第2期 陈华等：脉冲电流参数对过共晶高铬铸铁近液相线熔化后凝固组织的影响 ·181· 500、1000和1400V电压下电流密度分别为252、 3结论 460和628Acm-2,计算所得500、1000和1400V电 压下在脉冲作用时间范围内试样的温升分别为 (1)脉冲电压和频率的增大都有利于碳化物的 0.487、1.63和3℃.可见电压较小时温升很小，当 细化和粒化. 电压增大试样温升增加，但在本实验范围内理论最 (2)脉冲电流频率的增大更有利于初生碳化物 大温升也才3℃，不足于完全融化碳化物. 的形成，过共晶高铬铸铁离异共晶现象明显，组织中 熔体内部通入脉冲电流时将产生焦耳热，焦耳 大部分为细小颗粒状初生碳化物.脉冲电压的增大 热功率密度（单位体积焦耳热）可通过下式计算 有利于获得弥散分布的细小初生碳化物颗粒和短小 而得0： 共晶碳化物共存组织.过高的脉冲电压也促进初生 碳化物的形成，产生离异共晶. (3) U 式中，σ为电导率，Sm 参考文献 电流通过内部析出细小碳化物的金属熔体时， 由于固液两相的电导率不同，流经两相的电流密度 [1]Chung R J,Tanga X,Li D Y,et al.Abnormal erosion-slurry ve- 不同.碳化物的电导率远远小于金属熔体的电导 locity relationship of high chromium cast iron with high carbon con- centrations.Wear.2011,271 (9/10):1454 率6一切，电流大部分将优先流经碳化物周围的液 2]Hao S J.High Chromium Cast Iron.Beijing:China Coal Industry 相，即电流围绕碳化物颗粒产生绕流效应.由式 Press,1993 (3)可知流经液相电流密度高，产生的焦耳热效应 (郝石坚.高铬耐磨铸铁.北京：煤炭工业出版社，1993) 大，导致碳化物周围液相温度升高.适当强度的电 B]Bratberg J.Frisk K.An experimental and theoretical analysis of 压（图3(b)中的500V和图3(e)中的1000V)产生 the phase equilibria in the Fe-Cr-V-C system.Metall Mater Trans A,2004,35(12):3649 的焦耳热效应有利于抑制碳化物的定向生长，从而 [4]Carpenter S D,Carpenter D,Pearce JT H.XRD and electron mi- 获得大量细小粒状碳化物：但过高的电压（图3(） croscope study of an as-east 26.6%chromium white iron micro- 中的1400V)将使熔体温度升高，促使碳化物过分 structure.Mater Chem Phys,2004,85:32 长大，甚至出现杆状碳化物.当然，由于在碳化物和 [5]Zhi X H,Xing J D,Fu H G,et al.Effect of titanium on the as- 熔体之间产生的瞬时焦耳热效应，对碳化物产生强 cast microstructure of hypereutectic high chromium cast iron.Ma- 烈的热冲击，将促使粗大的碳化物熔化分解，出 ter Charact,2008,59(9):1221 [6]Nakada M,Shiohara Y,Flemings M C.Modification of solidifica- 现如图3()中边界不规则的碳化物，由于分解是沿 tion structures by pulse electric discharging.IS/J Int,1990,30 着内部空洞进行，组织中实心碳化物的比例增加. (1):27 2.3脉冲电流频率和脉冲电压对过共晶高铬铸铁 [7]Barak J P,Sprecher A F,Conrad H.Colony (grain)size reduc- 凝固组织的影响的区别 tion in eutectic Pb-Sn castings by electroplusing.Scripta Metall 从图3脉冲电流细化和粒化过共晶高铬铸铁凝 Mater,1995,32(6):879 [8]Wang J Z,Cang D Q,Tang Y,et al.Effects of electronpulse in- 固组织来看，脉冲电流频率和电压的影响本质是有 oculation treatment on the solidified structure of Al-5.0%Cu alloy. 所区别的.