大断面球铁中黑斑的结构

D01:10.13374/i.issn1001053x.1981.03.037 大断面球铁中黑斑的结构 铸工教研室连金江韩福惠张联芳 金相教研室宋维锡 摘 要 通过生产及模拟试验，并根据金相和扫描电镜观察，证明大断面球铁铸件中的 黑班是共晶晶粒或称共晶团。光学显微镜观察表明，黑班中的石墨类似D型分布的 厚片状石墨，但深腐蚀试样的扫描电镜观察证明，这种短小的厚片状石堡既不属于 一般的片状石墨，也不是孤立的石堡碎块，而是相互联结成一体的理瑚状石墨。进 一步试验表明，每个黑班内大都有一个星状的石墨核心，珊瑚状石墨从这个核心朝 各方向辐射生长。黑班内的基体组织为铁素体，它是高温相奥氐体的转变产物。珊瑚 状石墨在高温时与奥氏体共同由液体中结晶为共晶团，冷却时虽经固态转变，但共 晶组织的特征仍基本保留下来。环绕黑班周围的组织为珠光体加球状或不规則状石 墨，它使共晶球团组织村托得分外明显。 一、问题的提出和研究目的 大断面球铁铸件的生产日益增多，由于其冷速缓慢，因此使石墨经常发生各种变态。 [”)。在球铁轧辊及曲轴等大铸件上常见到沿断面均匀分布着大量的黑色斑点3)，其宏 观特征近似球形，直径2~5毫米，这就是所说的黑斑。 黑氍是大断面球铁件严重的缺陷之一，它的出现使铸件的强度特别是范性显著下降 1,甚至报废，因此引起了国内外的广泛重视。但是就目前来看，对这一缺陷的研究尚是不 充分的，特别是在结构实质方面以及形成机理方面，国外虽有不少研究，但大多着重宏 观条件的分析以其石墨形貌的微观描述，甚至名称也不同，反映出对黑斑实质的认识存在着 种种差异与分歧，特别是没有把黑斑是共晶团这一实质问题揭示出来。 例如就以所谓蠕虫状石墨而言，对其形貌及结构的认识也很不一致，有人认为就蠕虫状 石墨的结晶结构看类似球状石墨，它们在共晶内部是互相联结在一起71。而有人通过试 脸观察到，蠕虫状石墨区的边缘是成串联结在一起的石墨颗粒，而中心部分的细蠕虫状石露 是相互分离的【1。根据BL“×对石愚形态的分析认为蠕虫状石墨如同球墨一样，每一个 石质点与其周围的奥氏体构成一个共晶晶粒，而不同于珊瑚状石墨，后者在一个共晶晶粒 内部是联系为一体的[10！。 目前在国外较为流行的说法是石墨球被解体为扇形碎块而形成黑斑，引起石墨球解体的 原因，一种观点认为是由于石墨结晶涨破奥氏体外壳所致【8]，另一种观点则认为包围石量 球的奥氏体外壳被铁水热流的冲蚀而使球墨破坏为碎块【，这些碎块被冲入树枝晶间而成 长为蠣虫状石堡。这甲要指出的是上述观点仅仅提出形成碎块石墨之说的设想，尚未用试验 和以证实，特别是缺乏对黑斑宏观和微观结构统一起来的深入观察，因而对黑斑就缺乏本质 123

大 断 面 球 铁 中 黑 斑 的 结 构 铸工 教研 室 连 金江 韩 福惠 张联芳 金 相 教研 室 宋雄娜 摘 要 通 过 生产及 模 拟试 验 ， 并根据金 相和扫描 电镜观 察 ， 证 明 大断面球铁铸件 中的 黑斑 是 共 晶 晶粒 或称共 晶 团 。 光 学显微镜观察表明 ， 黑斑 中的石 墨类似 型 分 布 的 厚 片状 石 墨 ， 但 深腐蚀试 样 的扫描 电镜观察证 明 ， 这 种短 小 的厚 片状石 墨 既不 属 于 一 般 的片状石 墨 ， 也不 是 孤 立 的石 墨碎块 ， 而是 相 互 联 结成 一 体 的珊 瑚状石 墨 。 进 一 步试 验表 明 ， 每 个 黑斑 内大都有一 个星状 的石 墨核 心 ， 珊 瑚状石 墨从这 个核 心 朝 各方 向辐射 生 长 。 黑斑 内的塞体组 织 为铁 素体 ， 它是 高温 相 奥 氏体 的转 变产 物 。 珊 瑚 状石 墨在 高温 时与奥 氏体共 同由液体 中结 晶为共 晶 团 ， 冷却 时虽经 固态转 变 ， 但 共 晶组 织 的特征 仍基本保 留下来 。 环 绕 黑斑 周 围的组 织 为珠光体加 球状 或不 规 刻状 石 墨 ， 它使共 晶球团组 织 衬托得分 外明显 。 一 、 问题 的提 出和研 究 目 的 大断面球铁铸件的生产 日益增 多 ， 由于 其冷速 缓慢 ， 因此使石 墨经 常发 生 各种 变态 。 「” 川 。 在球铁轧辊 及 曲轴等大铸件上常见 到沿 断面均 匀分布着大量 的黑 色斑点 ， ‘ ， 其宏 观特征近似球形 ， 直径 毫 米 ， 这 就 是所说 的黑 斑 。 黑斑是大断面 球铁件严 重 的 缺 陷之一 ， 它 的 出现使 铸件的 强度 特 别 是 范 性显 著 下降 伟 ’ ， 甚至报废 ， 因此 引起 了 国内外 的广泛 重视 。 但是 就 目前来看 ， 对这一 缺 陷的研究 尚是 不 充分的 ， 特别 是在结构实质 方面 以 及形 成机理方面 ， 国外 虽有不 少研究 【 ‘ ， 但大 多着重宏 观条件的 分析以 其石 墨形 貌的微 观描述 ， 甚 至 名称 也 不 同 ， 反映出对黑 斑 实质 的认识存在 着 种 种 差异 与分歧 ， 特别 是 没有把黑 斑是共 晶团这一 实质 问题 揭 示 出来 。 例如 就 以 所谓蠕 虫状 石 墨而言 ， 对 其形 貌 及结 构的 认识 也很 不一致 ， 有人 认为就蠕 虫状 石 墨的 结 晶结构 看 类似 球状 石墨 ， 它们 在共 晶 内部是 互相联 结在一 起 ， 吕 。 而有人 通 过 试 脸 观 察到 ， 蠕 虫状 石墨 区 的边 缘 是 成 串联 结在 一起 的石 墨颗 粒 ， 而中 心 部分 的 细 蠕 虫状石墨 是相互分离的 〔 ‘ 。 根据 对石 墨形态 的 分析认 为蠕 虫状 石 墨如 同球 墨一 样 ， 每一个 右易质点 与 其周 围的 奥氏体 构成一 个共晶 晶粒 ， 而 不 同 于珊瑚 状石 墨 ， 后 者 在一 个共 晶 晶粒 内部是联 系为一 体 的 ” ” 。 目前在 国外 较 为 流行 的 说 法 是石 墨球被解体为 扇形 碎块 而形 成黑 斑 ， 引起 石墨 球解体 的 撅因 ， 一种 观点认 为是 由于 石墨 结 晶 涨破奥 氏体外壳所致 「 ， 另一种 观点 则 认 为包 围石墨 辣的奥氏体外壳被 铁水热 流 的冲蚀 而使球 墨破坏 为碎块 「’ ‘ ’ ， 这些 碎 块 被冲入 树 枝 晶间而成 长为姗虫状石墨 。 这 里要 指 出的 是 上述 观 点仅仅提 出形成碎块石 墨 之 说 的设 想 ， 尚未用 试 验 ’ 加以证实 ， 特别是 缺乏对黑斑宏观和 微 观结 构统一起来的 深入 观察 ， 因而对黑 斑 就 缺乏 本质 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1981．03．037

