氮对灰铸铁初生奥氏体二次枝晶组织的影响

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1994.02.006 第16卷第2期 北京科技大学学报 Vol.16 No.2 1994年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.1994 氮对灰铸铁初生奥氏体二次枝晶组织的影响 翟启杰 胡汉起 北京科技大学冶金系，北京100083 摘要采用单向凝固方法研究了氮对Fe-C-Si和Fe-C-Si-Mn灰铸铁初生奥氏体二次枝晶组 织的影响，结果指出，氨使Fe一C-Si-M灰铸铁初生奥氏体二次臂间距减小，二次枝晶组织 细化· 关键词氮，灰口铁/初生奥氏体，二次技晶 中图分类号TG143.201613.61 Effect of Nitrogen on the Secondary Dendrite of Primary Austenite of Grey Cast Iron Zhai Qijie Hu Hanqi Department of Metallurgy,USTB,Bcijing,100083,PRC ABSTRACT The effect of nitrogen on the secondary dendrite of primary austenite of Fe-C-Si and Fe-C-Si-Mn grey cast irons was studied through unidirectional solidification. The distribution of nitrogen in solid and liquid phases of the alloys during the growth process of the primary austenite was determined,and the acting mechanism of nitrogen on secondary dendrite of primary austenite was discussed. KEY WORDS nitrogen,grey iron/primary austenite.secondary dendrite 氮作为一种微量元素对灰铸铁组织和性能有重要影响，日前这方面的研究大多集中在氮 对灰铸铁石墨形态的作用上，有关氨对初生奥氏体二次枝晶组织的影响的研究很少.而在灰 俦铁中，初生奥氏体组织对石墨形态和基体组织都有显著影响，本文研究了氮对灰铸铁初生 奥氏体二次枝晶组织的影响，测定了氮在初生奥氏体析出过程中的分布，讨论了氮影响初生 奥氏体二次枝晶组织的原因， 1实验方法 选用工业纯铁、光谱纯石墨、单晶硅和电解锰，并在真空感应炉中配制成3种不同成分 199-04-5收稿 第一作者男4岁副教授博士

第 16 卷 第 2 期 1 9 94 年 4 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u m a l o f U 面 vesr iyt o f S acen a dn T eC h n o ol g y eB ij in g V o l . 16 N o . 2 A拼 . 19 9 4 氮对灰铸铁初 生奥 氏体二次枝 晶组织 的影 响 翟 启杰 胡汉 起 北京科技大学冶金系 , 北京 1X( X) 8 3 摘要 采用单 向凝 固方法研究了氮对 eF 一 C 一 is 和 eF 一 C 一 is 一 M n 灰 铸铁初生 奥氏体二次枝 晶组 织的影 响 . 结果指出 , 氮使 eF 一 C 一 iS 一 M n 灰铸铁初生奥 氏 体二 次臂 间距 减小 , 二次枝 晶组织 细化 . 关键词 氮 , 灰 口 铁 / 初生奥 氏体 , 二次枝晶 中图分类号 T G 143 . 2 0 16 13 . 