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改善铁粉处理稍过共晶灰铸铁的冷却控制
Iulian Riposan1，Mihai Chisamera1，Stelian Stan1和Michael Barstow2
- 布加勒斯特波利尼察大学，313 Spl。Independentei，RO-060042，罗马尼亚布加勒斯特; 2.美国加利福尼亚州弗里蒙特顾问冶金学家）
摘要：最近的研究表明，在共晶或微过共晶灰铁（CE = 4.3％-4.5％）中，奥氏体枝晶的存在可以改善铸铁性能，因为大量共晶细胞被奥氏体“强化”树突。经证实加入铁粉可以促进过共晶铁中的树枝状奥氏体，但伴随着铁粉的加入将对石墨潜在核特性产生不利影响。本文的目的是调查这些铁的凝固模式。将具有不同冷却模量（CM = 0.11-0.43厘米）的冷却楔倒入树脂粘合砂和金属模中。应用相对清晰/斑点/总体冷却测量标准。添加铁粉导致更高的白口倾向，而单次孕育处理表现出最强的石墨化效应。各种双重处理显示出中间位置，但是在铁粉之后添加的孕育剂似乎是降低铁白口倾向的最有效的方法，适用于所有的冷却模量和冷却评价参数。这种性能反映了（Mn，X）s多边形化合物作为石墨成核点的改进性能，特别是在树脂粘合砂模铸造中。奥氏体和石墨的成核效果都来自于双重添加铁粉 孕育剂，对最终结构和白口倾向有积极影。
关键词：过共晶灰铸铁; 铁粉; 孕育处理; 白口倾向;（锰，X）S; 石墨核
中图分类号：TG143.2 文献标识码：A 文章编号：1672-6421（2011）02-228-07
Iulian Riposan 男，1948年出生，博士，教授。主要研究领域：片状，球状，压实/蠕虫状和珊瑚石墨铁处理和复杂表征;含LG，NG，CG或珊瑚石墨的等淬铸铁;铸铁基复合材料;铸铁的新修改技术;冲天炉和电炉操作。出版物：超过250篇已发表论文;三本书（CG铁-1984，白铁-1985和贝尼铁 - 1989）和一本教科书（铸铁-1985）; 35项罗马尼亚专利。获奖情况：罗马尼亚科学研究院（1985年）的“Aurel Vlaicu”奖用于压实石墨铸铁的贡献; 2个铁矿区改造中的科技创新奖（1987年和1989年）;在全国专利展上获得10项大奖;在第63届世界铸造大会（1998年），第106届AFS铸造大会（2002年）和第107届AFS铸造大会（2003年）中分别获得三项最佳论文奖。专业和科学协会：罗马尼亚铸造技术协会（ATTR）[总裁]; AFS-美国铸造协会（M）; ASM国际 - 材料信息学会（M）;罗马尼亚冶金学会（SRM）（M）;罗马尼亚发明家协会（M）;罗马尼亚钢铁生产者联合会（M）。电子邮件：riposan@foundry.pub.ro; i_riposan@rectorat.pub.ro收到时间：2010-12-09;录用日期：2011-02-15
奥氏体枝晶在灰铸铁的凝固组织中变得越来越重要，尤其是汽车铸件。由Ruff和Wallace [1] 可知，通过增加无石墨区域的量（在大多数情况下，主要是奥氏体树枝状晶体），细化共晶单元尺寸，最大限度地提高中等大小的A型石墨的比例并建立完全珠光体基质，可使铸态灰铸铁获得最佳拉伸强度和延展性。通过降低碳当量（CE），使用材料作为奥氏体成核的基质，或通过添加元素来促进冷却，从而获得更多的初生奥氏体枝晶。 用类似于复合材料中纤维增强效应的方式通过增强铁来增加拉伸强度。
随着碳当量的增加，奥氏体树枝状晶体的数量会减少。 当碳当量一定时，增加硅与碳的比例可以使奥氏体树枝状晶体的量增加15％[2]。 在灰铸铁中，奥氏体枝晶含量越高，铸铁越强。而且灰铸铁的拉伸强度严重受到树枝状晶的形成和特征的影响[3]，并且孕育处理对其形成和石墨化也具有很大影响。
已发现添加纯铁粉（0.1wt。％ - 1.0wt。％）对亚共晶灰铸铁（CE = 3.7％ - 4.3％）中奥氏体树枝晶的形成及其特征具有很大影响， 对机械性能有重要影响。 纯铁具有与凝固金属的主相相同的晶体结构。 这证实了用纯铁粉处理初级树突[4-6]会产生相当大的影响。 另一方面，我们都知道铸铁中的白口倾向（碳化物的形成）和石墨形态基本上由作用于石墨的核的形成和特性以及共晶结构的孕育处理控制。