的认识，也就难有一个正确的论述。本研究工作：之目的就是通过武险及观察首先认消黑斑的 本质结构，为进一步研究其形成机理和消除打下基础。 二、试验方法 为了研究大断面球铁铸件中黑旺的结构及变化规律，根据球铁轧辊和曲轴的实际生产特 点，我们曾选择中300×700人试样及中30×220小试 样进行了模拟试验。 1.中300毫米大试样试验 此试验是在工厂进行的，铸型用千砂型，工频 电炉熔化铁水，铁水温度在1500℃左右出炉，在一 吨铁水包内进行球化和孕有处理，随后浇注重约 300公斤的大试样，同铂钱热电隅测出冷却曲线， 共晶转变时间约100分钟，加工试样作宏观断口及 金相观察。此外还浇注了二个加入过量硅铁孕育的 25毫米厚的标准楔形试样，以观察过量硅对黑斑的 影响。本试验结果列于表1，大试样断口中的黑斑 如图1所示。 图1912-3试样断口中心部位的黑斑分布 表1 试样编号 球化剂加入量孕育硅铁量 化学成分(%) 试样宏观断 (%) (%) C Si Mn P R203 口观察 913-1 重稀土合金(1) 0.5 0.00 0.072 没有黑斑，略有 2.8 3.672.10.0.330.068 小黑点 913-6 重稀土合金(1) 1.0 0.03 中心部位分布着 2.8 3.442.840.330.076 0.004 大量黑斑 912-1 甭稀土合金(2) 0.5 3.462.450.820.067 0.012 0.094 中心部位分布着 3.0 2毫米的黑斑 912-3 重稀土合金(2) 1.5 3.462.680.820.076 0.007 3.0 0,108中心部位分布着 2~3毫米的黑斑 04 轻稀土合金(3) 2.1 7.3 3.394.480.370.0620.027 整个楔形试样断 口分布着黑斑 02 轻稀土合金(3儿 1.5 10.5 3.385.60.370.0620.027 同上 (1)重稀土合金成分：R,0325%,Si42%,Ca2%, (2)重稀土合金成分，R2O318%,Si40%,Ca4% (3)稀土合金成分：R20340%Si35%。 2.中30嘉米试样的模拟试验 由于大试样的试验基不容易，因此我们又采用模拟方法对黑斑进行研究，此种研究方法 是基于创造一个使小试样在破加热的介质中缓慢的冷却条件，和大断面球铁铸件中心部位的 冷却条件相近似。铁水在中频感应电炉内熔化，铁水温度在1500℃左右出炉，在10公斤小 铁水包内进行球化和孕育处理，然后立刻浇入模拟试验炉的中30×220毫米小试样中缓慢冷 却，模拟试验装置见图2。如图2所示，为了创造缓慢冷却条件，将型壳及石英砂放置于石墨 124

