外 文 資 料 譯 文半固態(tài)加工對(duì)灰鑄鐵的凝固組織和力學(xué)性能的影響摘要金屬的半固態(tài)加工正在成為一種生產(chǎn)球狀結(jié)構(gòu)和高品質(zhì)鑄件的創(chuàng)新技術(shù)。本文是針對(duì)半固態(tài)加工（采用冷卻板技術(shù)）對(duì)灰鑄鐵的微觀結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度影響效果的研究。試驗(yàn)采用是碳當(dāng)量為3.59%的亞共晶灰鑄鐵。結(jié)果表明，隨著固相分?jǐn)?shù)的增加微觀結(jié)構(gòu)變得更圓更好。增加初生固相分?jǐn)?shù)能夠增加過(guò)冷度并改變石墨形態(tài)。與普通灰鑄鐵相比，半固態(tài)加工成型的灰鑄鐵的抗拉強(qiáng)度相當(dāng)?shù)母?。其拉伸?qiáng)度和伸長(zhǎng)率的都取決于固相分?jǐn)?shù)。據(jù)發(fā)現(xiàn)，在半固態(tài)加工中，石墨形態(tài)（尺寸和類(lèi)型）、初生固相集聚和切割石墨網(wǎng)絡(luò)對(duì)以上兩種性能都有很大的影響。據(jù)觀察，總斷裂強(qiáng)度取決于石墨形態(tài)以及組織的排列方式，而這又主要取決于固相分?jǐn)?shù)。固相分?jǐn)?shù)的增加可以增加硬度值，這是由于半固態(tài)加工使其組織均勻化。關(guān)鍵詞：半固態(tài)成形，灰鑄鐵，微觀組織，力學(xué)性能，石墨形態(tài)，冷卻盤(pán)1 前言灰鑄鐵含有片狀石墨分散在含硅鐵基體上。灰鑄鐵的性能取決于石墨片的大小，數(shù)量和分布以及基體結(jié)構(gòu)1-4。在大多數(shù)情況下，工業(yè)合金凝固帶有樹(shù)枝晶。通過(guò)把這些合金的樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)改變成球狀結(jié)構(gòu)，可以提高它們的力學(xué)性能。在半固態(tài)區(qū)剪應(yīng)力的應(yīng)用導(dǎo)致樹(shù)枝晶分裂成小顆粒。連續(xù)降低溫度和增加壓力導(dǎo)致微粒先形成花狀結(jié)構(gòu)然后轉(zhuǎn)化為球形結(jié)構(gòu)5,6?；诣T鐵半固態(tài)成形使用冷卻板的方法已在文獻(xiàn)7-9有所報(bào)道，其中得到一個(gè)相鄰相有清楚區(qū)分的改善的結(jié)構(gòu)，這個(gè)結(jié)構(gòu)的初始細(xì)球狀粒子具有高等級(jí)的圓球度和相數(shù)。然而，以前的文獻(xiàn)7-9沒(méi)有任何包括關(guān)于石墨片的分布、基體結(jié)構(gòu)和在初始固相分?jǐn)?shù)的寬范圍上對(duì)抗拉強(qiáng)度影響的討論。為建立合理實(shí)際的鑄鐵半固態(tài)成形過(guò)程，知道固相分?jǐn)?shù)、鑄造性、得到鑄造性能之間的關(guān)系是非常重要的。本報(bào)告的目的是研究通過(guò)采用冷卻板技術(shù)的半固態(tài)加工造成灰鑄鐵微觀結(jié)構(gòu)的變化對(duì)其抗拉性能的影響。我們對(duì)不同的固相分?jǐn)?shù)對(duì)結(jié)構(gòu)和抗拉強(qiáng)度的影響進(jìn)行了研究，以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。并期望生產(chǎn)出在最優(yōu)化條件下適合于工業(yè)應(yīng)用的一個(gè)新材料。2 實(shí)驗(yàn)工作2.1 鑄件本實(shí)驗(yàn)中，試樣尺寸如圖1所示，其尺寸固定為寬25 mm、長(zhǎng)155 mm、厚14 mm。砂型使用AFS的石英砂69 GFN、6%的鈉基膨潤(rùn)土和1%的谷物制成。成型后將模型封好，在砂型表面噴涂磨砂層，然后在437 K干燥2.5 h。試驗(yàn)所用材料為是灰鑄鐵棒材。鑄鐵樣品的化學(xué)成分如表1所示。試樣重約900 g，用電阻爐熔化。爐料在氬氣氣氛加熱到溫度為1773 K，然后保溫30分鐘，讓爐料以達(dá)到所需的溫度。