频率的增大使得熔体的受迫搅拌速度加 Foundry,1995(4):21 快，破坏熔体内部微区产生的温度场和浓度场，促使 (王建中，苍大强，唐勇，等.电脉冲孕有处理对A5.0%Cu 碳化物首先以颗粒状弥散形核长大，剩余液相中溶 合金凝固结构的影响.铸造，1995(4)：21) 质溶度降低而低于平衡结品条件下的共晶成分，导 9] Ding H S,Zhang Y,Jiang Y,et al.Study progresses on the 致共晶组织比例降低，频率较小范围内的增大将显 effects of pulsed current on alloy melts and the solidification micro- structures of alloys.Rare Met Mater Eng,2009,38(1):180 著促进离异共晶的出现.电压的增大则利于原子的 (丁宏升，张永，姜三勇，等.脉冲电流影响合金熔体特征及 迁移，碳化物粗化的几率增加，一定的电压不会使得 其凝固组织的研究进展.稀有金属材料与工程，2009,38 共晶碳化物消失，但碳化物片变短且增厚，而脉冲电 (1):180) 流的焦耳热效应产生的热冲击有效地分解粗大的初 [10]He S X,Wang J,Zhou Y H.Effect of high density pulse electric 生碳化物，达到细化和粒化的目的.过高的脉冲电 current on the solidification structure of low temperature melt of A356 aluminium alloy.Acta Metall Sin,2002,38 (5):479 压也促进初生碳化物的形成，产生了离异共晶，但其 (何树先，王俊，周尧和.高密度脉冲电流对A356铝合金低 初生碳化物的细化和粒化主要是由于脉冲电流的焦 温熔体凝固组织的影响.金属学报，2002,38(5)：479) 耳热效应促使粗大初生碳化物分解的结果. [11]Zhang M,Ren X F,Li J H,et al.Effect of pulsing current on第 2 期 陈 华等: 脉冲电流参数对过共晶高铬铸铁近液相线熔化后凝固组织的影响 500、1000 和 1400 V 电压下电流密度分别为 252、 460 和 628 A·cm － 2，计算所得 500、1000 和 1400 V 电 压下在脉冲作用时间范围内试样的温升分别为 0. 487、1. 63 和 3 ℃ ． 可见电压较小时温升很小，当 电压增大试样温升增加，但在本实验范围内理论最 大温升也才 3 ℃，不足于完全融化碳化物． 熔体内部通入脉冲电流时将产生焦耳热，焦耳 热功率密度( 单位体积焦耳热) 可通过下式计算 而得［20］: p = j 2 0 σ ． ( 3) 式中，σ 为电导率，S·m － 1 ． 电流通过内部析出细小碳化物的金属熔体时， 由于固液两相的电导率不同，流经两相的电流密度 不同． 碳化物的电导率远远小于金属熔体的电导 率［16--17］，电流大部分将优先流经碳化物周围的液 相，即电流围绕碳化物颗粒产生绕流效应［21］． 由式 ( 3) 可知流经液相电流密度高，产生的焦耳热效应 大，导致碳化物周围液相温度升高． 适当强度的电 压( 图 3( b) 中的 500 V 和图 3( e) 中的 1000 V) 产生 的焦耳热效应有利于抑制碳化物的定向生长，从而 获得大量细小粒状碳化物; 但过高的电压( 图 3( f) 中的 1400 V) 将使熔体温度升高，促使碳化物过分 长大，甚至出现杆状碳化物． 当然，由于在碳化物和 熔体之间产生的瞬时焦耳热效应，对碳化物产生强 烈的热冲击［19］，将促使粗大的碳化物熔化分解，出 现如图 3( f) 中边界不规则的碳化物，由于分解是沿 着内部空洞进行，组织中实心碳化物的比例增加． 2. 3 脉冲电流频率和脉冲电压对过共晶高铬铸铁 凝固组织的影响的区别 从图 3 脉冲电流细化和粒化过共晶高铬铸铁凝 固组织来看，脉冲电流频率和电压的影响本质是有 所区别的． 频率的增大使得熔体的受迫搅拌速度加 快，破坏熔体内部微区产生的温度场和浓度场，促使 碳化物首先以颗粒状弥散形核长大，剩余液相中溶 质溶度降低而低于平衡结晶条件下的共晶成分，导 致共晶组织比例降低，频率较小范围内的增大将显 著促进离异共晶的出现． 电压的增大则利于原子的 迁移，碳化物粗化的几率增加，一定的电压不会使得 共晶碳化物消失，但碳化物片变短且增厚，而脉冲电 流的焦耳热效应产生的热冲击有效地分解粗大的初 生碳化物，达到细化和粒化的目的． 过高的脉冲电 压也促进初生碳化物的形成，产生了离异共晶，但其 初生碳化物的细化和粒化主要是由于脉冲电流的焦 耳热效应促使粗大初生碳化物分解的结果． 