的 认识 ， 也就难 有一个正 确 的论述 。 木 研究 工作 之 口的就是通 过 试脸 及 观 察首 先认 清黑 斑 的 木质 结 构 ， 为进一 步 研究 其形 成机理和 消除打 下 基 础 。 二 、 试 验 方 法 为了研究 大断 面球 铁铸件中黑 斑 的结 构及变 化规 律 ， 根据 球 铁轧辊 和 曲轴 的实际生产 特 点 ， 我们 曾选 择 小 大 试样 及 小 小试 样进 行 了模 拟试 验 。 小 奄米大 试样 试验 此 试 验是在 工 厂 进 行 的 ， 铸 型 用干 砂型 ， 工频 电炉熔 化 铁水 ， 铁水温 度在 ℃ 左右 出炉 ， 在 一 吨 铁水 包 内进 行球 · 化和 孕 育处理 ， 随后 浇 注垂 约 公斤 的大 试样 ， 同 铂 掩热 电隅测 出冷却 曲线 ， 共晶转 变时间约 分 钟 ， 加 工 试样作宏 观断 口 及 金 相 观 察 。 此 外还 浇注 了二个加入 过 量硅 铁孕育 的 毫米厚 的标 准楔形 试样 ， 以 观 察过 量 硅对黑 斑 的 影 响 。 本 试 验结 果列 于 表 ， 大试样 断 口 中的 黑斑 如 图 所示 。 图 一 试 样 断 口 中心 部位 的黑斑 分 布 表 一 卜 、 ， 。 球 ，匕剂 力口入 量 孕 育硅 铁量， 化 学 成 分 … 式样宏 观 断 队 ，十 撇 万 下 一 百 万丁一 万 一 百 一下 后 不 口 观 察 一 。一， 。一， 一一 一 一上一一一兰止匕兰竖二二止二二二 重 稀 土 合金 。 ， 。 。 ， 一。 。 。 。 。 八 八 。 。 。 。 。 八 。 ， 没有 黑 斑 ， 冲 略有 一 。 。 。 。 了’乙 。 。 己 。 。 ‘ ， 、 眨曰 七 一一一斗一一书架熟一一件 －一卫一一 一一卜二 一 一 一 － 一拼一一华势李禁一一 。 ， 。 。 夏 稀 」二嘴亨自全又 ， 。 。 ， 。 。 。 司。 。 ， 。 一八 。 。 月 八 。 。 廿 一 一 。 一 。 一 。 ‘ 。 。 。 。 一 。 甲 心 句 丈 少全巾 有 七 若兔 〔 日 工丫 一一一一半一一洲级斗一一 － － 卜 ， 。 ， 一一一二‘ 华擎耍华， 二 联 稀 土 兮 余 。 ， 。 ， 。 。 ， 。 。 。 。 。 ， 。 。 ， 。 八 。 八 ‘ 廿 ‘ 一 一 。 一 。 一 陌 伽 。 乙 一 乙 廿 引 甲。 心经犷 都习乙 怔人‘ 分巾 君 画 ” ， 。 ‘ 惬石 刁、 汀 挤飞胡」二 ， 。 。 重 稀 土 合 金 ， 。 。 ， 。 」 。 。 。 八 。 。 八 。 。 八 。 。 。 八 ， 。 。 一 “ 、 ’ ，‘ 和心 部位 分布着 七 巳 亚 、 “ ‘ “ “ ‘ ‘ · “ 一“ ‘ ” “ “ ‘ “ ” 】 甘 ’ 口 “ ” ’ ” ‘ ” ‘ 以 ” ‘ ” ’ ‘ ” 。 。 ， 一 ” 气毫 馨 米 欲 二的 之盗黑昙斑 干肇臀口劣 ， 。 。 。 月 。 。 。 。 。 。 。 ， 整个楔形试样 毓 一 肯 ，戈览当 言牛鑫 ’ ” ” ” ‘ “ ‘ “ ‘ “ “ “ “ ’ ” “ ‘ 口 分布着黑 斑 获丽两 。 。 · 。 万 同 一 ，几 重 稀 土 合 金成分 ， ， 重 稀 土 合 金成分 ， ， ， 秘稀土 合 金成分 。 小 奄米试样 的棋 拟试验 由于大试样 的 试验甚 不容易 ， 因此 我们 又 采用模 拟方法对黑 斑进行研 究 ， 此 种 研 究方 法 是 基于创造一 个使小试样 在破加 热的 介质 中缓慢 的冷却条件 ， 和 大断 面球 铁铸 件 中心 部位 的 冷却条件相 近 似 。 铁 水在 中频感 应 电 炉内熔 化 ， 铁水温 度在 ℃ 左 右 出炉 ， 在 公斤小 铁水包 内进 行 球 化和 孕 育 处理 ， 然后立 刻 浇入模 拟 试 验炉的 小 又 。 毫 米 小 试样 中缓慢 冷 却 ， 模 拟试验装置 见 图 。 如 图 所示 ， 为了创造缓慢冷却条件 ， 将 型壳 及石英砂放置于石 墨

坩埚中，碳硅俸炉内缓慢加热至1080℃，当型壳及砂的温度与炉的指示温度平衡后，浇入经 过球化及争育处理的铁水，这样，中30毫米的试样就在予热的介质中缓慢冷却，试样的共晶 转变时间为40分钟左右，试样及填砂的冷却曲线见图3。模拟试验结果列于表2，试样公观 剂面的黑斑分布见图4所示。 十 1140℃ 1120c 1300 1000 2 蚂 600 1080℃ 1000℃ 200 0 1020304050 时间（分） 1-热电隅，2-中190毫米石墨坩蜗， 1-中30毫米试样，2-填砂 3-中30毫米精铸壳：4-填砂，5-铁水， 图3试样及填砂冷却曲线 6-碳硅棒发热体，7-炉体 图2模拟试验装置示意图 表2 试样 6轻稀土镁 孕育硅 化学 成分(%) 编 合金加入量 铁量 试样宏观断口观察 (%) (%) CSi Mn Mg Ce 1 1.15 0.843.401.750.440.0540.0110.0220.033 没有黑斑 2 1.18 1.08 3.401.990.440.0450.021 0.0210.034 没有黑斑 3 1.74 1.193.402.070.44 0.0140.0150.034 略有小黑点 4 1.6 0.843.402.230.51 一 0.01 0.020.034 边缘均匀分布着 1~2毫米的黑斑 5 1.6 1.0613.402.480.52 0.0450.01 0.0380.055 边缘有2毫米的黑斑 1.6 1.643.402.850.520.0450.01 0.0410.043 整个断口均匀分布 着3~4毫米的黑斑 注：1)6#稀土镤合金成分：R20316.75%,Mg10.85%,Si40.64%,Ca6.35%, Mn3%。 2)Mg、Ce成分为光分析。 为了观察黑斑的形貌及结构，采用了金相显微镜与扫描电镜相结合的方法，先从低倍观 察，再至高倍分析。并用层磨法寻找黑斑核心，再将试样深腐蚀观察整个黑斑形貌。深腐蚀 是将试样放在10%的盐酸酒精溶液中浸蚀40小时，取出后再用5%的氢氟酸酒精溶液冲洗，最 125