在1773 K時(shí)，將熔融爐料從爐中移動(dòng)到可控澆注系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)由控制熔體溫度的隔離箱和調(diào)整澆注速度的快速多變電機(jī)組成，如圖2所示。在所需的溫度，熔融爐料倒在一個(gè)傾向于水平面10且?guī)в修D(zhuǎn)速為600 r/m連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)的冷卻板上，并流入冷卻板端部模具型腔。澆筑之前在冷卻板表面上放置重量為總重量的0.4%的75FeSi孕育劑。通過(guò)插在隔離箱和砂型上的熱電偶測(cè)量半固態(tài)漿料的溫度。初生固相分?jǐn)?shù)可使用Scheil方程由以上溫度推出。其中奧氏體分布系數(shù)k由Goettsch和Dantzig模型確定。圖1 鑄造試樣設(shè)計(jì)（以mm為單位）。表1 鑄鐵樣品的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）圖2 澆注系統(tǒng)2.2 顯微組織觀察和力學(xué)性能測(cè)定矩形鑄鐵樣品由條狀鑄樣獲得。在距離澆注底部35 mm的橫截面進(jìn)行了微觀結(jié)構(gòu)分析，SEM觀察和硬度測(cè)量。對(duì)試樣進(jìn)行打磨和拋光，利用光學(xué)觀察顯微鏡對(duì)其進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀察。并運(yùn)用圖像分析軟件對(duì)試樣初生奧氏體粒子的大小，顆粒度以及石墨長(zhǎng)度進(jìn)行了測(cè)量和分析。布氏硬度測(cè)試載荷750 KG。拉伸試樣取自條帶試樣。拉伸試樣按照ASTM，A339標(biāo)準(zhǔn)，長(zhǎng)25 mm、直徑6.5 mm，采用50 KN拉力試驗(yàn)機(jī)。每個(gè)條件測(cè)試兩個(gè)拉伸試樣。采用配備有能譜射線分析儀（EDS）的日立S-800型掃描電子顯微鏡對(duì)拉伸試樣的斷口形貌進(jìn)行了分析。3.結(jié)果及討論3.1 顯微組織圖3 固相分?jǐn)?shù)對(duì)半固態(tài)加工的灰鑄鐵結(jié)構(gòu)的影響圖4 固相分?jǐn)?shù)對(duì)平均初生奧氏體顆粒尺寸和初生奧氏體顆粒的圓球度的影響當(dāng)溫度降到液相線下時(shí)，普通亞共晶灰鑄鐵的凝固是隨著奧氏體枝晶從熔體中析出開(kāi)始的。如圖3和4所示，固相分?jǐn)?shù)對(duì)半固態(tài)加工的灰鑄鐵結(jié)構(gòu)的影響。很顯然，普通灰鑄鐵有樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)，另一方面，通過(guò)增加固相分?jǐn)?shù)，半固態(tài)加工的灰鑄鐵變細(xì)更圓?，F(xiàn)在和以前的7-9調(diào)查都很符合這點(diǎn)，初生奧氏體顆粒形狀和大小受到因冷卻板的使用而由此產(chǎn)生的高熔體冷卻速度的影響。高的熔體冷卻速度相對(duì)于潛熱消散速率增加了有效原子核的數(shù)量。圖4顯示，隨著增加固相分?jǐn)?shù)，初生奧氏體顆粒平均尺寸（最大直徑+最小直徑）/2減小，這被認(rèn)為是由于在較高的固相分?jǐn)?shù)下增加凝固速度。圖5 固相分?jǐn)?shù)對(duì)半固態(tài)加工灰鑄鐵的石墨大小與分布的影響圖6 平均石墨長(zhǎng)度作為固相部分作用的表征圖5和6顯示固相分?jǐn)?shù)對(duì)半固態(tài)加工灰鑄鐵石墨大小與分布的影響。顯然，增加固相分?jǐn)?shù)降低了石墨的大小，并改變其分布。另一方面，對(duì)于低的固相分?jǐn)?shù)（FS0.12），獲得片狀石墨（A型石墨）。進(jìn)一步提高固相分?jǐn)?shù)（從FS0.14至0.18），結(jié)果形成細(xì)石墨形態(tài)的（D型石墨）。這種石墨形態(tài)通過(guò)為碳提供短的擴(kuò)散路徑來(lái)干擾完全珠光體基體，因此，有助于鐵素體的形成1。