3 结论 ( 1) 脉冲电压和频率的增大都有利于碳化物的 细化和粒化． ( 2) 脉冲电流频率的增大更有利于初生碳化物 的形成，过共晶高铬铸铁离异共晶现象明显，组织中 大部分为细小颗粒状初生碳化物． 脉冲电压的增大 有利于获得弥散分布的细小初生碳化物颗粒和短小 共晶碳化物共存组织． 过高的脉冲电压也促进初生 碳化物的形成，产生离异共晶． 参 考 文 献 ［1］ Chung Ｒ J，Tanga X，Li D Y，et al． Abnormal erosion-slurry ve￾locity relationship of high chromium cast iron with high carbon con￾centrations． Wear，2011，271( 9 /10) : 1454 ［2］ Hao S J． High Chromium Cast Iron． Beijing: China Coal Industry Press，1993 ( 郝石坚． 高铬耐磨铸铁． 北京: 煤炭工业出版社，1993) ［3］ Bratberg J，Frisk K． An experimental and theoretical analysis of the phase equilibria in the Fe-Cr-V-C system． Metall Mater Trans A，2004，35 ( 12) : 3649 ［4］ Carpenter S D，Carpenter D，Pearce J T H． XＲD and electron mi￾croscope study of an as-cast 26. 6% chromium white iron micro￾structure． Mater Chem Phys，2004，85: 32 ［5］ Zhi X H，Xing J D，Fu H G，et al． Effect of titanium on the as￾cast microstructure of hypereutectic high chromium cast iron． Ma￾ter Charact，2008，59( 9) : 1221 ［6］ Nakada M，Shiohara Y，Flemings M C． Modification of solidifica￾tion structures by pulse electric discharging． ISIJ Int，1990，30 ( 1) : 27 ［7］ Barnak J P，Sprecher A F，Conrad H． Colony ( grain) size reduc￾tion in eutectic Pb-Sn castings by electroplusing． Scripta Metall Mater，1995，32 ( 6) : 879 ［8］ Wang J Z，Cang D Q，Tang Y，et al． Effects of electronpulse in￾oculation treatment on the solidified structure of Al-5. 0% Cu alloy． Foundry，1995( 4) : 21 ( 王建中，苍大强，唐勇，等． 电脉冲孕育处理对 Al--5. 0% Cu 合金凝固结构的影响． 铸造，1995( 4) : 21) ［9］ Ding H S，Zhang Y，Jiang S Y，et al． Study progresses on the effects of pulsed current on alloy melts and the solidification micro￾structures of alloys． Ｒare Met Mater Eng，2009，38( 1) : 180 ( 丁宏升，张永，姜三勇，等． 脉冲电流影响合金熔体特征及 其凝固组织 的 研 究 进 展． 稀有金属材料与工程，2009，38 ( 1) : 180) ［10］ He S X，Wang J，Zhou Y H． Effect of high density pulse electric current on the solidification structure of low temperature melt of A356 aluminium alloy． Acta Metall Sin，2002，38 ( 5) : 479 ( 何树先，王俊，周尧和． 高密度脉冲电流对 A356 铝合金低 温熔体凝固组织的影响． 金属学报，2002，38 ( 5) : 479) ［11］ Zhang M，Ｒen X F，Li J H，et al． Effect of pulsing current on · 181 ·