柑 涡 中 ， 碳 硅 伟炉内缓 慢加热 至 ℃ ， 当型 壳 及砂 的 温 度与炉的 指示 温度 平衡后 ， 浇 入 经 过 球 比及孕 育 处理 的 铁 水 ， 这 样 ， 小 毫 米 的 试 样就 石 一 予 热 的 介质 中缓 慢冷 却 ， 试 样 的共晶 转变时 间 为 分钟左 右 ， 试 样 及填 砂 的 冷 却 曲线 见 图 。 模 拟 试验 结果 列 厂表 ， 试 样宏 观 剖面 的黑 斑 分布见 月 所示 。 ℃ 七 钱，、 长 卜。－一 。 ℃ ”︹﹄ 口主且 侧蛆︶ 一 一 一 曲，，卜 ， 偷 劝 巨 压 川迄井沙 汉 … 二 ‘ ‘ ， 欢 ‘ 幻八 帐冷 】 一 ， 、 口 袱宝心 二 ‘ 丁几二 长丫 了 · “ ’ ，‘ 冷汉冷杀心吞汾荞鑫湃 时间 分 一 热电隅， 一 小 毫米石 墨柑 祸 ， 一 小 毫米精铸壳 一 填砂 ， 一 铁 水 ， 一破硅棒发热体 一 炉体 图 模 拟试 验装 置 示 意图 一 小 毫米试样 ， 一 填砂 图 试 样及 填砂冷却 曲线 表 二 轻稀 土镁 孕 育硅 化 学 成 分 岩置 合 金加 入 量 铁 量 一 － 一一－ 试样宏 观 断 口 观 察 竺卜 ’ ‘ 口 ‘ 到 ‘ · ‘ 业叫 ‘些少洲型丝 介 一 巨 ‘ 卫州，卫竺 卫 有 墨兰 一 土 ， · “ …些 一…燮巴 吧巨卫些 ‘卫翌 哩匕卫」 一 竺宣兰竺一 ’ ， 卜里 “ 色 · 旦二兰 一 … “ ‘ · 甲卜 · ” 略有衅 ， “ 一 … 。 。 ‘ 。 。 一 …。 ， 。 。 · 。 。 · 。 想攀菜盆变磊 ， 。 ‘ 。 … 。 … 。 · ” 。 。 · 。 …边 缘 有 毫 米的黑 斑 下言一 一 丁万云诬 一 石 公云而 赢而 而百词 一 氰唬夏舞薪 注 产握稀土 镁合 金成分 。 ， ， ， ， 。 、 成 分 为光 婚 分 析 。 为 了观 察黑斑 的 形 貌 及结 构 ， 采 用 了金相 显微镜 与扫描 电镜 相 结 合 的方 法 ， 先从 低倍观 察 ， 再至 高倍 分析 。 并用层 磨 法寻 找黑斑核心 ， 再 将试 样深腐蚀 观 察整个黑斑形 貌 。 深腐蚀 是将试样放在 的 盐酸酒精溶液 中浸蚀 小时 ， 取 出后再 用 的氢 氟酸 酒精溶液冲洗 ， 最

后经热酒精冲洗，试样干燥后贮于干燥器中。黑斑的形貌及结构观察是在SEM-500扫描电 镜上进行的。 A横剖面，B-纵剖面（试样上一半） 图46#试样黑班分布 三、试验结果与讨论 从表1及表2所列的试验结果表明，无论是大试样还是模拟的小试样都有黑斑出现，特 别是这种模拟试验方法表明，它为研究大断面球铁提供了一种新的试验手段。影响黑斑形成的 因素甚多，本试验首先就硅对黑斑的影响进行了初步探索，从试验结果可以看出，在本试验 条件下，随着硅含量的增加则黑斑出现的倾向也就越严重，6试样的含硅量为2.85%，整个 试样断口均匀分布肴3~4毫米的黑斑，912-3大试样的硅含量为2.68%，断口中心部位均匀 分布着2~3毫米的黑斑，913-S大试样的硅为2.48%，也出现大量黑斑。04及02标准楔形试 样的冷却速度虽然较快，但由丁加入了过量的孕育硅铁，黑斑也大量出现。根据试验可以 得出：当其它条件相同时，硅含量增高或断面尺寸越大则产生黑斑的倾向也越大。这可能与 增强石墨化的因素有关12】。 本文着重分析研究黑斑的形貌及结构，即黑斑究竞是什么，它的结构是怎样的。 1,黑斑的形貌及结构 从图1及图4可以看出黑斑在试样断口及纵横剖面上的形貌和分布特征。黑斑近似球 形，分布大致均匀。与正常球铁断口相比，显然它是球铁的一一种缺陷，是石墨球化不良的表 现形式之一。为了揭示黑斑的形貌及结构，曾对6试样断口进行了扫描电镜观察，其形貌示 于图5。可以看出，黑斑并非全是石墨，它是由石 墨和铁素体所组成，因为在断裂时铁素体发生塑性 变形，故呈现为连绵起伏的白色突峰，而石墨是脆 性断裂，由于肉眼观察时看不清铁素体的突峰，因 此有人常把黑斑误认为是石墨夹杂，实际上它是石 墨和铁素体交织复合生长在-一起的。 用光学显微镜观察就进一步显示了黑斑的显微 组织，如图6所示。组织中有粗大树枝状铁素体， 树枝晶之间及其周围分布着许多短而小的石晏，其 基体也是铁素体。粗略观察黑斑的显微组织很类似 枝晶间石墨，若仔细分析则可看出，它与枝晶间石 图5试样断口的黑斑形貌×2500 126