當(dāng)金屬液冷卻到液相以下，奧氏體沉淀析出，液體逐步富積碳一直達(dá)到共晶成分（4.3%）。一旦這種成分達(dá)到，剩余的液體轉(zhuǎn)變成兩種固體，在穩(wěn)定反應(yīng)的情況下成為石墨加奧氏體。一旦共晶凝固結(jié)束，無(wú)液態(tài)金屬殘留，固體將發(fā)生進(jìn)一步反應(yīng)4。在共晶轉(zhuǎn)變溫度和共析轉(zhuǎn)變溫度之間，高碳奧氏體排碳，其擴(kuò)散形成片狀石墨。這給奧氏體吸收所需共析轉(zhuǎn)變的成分的機(jī)會(huì)。如圖7所示，這一轉(zhuǎn)變包含的奧氏體分解成珠光體或珠光體加鐵素體。圖7 含不同固相分?jǐn)?shù)鑄鐵的共晶區(qū)的SEM照片圖8 不同初生固相分?jǐn)?shù)灰鑄鐵的凝固冷卻曲線如圖7所示，圖7顯示了固相分?jǐn)?shù)對(duì)半固態(tài)加工灰鑄鐵的共晶結(jié)構(gòu)的影響。這是明確指出，通過(guò)增加固相分?jǐn)?shù)，石墨形態(tài)由A型的粗片狀改變成D型的細(xì)薄片狀。共晶奧氏體分解為珠光體加鐵素體。在固相分?jǐn)?shù)為0.18的試樣上生成高鐵素體區(qū)，此時(shí)石墨片主要呈D型。圖8顯示了在各種固相分?jǐn)?shù)比例下的灰鑄鐵凝固冷卻曲線。結(jié)果表明，增加起始固相分?jǐn)?shù)，過(guò)冷度增加，且在固體分?jǐn)?shù)為0.20時(shí)達(dá)到最高值。迄今為止4,12的調(diào)查是都符合這點(diǎn)，小過(guò)冷度普通鑄鐵生成A型石墨，而D型石墨形成于過(guò)冷度高但不足以引起碳化物形成時(shí)。更高固相分?jǐn)?shù)造成更高的冷卻速度，而導(dǎo)致過(guò)冷度的可能增加。最后，我們可以說(shuō)，冷卻板對(duì)奧氏體基體和石墨有一個(gè)再次細(xì)化作用，否則結(jié)構(gòu)將類(lèi)似于帶有樹(shù)枝狀晶體的初生奧氏體和粗石墨的普通鑄鐵。3.2 力學(xué)性能3.2.1 拉伸強(qiáng)度圖9 固相分?jǐn)?shù)對(duì)半固態(tài)成形灰鑄鐵強(qiáng)度的影響。如圖9所示固相分?jǐn)?shù)對(duì)半固態(tài)加工灰鑄鐵的拉伸強(qiáng)度和延伸率的影響。與普通灰鑄鐵比較由于優(yōu)良的石墨形成（細(xì)石墨A型），對(duì)于低固相分?jǐn)?shù)(FS0.12)來(lái)說(shuō)，隨著固相分?jǐn)?shù)的增加，抗拉強(qiáng)度增加，伸長(zhǎng)率也增加。進(jìn)一步增加固相分?jǐn)?shù)(FS =0.14-0.18)導(dǎo)致石墨形態(tài)成為更細(xì)的(D)型石墨，因此抗拉強(qiáng)度下降。最后，固相分?jǐn)?shù)增加(FS0.18)，由于初生固體顆粒團(tuán)聚區(qū)導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度增加。這些初生固體顆粒團(tuán)聚區(qū)割裂了如圖10所示的共晶石墨網(wǎng)絡(luò)。圖10 SEM照片顯示固相分?jǐn)?shù)0.23(箭頭表示的粒子群的位置)固體顆粒集聚：(a)微觀結(jié)構(gòu)粒子群; (b)所示(a)圖中B點(diǎn)寬共晶區(qū); (c)所示(a)中A點(diǎn)狹窄的的共晶區(qū)以往的研究也定性的描述了石墨形態(tài)和基體的特征對(duì)力學(xué)性能的影響，其中的小石墨片和最大的奧氏體基體含量都被認(rèn)為以提高了鑄鐵的強(qiáng)度。鑄鐵中裂紋的萌生和增殖受基體塑性變形能量吸收程度的影響。在帶有細(xì)石墨和比普通灰鑄鐵更寬的石墨間基體鏈接的半固態(tài)加工灰鑄鐵(FS0.12)的情況下，塑性基體斷裂的能量吸收得到增加。另一方面，對(duì)于固相分?jǐn)?shù)介于0.14和0.18之間的半固態(tài)加工灰鑄鐵，它被認(rèn)為是在帶有介于石墨段和共晶鐵素體之間很短的橋梁的細(xì)小石墨對(duì)在斷裂處塑性基體的能量吸收量生產(chǎn)了縮減。