球铁中“黑斑”区的组织及其形成机理研究.pdf_大学文库

北京钢铁学院学报年增刊球铁中 “ 黑斑 ” 区的组织及其形成机理研究金相教研室铸工教研室宋维祖连金江摘要应用光学显微镜和扫描电镜分析研究了球铁中 “ 黑斑 ” 区的组织。结果表明， “ 球冬破碎论 ” 难于成立。提出了新的关于黑斑形成的机理。一、前弓全厂 “ 黑斑 ” 或称灰斑是球铁铸件中常见的宏观缺陷之一。它的出现，会使球铁铸件的强度，特别是韧性，显著下降，严重影响球铁的扩大应用，因而引起了国内、外科技界的广泛注视。自五十年代后期以来，各国有关学者一直都在为此进行着大量研究工作 ‘ 一 ’ 〕，特别是在关于黑斑的形成的机理方面。但至今，较为流行的看法，仍然是由等【 ” 忿 ’ 早在年代初提出的所谓 “ 球墨破碎论” 。但提出者本人直到年代初，仍难进一步提出更充分的论据 “ ’ 。近年来，虽有一些较为详细的研究 “ ’ ’ ，但仍难出 “ 球墨破碎论” 的范铸。作者曾在 “ 大断面球铁中黑斑的结构 ” 一文中【 ‘ ’ 较深入地揭露了黑斑的结构实质，即宏观上的一个黑斑，在微观上相当于一个粗大共晶球团，其中石墨在表面上虽呈孤立的蠕虫状或块状，但在空间上大多是相互联接为一体的。并由此对 “ 球墨破碎论 ” 提出了疑问。这在当时，虽是一个较为重要的新进展，但仍有不少问题没有解决。本文继续前文的工作，进行了进一步的研究，提出了新的关于黑斑的形成机理。二、试验方法球铁的熔炼、处理、浇铸和所用的相应装置，以及试样的制备和分析方法，基本同前文“ ’ 。试样的成分经化学分析结果，如表所示。其中 ’ 。为万柱形模拟小试样，为标准楔形试样。一一 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1982．s1．004

态和分布特征来看，应与奥氏体枝晶网有一定的联系。由于黑斑是-一个直径甚至可达4~5毫米的粗大共晶球团，在空间上又是任意分布的，因而在一个金相试样上的同一观察面上，会同时出现黑斑的不同剖面：有的接近球团边缘；有的靠近球团中心；有的处于其它中间位置。这样，尽管一个球团内的石墨其空闻间形态和分布是相似的，但在不同剖面上就会有不同的表现，参看图7~8。但实际上，即使看来孤立分布的点状石墨，用扫描镜也可以发现它们是相互联接的，见图9，图8 斑区城的低倍组织(4#)，疏酸酒精没蚀，×9 并参看图2。 3.黑斑区城的基体组织由图8及10可以看出，黑斑分布在这样一个基体上：它以珠光体为主并散布着各种不同形态的变态球墨和一些较圆整的球墨，石墨周围大多有一层不同厚度的铁素体。无论铁素体或珠光体，然，都是高温奥氏体的转变产物。可见，在凝固过程中的后期，应是球墨和各种变态石墨与奥氏体共同在残余液体中成长着。事实上，这些石墨中有不少是和黑斑内部那些与密合共晶不相干的石墨相似的，只是数量较多，或尺寸较大。此外，基体中也存着大量奥氏体枝晶网，并与黑班内部的奥氏体枝晶网相连贯，显然，它们都是同一阶段形成的。只是基体中的奥氏体枝晶网其表层大部分在固态下转变为珠光体，其余部分则转变为铁素体：而不象黑斑内部的那样，完全转变为铁素体。 (a) 图9黑斑内的点状石题 (h) (3),×110,经深蚀后的扫捕电镜组织(h), 4.黑斑及黑斑区组织的形成机理 4试样的碳当量为4.35，应接近铸铁的共晶成分，5试样的碳当量达4.74，应属过共晶，又都是在非常缓慢的冷却条件下凝固的。由图8及图17可知，其显微组织中都有粗大的原奥氏体枝晶网。实际上，甚至碳当量高至5以上的各试样，如7·，8，也都具有奥氏体枝晶网。作者认为，这些奥氏体枝晶网应属于，至少大部分应属于二相其品组织的一个组织一35一

