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半固态加工对灰铸铁的凝固组织和力学性能的影响

摘要

金属的半固态加工正在成为一种生产球状结构和高品质铸件的创新技术。本文是针对半固态加工（采用冷却板技术）对灰铸铁的微观结构和强度影响效果的研究。试验采用是碳当量为3.59%的亚共晶灰铸铁。结果表明，随着固相分数的增加微观结构变得更圆更好。增加初生固相分数能够增加过冷度并改变石墨形态。与普通灰铸铁相比，半固态加工成型的灰铸铁的抗拉强度相当的高。其拉伸强度和伸长率的都取决于固相分数。据发现，在半固态加工中，石墨形态（尺寸和类型）、初生固相集聚和切割石墨网络对以上两种性能都有很大的影响。据观察，总断裂强度取决于石墨形态以及组织的排列方式，而这又主要取决于固相分数。固相分数的增加可以增加硬度值，这是由于半固态加工使其组织均匀化。

关键词：半固态成形，灰铸铁，微观组织，力学性能，石墨形态，冷却盘

1前言

灰铸铁含有片状石墨分散在含硅铁基体上。灰铸铁的性能取决于石墨片的大小，数量和分布以及基体结构[1-4]。在大多数情况下，工业合金凝固带有树枝晶。通过把这些合金的树枝状结构改变成球状结构，可以提高它们的力学性能。在半固态区剪应力的应用导致树枝晶分裂成小颗粒。连续降低温度和增加压力导致微粒先形成花状结构然后转化为球形结构[5,6]。

灰铸铁半固态成形使用冷却板的方法已在文献[7-9]有所报道，其中得到一个相邻相有清楚区分的改善的结构，这个结构的初始细球状粒子具有高等级的圆球度和相数。然而，以前的文献[7-9]没有任何包括关于石墨片的分布、基体结构和在初始固相分数的宽范围上对抗拉强度影响的讨论。为建立合理

实际的铸铁半固态成形过程，知道固相分数、铸造性、得到铸造性能之间的关系是非常重要的。

本报告的目的是研究通过采用冷却板技术的半固态加工造成灰铸铁微观结构的变化对其抗拉性能的影响。我们对不同的固相分数对结构和抗拉强度的影响进行了研究，以实现这一目标。并期望生产出在最优化条件下适合于工业应用的一个新材料。

2 实验工作

2.1 铸件

本实验中，试样尺寸如图1所示，其尺寸固定为宽25 mm、长155 mm、厚14 mm。砂型使用AFS的石英砂69 GFN、6%的钠基膨润土和1%的谷物制成。成型后将模型封好，在砂型表面喷涂磨砂层，然后在437 K干燥2.5 h。试验所用材料为是灰铸铁棒材。铸铁样品的化学成分如表1所示。试样重约900 g，用电阻炉熔化。炉料在氩气气氛加热到温度为1773 K，然后保温30分钟，让炉料以达到所需的温度。在1773 K时，将熔融炉料从炉中移动到可控浇注系统，这个系统由控制熔体温度的隔离箱和调整浇注速度的快速多变电机组成，如图2所示。在所需的温度，熔融炉料倒在一个倾向于水平面10˚且带有转速为600 r/m连续转动电机的冷却板上，并流入冷却板端部模具型腔。浇筑之前在冷却板表面上放置重量为总重量的0.4%的75FeSi孕育剂。通过插在隔离箱和砂型上的热电偶测量半固态浆料的温度。初生固相分数可使用Scheil方程由以上温度推出。其中奥氏体分布系数k由Goettsch和Dantzig模型确定。

