半固态过共晶高铬铸铁的制备及组织定量分析

皇志富，刑建东，高义民

(西安交通大学材料科学与工程学院，陕西西安  710049)

摘  要：为改善过共晶高铬铸铁组织中粗大初生碳化物的形貌，采用冷却体法制备了碳化物明显细化、圆整的半固态坯料。通过分别改变浇注温度、冷却体斜度获得六组不同半固态浆料温度的凝固组织，并借助Leica图像分析仪分别定量分析了初生碳化物的形状系数和等效直径变化特征。研究表明：采用本方法可明显改善碳化物的形象，改变浇注温度和冷却体的倾斜角度对半固态组织有较大影响。

关键词：半固态；过共晶高铬铸铁；冷却体法；初生碳化物；图像分析

　自1971年美国麻省理工(M.I.T)的D.B.Spencer和M.C.Flemings用旋转桶机械搅拌法制备出Sn2Pb15%半固态浆料以来，半固态成形技术发展迅猛[1]。除前述制备半固态金属浆料制备方法外，主要还有电磁搅拌法、喷射沉积法、应变诱发金属激活法(S.I.M.A)、游离籽晶法等[2～4]。其中游离籽晶法制浆操作简单，成本低，生产效率高，特别适合于黑色金属半固态浆料制备，而前面所提的四种方法均存在生产成本高等缺点。高铬铸铁作为一种优良的耐磨材料，其组织中的碳化物在提高高铬铸铁耐磨性方面有着重要的影响，但在工业中应用的大部分为亚共晶高铬铸铁，而过共晶高铬铸铁应用甚少[5]，这主要是由于碳含量超过共晶点后将产生粗大的初生M7C3型碳化物而使韧性大幅度降低，从而限制了其应用。本研究采用具有流程短、工序少和成本低的游离籽晶法改善过共晶高铬铸铁组织中初生碳化物形貌，并定量描述了不同工艺参数条件下初生碳化物形状大小的变化特征。

1　试验方法

试验用材料为过共晶高铬铸铁，其化学成分w为：4.08%C，17.10%Cr，0.63%Mn，0.755%Si，0.025%S。通过差热分析(DTA)确定该材料的固相线温度为1293℃，液相线温度为1193℃。采用冷却体法(或称为游离籽晶法)制备半固态浆料，其原理是当高温金属液流经冷却体时产生大量的游离晶核，使最终凝固组织细化。浇注金属液温度在浇包中控制，确定浇注温度分别为1310、1330、1350℃，其中冷却体为经一定表面处理后的灰铸铁槽，金属液在冷却体上流经长度为450mm。冷却体倾斜角度θ分别按15°、30°、45°变化，浇注温度和冷却体倾斜角的变化都直接导致冷却体出口处浆料温度的变化，成型试样经切割、打磨、抛光，然后选用8%硝酸酒精溶液进行腐蚀，最后进行组织观察及分析。本研究中借助Leica图像分析仪进行图像分析，即测定初生碳化物的形状系数K[K=4πA/L2]及粒度因子D[D(μm)=2(A/π)1/2]，其中A是初生碳化物的平均面积；L是初生碳化物的平均周长，K值介于0～1之间，当K=1时，碳化物呈球状，K值愈远离“1”，形状恶化愈严重；D值也称为碳化物的平均等效直径，D值愈小，碳化物愈细化，反之粗大。

2　试验结果及分析

2.1　过共晶高铬铸铁显微组织

常规铸造过共晶高铬铸铁显微组织见图1，其中粗大初生碳化物的等效直径为62μm，形状因子的值为0.49。

图1　常规成型过共晶高铬铸铁显微组织　×200

　　试验中在金属熔体流经长度不变的情况下，不同浇注温度及不同冷却体斜度所对应的半固态过共晶高铬铸铁浆料温度见表1，由表1可见半固态浆料温度分别存在三组几乎相同的数值(1235℃与1237℃、1256℃与1254℃、1228℃与1227℃)，而且每组中相近的半固态温度所对应的显微组织几乎没有区别，这表明无论是改变浇注温度还是改变冷却体的倾斜角，只要半固态浆料温度相近，显微组织的变化不大。因此分别从上述三组中任意选取一个温度值所对应的显微组织进行观察，见图2中。

