铸铁中磷的分布

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1989.02.028 北京科技大学学报 第11卷第2期 Vo1.11No.2 1989年3月 Journal of University of Science and Technology Beijing Mar.1989 铸铁中磷的分布 秦子强 余宗森 (材料物理系) 摘要：利HAug©r表面分折和化学分析等手段，研究了铁中蹄在铁/i果界i上的 偏析及在铁相与石最两相间的分配。实羚蜡果表明，确在球铁中有界偏析现象，而在灰铁 中没有发现偏析。在球铁和灰铁中的触断特点正与硫在这两类铸铁中的偏析特点相反。 关键词：铸铁，磷分布，偏析 Distribution of Phosphorus in Cast Iron Qin Zigiang Yu Zongsen ABSTRACT:Studied with AES and chemical anilyses,the distribution of phosphorus was found to be different between nodular iron and grey iron. Phosphorus atoms segregate at iron/graphile interface in nodular iron,while the interfaces in grey iron are free of phosphorus.Such different behavior of phosphorus between nodular iron and grey iron is opposite to that of sulphur. KEY WORDS:cast iron,phosphorus distribution,segregation 在，铁中磷的作用，通常人们主要关心的是对铸铁基体的影响，对磷与石墨生长特性之 间的联系注意较少。一般认为，眸对石墨的球化没有影响，但实际上缺少系统的研究。生产 实践中曾发现，球铁含磷量较高时，球墨外形的圆整性较好1门。这一事实反映出，磷与行 墨球化之间有一定联系。 认识磷在铸铁中的作用，首先是要了解磷在铸铁中的去向。本文对磷在铸铁中的分布进 行了研究，斧重作子对比球铁与灰铁磷分布形式的差别，所得的结果将有助于进一步探讨 磷在石墨生长过程中的作用。 988-03-16收杨 158

第 卷第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 义 铸 铁 中 磷 的 分 布 秦子 强 余宗森 材料 物 理 系 碑产 了 摘 要 利用 表面 分 析和 ’ 爹分 析 等 手段 ， 研 究 了铸 铁 中确 在 铁 厂石书 界而 卜的 偏 析及 在 铁 相 与石 准 两 相 间的 分配 。 实 验 结果表 明 ， 磷 在球 铁 中有界 面 偏 析现 象 ， 而 在 灰铁 卜没 有发 现 偏 析 。 磷 在 球 铁 和 灰 铁 中的偏 析恃点 正 与硫 在这 两 类 铸铁 ‘卜的偏 析 特点 相 反 。 关健词 铸 铁 ， 确 分 布 ， 偏 析 产月 夕 尸 。 刀 ，‘ · 、 少 · ， ’ 一 、 、 · 一 、 几 」 一 印 ， ， 一 · 少 盯 · ， ， 浏拼 在铸 铁 ， ，磷 的作 川 ， 通 常 人们 主要 关心 的是 对铸 铁 基 体的影响 ， 对磷 与石墨 生长 特性之 间 的联 系注 意较少 。 一 般 认为 ， 磷 对石 墨 的球化没有 影响 ， 但 实际 缺 少系统 的研究 。 生 产 实践 中 曾发 现 ， 球 铁含磷量较 高时 ， 球墨外形 的 圆 整性 较 好 〔 ’ 〕 。 这一 事 实反映 出 ， 磷 与 石 墨 球 化 之 间 有一 定 联 系 。 认 识磷 在铸 铁 中的 作 用 ， 首 先是 要 解磷 在 铸铁 中的 去 向 。 本文对 磷在铸 铁 ， ，分 布进 行 研 究 ， 若 玉在 对 比球 铁 与灰铁 磷 分布形 式 卜的 差别 ， 所得 的结 果将有 助于进 一 步探 讨 磷 在石 攀 ， 长过 程 ， ‘ 的 作 川 。 一 卜 收 弄而 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1989．02．028