6 1 E fe ct of iN t or ge n o n t he S coe n d a ry 块dn ir te of P ir am ry A us t e n ite o f G re y C a s t I r o n Z 入a i H u H a n q i eD P a rt ~ t o f M e t a 】l u 电y , U S T B , 玫石 i ng , 1《联)8 3 , P R C A B S T R A C T hT e e n忱t o f 正tro g en o n t h e s e c o n d a ry d en d ir t e o f P nma ry a us t e n ite o f F e 一 C 一 5 1 a n d F e 一 C 一 5 1 一 M n g rey ca s t iro ns wa s s t ud ied t扮ro u g h un id l ℃c t io n a l s o lid 讥以t i o n . T址 d is itr b u t i o n o f n i加g en in s o lid a n d il q u id Ph as “ o f t h e a l o ys d面ng hte g ro wt h P ro 璐 s o f ht e P n 刀玉王 ry a us ten it e wa s d et l l 工u n ed , a n d t h e a ct i n g m ce l l a n is m o f in otr g en o n s助 n d a yr d en d ir et of p ir anT yr a us ent iet aw s d is cus sde . KE Y W O R I巧 ul t or g en , ger y ior n / p ~ yr a us ent iet , s以刀 dn a yr d el d ir et 氮作为 一种微 量元 素 对灰铸 铁组 织和 性能有 重 要影 响 . 日前这方 面 的研究 大 多集 中在 氮 对灰铸铁石墨 形态的作 用上 , 有 关氮 对初 生奥 氏体二次枝晶 组织 的影 响 的研究 很 少 . 而 在灰 铸 铁 中 , 初 生奥 氏体组 织 对石墨 形态 和基 体组织 都 有显 著影 响 . 本文研究 了氮 对灰 铸铁 初生 奥氏体二次枝 晶组 织 的影 响 , 测 定 了 氮在 初生 奥 氏体析 出过 程 中的分 布 , 讨论 了氮影 响初生 奥 氏体二次 枝晶组 织 的原 因 . 1 实验方 法 选用 工业纯 铁 、 光 谱纯 石 墨 、 单晶硅 和 电解 锰 , 并 在真 空感应炉 中配制成 3 种不 同成 分 1卯 3 一 以 一 巧 收稿 第一作者 男 34 岁 副 教 授 博士 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1994. 02. 006

.128 北京科技大学学报 第16卷 的Fe-C-Si-Mn合金，其化学成分见表1.在1450℃向铁液中吹氮气加人纯氮， 表1实验材料化学成分，% Table 1 Chemical composition of experimental materials,% 试料序号 试料种类 C Si Mn 内 1 亚共晶Fe-C-Si 3.27 2.15 0.16 0.005 0.006 2 近共晶Fe-C-Si 3.45 3.45 0.16 0.005 0.006 近共晶Ffe-C-Si-Mn 3.45 3.45 0.80 0.005 0.006 取实验材料70g,装入内径8mm的刚玉管内，在L.M.C单向凝固炉中熔化并过热至 1450℃，保温30min,以16.7μm/s的速度拉60mm使其稳定凝固；然后分别以16.7m/S、 4.2μm/s和0.5μm/s的速度拉45mm,以考察不同凝固速度时氮的作用效果.L.M.C.单向 凝固炉固液界面处的温度梯度为121℃/cm,炉温控制精度为土0.5℃. 在金相显微镜下观察单向凝固试样的初生奥氏体组织，测定二次枝晶臂间距.由于在一 次枝晶的前端和末端的二次枝晶臂间距不同，本实验在测定时从一次枝晶前端第6个二次枝晶 开始，数10个二次枝晶，测量其平均间距.每个样品取7个一次枝晶测量二次臂间距，取 中间5组数据的平均值.