對(duì)這項(xiàng)研究中，采用冷卻板技術(shù)的半固態(tài)加工給基體晶粒細(xì)化和石墨的析出優(yōu)勢(shì)，通過(guò)快速凝固和流動(dòng)相關(guān)的樹(shù)枝晶碎片之間的結(jié)合，樹(shù)枝晶碎片變成了球狀結(jié)構(gòu)，從而提高鑄鐵產(chǎn)品的抗拉強(qiáng)度。石墨類(lèi)型和基體結(jié)構(gòu)可以通過(guò)采用半固態(tài)加工藝加以控制。盡管D型石墨片可以在固相分?jǐn)?shù)0.12和0.18之間生產(chǎn)，卻產(chǎn)生一個(gè)低抗拉強(qiáng)度，報(bào)告D型小片產(chǎn)生通過(guò)細(xì)化機(jī)械加工得到最大限度地減少表面點(diǎn)蝕的表面光潔度。由于這種良好的表面處理，灰鑄鐵玻璃模具被認(rèn)為是其最重要的應(yīng)用之一。3.2.2 斷面圖11 拉伸試驗(yàn)樣品斷口和EDS模式：(a)普通鑄鐵的斷口;(b)半固態(tài)鑄造(FS =0.05)的斷口;(c)半固態(tài)鑄造(FS=0.18)斷口; (d和g) (a)所示的點(diǎn)A和B的 (EDS)譜； (e和h) (b)所示點(diǎn)A和B的(EDS)譜；(f和i) (c)中所示點(diǎn)A和B的(EDS)譜圖11-(i)顯示，普通鑄鐵和兩種固相分?jǐn)?shù)半固態(tài)成形鑄鐵的斷面的SEM照片和EDS譜。圖11 (a)顯示帶有解理和準(zhǔn)解理面的普通灰鑄鐵脆性斷面特點(diǎn)。圖11 (b)所示固相分?jǐn)?shù)為0.05的半固態(tài)鑄造的斷口形貌。半固態(tài)加工生產(chǎn)細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)，根據(jù)當(dāng)?shù)厣煺巩a(chǎn)生相對(duì)較長(zhǎng)，沿著尖銳的峰形斷裂面。圖11 (c)所示固相分?jǐn)?shù)為0.18的半固態(tài)鑄造斷口形貌。通過(guò)觀察斷口注意到，石墨相中相互關(guān)聯(lián)的條件造成斷裂內(nèi)明顯偏低基體貢獻(xiàn)。圖11 (D)-(i)顯示從共晶石墨和基體照的一個(gè)典型譜，表明在共晶石墨一個(gè)明確的碳的峰值和在基體一個(gè)明確的鐵峰值。斷裂面的觀察證實(shí)，總斷裂強(qiáng)度主要取決于基體的影響程度，而基體的影響程度是根據(jù)固相分?jǐn)?shù)值而改變。對(duì)于固相分?jǐn)?shù)0.05的斷口形態(tài)，細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)和寬石墨分部之間的橋梁，提高塑性基體在斷裂處的能量吸收，并與普通的和固相分?jǐn)?shù)0.18的半固體鑄造相比其導(dǎo)致強(qiáng)度增加。在斷裂面之間的河流花樣和纖維流可以觀察，表明在半固態(tài)加工灰鑄鐵中混合韌脆性斷裂花樣盛行。3.2.3 硬度圖12 固相分?jǐn)?shù)對(duì)貝氏硬度的影響圖13 貝氏硬度普通和半固態(tài)鑄造如圖12硬度值作為固相分?jǐn)?shù)的功能。增加固相分?jǐn)?shù)硬度通常會(huì)增加。固體分?jǐn)?shù)增加高于0.12灰鑄鐵會(huì)由于鐵素體的形成與D型石墨形態(tài)而硬度開(kāi)始降低。然而，與普通鑄鐵硬度比較這種高硬度值得益于一個(gè)帶有球狀基體相和細(xì)石墨片特征的微觀組織。如圖13所示硬度值與從中央到試樣截面邊緣的距離有關(guān)。與半固態(tài)鑄造相比，普通鑄造的情況下顯示了一個(gè)比較大的變化。對(duì)于通過(guò)增加固相分?jǐn)?shù)的半固態(tài)加工鐵灰鑄鐵樣品在截面不同位置的硬度值變得均勻的。這是也歸因于半固態(tài)加工灰鑄鐵的同質(zhì)結(jié)構(gòu)。4 結(jié)論上凝固的半固態(tài)加工對(duì)灰鑄鐵的顯微組織，拉伸強(qiáng)度和硬度影響被調(diào)查，這導(dǎo)致了以下結(jié)論：1. 增加固相率的微觀結(jié)構(gòu)成為更細(xì)，更球狀。2. 增加固相分?jǐn)?shù)