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1、外 文 资 料 译 文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
2、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
3、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 AF
4、S 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
5、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，
6、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。3.3.结果及讨论结果及讨论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
7、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
8、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（FS0.12） ，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
9、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
10、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 拉伸强度图 9 固相分数对半固态成形灰铸铁强度的影响。如图 9 所示固相分数对半固态加工灰铸铁的拉伸强度和延伸率的影响。与普通灰铸铁比较由于优良的石墨形成（细石墨 A 型） ，对于低固相分数(FS0.12)来说，随着固相分数的增加，抗拉强度增加，伸长率也增加。进一步增加固相分数(FS =0
11、.14-0.18)导致石墨形态成为更细的(D)型石墨，因此抗拉强度下降。最后，固相分数增加(FS0.18)，由于初生固体颗粒团聚区导致抗拉强度增加。这些初生固体颗粒团聚区割裂了如图 10 所示的共晶石墨网络。图 10 SEM 照片显示固相分数 0.23(箭头表示的粒子群的位置)固体颗粒集聚：(a)微观结构粒子群; (b)所示(a)图中 B 点宽共晶区; (c)所示(a)中 A 点狭窄的的共晶区以往的研究也定性的描述了石墨形态和基体的特征对力学性能的影响，其中的小石墨片和最大的奥氏体基体含量都被认为以提高了铸铁的强度。铸铁中裂纹的萌生和增殖受基体塑性变形能量吸收程度的影响。在带有细石墨和比普通灰
12、铸铁更宽的石墨间基体链接的半固态加工灰铸铁(FS0.12)的情况下，塑性基体断裂的能量吸收得到增加。另一方面，对于固相分数介于 0.14 和 0.18 之间的半固态加工灰铸铁，它被认为是在带有介于石墨段和共晶铁素体之间很短的桥梁的细小石墨对在断裂处塑性基体的能量吸收量生产了缩减。对这项研究中，采用冷却板技术的半固态加工给基体晶粒细化和石墨的析出优势，通过快速凝固和流动相关的树枝晶碎片之间的结合，树枝晶碎片变成了球状结构，从而提高铸铁产品的抗拉强度。石墨类型和基体结构可以通过采用半固态加工艺加以控制。尽管 D 型石墨片可以在固相分数 0.12 和 0.18 之间生产，却产生一个低抗拉强度，报告
13、D 型小片产生通过细化机械加工得到最大限度地减少表面点蚀的表面光洁度。由于这种良好的表面处理，灰铸铁玻璃模具被认为是其最重要的应用之一。3.2.2 断面图 11 拉伸试验样品断口和 EDS 模式：(a)普通铸铁的断口;(b)半固态铸造(FS =0.05)的断口;(c)半固态铸造(FS=0.18)断口; (d 和 g) (a)所示的点 A 和 B 的 (EDS)谱； (e 和 h) (b)所示点A 和 B 的(EDS)谱；(f 和 i) (c)中所示点 A 和 B 的(EDS)谱图 11-(i)显示，普通铸铁和两种固相分数半固态成形铸铁的断面的 SEM 照片和 EDS 谱。图 11 (a)显示带
14、有解理和准解理面的普通灰铸铁脆性断面特点。图 11 (b)所示固相分数为 0.05 的半固态铸造的断口形貌。半固态加工生产细晶粒结构，根据当地伸展产生相对较长，沿着尖锐的峰形断裂面。图 11 (c)所示固相分数为0.18 的半固态铸造断口形貌。通过观察断口注意到，石墨相中相互关联的条件造成断裂内明显偏低基体贡献。图 11 (D)-(i)显示从共晶石墨和基体照的一个典型谱，表明在共晶石墨一个明确的碳的峰值和在基体一个明确的铁峰值。断裂面的观察证实，总断裂强度主要取决于基体的影响程度，而基体的影响程度是根据固相分数值而改变。对于固相分数 0.05 的断口形态，细晶粒结构和宽石墨分部之间的桥梁，提高
15、塑性基体在断裂处的能量吸收，并与普通的和固相分数 0.18 的半固体铸造相比其导致强度增加。在断裂面之间的河流花样和纤维流可以观察，表明在半固态加工灰铸铁中混合韧脆性断裂花样盛行。3.2.3 硬度图 12 固相分数对贝氏硬度的影响图 13 贝氏硬度普通和半固态铸造如图 12 硬度值作为固相分数的功能。增加固相分数硬度通常会增加。固体分数增加高于 0.12 灰铸铁会由于铁素体的形成与 D 型石墨形态而硬度开始降低。然而，与普通铸铁硬度比较这种高硬度值得益于一个带有球状基体相和细石墨片特征的微观组织。如图 13 所示硬度值与从中央到试样截面边缘的距离有关。与半固态铸造相比，普通铸造的情况下显示了一
16、个比较大的变化。对于通过增加固相分数的半固态加工铁灰铸铁样品在截面不同位置的硬度值变得均匀的。这是也归因于半固态加工灰铸铁的同质结构。4 结论上凝固的半固态加工对灰铸铁的显微组织，拉伸强度和硬度影响被调查，这导致了以下结论：1. 增加固相率的微观结构成为更细，更球状。2. 增加固相分数，增加过冷度和改变石墨形态。3. 半固态加工灰铸铁的抗拉强度是与普通的一次性相比相对较高。抗拉强度和伸长率与不同固相分数石墨的类型和形状联系紧密。4. 总的断裂强度取决于石墨形态以及基体的贡献与变化固相分数。5. 增加固相分数硬度值增长，这是解释的抗拉强度情况。6. 所获得的数据有助于改善使用沙模的半固态铸造加工条件。致谢致谢作者要感谢三重县研究所在测量上的帮助和助理，铸造和凝固过程实验室的教授颖儿加藤，以及名古屋大学工程学院研究生有用的讨论和技术支持。参考文献（略）