当凝固速度为4.2m/s和0.5m/s时，在试样上难以找到一次枝品 前端，测量时从界面上第3个二次枝晶开始数起· 2实验结果 图1是实测初生奥氏二次臂间距与含氨量关系曲线·对实测生长速度()和含氨量C 及二次臂间距（山）做回归分析，得出以下关系式· 对于亚共品Fe-C-Si灰铸铁 d2=58.00-1496.99[CJ+42.81V-/3+182.44[CN]V-1/3 y=0.902 (1) 对于近共晶Fe~C-Si灰铸铁 d2=39.69-1004.22[C1+40.2V-13-1732.50[CJV-13 y=0.993 (2) 对于近共晶Fe-C-Si-Mn灰铸铁 d2=38.61-167.81[CJ+45.35V-3-2123.92[CJV-3y=0.983 (3) 比较(1)式至(3)式中各项系数可知，对于亚共晶Fe-C-Si灰铸铁，含氨量与生长 速度的交互作用对二次臂间距的影响很小，即生长速度对氮的作用效果几乎没有影响，二次 臂间距基本上是单独与[CN]和V-I/3项呈线性关系的.对于近共晶Fe-C-Si和Fe-C-Si-Mn 灰铸铁，[C]V-3项对d2有十分显著的影响，这说明在含碳量较高的近共晶灰铸铁中， 含氮量对二次臂间距的影响效果和凝固速度有着十分密切的关系，凝固速度愈慢，氨的作用 愈显著.对于Fe-C-Si-Mn灰铸铁，CN项对d2影响很小，比Fe-C-Si灰铸铁小1个数 量级左右，可见锰含量较高时氮的作用与凝固速度的关系更为密切，比较(2)式和(3) 式可知，当满足V>0.lm/s时，氮在Fe-C-Si灰俦铁中的作用效果大于在Fe-C-Si-Mn 灰铸铁中·可见在实际铸造生产的冷却条件下，氮对初生奥氏体二次臂的作用在低锰灰铸铁 中比在高锰灰铸铁中大得多

12 8 北 京 科 技 大 学 学 报 第 16 卷 的 F e 一 C 一Si 一 M n 合金 , 其化学成 分见 表 1 . 在 1 45 0 ℃ 向铁液 中吹氮 气加 人纯氮 表 1 实验材料化学成分 , % I 油U睡 1 ( 》 曰血 , l 阴甲画位扣 成 e x洲向犯川 al n . 加血面 , % 试料序号 试 料 种 类 C 5 1 M n P 亚共 晶 eF 一 C 一 is 近共晶 eF 一 C 一 is 近共 晶 eF 一 C 一 is 一 M n 3 . 27 3 . 45 .3 45 2 . 15 3 . 45 3 . 45 0 . 16 0 . 16 0 . 50 0 . 0 5 0 . 的 5 0 . 田 5 0 . 侧拓 0 . 仪拓 0 . 《叉拓 取 实验材料 70 9 , 装人 内径 8 ~ 的刚玉管内 , 在 L . M . C 单 向凝 固 炉 中熔化并 过热 至 1 4 50 ℃ , 保温 30 m i n , 以 16 . 7拜m / s 的速 度 拉 60 ~ 使其 稳 定 凝 固 ; 然 后 分 别 以 16 .7 月卫 / s 、 4 . 2拼m / s 和 .0 5 拜m / s 的速度拉 4 5 In ln , 以 考 察不 同凝固 速 度时氮 的作用 效果 . L . M . C . 单 向 凝 固炉 固 液界 面处的温度梯 度 为 121 ℃ / cnI , 炉温 控制精度 为 士 0 .5 ℃ . 在 金 相显微镜下观察单向凝 固试样 的初 生奥 氏体组 织 , 测定 二 次枝晶臂间距 . 由于在 一 次枝 晶 的前端和末端的二 次枝晶臂 间距不 同 , 本实验在测定时从一次枝晶前端 第 6 个二次枝晶 开始 , 数 10 个二次枝 晶 , 测量 其平均 间距 . 每 个样 品取 7 个一 次枝 晶 测 量 二 次臂间 距 , 取 中间 5 组 数据 的平均 值 . 当凝 固速度 为 4 . 2声a n / s 和 .0 5 拜m / s 时 , 在试样上 难 以 找到 一 次枝 晶 前端 , 测 量 时从界 面上 第 3 个二 次枝 晶开 始数起 . 2 实验结 果 图 1 是实 测初生 奥 氏二 次臂 间距与 含 氮 量 关 系 曲线 . 对实测 生 长 速 度 ( V) 和 含 氮量 偏 及 二次臂 间距 d( 2 ) 做 回 归分析 , 得 出以 下 关 系式 . 对于 亚共 晶 F e 一 C 一 is 灰铸铁 姚= 5 8 . 0 一 1 49 6 . 9 9 [ q ] + 4 2 . s l V 一 , / ’ + 1 8 2 . 4 [味 ] V 一 ’ l ’ 下= 0 . 9 0 2 ( l ) 对于 近共 晶 F e 一 C 一 is 灰铸铁 鸽= 39 . 