1实验方法 本实验采用普通硅铁进行孕育，用稀土镁硅铁合金作球化处理，砂模浇铸棒样。样品的 化学成份(wt%)如下： C Si Mn P S RE Mg 灰铁3.952.050.240.0990.19 球铁4.001.700.0950.0340.0220.0290.10 为了建立在铸铁中磷的分布图象，需要了解磷在铁与石墨两相间的分配以及磷在铁/石 竖(Fe/Gr)界面上的偏析。 本工作采用电解的方法将样品中的铁相与石墨相分离，然后通过化学分析来测定磷在铁 与石墨两相间的分配。 有关磷在Fe/Gr界面上的偏析的分析工作在扫描Auger显微探针上进行。将样品在 Auger谱仪的高真空(<10-7Pa)下破断，然后对断口进行测定。断口形貌如图1所示。其 中“IM”面为Fc/Gr界面金属一侧表面；“IG”面为Fe/Gr界面石墨一侧表面；“M” 面为基体金属断面；“G”面为石墨本身撕裂后呈现的内部断面。实验中对各类表面各选取 20个点进行测定，用灵敏度因子法(2进行计算。 10m 图1断口形貌 a灰铁IM”面b灰铁“IG”面c球达“IM”和“IG”面 d球铁“G”而 Fig.1 SEM image of fracture surfaces 2实验结果与讨论 表1列出了磷在铁相和石墨两相间分配的分析结果。实验数据表明，无论灰铁或是球 表1磷在石墨和铁相两相间的分配 Table 1 Partition of phosphorus between graphite and metallic phases 总 霞 铁 相 石 量 样 品 w1% a【6 wt% at% w t% at% 灰铁 0.099 0,179 0,101 0.182 0.034 0.013 球铁 0.034 0,061 0.035 0.063 0.018 0.007 159

实验方法 本实验 采 用 普通 硅铁进行 孕 育 ， 用稀土 镁 硅铁合金作 球 化处理 ， 砂模浇 铸棒 样 。 样品 的 化 学成 份 如 下 灰铁 。 。 一 一 球铁 。 。 。 为 了建 立 在 铸铁 中磷 的分 布图象 ， 需要 了解磷 在铁 与石墨 两相 间的分 配 以及磷 在 铁 石 墨 界面上 的偏析 。 本工作采 用 电解 的方法 将样品 中的铁 相 与石墨 相 分 离 ， 然 后通 过 化学分 析来测 定 磷 在铁 与 石墨 两相 间的分 配 。 有关 磷 在 界 面上 的偏 析的分析工 作 在 扫描 显微探针上 进 行 。 将 样 品 在 谱仪 的高 真空 。 一 下破 断 ， 然 后 对 断 口 进 行测 定 。 断 口 形 貌 如 图 所 示 。 其 中 “ ” 面为 界 面 金 属 一 测表 面 ，’ ” 面为 界 面石 墨一 侧 表 面 “ ” 面为基体金 属 断面 “ ” 面 为石 墨 本身 撕 裂后 呈 现 的 内部 断面 。 实验 中对各 类 表面各选取 个点进行测定 ， 用灵敏度因子 法 〔 “ 〕 进行 计算 。 灰 铁 ’ ” 面 图 断 口 形貌 灰 铁 “ ” 面 球 钞 “ ” 和 “ ” 面 ， 球铁 “ ” 面 实验结果与讨论 表 列出 了磷 在铁 相 和石墨 两相 间分配 的分 析结果 。 实验 数据 表 明 ， 无 论灰 铁 或 是 球 表 磷 在石 皿和铁相 两相 间的分配 总 重 铁 相 石 墨 样 况 － －－ － － 一一 一 － 一 － 一 石 乡石 肠 肠 灰球 铁

铁，铁相中磷的浓度都较石墨中的浓度相对要高。这'文献〔3)用自射线方法得到的结果 趋势相同。 Aug©r&分析的统计结果示于图2。为便于比较，图中以各个面的浓度与“M”面平 均浓度的比值表示。由于“G”面的磷量过低，检测不出，因此图中没有标出。实验结果表 明，磷在球铁“IM”面上明显偏析，而在灰铁中没有偏析现象。 Grey Nodular 6 5 ●Grey 4 3 0.10 1 y 0 o/d 0 10 20 30 40 11 IM IG Sputtering time in seconds Fraeture surfaces 图2磷的界面偏析 图3确沿“IM”面深度方间的分布 Fig.2 Segregation of phosphorus on Fig.3 Depth profile phosphorus fracture surfaces of IM surfaces 利用离子溅射剥离对磷沿M”面深度方向分布的研究，进一步证实了上述结论，见 图3。球铁样品中磷在界面附近明显富集，而灰铁样品中磷的分布基本上是均匀的。 根据实验结果可以得出铸铁中磷的分布示意图如图4。表明磷在球铁中与灰铁中的分布 不同。由于存在偏析现象，即使球铁的平均含磷量低于灰铁，在Fε/Gr界面局部，球铁的 磷含量可以高于灰铁。 Grey NoUular oSulphur .Phosphorus 2 Grey Nodular 1 -Graphite-Matrix- 0 图！磷在传以中的分小息图 图5臻、硫、界面偏折的对比 Fig.I Schematic representation of phos- F1g,5 Comparison between phosphorus phorus distribution in cast iron segregation and sulphur segregation 日前关于器球化的机制还没有统一的理论，从现有的假说来看，人都与微量元秦，特 别是疏，在F/Gr界面：的偏析有，'。铸铁的含硫量越高，i竖球化越困难。磷对i 器球化的影响不如硫那样显著，但有报道说明，在一定范围内，含鳞（稍高反而对球化有 益)。这刚好硫的作用相反。如果把磷与硫在界血上的分布加以比较，以发现二者在 160