后 经 热 酒精冲洗 ， 试样 干燥 后贮 于干燥器 巾 。 黑 斑 的形 貌 及结 构观 察是在 入仁 扫描 电 镜上进 行 的 。 一 横剖 面 ， 一 纵 剖面 试 样上 一 半 图 声试 样 黑斑 分 布 三 、 一 试验结果 与讨论 尸﹄︸浏、门之 从 表 及表 所 列的 试验 结果 表 明 ， 无论 是大 试样还 是模 拟 的 小试样都有黑斑 出现 ， 特 别是 这 种模 拟试 验 方 法表 明 ， 它 为研 究大 断 面球铁提供 了一种 新 的 试验 手段 。 影 响黑 斑形 成 的 因素甚 多 ， 本 试验 首 先就 硅 对黑 斑 的 影 响进 行 了初 步探 索 ， 从试验 结 果可 以 看出 ， 拍屯木 试验 条件下 ， 随 着硅 含量 的增 加 则黑 斑 出现 的倾 向也 就越 严 重 ， 挤试样的 含硅量 为 ， 整个 试样断 口 均 匀分布着 毫 米的黑 斑 ， 一 大 试样 的 硅 含量 为 ， 断 口 中 已 、 部位 均 匀 分布着 毫米的 黑 斑 ， 一 大 试样的 硅 为 ， 也 出现大量 黑斑 。 的 及 标 准模形 试 样的 冷却速 度 虽然较快 ， 但 由 于加 入 了过 量 的 孕 育硅 铁 ， 黑 斑 也大 量 出现 。 根据 试验可 以 得 出 当 其它 条件相 同时 ， 硅 含量 增 高或断 面 尺寸越 大 则产生 黑斑 的倾 向也越大 。 这 一 可能 与 增 强石墨 化的 因素有关 ‘ “ 。 本文着 重 分析研究 黑 斑 的形 貌 及结构 ， 即黑 斑 究竟 是什 么 ， 它 的 结构是 怎样的 。 燕班的形貌 及 结构 从 图 及 图 可 以 看 出黑 斑 在试样断 口 及纵横 剖面上 的 形 貌 和 分布特 征 。 黑 斑近 似球 形 ， 分布大 致 均 匀 。 与正 常球 铁断 口 相 比 ， 显 然它是 球 铁的 一种 缺 陷 ， 是 石 墨球 化不 良的 表 现形 式之一 。 为了揭 示 黑 斑 的形 貌 及结构 ， 曾对 声试样断 口 进 行 了扫描 电镜 观 察 ， 其形 貌示 于 图 。 可 以 着出 ， 黑 斑 并非全 是石 墨 ， 它 是 由石 墨 和 铁素体所组 成 ， 因为在 断裂 时铁 素休发生塑 性 变形 ， 故呈现为连 绵起 伏的 白色突峰 ， 而石墨 呈脆 性断裂 ， 由于 肉眼 观 察时 看不 清铁素体 的 突峰 ， 因 此 有人常 把 黑 斑误认 为是 石 墨 夹杂 ， 实际上它是石 墨 和 铁素体交 织 复合生 长 在一 起 的 。 用光 学显 微 镜 观 察 就进 一 步显 示 了 黑 斑 的 显微 组 织 ， 如 图 所示 。 组 织 中有粗大 树 枝状 铁 素 体 ， 树 枝晶 之 间 及其周 围分布着许 多短而 小的 石墨 ， 其 基体也是 铁素休 。 粗 略观 察黑斑的 显微组 织很 类 似 枝 晶间石 墨 ， 若 仔 细 分 析则 可 看出 ， 它 与枝 晶 间石 图 试 样 断 口 的 黑斑 形 貌 又

票的形态是有区别的，此种万器的尖揣变纯，这可能是受球化剂的影响所造成的结果。 以上观察虽初步揭示了黑斑的形貌，们较机没，尚不能说明黑斑整体的实质结构，为此 义对黑斑进行了低倍及深腐蚀试样的门描电镜连续观察，其形貌1结构示丁图7图8。 图6黑斑的显微组织，×50未浸仙 图7黑斑的低倍组织，×9,4%硝酸酒精浸蚀 (大块白亮区为黑斑) A×20 3×200 127

早 的形态 是有区 别的 ， 此 种石 黑 的 尖端 变饨 ， 这 可 能 是受 球 化剂 的影响所造成 的 结果 。 以 观 察 虽初 步揭 示 一 黑 斑 的 形 貌 ， 但 较相 戈 ， 尚 杯能 说 明黑斑整体的 实质 结构 ， 为此 又 对黑斑 进 宇了了低 ’ 及 深腐蚀 式样的 扫描 电镜 连 续 观 察 ， 雀仁形 貌 和结 构示 于 图 和 图 。 图 黑斑 的显微 组 织 ， 未浸蚀 曝关 鬓鬓蕊激 爹 摹毫熟魏奢 毫篓羹 瑟解 蔑盛殡鱿茸鬓魏 玮黝驯藻豪 巍缨 舀 、 泌活份河 鑫籍 崭 图 黑斑 的低 倍 组 织 ， 只 ， 硝酸酒 精浸蚀 大块 白亮 区 为 黑 斑

C×000 ID×2000 1B×640 图8黑斑深腐蚀扫描电镜照片 A.D.C.D为6试样E为04#试样 由图7可见，放大后，黑斑之间其形状并不相同，有的近似球形，有的呈椭园形或不规 则形，分析其原因可能是黑斑花其生长过程中受周围环境成散热条件的影响所进成。此外在 黑斑内部有明显的粗大树枝品，有的树枝晶伸出了黑斑，有的甚至贯穿几个黑斑，作深腐蚀 扫描电镜照片中（见图8.B),这种粗大树枝晶更为明显。我们认为这种粗大树枝品是初生 奥氏体枝晶的遗迹，它是在共晶前形成的，但其特征仍然存在。 图8清楚地显示了黑斑内的石墨及整个黑斑的形貌，试样深腐蚀后，铁素体的表层被溶 解，因而把黑斑清晰地暴露出来，图中白色突出物就是石墨，黑的部分是被溶解后的铁素 体，将图8.B局部放大，则石墨就如图8.C,D听显示的形貌。由此可以看出，原来在光学显 微照片上黑斑内的那些不连续短小石墨，实际上是相互联结在一起的，其形貌类似珊瑚，因 此我们把黑斑内的石墨列为珊瑚状石墨。 图8.C.D仅仅显示了黑斑内部的石墨形貌，而几珊瑚状石墨沿一定的方向生长，为了探 索石墨的整体形貌，采用层磨法，对试样进行逐层观察，结界约在黑斑中部找到了一个星状 石墨核心，再将此试样进行深腐蚀作扫描电镜观察，则黑斑中石墨的整体形貌就清楚地显示 出来，如图8.E所示。它在二定程度也显示了一个完整黑斑的立体结构，其中心是长大后 的石墨核心，珊瑚状石墨从这个核心朝各方向显辐射状生长，奥氏休（已变为铁素体）与石 墨相伴而生，最终生长成为近似球形的组织，它具有一般共晶团或共晶晶粒的特征，因此我 们认为一个黑斑实质上就是一个共晶球团。 黑斑内珊瑚状石恩周围是铁素体，显然它是由奥氏体转变来的，不聚与奥氏体是特综夏复 128