6 9 一 l ( x)4 . 2 2 【q l + 4 0 . 2 V 一 , ` , 一 1 7 3 2 . 50 【味 I V 一 ’ / , 下= 0 . 9 9 3 ( 2 ) 对于 近共晶 F e 一 C 一 is 一 M n 灰铸铁 姚= 3 8 . 6 1 一 16 7 . 8 1 [味 ] + 4 5 . 3 5 V 一 ’ / ’ 一 2 12 3 . 9 2 [味 I V 一 ’ `’ 下= 0 . 9 8 3 ( 3 ) 比较 ( l) 式至 ( 3) 式 中各项 系数可 知 , 对于 亚共 晶 F e 一 C 一 iS 灰铸铁 , 含 氮 量 与 生 长 速度 的交互作 用对 二次臂 间距 的影 响很 小 , 即生 长 速度 对氮 的作 用效果 几 乎没 有影 响 , 二次 臂 间距基本上 是单独 与 t味]和 V 一 ’ / ’ 项 呈线性 关系 的 . 对于近共晶 F 。 一 c 一 is 和 F 。 一 c 一5 1 一 M n 灰铸铁 , 【q 』V 一 ’ / ’ 项对 d : 有 十分显著 的影 响 , 这说 明 在 含碳 量 较 高 的 近 共 晶 灰 铸 铁 中 , 含氮量 对二次臂间距 的影 响效果和 凝固速度有着 十分密切 的 关系 . 凝固速 度愈慢 , 氮的作用 愈显著 . 对于 eF 一 C 一 5 1 一 M n 灰铸铁 , q 项 对 姚影 响 很小 , 比 F e 一 C 一 is 灰 铸铁 小 1 个 数 量 级左右 , 可 见锰含量 较高 时氮 的作 用 与 凝 固速 度 的关 系 更 为 密 切 . 比 较 ( 2) 式 和 ( 3) 式 可知 , 当满足 V > 0 . 1召m / s 时 , 氮 在 F e 一 C 一 iS 灰铸铁中的作 用 效 果大 于在 F e 一 C 一 51 es M n 灰铸铁中 . 可 见在 实 际铸造 生产 的冷 却条 件下 , 氮对初 生奥 氏体二次 臂 的作 用在低锰灰铸铁 中 比在 高锰灰铸铁中大得 多

第2期 翟启杰等：氮对灰铸铁初生奥氏体二次枝品组织的影响 .129. 100 01 906a 试样2 80 70 92 且 寸 60 50 03 03 试样1 30 40L 20 40 60 80 100120 30 50 70 90 110 130 Cw×10,% Cw×10,% 试样3 图1氨对初生奥氏体二次枝晶间距的影响 80 1-V=0.5mls,2-V=4.2m/s 3-V=16.7m/s 0 0 Fig.1 Effect of nitrogen on the secondary arm space of primary austenite 40L 30 50 70 90 110130 Cw×10-,% 3讨论 为说明氮对灰铸铁初生奥氏体二次枝晶组织的作用机制，先考察在初生奥氏体析出过程 中氮在固液两相中的分布， 根据已有的热力学数据~)，可推得氨在奥氏体中的溶解度为：， e1C.=4-195+7gR:-(0 -0.157)[CJA -(-+018Gk-(-2+039)IGl (4) 式中[CJ.[C、[CsJ.[CM]分别表示N,C、Si、Mn元素在奥氏体中的浓度. 上式表明，氮在奥氏体中的溶解度除与温度和氮分压有关外，还与合金元素在奥氏体中 的浓度有关，当碳含量不是很高时，即满足 [C<450+86Ck+93CA 340 (5) 随温度下降，奥氏体中氮的溶解度升高，但是由于在初生奥氏体析出过程中，合金元素 (C、Si、M等)均在变化，难以准确估算氮在这两个相中的溶解度.作者对冷至l160℃ 的样品液淬后，用波谱检测氨的分布，发现氮在初生奥氏体和残余液相中的浓度没有明显差