铁 ， 铁 相 ，卜磷的 浓 度都较 石墨 「 一 ，的 浓 度相 对要 高 。 这 ’ 文献 〔 〕 用 自射线 方 法 得到的 结 果 趋势相 同 。 农 面分 析的统 计结 果示 于图 。 为 便于 比较 ， 图 中以各 个 面 的浓 度 与 “ ” 面平 均浓 度 的 比值表示 。 由于 “ ” 面 的磷 量过 低 ， 检测 不 出 ， 因此 图中没有 标 出 。 实验 结 果表 明 ， 磷在球铁 ，’ ” 面 上 明显偏 析 ， 而 在灰铁 中没 有偏析现象 。 仁 制叮﹄ 品 口 戈 忍 、 已 口 山 乙 二”‘厌。‘ 。 ﹁︺叫工司淤‘灿。匀 〔 之，· 凌 尸【 赶 了改 苦 ’ 一 ， 、 、 ‘ ， 是 图 名 礴 的 界 面 偏析 划 ，， 礴 女 “ ” 画 深 度 向的 分 布 「 利 用离 子溅 射剥离 对磷沿 “ ” 面深 度方 向 分布的研究 ， 进一 步 证实 了上 述 结 论 ， 见 图 。 球铁样品 中磷 在界面附 近 明显富集 ， 而灰铁样品 中磷 的 分布基本 上是 均 匀的 。 根据 实验 结 果可 以 得 出铸铁 中磷的 分布示 意图如 图 。 表 明磷 在球铁 中与灰铁 中的分布 不 同 。 由于 存 在偏 析现 象 ， 即使 球铁的 平均含磷 量低 于灰铁 ， 在 界 面局 部 ， 球 铁 的 磷 含量可 以 高于灰 铁 。 厂一下 两歹一 一 厂 一 。 。 」 厂 一 ’ 全一以 一 卜 ， ‘ 、 · 下〕 习 圣 」工丫 ‘ 上 妊 ‘ 们︵心匕乙‘ 一国祠助加切，司。。﹄ 一 一 一 － ’ 图 弓 、 二 ‘ 」 ‘ 日「〔 八 人 、 旧 ， 如 写 如︸妇州二一仍。。‘身 ‘一。 图 磷 在铸 铁 的 分 布小 产 妇 磷 、 硫 、 界而 偏 析的 对 比 寻 一 日前关 飞石墨球 化的 机 制还 没有统 一 的理论 ， 从 现有 的假 说来 石 ， 人都 与微 量 元素 ， 特 别是 硫 ， 在 。 界 面 日，偏 析有 关 ‘ ， 万 。 铸铁 的含 硫 量越 高 ， 了 报 求 化 越 困 难 。 磷 对不 书 球 化 的影响 不如硫那 样 显著 ， 但有 报道 说 明 ， 在一 定范围 内 ， 含磷 曦稍 高反 而 对 球 化 有 益 〔 ‘ 〕 。 这 刚好 与硫 的 作川相 反 。 如 果把磷 与硫 在界 面上的 分布加 以 比较 ， 可以 发现二 者 在

球铁和灰铁中的偏析趋势也恰好相反，见图5。磷对石墨球化的影响，可能是由于界面偏析 的竞争作用限制了硫在界面上的偏析，从而间接对石墨生长发生作用。 3结论 磷的分布在球铁和灰铁中具有不同的特点一磷在球铁的“IM”面上偏析，而在灰铁 中没有明显的偏析现象。这与硫在两类铸铁中的偏析趋势正相反。磷与石墨生长之间的关系 需要进一步研究。 参考文献 1李阿辉，胡明初，球墨铸铁显微研究，上海科技出版社，1978：243 2 Palmberg P w el al,Handbook of Auger Electron Spectroscopy, Physical Electronics Industries Edina,1972 3JIo64 eHKo AⅡ，Moxapon M B。InrenΠpoH31965;(4):30 4 Lnx B AFS Cast Metals Research J,1972;25 5 Johnson W C,Smartt H B.Metallurgical Trans,1977;(8A):553 致谢：本工作承蒙洛阳75所赵俊、史万学等时志的大力协助，谨此致谢。 r 钢中非金属夹杂物来源及去除 1982年，开始分析氧气瓶钢中的大型夹杂物为突破口，对钢中的大型夹杂物的来源和去 除进行了研究。 本课题对生产工艺流程、设备状况进行仔细分析研究。参考国内外资料，结合攀钢生产 实际情况，拟定了试验方案，即分别在钢包衬砖、水口砖、整体打结罐材料、炉渣和保护渣 中加入非放射性物质ZrO2、La2Oa、BaO、CeO2的方法，对夹杂物的来源进行追踪。从超 声波报警的钢坯上取样，做低倍检验，再在具有宏观积聚夹杂的钢坯上取样做金相和大样电 解分析，弄清了大型夹杂来源。 本课题研究了出钢挡渣、钢包吹氩和注中模内添加快燃高值发热剂对钢中大型夹杂物去 除的影响，提高了钢的质量，降低了废品率，提高了成材车。 通过以上的工业试验和实验工作找到了大型夹杂物的来源和有效的消除方法。 161