图黑斑区域的低倍组织，硫酸酒梢浸蚀，态和分布特征来看，应与奥氏体枝晶网有一定的联系。由于黑斑是一个直径甚至可达毫米的粗大共晶球团，在空间上又是任意分布的，因而在一个金相试样上的同一观察面上，会同时出现黑斑的不同剖面有的接近球团边缘，有的靠近球团中心，有的处于其它中间位笠。这样，尽管一个球团内的石墨其空间形态和分布是相似的，但在不同剖面上就会有不同的表现，参看图。但实际上，即使看来孤立分布的点状石墨，用扫描镜也可以发现它们是相互联接的，见图，并参看图。黑斑区域的基体组织由图及可以看出，黑斑分布在这样一个基体上它以珠光体为主并散布着各种不同形态的变态球墨和一些较圆整的球墨，石墨周围大多有一层不同厚度的铁素体。无论铁素体或珠光体，显然，都是高温奥氏体的转变产物。可见，在凝固过程中的后期，应是球墨和各种变态石墨与奥氏体共同在残余液体中成长着。事实上，这些石墨中有不少是和黑斑内部那些与密合共晶不相干的石墨相似的，只是数量较多，或尺寸较大。此外，基体中也存着大最奥氏体枝晶网，并与黑斑内部的奥氏体枝晶网相连贯，显然，它们都是同一阶段形成的。只是基体中的奥氏体枝晶网其表层大部分在固态下转变为珠光体，其余部分则转变为铁素体，而不象黑斑内部的那样，完全转变为铁素体。图黑斑内的点状石里卜，，经深蚀后的扫描电镜组织黑斑及黑斑区组织的形成机理试样的碳当量为，应接近铸铁的共晶成分 ‘ 试样的碳当量达，应属过共晶，又邦是在非常缓慢的冷却条件下凝固的。由图及图可知，其显微组织中都有粗大的原奥氏体枝晶网。实际上，甚至碳当量高至以上的各试样，如，，也都具有奥氏体枝晶网。作者认为，这些奥氏体枝晶网应属于，至少大部分应属于二相共晶组织的一个组织一一

长，其结果将如图11(b)~(d)所示：(1)石墨和奥氏体的形貌都将发生畸变，即由近似对称的形貌变为不规则的形貌，(2)石墨逐步被奥氏体技品所包围，而后进行包品式的共晶，或(3)石墨优先分枝环绕奥氏体周界而成长。随石墨被奥氏体包同程度的不同，以及石墨在其被包围前的成长阶段的差异，它可呈现出如前所述的各种不同形貌。即使被完全 a) (c) 图1I斑形成机理示意图 ()枝状奥氏体与球量分别独立形核和成长：()部分球最发展为星状或枝状， (c),()黑斑的形成和成长，包围的石墨，仍可通过碳由液体经过奥氏体向其扩散而与奥氏体共同成长，进行所谓包晶式的共品，并在一定程度上改变其原有形貌。被奥氏体部分包围的石墨，成长后其形税将更为复杂。同时，也会出现这样一种情况，石墨通过其奥氏体壳的某些通道，向液体中分枝成长，或沿奥氏体壳的外表面成长，并进而促使奥体与其进行正常式的共晶转变。随温度的下降和时间的转移，与上述过程继续进行的同时，在奥氏体枝晶附近，球墨形核成长的机会增大了，因而被图1？球凰的分枝成长(4#1，未浸烛，偏光，×400 奥氏体包围的球器数也会随之而增多。同样，奥氏体在孤立悬浮在液体中那些星状或枝状石墨附近形核和成长的机会也增大了，因而进行密合共晶的机会也增多了。如图11(c)、(d)所示，一旦这一过程开始，石墨和奥氏体就紧密偶合起来，相互促进地向四周液体中扩展，它穿插于已悬浮在液体中的粗人奥氏枝晶网间，环绕于已先存在于液体中的其它星状、枝状或球状石墨，并逐步将它们吞没于其组织中。由于在这个阶图13球墨成长为昆状5(#)，偏光，×125，段，剩余的液体还相当多，已形成的组织纵然对其成长有所干扰，也只起次要作用，所以， -37