第 2 期 翟启杰等: 氮对灰铸铁初生奥 氏体二次枝晶组织的影响 a . 1 , ~ 一州卜一一一 J 弓洲 _ 一节 , 广~ ~ 私、 ~ 『刃声` ` 三` 石 . 一 ! _ { . . . . . . . . . 一. 。 肠~ 吞 , b侧} 试样 2 }卜、 、 } { 、日之 口注 zP ù心 q 斌 10 一 , % 20 4 0 60 80 10 1 20 q x lo 一 % C 。 、 丈 试样 3 ` 、 { . 叹、 !以 : } I 七5 ~ ~ 过匕 l 图 1 氮对初生奥氏体二次 枝晶间距的影晌 1 一 V = 朽 声。 刀了s , 2 一 F = 屯 Z J扛 n / s 3 一 =V 16.7 声及n / s 瑰 . I E胶 d 成 谊叫笋】 . 触 , 以. 面叮 . . 1 匆甲伙 璐 脚 . . 叮 . 吸舰 d 触 日之tlP 3 讨 论 为说明氮对灰铸铁初生 奥氏体二 次枝 晶组织 的作 用机 制 , 先考 察在 初生 奥 氏体析 出过 程 中氮 在固液 两相 中的分 布 . 根 据已有 的热力学 数据 「’ 一 ’ 】 , 可推得 氮在 奥 氏体 中的溶 解度为 : lg 【q 1 A 二 4 50 T 一 1 . 9 5 5 十 冬地凡 2 一 (馨 一 。 . 15 7 ) [c ] A 乙 1 一 ( 一 鲁 + 0 · 1 18) 【cs i , 、 一 (一 粤 + 0 · ” , 9 )【、 。 } · ( 4 ) 式中 【嘲 、 [剑 、 cs[ J 、 【C M习分别表示 N 、 c 、 is 、 M n 元素在奥氏体中的 浓度 . 上式表 明 , 氮 在奥 氏体中的溶 解度 除 与温度 和氮 分压有 关外 , 还 与合 金元素在 奥 氏体 中 的浓度有 关 . 当碳含量不 是很高时 , 即满足 cC[ 』 A < 4 50 + 8 6 cs[ i ]+^ 9 3【C M n l ^ 3 40 ( 5 ) 随温 度 下 降 , 奥 氏体 中氮 的溶 解 度 升 高 . 但是 由于 在 初 生 奥 氏体 析 出 过 程 中 , 合 金 元 素 ( C 、 is 、 M n 等) 均在 变化 , 难 以 准 确估算氮在 这 两个相 中 的溶解 度 . 作 者 对冷 至 1 60 ℃ 的样品液淬后 , 用波谱检 测 氮的分布 , 发现 氮在 初生 奥 氏体和 残余液相 中的 浓度没 有 明显差

第 期 2 : 翟启杰等 氮对灰铸铁初生奥 氏体二次枝晶组织的影响 a . 1 , ~ 一州卜一一一 J 弓洲 _ 一节 , 广~ ~ 私、 ~ 『刃声` ` 三` 石 . 一 ! _ { . . . . . . . . . 一. 。 肠~ 吞 , b侧} 试样 2 }卜、 、 } { 、日之 口注 zP ù心 q 斌 10 一 , % 20 4 0 60 80 10 1 20 q x lo 一 % C 。 、 丈 试样 3 ` 、 { . 叹、 !以 : } I 七5 ~ ~ 过匕 l 图 1 氮对初生奥氏体二次 枝晶间距的影晌 1 一 V = 朽 声。 刀了s , 2 一 F = 屯 Z J扛 n / s 3 一 =V 16.7 声及n / s 瑰 . I E胶 d 成 谊叫笋】 . 触 , 以. 面叮 . . 1 匆甲伙 璐 脚 . . 叮 . 吸舰 d 触 日之tlP 3 讨 论 为说明氮对灰铸铁初生 奥氏体二 次枝 晶组织 的作 用机 制 , 先考 察在 初生 奥 氏体析 出过 程 中氮 在固液 两相 中的分 布 . 根 据已有 的热力学 数据 「’ 一 ’ 】 , 可推得 氮在 奥 氏体 中的溶 解度为 : lg 【q 1 A 二 4 50 T 一 1 . 9 5 5 十 冬地凡 2 一 (馨 一 。 . 15 7 ) [c ] A 乙 1 一 ( 一 鲁 + 0 · 1 18) 【cs i , 、 一 (一 粤 + 0 · ” , 9 )【、 。 } · ( 4 ) 式中 【嘲 、 [剑 、 cs[ J 、 【C M习分别表示 N 、 c 、 is 、 M n 元素在奥氏体中的 浓度 . 上式表 明 , 氮 在奥 氏体中的溶 解度 除 与温度 和氮 分压有 关外 , 还 与合 金元素在 奥 氏体 中 的浓度有 关 . 当碳含量不 是很高时 , 即满足 cC[ 』 A < 4 50 + 8 6 cs[ i ]+^ 9 3【C M n l ^ 3 40 ( 5 ) 随温 度 下 降 , 奥 氏体 中氮 的溶 解 度 升 高 . 但是 由于 在 初 生 奥 氏体 析 出 过 程 中 , 合 金 元 素 ( C 、 is 、 M n 等) 均在 变化 , 难 以 准 确估算氮在 这 两个相 中 的溶解 度 . 作 者 对冷 至 1 60 ℃ 的样品液淬后 , 用波谱检 测 氮的分布 , 发现 氮在 初生 奥 氏体和 残余液相 中的 浓度没 有 明显差