含有钙，钡，锶，稀土元素（RE）等活性元素的FeSi基合金对共晶细胞的孕育处理效果较好，而铁粉对等轴细胞的孕育处理效果最好。 考虑到这两种材料的互补作用，孕育剂对初晶形核的影响不同，而铁粉添加量对共晶细胞的影响不同[4-6]。
孕育处理主要通过改善铁熔体中已经存在的微量杂质（例如硫化物）而不是通过产生新化合物来影响石墨化石核的质量（但是这可能，特别是作为氮化物，在含硫量非常低的铁中）。 通过电子显微镜观察发现，石墨闪光灯的核由一个颗粒（通常尺寸小于6mu;m）和一个包围复合氧化物的核心的（Mn，X）S型硫化物体组成 （通常小于2mu;m）[7-12]。
已经发现，三组元素是重要的：（a）强脱氧元素（例如Si，Al，Zr），以促进微内含物的早期形成; （b）Mn和S，以支持MnS型硫化物的形成; （c）在石墨形成的第一阶段和/或第二阶段中的孕育处理元素（例如Ca，Sr，La）以改善（Mn，X）S化合物的石墨成核效力[9-12]。 微观结构模拟也证实了MnS颗粒上石墨的成核[13-15]。
关于共晶到过共晶范围（CE = 4.3％ - 4.5％）灰铸铁的研究很少，它们具有良好的铸造性，强度，导热性和减振能力等综合性能。 通常，这样的化学成分是指薄壁铸件，金属模铸件和重型汽车铸件，例如制动系统部件。
最近关于共晶到微过共晶范围内的灰铁的研究表明，奥氏体树枝状晶体能够“增强”许多共晶细胞，这使得铸铁性能有机会得到改善[16-17]。 虽然添加铁粉对促进奥氏体树枝状晶体非常重要，但它对（Mn，X）S型石墨核的特性也有一些不利影响[18-20]。 典型的影响如图1所示。
本文的目的是研究这些铁的凝固模式。 通过使用树脂粘合砂和金属模具，在不同的凝固条件下使用具有不同冷却模量（CM = 0.11-0.43厘米）的冷却楔。 采用相对清晰/斑点/总冷却测量标准，来评估和区分各种处理与铁粉和/或常规孕育剂对（Mn，X）S微夹杂物形态的影响，因为这些因素影响形成石墨核的形成。
1实验程序
使用感应炉（酸衬里，100公斤，2400赫兹）产生热量[19]。 将铁熔体加热至1530℃持续5分钟，然后将15千克铁熔体在1520℃下浇入浇包中。 加入1.0wt％的铁粉，加入专用的Ca-Ba-Al-FeSi孕育剂，添加量为0.2wt％。 各种处理由添加铁粉（在浇注钢包的过程中，或者在感应炉的水龙头上转移浇包）组成，可以单独添加，也可以与常规孕育剂在不同的双重处理中添加，在孕育处理前添加，和孕育剂混合添加，在添加孕育剂后添加。第一次处理是作用在炉膛转移到输送钢包的过程中的铁料流上，第二次对铁料流的处理是在转移到浇包时进行的。 炉膛过程中的孕育作用添加剂也用作参考处理。
铁粉的化学成分（最大重量％：0.02C，0.05Si，0.2Mn，0.015P，0.015S，0.3O2，Fe-bal。）; （粒径0.4-1.0mm，表观密度2.7-3.0g·cm-3）。 FeSi孕育剂化学品（重量％：0.75-1.25Ca，0.75-1.25Ba，0.75-1.25Al，73-78Si，Fe-bal。）; （粒径0.2-0.7mm）。 使用W1（CM = 0.11cm），W2（CM = 0.21cm），W3（CM = 0.35cm）[21]（树脂粘合砂模），WM（CM = 0.43cm，金属模具）楔。
用不同的冷却模量（CM）测试样品可以探索不同的凝固条件[22]。 CM是指住建的体积和表面之间的比率，并且表示将给定量的热量通过现有表面传递给模具的能力。较高的CM等同于较低的冷却速率（CR）和较低的共晶凝固过冷度。等效冷却模数用W1，W2和W3表示，分别对应于直径为4.4毫米，8.4毫米和14毫米的圆棒。在冷却楔中，靠近顶点的完全没有灰色区域的部分为清冷区（Wc）。从透明冷却区末端到渗碳体或白铁最后可见的位置的区域被指定为斑点区（Wm）。从灰色裂缝到第一次出现冰冷铁（顶点）被称为总冷却（Wt）。考虑了相对白口冷却（RCC），相对斑口冷却（RMC）和相对总冷却（RTC）三个参数[22]：
RCC = 100 [Wc / B]（％）
RTC = 100 [Wt / B]（％）
RMC = 100 [0.5（Wc Wt）/ B]（％）
其中B是测试楔的最大宽度。
2结果和讨论