长，其结果将如图所示石墨和奥氏体的形貌都将发生畸变，即由近似对称的形貌变为不规则的形貌，石墨逐步被奥氏体枝晶所包围，而后进行包品式的共晶，或石墨优先分枝环绕奥氏体周界而成长。随石墨被奥氏体包围程度的不同，以及石墨在其被包围前的成长阶段的差异，它可呈现出如前所述的各种不同形貌。即使彼完全、 ‘ 、图黑斑形成机理示意图枝状奥氏体与球蟹分别独立形核和成长部分球里发展为星状或枝状，《黑斑的形成和成长。包围的石墨，仍可通过碳由液体经过奥氏体向其扩散而与奥氏体共同成长，进行所谓包晶式的共品，并在一定程度上改变其原有形貌。被奥氏体部分包围的石墨，成长后其形貌将更为复杂。同时，也会出现这样一种情况，石墨通过其奥氏体壳的某些通道，向液体中分枝成长，或沿奥氏体壳的外表面成长，并进而促使奥体与其进行正常式的共晶转变。随温度的下降和时间的转移，与上述过程继续进行的同时，在奥氏体枝晶附近，球墨形核成长的机会增大了，因而被图球里的分枝成长、，未浸蚀，偏光，火。。奥氏体包围的球墨数也会随之而增多。同样，奥氏体在孤立悬浮在液体中那些星状或枝状石墨附近形核和成长的机会也增大了，因而进行密合共晶的机会也增多了。如图、所示，一旦这一过程开始，石墨和奥氏体就紧密偶合起来，相互促进地向四周液体中扩展，它穿插于已悬浮在液体中的粗大奥氏枝晶网间，环绕于已先存在于液体中的其它星状、枝状或球状石墨，并逐步将它们吞没于其组织中。由于在这个阶图一球墨成长为星状偏光一，段，剩余的液体还相当多，已形成的组织纵然对其成长有所干扰，也只起次要作用，所以，一一

时犹如在液体中自由成长一样，可发展为较为圆整的球团状。只有当各球团相遇时，才会相互于扰而彩响其外形，参看图8，并可能发生部分再离异现象。当温度随着时间再进一步下降时，残留在共晶球团之间和奥氏体枝晶网间狭窄区的液体为量已不多了。一旦有新的球墨形成，很快就会被奥氏体所包围，而进行包晶式的共晶转变。其原因之一是，温度低、较远距离的扩散较困难了，石墨周围的富铁（贫碳）液层增厚了，这有利于奥氏体优先形核和成长，原因之二是，球墨与两岸现成奥氏体的距离很小了，很易促使现有奥氏体向石墨优先成长，并将后者包围起来。这种包晶式的共晶转变可一直进行到液体完全消失。所以黑区的基体组织中球墨较多。凝固后，在缓冷至室温的过程中，还会发生一系列的固态转变，其中对组织影响较大的仅只共折转变。冷至共折温度时，所有奥氏体都要进行共析分解。从本试验条件来看：黑班内部的奥氏体大多按稳定系分解为铁素体和石墨，即Y→a+G,其中，石墨将与共晶球团中的石墨混为一体，而铁素体则留在原奥氏体的部位，并基本上保持着原奥氏体的形貌；处于共晶球团以外的奥氏体，大部分按亚稳系转变为珠光体，只有一小部分按稳定系转变，前者多处于原奥氏体枝晶的外层，后者则位于其心部，特别是与石墨相邻的部位。究其原因可能是：(1) 共晶球团、即黑班内部的共晶石墨其分散度很大，有利于分布其间的奥氏体按稳定系分解影 (2)由于凝固过程中的偏析作用，黑班外围的奥氏体其边缘最后凝固的部位富集着M·、 P·S·Mg和稀土等促进珠光体转变的元素。 5,鼎旋区的组奴变化及其主要控制因素根据作者的分析，球铁中之所以出现宏观黑斑，主要在于其显微镜组织中形成两种退然不同的主要组织组分：以珊瑚状石墨（即一般所谓蠕墨）为主要特征的粗大的密合共晶球团，和作为这种球团分布基体的、以球墨和其它变态石墨为主要特征的包晶形的共品体。