图1 铸造试样设计（以mm为单位）。

表1 铸铁样品的化学成分（质量分数，%）

图2 浇注系统

2.2 显微组织观察和力学性能测定

矩形铸铁样品由条状铸样获得。在距离浇注底部35 mm的横截面进行了微观结构分析，SEM观察和硬度测量。对试样进行打磨和抛光，利用光学观察显微镜对其进行微观结构观察。并运用图像分析软件对试样初生奥氏体粒子的大小，颗粒度以及石墨长度进行了测量和分析。布氏硬度测试载荷750 KG。拉伸试样取自条带试样。拉伸试样按照ASTM，A339标准，长25 mm、直径6.5 mm，采用50 KN拉力试验机。每个条件测试两个拉伸试样。采用配备有能谱射线分析仪（EDS）的日立S-800型扫描电子显微镜对拉伸试样的断口形貌进行了分析。

3.结果及讨论

3.1显微组织

图3 固相分数对半固态加工的灰铸铁结构的影响

图4 固相分数对平均初生奥氏体颗粒尺寸和初生奥氏体颗粒的圆球度的影响

当温度降到液相线下时，普通亚共晶灰铸铁的凝固是随着奥氏体枝晶从熔体中析出开始的。如图3和4所示，固相分数对半固态加工的灰铸铁结构的影响。很显然，普通灰铸铁有树枝状结构，另一方面，通过增加固相分数，半固态加工的灰铸铁变细更圆。现在和以前的[7-9]调查都很符合这点，初生奥氏体颗粒形状和大小受到因冷却板的使用而由此产生的高熔体冷却速度的影响。高的熔体冷却速度相对于潜热消散速率增加了有效原子核的数量。图4显示，随着增加固相分数，初生奥氏体颗粒平均尺寸［（最大直径+最小直径）/2］减小，这被认为是由于在较高的固相分数下增加凝固速度。

图5 固相分数对半固态加工灰铸铁的石墨大小与分布的影响

图6 平均石墨长度作为固相部分作用的表征

图5和6显示固相分数对半固态加工灰铸铁石墨大小与分布的影响。显然，增加固相分数降低了石墨的大小，并改变其分布。另一方面，对于低的固相分数（FS≤0.12），获得片状石墨（A型石墨）。进一步提高固相分数（从FS0.14至0.18），结果形成细石墨形态的（D型石墨）。这种石墨形态通过为碳提供短的扩散路径来干扰完全珠光体基体，因此，有助于铁素体的形成[1]。

当金属液冷却到液相以下，奥氏体沉淀析出，液体逐步富积碳一直达到共晶成分（4.3%）。一旦这种成分达到，剩余的液体转变成两种固体，在稳定反应的情况下成为石墨加奥氏体。一旦共晶凝固结束，无液态金属残留，固体将发生进一步反应[4]。在共晶转变温度和共析转变温度之间，高碳奥氏体排碳，其扩散形成片状石墨。这给奥氏体吸收所需共析转变的成分的机会。如图7所示，这一转变包含的奥氏体分解成珠光体或珠光体加铁素体。

图7 含不同固相分数铸铁的共晶区的SEM照片

图8 不同初生固相分数灰铸铁的凝固冷却曲线

如图7所示，图7显示了固相分数对半固态加工灰铸铁的共晶结构的影响。这是明确指出，通过增加固相分数，石墨形态由A型的粗片状改变成D 型的细薄片状。共晶奥氏体分解为珠光体加铁素体。在固相分数为0.18的试样上生成高铁素体区，此时石墨片主要呈D型。图8显示了在各种固相分数比例下的灰铸铁凝固冷却曲线。结果表明，增加起始固相分数，过冷度增加，且在固体分数为0.20时达到最高值。迄今为止[4,12]的调查是都符合这点，小过冷度普通铸铁生成A型石墨，而D型石墨形成于过冷度高但不足以引起碳化物形成时。更高固相分数造成更高的冷却速度，而导致过冷度的可能增加。最后，我们可以说，冷却板对奥氏体基体和石墨有一个再次细化作用，否则结构将类似于带有树枝状晶体的初生奥氏体和粗石墨的普通铸铁。

3.2 力学性能

3.2.1 拉伸强度