由以前发表的论文[18,19]可知冷却速率和处理都很重要，而且部分可预测因素会影响白口倾向。根据处理方案，冷却速度和冷却评估标准，还确定了稍过热共晶铁凝固模式的一些具体趋势。冷却曲线本身及其衍生物和相关温度以及计算的参数用于预测熨斗对冷却敏感性的特征。结果清楚地表明，热分析技术可以非常好地用于优化和控制复杂的铸铁凝固过程[23]。此前得到的结果表明，热分析和冷却参数显示了较低过冷度和较低冷却的正常关系，除了用树脂粘结砂和金属铸模铸造的铁粉处理外，与基础铁相比，相对较低的过冷度却有较高的冷却效果。
从RCC，RMC到RTC，特别是在较高的凝固速度时，基础铁和处理过的铁之间的差异是增加的（图2）。 图3分别显示了三种冷却评估标准和四种楔形分析中在不同处理方式下的冷却效果与基础铁相比的变化。 使用参考水平为1.0的基础铁，单独添加铁粉的处理导致相对清晰冷（相对清冷模量较高）增加10％-30％，相对斑驳冷却增加35％-55％ ，以及树脂粘结砂模固化相对总冷却量增加50％-80％。
图2
铁处理对楔W1，W2和W3（ASTM A 367，树脂粘合砂模）和WM（金属模）的RCC（a），RMC（b）和RTC（c）
图3
相对于楔子W1，W2和W3（树脂粘结砂模）和WM（金属模具）的基础铁，各种处理过的铁的相对白口冷却（a），相对斑口冷却（b）和相对总冷却（c）
较高的冷却速度，典型的金属模具使得铁粉添加后冷却增加量减少了7％-10％，而其他冷却评估标准没有任何明显差异。 在另一项研究计划[18]中，添加铁粉甚至导致金属模楔式铸造中冷却下降的趋势，更多的是在相同条件下斑口冷却额和总冷却下降，而在树脂砂模中斑口冷却和总冷却增加。
与基础铁相比，使用Ca-Ba-Al-FeSi孕育剂的常规孕育处理对于降低稍过共晶灰铸铁的急冷倾向具有很大的影响。 随着固化铸件在相同树脂粘结砂模中冷却速率的降低，这一点更加明显。例如从W1样品（CM = 0.11cm）到W3样品（CM = 0.35cm）。 冷却模量为0.43厘米的金属模固化WM样品表现出与W1铸件类似的冷却行为，在冷却模量为0.11厘米的树脂粘合砂模中固化。
涉及铁粉和常规孕育剂的双重处理变体导致中间冷却趋势结果，与基本铁相比通常较低，但与Ca-Ba-Al-FeSi处理的铁相比较高。与金属模铸件相比， 双重处理的最佳性能是通过添加铁粉后的进行孕育处理得到的，特别是对于树脂粘结砂模中固化的铸件（在更高的冷却速率下更高）。
在所有冷却评估标准中（表1），采用“常规”（Ca-Ba-Al-FeSi合金）孕育处理时，W1和W2或W1和W3铸件在树脂砂模中固化的差异是最明显。 有了白口冷却参数，使用单铁粉处理获得最小的差异。 用双重处理变体获得中间结果，并且在添加铁粉后施用接种性能。 采用斑口和总体冷却标准，在常规孕育处理或同时（两种材料的混合物）添加后，表现出较小的差异。
结果反映了（Mn，X）S化合物作为灰铸铁中石墨的成核位点[18-20]不同处理对其特性的影响。 铁粉导致了不规则的多边形颗粒具有像“汉字”那样的最大尺寸和复杂形态的趋势，而常规的Ca-Ba-Al-FeSi孕育处理导致最小尺寸和更紧凑的微内含物， 石墨核。 如果在添加铁粉之后使用“常规”孕育剂，则第二次处理恢复了高致密性和小尺寸的特征。 与通过单独孕育处理而获得的化合物相比，它们在尺寸和形态上非常接近，与其本身的铁粉处理相比，具有比基础铁（未处理）更好的特性。
试验铸件的冷却水平与各种处理对石墨晶核中（Mn，X）S化合物特性的特殊影响是一致的。图4显示了对于共晶成核至关重要的微内含物图像的视觉效果，以及来自各种冷却参数分析数据的楔形裂缝图像。这是一个重要的结论，为研究的关键结果的提供了视觉解释。图4中的数据包括典型的方面，平均尺寸（Lm）和形状系数（F）的平均值，来自树脂粘合砂模试验铁（25mm直径试样）中的MnS型化合物的分析。形状系数（F = L / l）由分析颗粒的最大（L）和最小（l）尺寸之比（较低F =颗粒的较高致密度）定义。较大的尺寸导致较高的形状因子和较低的致密度，铁粉处理过的铁具有不寻常的结果。
通过相对白口冷却（RCC），相对斑口冷却（RMC）和相对总冷却（RTC）的测量来测试铁的冷却敏感性与来自（Mn，X）S化合物的分析的代表性特征相关，对不同的冷却速率（W1和W3楔形），使用平均尺寸（Lm）和形状系数（F）表达式。
表1：W1 W2和W3作为白口冷却，班口冷却，总体冷却的楔子的相对位置
图4 经处理的铁在树脂结合砂模固化
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