指 出 在 ℃ 使高纯度 的 一 合 金 的表 面 能 由 一 ‘ 降低 到 一 礴 二 ’ ， 使表 面 张力及 固 一 液转变 的 临界 过冷 度 降低 因此 在 一 合 金 中加人 以后 ， 使灰铸铁 的最小 共 晶温度升高 硅对灰铸铁奥氏体枝 晶数全 的影响机制 表 列 出了 种不 同含硅量 的灰铸铁在不 同凝固条件下所得 的组织 和通过定量金相分 析所得 奥 氏体枝 晶含量 它表 明同一 成分灰铸铁随冷却速度增大奥氏体枝晶增多 因为冷却速度增大 使共 晶过 冷度增大 ， 则奥 氏体枝 晶 的数量增多 而不 同成分的灰铸铁在相 同的冷却速度 下 ， 随 着 含量 的增加 ， 在共 晶过冷度减小 的 同时 ， 奥 氏体枝 晶 的数量却增 加 根 据 一 相 图可 作如下分析 硅使奥 氏体枝 晶数量增 加 的原 因只 能有下 列 种 可 能 性 ， 见 图

Vol.16 No.3 董洪标等：S1对高S1/C比灰铸铁奥氏体枝品数量的影响规律 229 界生长速度R。逐渐增加，在(a)与()，(b)与()碳当量相近的条件下，随着含硅量的增 加，临界生长速度R降低· 2.4硅对灰铸铁共晶共生区的影响 根据公式V=G·R(式中V:冷却速度，R:生长速度，即定向凝固试样的拉伸速度，G: 固液界面前沿的温度梯度)，将生长速度R转换为冷却速度V;再根据公式() △T=137.8G-0.3505+21.2G05v5 (2) 将刚出现奥氏体枝晶的临界冷却速度Vc转换成临界过冷度△T℃，列于表4中，利用文献[4]中所 得的纯F-C合金的共晶共生区图，将表4中数据绘成图，得到硅对共晶共生区偏移图，见图 3,图中显示出不同含S量灰铸铁共晶共生区中的石墨析出曲线，可见随着含硅量的增加共 表4不同成分灰铸铁凝固过程中的临界过冷度 Table4 The critical undercooling of variant content grey iron ,Si=0% 1150 试样编号R/ms1 10-2y.℃s△T/℃ Si-0.38% 4 2.87 2.87 5.8 1145 Si 5 4.39 4.39 7.4 6 10.4 10.4 11.1 7 2.43 2.43 5.3 8 4.50 4.50 7.3 .0 4.5 5.0 5.56.0 CE/% 晶共生区的位置向右偏移，从而使高Si/C比灰 铸铁中的奥氏体枝晶数量增加，提高灰铸铁的 图3硅使灰铸铁共晶共生区偏移的示意图 强度， Fig.3 The schematic of influence of silicon on the Fe-C eutectic coupled zone 3 结论 (1)硅使高Si/C比的灰铸铁最小共晶温度升高. (2)相同成分的过共晶F-C-Si合金，随着冷却速度的增加，其凝固组织由初生石墨 十共晶向共晶组织向奥氏体枝晶+共晶组织逐渐转化， (3)硅使F-C合金的共晶共生区向右偏移，从而增加了先共晶奥氏体的数量， 参考文献 1西川进，山本悟，川野丰，共晶状黑铅刀生成条件上飞刀生成机构，铸物，1977(9)：525 2刘克斯布，明科夫伊，拉莫德费，铸铁冶金学.北京：机械工业出版社，1983.283 3李富帅，硅在灰铸铁中的行为：[硕士论文】.北京：北京科技大学，193 4 Elliot R.Eutectic Solidification Processing.US:Butterworth,1983.293

洪标等 对高 比灰铸铁奥氏体枝 晶数 的影 响规律 界 生 长 速 度 。 逐 渐 增 加 在 与 ， 与 碳 当量 相 近 的条 件 下 ， 随着 含 硅 量 的 增 加 ， 临界 生长速度 降低 硅对灰铸铁共 晶共生 区 的影 响 根 据 公 式 · 式 中 冷却速 度 ， 生 长速 度 ， 即定 向凝 固 试 样 的 拉 伸 速 度 ， 固液界 面前沿 的温度梯 度 ， 将生 长速度 转换 为冷却速度 再根 据公式 ’ △ 一 俨‘ ，， · ， 将刚 出现 奥 氏体枝晶的临界 冷却速度 转换成临界过冷度 △ ， 列于表 中 利用文献 〔 中所 得 的纯 一 合金 的共 晶共生 区图 ， 将表 中数据绘 成图 ， 得 到 硅 对共 晶共 生 区 偏 移 图 ， 见 图 图 中显示 出不 同含 量 灰铸铁共 晶共生 区 中的石墨析 出 曲线 ， 可见 随着 含 硅 量的增加共 裹 不 同成分灰铸铁凝 固过程中的临界过冷度 几决 试样编号 尺 娜 · 一 ， 一 厂 。 ℃ · 一 ， △刀℃ 匆 功 晶共 生 区的位置 向右偏移 ， 从而 使高 比灰 铸 铁中 的奥 氏体 枝晶数 量增加 ， 提 高灰铸 铁 的 强 度 尸 爵 价李 图 硅使灰铸铁共 晶共生区偏移 的示意 圈 一 结 论 硅使高 比 的灰铸铁最小共 晶温度升高 相 同成分 的过共 晶 一 一 合金 ， 随着冷却速度 的增加 ， 其凝 固组织 由初 生 石 墨 共 晶 向共 晶组织 向奥 氏体枝 晶 十 共 晶组织 逐渐转化 硅使 一 合金 的共 晶共生 区 向右偏移 ， 从而增 加 了先共 晶奥 氏体 的数量 参 考 文 献 西川进 ， 山本悟 川野 丰 共 晶状黑铅 。 生成条件 七 圣。 生成机构 ， 铸物 ， 刘克斯 布 ， 明科夫 伊 ， 拉莫德 费 铸铁冶金学 北京 机械工 业 出版社 ， ， 李富帅 硅在灰铸铁 中的行为 【硕士论文 北京 北京科技大学 卯 正 洲无 币口七。 仪璐 溯