这两种组分的差异越大，则其相互村托的作用就越强，宏观黑斑也就越显明。图8应是最显著的黑班组织，因为两种组织组分中，除了石墨的形态和数量不同外，还有铁素体和珠光体的差别。显然，具有这种组织的铸件其强度和韧性是不会好的。具有珊瑚状石墨（或烯黑）的共晶球团既是黑斑的主体，那么它的形成条件，当然也是出现黑斑的先决条件。根据作者所提出的机理，它应起源于那些能够发展为星状或枝状的孤立球量。这样，对亚共晶和共晶球铁来说，共晶组织的早期离异应该是必须条件。而对过共晶球铁来说，由于会有先共晶球墨的形成，就不一定如次苛求了。但无论使共晶离异，或使球墨达到星状或分枝成长都必须很缓慢的冷却。这就是为什么大断面球铁铸件易于产生黑斑，而冷却很缓馒的小试样，也一样会产生黑斑的根本原因。因而快冷应是消除黑斑的主要方法之一。在相似冷却条件下，如与共晶铸铁相比，那么对亚共晶铸铁来说，由于有先共晶奥氏体附加在离异共晶的奥氏体上，因而悬浮在液体中的奥氏体枝晶网伸展较广，密度较大，球墨出现后被奥氏体包围的机会增多了，这样，共晶球团形成的机会也就因而减小了。对过共晶球铁来说，由于有先共晶球墨的出现，情况正相反，形成共晶球团的机会增大了。这就意味着，随碳当量的增加，球铁中出现黑斑的倾向性增大了，本试验结果，见表1，证明正是这样。在能够出现黑斑的前提条件下，加速冷却，或提高碳当量，会使共晶球团的形成速率增一38一

诗犹如在液体中自由成长一样，可发展为较为圆整的球团状。只有当各球团相遇时，才会相互干扰而影响其外形，参看图，并可能发生部分再离异现象。当温度随着时间再进一步下降时，残留在共晶球团之间和奥氏体枝晶网间狭窄区的液体为至已不多了。一旦有新的球墨形成，很快就会被奥氏体所包围，而进行包晶式的共晶转变。其原因之一是，温度低、较远距离的扩散较困难了，石墨周围的富铁贫碳液层增厚了，这有利于奥氏体优先形核和成长原因之二是，球墨与两岸现成奥氏体的距离很小了，很易促使现有奥氏体向石墨优先成长，并将后者包围起来。这种包晶式的共晶转变可一直进行到液体完全消失。所以黑斑区的基体组织中球墨较多。，凝固后，在缓冷至室温的过程中，还会发生一系列的固态转变，其中对组织影响较大的仅只共折转变。冷至共折温度时，所有奥氏体都要进行共析分解。从本试验条件来看黑斑内部的奥氏体大多按稳定系分解为铁素体和石墨，即丫，，其中，石墨将与共晶球团中的石墨混为一体，而铁素体则留在原奥氏体的部位，并基本上保持着原奥氏体的形貌，处于共晶球团以外的奥氏体，大部分按亚稳系转变为珠光体，只有一小部分按稳定系转变，前者多处于原奥氏体枝晶的外层，后者则位于其心部，特别是与石墨相邻的部位。究其原因可能是共晶球团、即黑斑内部的共晶石墨其分散度很大，有利于分布其间的奥氏体按稳定系分解多由于凝固过程中的偏析作用，黑斑外围的奥氏体其边缘最后凝固的部位富集着、，和稀土等促进珠光体转变的元素。肠二斑区的组舰变化及其主县控翻月众、根据作者的分析，球铁中之所以出现宏观黑斑，主要在于其显微镜组织中形成两种迥然不同的主要组织组分以珊瑚状石墨即一般所谓蠕墨为主要特征的粗大的密合共晶球团，和作为这种球团分布基体的、以球墨和其它变态石墨为主要特征的包晶形的共晶体。这两种组分的差异越大，则其相互衬托的作用就越强，宏观黑斑也就越显明。图应是最显著的黑斑组织，因为两种组织组分中，除了石墨的形态和数量不同外，还有铁素体和珠光体的差别。显然，具有这种组织的铸件其强度和韧性是不会好的。