火 仁， 乙 图 黑 斑 深腐蚀 扫描 电镜 照 片 为 护试 样 为 嫂声试 样 由图 可 见 ， 放大后 ， 黑 斑之 间 具形状 并不 相 同 ， 有的近 似球 形 ， 有的 呈椭 园形或 不 规 则 形 ， 分析 其原 因可 能是 黑斑 在 其生 长 过程 中受 周 围环境 或散热 条件的影 响所造 成 。 此外 在 黑斑 内部有 明显 的 粗大树 枝晶 ， 有的 树 枝 晶伸 出 了黑 斑 ， 有 的甚 至贯穿几 个 黑斑 ， 在 深腐蚀 扫描 电镜照 片巾 见 图 ， 这种 粗大 树 枝 晶更 为明显 。 我 们认为这 种 粗 大树 枝 晶是 初生 奥 氏体枝 晶的 遗迹 ， 它 是在 共晶前形 成 的 ， 但 其特 征仍 然 存在 。 图 清 楚地 显示 了黑 斑 内的石 墨 及整 个黑 斑 的形 貌 ， 试样深腐蚀 后 ， 铁 素体的表层 被溶 解 ， 因而把 黑 斑 清晰 地 暴露 出来 ， 图 中 白色突 出物 就 是 石 墨 ， 黑 的部分是 被 溶 解后 的 铁 素 体 ， 将 图 局 部放 大 ， 则石 墨 就如 图 听 显 示的 形 貌 。 由此 可 以 看 出 ， 原 来在 光学 显 微 照 片上黑 斑 内的 那些 不连 续 短小石 墨 ， 实际 上是 相 互联 结在一 起 的 ， 其形 貌类 心珊瑚 ， 因 此 我们 把 黑 斑 内的石 墨 列 为珊 瑚 状石 墨 。 图 仅仅 显示 了黑 斑 内部的 石 墨形 貌 ， 而 几珊瑚 状石 墨沿一定 的方 向生 长 ， 为了探 索石 墨的 整体形 貌 ， 采 用层 磨法 ， 对 试样 进 行逐 层 观 察 ， 结 果 约在 黑 斑 中部找 到 了一 个星 状 石 墨 核心 ， 再将此 试样 进 行深腐蚀 出来 ， 如 图 所示 。 它 茬二定程 纂 电镜 观 察 ， 则黑 斑 中石墨的 整体形 貌就清楚地 显示 显示 了一 个完 整黑 斑的立 体结 构 ， 其 中心 是 长大后 的 石 墨 核心 ， 珊瑚 状石 墨 从这 个核心 朝各方 向呈 辐射状 生 长 ， 奥 氏休 巳变 为铁 素休 与石 墨 相伴而生 ， 最 终生 长成 为近似 球形 的组 织 ， 它 具有一 般共晶 团或共 晶晶粒 的 特征 ， 因此 我 们 认 为一 个黑 斑 实质 上就 是一 个共 晶球 团 。 黑 斑 内珊 瑚 状石 墨 周 田 是 铁 素休 显然它 是 由 奥氏休转 变 来 的 ， 石 黑 与 奥氏体 是 错综 泛复

的共晶生长，一般认为共晶转变时石盥是领先相，其周围是共品奥氏体，二者依靠结晶前沿 中铁和碳的短程扩散而相互促进的成长，当石器在液体中能够不父干扰地辐射生长时，便易 于形成球状共晶体，虽然在固态转变时共晶奥氏体还会析出石墨，或通过共析转变而转变为 铁素体和石墨的共析体，但这类石墨很易和共晶石墨合为一体，它不可能使共晶组织有很大 的改变，因而在常温下仍会呈现出原共晶团组织的特征。 共晶团内石墨靠近中心的较细，而边缘的石墨变的较祖大些，这也符合一般共晶组织的 特征，其原因是由于共晶结晶过程中有潜热放出，使温度升高，因之共晶组织的分散度而有 所降低的缘故。这一现象也与吉川克之所观察的灰口铸铁共晶团形成结构是一致的【！】。 通过以上试验结果的分析和讨论，可以初步断定，大断面球铁中的黑斑主要是由珊瑚状 石墨和铁素体组成，它导源于石墨和奥氏体共晶团，并保特了原共晶团的组织特征，而不是 由什么石墨球的碎块形成的。这就使我们对黑斑结构的认识由表及里地深化了一步，揭示了 黑斑结构的本质。 此外，有时还观察到，在黑斑内的局部地 方有石墨球存在，石墨球内有不少铁素你，如 图9所示。这种石骚球不是在黑斑边缘或珠光 体区内出现，而是存在于黑斑内部，石黑球被 铁素休包围，即石墨球1铁素休是被此分离 的，它和正常的球墨存在状态相似（石墨球在 空间上是孤立的球状结构)，因此，这种彼此 分离的结构很可能也是导源石墨共品的离 异。其原因也可能是由于球化元素或其他元素 分布的不均性面造成的】，不排除在局部 微小区域有较多的球化元素存在，当具备了球 图9 黑斑内球状石果 ×320 量的生核和长大条件时，就会有这种离异共品结构的出规。 2.共晶团的石盟核心 为了深入认识墨斑内部，特别是其中心部位的结构，我们曾对部分试样进行了反复层 磨，并仔细观察，发现越接近黑斑中心，石墨的辐射组织越明显，最后终于发现黑斑内部存 在着一个星状的石墨核心，其形态如图10所示。将图10.A中的黑点逐次放大则石墨核心就 ×50 D×125 129