图2　半固态过共晶高铬铸铁浆料温度不同时的显微组织　×200

比较图2与图1可以看出，半固态成型的过共晶高铬铸铁初生碳化物较常规成型组织有明显细化，原来粗大的杆状碳化物变为等轴状和少量细杆状碳化物，不但由于冷却体的激冷作用产生大量的游离籽晶，而且进入型腔中金属熔体温度也较低，使已析出的初生晶粒的生长倾向减小，使最终凝固组织较常规成型组织中晶粒数明显增加，即组织细化；另外，由于金属熔体流经倾斜冷却体时发生剪切、滚动，对初生碳化物细化、圆整也起到一定作用。由图2中可知，浆料温度较低时，如1220、1227℃时除少量细杆状碳化物外，碳化物明显细小、圆整；当温度增加至1235、1243℃时，碳化物形貌较前者略有恶化；当温度为1256、1285℃时，初生碳化物出现明显的粗化现象。

2.2　初生碳化物定量测试

为更直观地表述初生碳化物形貌随半固态浆料温度的变化特征，借助Leica图像分析仪分别测定了不同条件下成型组织中初生碳化物的形状系数K和等效直径D，见图3和图4。

        图3　碳化物形状系数随半固态浆料温度变化规律         图4　碳化物等效直径随半固态浆料温度的变化规律

由图3可见，随着半固态浆料温度的升高，形状系数K在较高的情况下保持一段后明显降低，在1235℃后几乎保持不变。半固态浆料温度较低时(如1220、1227℃)，熔体在冷却体上产生的游离晶粒较多且随后的生长阶段较短，使最终凝固组织晶粒明显细化，同时碳化物形状也较为各向同性(K>0.8)；当半固态浆料温度升高至1235℃时，流经冷却体产生的游离籽晶数量明显减少，随后的生长阶段也相对较长，使组织出现粗大现象，碳化物形状系数显著降低，即其形状恶化；随着浆料温度进一步升高，K值缓慢减小，直至1285℃(接近于液相线温度1293℃)时K值趋于稳定，但与常规成形的碳化物相比，其形状仍然明显改善。

由图4看出，碳化物等效直径D值随着半固态浆料温度的升高，先明显增加，然后缓慢增加，最后趋于不变，当半固态浆料温度为1220℃时，碳化物等效直径最小，这是由于在较低的浆料温度下，由于冷却体的激冷作用以及在熔体脱离冷却体后的凝固过程中初生碳化物的生长的过程较短，使碳化物的尺度明显较高温熔体小。随着半固态浆料温度的升高，由冷却体激冷作用产生游离籽晶减少，加之熔体在脱离冷却体后的凝固过程中碳化物生长的时间相对较长，从而使碳化物的等效直径增加。

总之，采用冷却体法改善过共晶高铬铸铁初生碳化物的形貌时，可以通过控制制备半固态浆料的工艺参数(如浇注温度，冷却体斜度)，获得适当的浆料温度可保证较理想的初生碳化物形貌，但浆料温度不能太低，否则不利于成型组织的致密性。当浆料温度较高时，虽然有利于成型，但是碳化物形貌明显恶化。因此，在本研究中仅从组织细化等轴化角度分析，认为浆料温度在1227～1335℃时所对应的制浆工艺参数细化组织较理想。

3　结论

(1)采用冷却体法制备半固态过共晶高铬铸铁与常规成型组织相比，初生碳化物可得到显著细化和等轴化，即其形貌得到明显改善。

(2)借助图像分析仪，对不同的半固态浆料温度所对应的碳化物形貌进行定量分析，从组织细化、碳化物等轴化角度来看，较低的浆料温度是有利的。