球铁和 灰铁 中的偏 析趋 势也恰 好相 反 ， 见 图 。 磷对石 墨球 化的影响 ， 可能是 由于界面偏析 的竞争作用限 制 了硫 在界面上 的偏析 ， 从 而 间接 对 石墨 生长 发生 作 用 。 结 论 磷 的分布 在球铁 和灰铁 中具 有 不 同 的特点 － 磷 在球铁 的 ，’ ” 面上偏 析 ， 而 在 灰 铁 中没 有 明显 的偏析现象 。 这 与 硫 在两类铸 铁 中的偏析趋势 正相反 。 磷 与石墨 生长之 间的关 系 需要 进一步研究 。 参 考 文 献 李炯 辉 ， 胡 明初 球墨 铸 铁显 微研 究 ， 上海科技 出版社 ， 。 一 万 寿 夕 ， ， 一 少 ， 几犯 ， 米 。 几 ， ，， ， 。 川 ， ， 。 夕 ， 、 致谢 本工 作承蒙 洛阳儿 所 赵俊 、 史万 学 等 同 志 的大 力 协助 ， 谨此致谢 。 褚尸 心叱卜 乙 乙咬洲 口心 ， ‘ 丈 沪 乙屹 乙眨 夕 、 口心洲 ‘ 酬乙 、 父产 ‘ 义二 口亡 、二民公 之尤 ‘ 沉卜 、 夕乙 贻 尔二 心陀 ， 二心 目 、 引乙 、 口几 心义二 心屹 产 心丈一 、 酬乙 ‘ 州之 ， 止沁别 、 ，亡 户 、 父洲 心火卜 心欠二 乙 ‘ 火卜 心 之 目 乙吧护 乙 洲 心 洲 、 夕乙 之处产 弓 男乙 钢中非金 属夹杂物来源及去除 年 ， 开 始 分析氧气瓶 钢 中的大 型夹 杂物 为突破 口 ， 对 钢 中的大 型夹杂物 的来源和 去 除进 行 了研 究 。 本课题对生 产工 艺流 程 、 设 备状 况 进行仔细 分析研究 。 参 考 国 内外资料 ， 结 合攀 钢生 产 实际情况 ， 拟定 了试 验方案 ， 即分别 在钢包 衬砖 、 水 口 砖 、 整 体打结罐 材料 、 炉渣和 保护 渣 中加 人非放 射性物 质 、 。 、 、 的方法 ， 对 夹 杂物 的 来源 进 行 追 踪 。 从 超 声波 报警的 钢坯上取 样 ， 做低 倍 检验 ， 再在具 有 宏观 积 聚夹杂 的钢坯 上取 样做 金相 和大 样 电 解 分析 ， 弄 清了大型 夹杂 来 源 。 本课题研究 了出 钢挡渣 、 钢包吹 氢 和注 中模 内添加 快 燃高 值发 热剂 对 钢 中大 型 夹杂物 去 除 的影响 ， 提 高 了 钢的质量 ， 降 低 了废 品 率 ， 提 高 了成 材 率 。 通过 以 上 的工业 试验 和 实验工 作 找到 了大 型 夹杂物 的来 源 和有效的 消除方 法 。 声奋‘ 、 佗‘ 、 洲勺‘ 、 悦‘ 几 碑 ‘ 、 勺‘ 、 佗‘ 卜 勺‘ 介 叹沁、 书 、 叮书、 代肠卜 护 〕 宇 产 刁‘ 、 气汉护 洲 ‘ 、 声训户 勺‘ ， 气石 二‘ 尸 卜 拭洲了 ， 气韶卜 佗铸 几 叹‘ 、 气‘ 、 佗书产 洲 奋‘ 、 气‘ 、 代拓 、 气拍 、 沪 奋‘ 勺宁 产侧户 产 马『 目 洛宁 产 。 盯 ‘ 产 心『 勺乙 ‘ 勺户