具有珊瑚状石墨或蠕黑的共晶球团既是黑斑的主体，那么它的形成条件，当然也是出现黑斑的先决条件。根据作者所提出的机理，它应起源于那些能够发展为星状或枝状的孤立球墨。这样，对亚共晶和共晶球铁来说，共晶组织的早期离异应该是必须条件。而对过共晶球铁来说，由于会有先共晶球墨的形成，就不一定如次苛求了。但无论使共晶离异，或使球墨达到星状或分枝成长都必须很缓慢的冷却。这就是为什么大断面球铁铸件易于产生黑斑，而冷却很缓慢的小试样，也一样会产生黑斑的根本原因。因而快冷应是消除黑斑的主要方法之一。在相似冷却条件下，如与共晶铸铁相比，那么对亚共晶铸铁来说，由于有先共晶奥氏体附加在离异共晶的奥氏体上，因而悬浮在液体中的奥氏体枝晶网伸展较广，密度较大，球墨出现后被奥氏体包围的机会增多了，这样，共晶球团形成的机会也就因而减小了。对过共晶球铁来说，由于有先共晶球墨的出现，情况正相反，形成共晶球团的机会增大了。这就意味着，随碳当量的增加，球铁中出现黑斑的倾向性增大了，本试验结果，见表，证明正是这样。在能够出现黑斑的前提条件下，加速冷却，或提高碳当量，会使共晶球团的形成速率增一一

四、结论 1.球铁铸件中之所以出现宏观黑斑，是由于其微观组织中所形成的两种迥然不同的主要组织组分—密合共晶球团和包晶式共晶体相互配合、交相衬托的结果，这两种组分的差异越大，黑班越显著。 2.宏观上一个黑斑，基本上相当于图1T过共晶球铁中鼎薤的低倍姐，(7)，未浸烛，×12.5 微观组织中的一个粗大密合共晶球团。它是单一共晶晶粒或几个共晶晶粒的复合体。其中石墨的金相形貌，在表面上呈所谓烯虫状，在空间上则为珊瑚枝状，并通过其成长中心而联接成一体。它是以一个或多个已由球状成长为星状或枝状的石墨为中心，再与奥氏体密合在一起而相互促进地在液体中成长起来的。 3,球铁中黑班区的组织主要是由三种不同形式的变态共晶体所组成的。其中，密合共晶体组成黑斑的主体，包晶式的共晶体为黑班分布的基体；无定形的离异共晶体穿插在整个组织中。这主要是由于在缓冷条件下，球铁中的共晶转变，L→Y+G,能够随温度的下降，依次以三种不同的形式分别地、并在一定程度上重叠地进行。 4,球铁中黑班区各种不同形态的蠕墨大多导源于球墨的分枝成长，并大多在空间上与其所由成长的母球联系在一体，而不是孤立分散的所谓球墨碎块。参考文献 1.S.I.Karsay R.D.Schelleng:AFS Trans.V.69(1961),P672. 2.同上，P.725 3.同上，V.78(1970),P.85 4、L.Sofroui等：The Metallurgy of Cast Iron(1975),P179. 5.P.Strizik:AFS Intern CMJ V.1(1976),No.3 P.23 6,R.W.Reesman C.R.Loper AFS Trans.V.75(1967),P1~9 7.R.K.Buhr:AFS Trans.V.76(1968)P.497 8.H.Mayer:AFS Intern CMJ V,1(1976),No.4,P.21 9.W.Thury:AFS CMR,V.10(1974),P.134 10.K.Reifferscheid:Gieserei Praxis,1973,No.22 P393 11.钢院铸工教研组，，1978，No.1,P.39 12.张联芳，连金江4，1979，No.3,P.23 13。贾厚生：，1980，No.1,P.41 一40-