的共晶生 一 长 ， 一般 认为共晶转变时石墨 是领 先相 ， 其周 围是共晶奥氏体 ， 二 者 依 靠结 晶前沿 中铁和碳 的 短程 扩 散而 相 互促 进 的成 一 长 ， 当石 墨在 液 体 中能够 不 受干扰地 辐 射生长时 ， 便易 于形成球状共晶体 ， 虽然 在 固 态转 变时共 晶奥氏体还 会析 出石墨 ， 或通 过共析转 变而转变为 铁素体和石 墨 的共析体 ， 但这 类石 墨 很 易和共 晶石 墨 合 为一 体 ， 它 不可 能使共晶组织有很大 的改变 ， 因而在 常温下仍 会呈现 出原共 晶 团组 织 的特 征 。 共晶团 内石 墨 靠近 中心 的较细 ， 而 边缘 的石 墨 变 的较祖 大些 ， 这 也符 合一般共晶组织的 特征 ， 其原 因是 由于共 晶结 晶过 程 中有潜 热放 出 ， 使 温度 升 高 ， 因之共 晶组织 的分 散度而有 所降低的缘 故 。 这一现象 也 与吉川克之所 观 察的灰 口 铸铁共晶团形 成结 构是一致 的 【 ‘ 。 通 过 以 上 试 验 结果 的分析和讨 论 ， 可 以 初 步断 定 ， 大断 面 球铁 中的 黑 斑主要 是 由珊瑚状 石 墨 和铁素 体组成 ， 它 导源 于石 墨和 奥 氏体共 品团 ， 并 保持 了原 共 晶团 的组 织特 征 ， 而不是 由什么石 墨 球的碎块 形成 的 。 这 就 使我 们 对 黑 斑 结 构的 认 识 由表 及里地 深 化 了一 步 ， 揭示 了 黑斑结 构 的本质 。 此 外 ， 有时还 观察 到 ， 在 黑 斑 内的局 部地 方 有石 墨球存在 ， 石 墨 球 内有不 少 铁素体 ， 如 图 所 示 。 这 种石 墨 球 不是在 黑 斑边 缘 或珠 光 体 区 内出现 ， 而是 存在 于黑 斑 内部 ， 石 黑 球 被 铁 素 体 包 围 ， 即石墨球 和 铁 素 体 是 彼 此 分 离 的 ， ‘臼和 正 常 的球 墨 存在 状 态相 似 石 墨球在 空间上是孤 立 的球状 结 构 ， 因此 ， 这 种 彼此 分离的结 构很可 能 也 是 导 源于 石 墨 共 品的 离 异 。 其 原 因也可 能是 由于 球 化元素 或 其他 元素 分布的 不均 匀性而造 成 的 “ ， 不排 除 在 局 部 微小 区域 有较 多的 求化元 素存在 ， 当具 备 了球 图 黑 斑 内球状 石 墨 火 墨 的生核 和长大条 件时 ， 就 会有这种 离异共 晶结 构 的 出现 。 共晶 团 的石 皿核心 为了深入 认识 墨斑 内部 ， 特别是 其 中心 部 位 的结 构 ， 我们 曾对 部分 式样 进 行 了反 复层 磨 ， 、 并仔细 观 察 ， 发现越 接近 黑 斑 中心 ， 石 墨 的 辐射 组 织 越 明显 ， 最后 终于 发现 黑 斑 内部存 在 着一个星 状 的石 墨核 心 ， 其形 态如 图 所 示 。 将 图 中的黑 点逐 次放 大 则石 墨 核心 就 人

C×200 D×800 图10共晶团石墨核心显微组织 A.B-硝酸酒清浸蚀，C.D-未浸蚀 更为明显，如图10.B.C.D所示。在一般光学显微镜下石墨核心与周围的石墨是不连续的， 但从图10己非常明显地看出石墨朝四周辐射生长的特征。 将观察到石墨核心的试样再进行深腐蚀，在扫描电镜下观察，则黑斑内的石墨核心和珊 瑚状石璺相互联结的整体结构就显示地非常清晰，其形貌和结构见图11。图11表明，珊瑚状 石墨和石墨核心是彼此相互联结的，至于不联结的部分，很可能是在层磨时被磨掉了。但石 墨的珊瑚状结构特征，花朶似的辐射状形貌，以及和共晶奥氏体（现为铁素体己被腐蚀掉） 相互伴生的形态还清晰可见。 附带说明，关于黑斑中石墨核心产生的原 因，有一种较为流行的观点，认为是石墨球被 铁水热流冲蚀成碎块，这些石愚球的碎块被冲 入初生树枝晶间成为石墨的核心【！，而成长 为孀虫状石墨。根据本试验和观察的结果，无 论从石墨的形貌或结构，或从石墨的分布方面 来看，上述说法难以令人信服，因此我们认为 球愿碎块成为黑斑的石墨结晶核心之说是缺乏 依据的。关于黑斑的形成机理问题留待进一步 的试验结果后，再另文详细讨论。 图11石墨核心及共晶团形貌×480 四、结论 1.通过模拟试验，创造了一个使小试样在被加热的介质中缓慢冷却条件，使大断面球 铁铸件中存在的黑斑也能在小试样中出现，它为研究大断面球铁提供了一种试验方法。 2.试脸与观察表明，大断面球铁铸件中的墨斑实质上是由共晶球团组成的，一个黑斑基 本上就是一个粗大的共晶球团，球团中的石墨是相互联结成一体的，它属于珊瑚状石墨，并非 是孤立的石墨碎块。这种珊瑚状石墨在高温时是与奥氏体同时由液体中以共晶的方式结晶出 130

黝 港麟舞灌熬貌嗽馥鬓 黔曝羹巍彝蘸 夔 稼 蒙蒸曝夔曝 名蹦翻暇稚瞬亲姨感 粗麟蒙熟鬓戮黝羹缪 戳蘸纂蒙蘸鬓 田 「 朗姗， 汾洲多晓心 瓤瓤翼蘸鬓羹瓢 曝 摺麟彝然墓 曝】蘸 龟夔缪鑫 夔翼馨 嘿嘿耀缨 图 共晶 团石 墨核 心 显微 组 织 一 硝酸酒 精浸 蚀， 一 未 浸蚀 更 为明显 ， 如图 所示 。 在一 般光 学显微 镜下石 墨 核心 与周 围的石 墨是 不连 续 的 ， 但从 图 己非常 明显地 看 出石 墨 朝 四 周 辐射生 长 的特 征 。 将观 察到石 墨核心 的 试样再进行 深腐蚀 ， 在 扫描 电镜下观 察 ， 则 黑斑 内的石 墨 核心 和 珊 瑚状石墨相互联 结 的 整 体结构就 显示地 非常清晰 ， 其形 貌 和 结构见 图 。 图 表 明 ， 珊瑚状 石墨 和石墨 核心 是彼 此 相 互联 结 的 ， 至 于不 联 结的 部 分 ， 很可 能是在层 磨时被磨掉了 。 但石 墨 的珊瑚状 结构特 征 ， 花朵 似 的 辐射状 形 貌 ， 以 及和共晶奥氏体 现 为铁 素体 己被 腐蚀 掉 相 互伴生 的形态 还 清晰 可 见 。 附带 说 明 ， 关于 黑斑 中石 墨 核心 产生 的原 因 ， 有一种较 为流行 的 观 点 ， 认为是 石墨 球被 铁水热 流冲蚀成碎块 ， 这些 石墨球的 碎块 被 冲 入 初生树枝晶 间成 为石 墨 的 核心 ‘ ， 而 成长 为姗 虫状 石 墨 。 根据本 试验 和观 察的 结 果 ， 无 论从石 墨 的形 貌或结 构 ， 或从石 墨的 分布 方而 来看 ， 上述说 法难 以令人 信服 ， 因此 我 们 认 为 球墨 碎块 成 为黑斑的石 墨结晶核心 之 说是 缺乏 依据的 。 关于黑 斑的形成机理问题 留待进一 步 的试验结果后 ， 再另文详 细讨 论 。 图 石 墨核 心及共 晶团形 貌 四 、 结 论 通过模 拟试验 ， 创造 了一个使小试样在被加热的 介质 中缓慢冷却条件 ， 使大断 面球 铁铸件中存在 的黑斑也能在 小试样中出现 ， 它 为研究大 断 面球铁提供 了一种 试验方法 。 试验 与观 察表明 ， 大断面 球铁铸件中的 墨斑实质 上 是 由共晶球团组成的 ， 一 个黑斑 基 本上 就是一 个粗大 的共晶球团 ， 球 团 中的石 墨是 相 互联 结 成一 体的 ， 它 属于珊瑚状石墨 ， 并非 是孤立 的 石 墨 碎块 。 这种珊瑚状 石 墨在 高温 时是 与奥 氏体 同时 由液体中以 共晶 的 方 式 结 晶 出

来的，并形成球团状共晶组织，这种组织虽经固态转变（奥氏体转变为铁素体），但其基本特 征仍然保持不变。 3.黑斑中心大多存在着一个星状的石墨核心，珊瑚状石墨由这个核心朝各方向辐射生 长，同时又促使奥氏体随之相伴而生长，最后生长成为近似于球形的黑斑。 4.黑斑内部的基体组织为铁素体，而其周围的基体组织为珠光体（其上分布着球状或 不规则状石墨)，前者石墨量多而分散，后者石墨量少而集中，二者相互衬托，这正是黑斑 在断口上呈黑色或灰色的基本原因。 本试验曾得到北京重型机器厂铸铁车间、金相室及本院铸工、金相、金物实验室一些同 ,志的大力帮助，在此深表感谢。 参考文献 〔1)H.Mayer《Internationa1 cast Metals J》,1976,Vo11,m4,P21~27 〔2)《铸锻造》，1977，第10号，第30卷，P24. 〔3)“大断面球铁断口中的大黑点”《铸工》，1978,1 〔4)“大断面球铁铸件中蠕虫状石墨的产生与防止”《球墨铸铁球化和孕育机理》译文 集，1978，P24. (5)S.1.Karsay Trans.of AlS>,1970,Vol 78,P85~92. 〔6)W.Thury《AFS Cast Metals Research J》1974,Vo110,3.P134l37. 〔7)E.R.Evans《Trans.of AFS》1976,Vo184,P215. (8)P.strizik Jnternatio nal Cast Metals J)1976,Vol 1,N03,P23~30. 〔9)“不同石墨形状的生长结构”《球墨铸铁球化和孕育机理》译文集，1978.P104. 〔10)《The Metallurgy of Cast Iron》,1975,P209. 〔11)S.I.Karsay《Trans.of AFS》,1961,Vo169,P725~730. 〔12)“大断面球墨铸铁的石墨变态问题”，《球铁》1979，Q3. 〔13)《铸物》1979，Vo151,1.P11. 转子流量计流量方程式的讨论 自动化仪表教研室都天佑 一、问题的提出 转子流量计（图1）主要由一向上扩大的锥形管和其在中随流量大小而上下移动的浮子 所组成，因而一定大小的流量对应浮子的一定位移，故浮子移动的高度值就可以作为流量的 尺度。 依据流体动力学原理可以推导出流量方程式为： Q。=aFy2gYiY-Y2m/h (1) 131

来的 ， 并 形成球团状 共晶组 织 ， 这 种组 织 虽经 固态 转 变 奥 氏体转变为铁 素体 ， 但其 基本特 征仍 然保持不 变 。 黑斑 中心大 多存在 着一 个星 状 的 石 墨核 心 ， 珊 瑚状 石 墨 由这个核心朝 各方 向辐射生 长 ， 同时又 促使奥氏体随 之 相 伴而生 长 ， 最 后生 长 成 为近 似 于球形的 黑斑 。 黑 斑 内部的 基 体组 织为铁 素体 ， 而 其周 围的 基体组织为珠光体 其上 分布着球状或 不规则伏石 墨 ， 前者石 墨 量 多而 分 散 ， 后 者石 墨量 少 而集中 ， 二者相 互衬托 ， 这正 是 黑斑 在断 口 上 呈 黑 色或 灰 色 的 基 本原 因 。 本 试验 曾得 到北 京 重型机 器厂 铸 铁 车间 、 金 相室 及木 院铸工 、 金相 、 金物实验 室一些 同 志 的大 力帮助 ， 在 此 深表感谢 。 参 考 文 献 〔 〕 《 》 ， ， ， 地 ， 〔 〕 《 铸 锻造 》 ， ， 第 号 ， 第 卷 ， 〔 “ 大断 面 球铁断 口 中的 大黑 点 ” 《 铸工 》 ， ， 恤 〔 〕 “ 大断 面 球 铁铸件 中蠕虫状石 墨 的产生 与防止” 《 球 墨铸铁球化和 孕 育机 理 》 译文 集 ， ， 〔 〕 了 ， ， ， 〔 〕 《 。 》 ， ， 地 〔 〕 》 ， 吐， 〔 〕 》 ， ， 恤笋 ， 〔 “ 不同石 墨形状 的生 长结 构 ” 《 球 墨铸铁 球 化和 孕 育机 理 》 译 文集 ， 〔 〕 《 》 ， ， 〔 〕 《 》 ， ， ， 〔 “ 大断 面 球 墨铸 铁 的石 墨 变态 问题 ” ， 《 球 铁 》 ， 地 〕 《 铸 物 ， ， 取 转子流量计流量方程式的讨论 自动化 仪表教研 室 郝天 佑 一 、 问题 的提 出 转子 流量计 图 主 要 由一 向上扩大的 锥形 管和 其 在中随流 量 大小而 上下移 动 的 浮子 所组成 ， 因而一定 大小的 流量 对应 浮子 的一定位 移 ， 故浮 子移动 的 高度值就 可 以作 为流皿 的 穴度飞 ‘ 依据流体动力学原 理 可以推 导 出 流量 方程式 为 。 · 杯多必叙 二一 攀