釩鈦灰鑄鐵金相組織觀察與分析

鮮 廣， 范洪遠， 郭智興， 王 均

(四川大學 制造科學與工程學院， 成都 610065)

釩鈦灰鑄鐵金相組織觀察與分析

鮮 廣， 范洪遠， 郭智興， 王 均

(四川大學 制造科學與工程學院， 成都 610065)

以釩鈦灰鑄鐵金相組織觀察與分析為例，設計了一個研究型的材料制備和組織分析實驗，探究灰鑄鐵中添加釩、鈦合金元素對鑄鐵組織的影響。采用鑄造成型方法，通過成分設計、配料、熔煉、澆注等系列工序制備了釩鈦灰鑄鐵材料，并利用金相顯微鏡及其附帶工具軟件分析材料的內部組織。結果表明，單獨加入釩、鈦元素和復合加入釩鈦元素均促使鑄鐵組織中的石墨由A型石墨向其他形態轉變，石墨長度變短、數量增加，同時使以珠光體為主的基體組織細化，碳化物數量增加。

灰鑄鐵； 釩鈦； 石墨； 金相組織； 實驗教學

0 引 言

釩鈦微合金灰鑄鐵是在普通灰鑄鐵成分基礎上添加少量的釩和鈦元素或用天然含有少量釩和鈦的釩鈦鑄造生鐵熔煉的一種新型灰鑄鐵[1]。釩鈦與碳氮元素具有較高的親和力，能生成顯微硬度很高的釩鈦碳氮化物，這種碳化物在基體組織中彌散均勻分布，使得釩鈦灰鑄鐵比普通灰鑄鐵具有更高的強度和硬度[2-3]。同時，高熔點的粒狀釩鈦碳化物分布在基體上，基體氧化在一定程度上受阻，使得釩鈦灰鑄鐵比普通灰鑄鐵具有更高的高溫強度和熱穩定性能[4-5]。盡管釩、鈦元素對提高灰鑄鐵的力學性能和高溫性能有利，但其加入的量有嚴格限制，盲目提高灰鑄鐵中釩、鈦元素的含量反而會惡化鑄鐵的性能[6]。本文提出的釩鈦灰鑄鐵金相組織觀察與分析，作為材料成型及控制工程專業“材料成型綜合實驗”課程中一個研究型的材料制備和組織分析實驗的案例，介紹了其方案設計與步驟實施的全過程。

1 釩鈦灰鑄鐵材料成分設計與成型

1.1 成分設計

為了解釩、鈦元素含量對灰鑄鐵顯微組織的影響，設計了4種不同的釩鈦含量，如表1所示。釩鈦元素與碳元素結合形成碳化物使自由碳減少，為獲得較多的石墨組織，需要較高的碳含量，但又為了得到更多的珠光體，減少鑄鐵組織中鐵素體和粗大石墨，碳含量不能過高，綜合確定灰鑄鐵中碳含量(質量百分數)為3.4%～3.5%。為保證灰鑄鐵具有良好的流動性，減小縮孔、縮松和白口傾向，灰鑄鐵中硅含量設計為1.8%～2.1%，碳當量控制在4.0%左右。另外，灰鑄鐵中錳含量設計為0.85%，磷、硫元素的含量分別控制在0.1%和0.06%以內。

表1 實驗設計的灰鑄鐵釩鈦元素的含量 %

由于在熔煉時使用的原料中不可避免地含有少量合金元素，導致在成分設計釩鈦含量為零的試樣中含有少量的釩和鈦；并且，在冶煉過程中存在元素不同程度的燒損，因而鑄鐵中釩鈦元素的實際含量與設計值略有差異。釩鈦灰鑄鐵材料的實際成分如表2所示，后面的實驗分析均以實際測得的化學成分為準。

表2 釩鈦灰鑄鐵試樣的實際成分

1.2 熔煉與澆注成型

熔煉灰鑄鐵試樣采用的原材料主要為生鐵、廢鋼和回爐料，熔煉配料比例大致為30%回爐料+20%廢鋼+50%生鐵，另外還包括增碳劑、孕育劑、釩鐵和鈦鐵等。增碳劑是為了調節灰鑄鐵的碳含量，考慮到碳元素的燒損，每增加1%的增碳劑可以提高0.7%的含碳量；實驗中未進行脫硫處理。熔煉在50 kg中頻感應爐中進行，原料全部熔化后，取出部分鐵水澆注一個白口試樣。檢測白口試樣的化學成分，將測得的成分和實驗設計的成分進行對比，計算出需要加入的合金材料的質量，加入相應的合金原料調整合金元素的含量并繼續熔化至合金元素均勻混合。將鐵液在1 480 ℃左右除渣，出爐后用75硅鐵進行包底孕育處理，孕育劑加入量為鐵液質量的0.2%。不同成分的試樣鐵水的出爐溫度相同，并且在同一溫度(1 380 ℃)下進行澆注，且冷卻條件相同。

2 釩鈦灰鑄鐵的石墨組織觀察與分析

采用OLYMPUS GX51金相顯微鏡觀察灰鑄鐵的石墨組織，結果如圖1所示，利用金相分析軟件Image-Pro Plus統計石墨的長度、面積和數量，并按相關國標評判石墨長度等級、石墨面積分數、石墨數量，結果如表3所示。No.1試樣中的石墨主要為細片狀A型石墨，含有少量的厚塊狀石墨。

(a)No．1(b)No．2(c)No．3(d)No．4

圖1 釩鈦灰鑄鐵中石墨組織形態和分布

No.2試樣石墨形態發生改變，石墨組織中A型石墨細化且出現了約20%的E型石墨，石墨數量增加，平均長度減小，面積分數減少。釩是強碳化物形成元素，在共晶轉變前形成起到結晶核心的碳化釩微粒，細化石墨[7]；同時，釩是反奧氏體化元素，共析轉變時促使奧氏體向珠光體轉變，使碳以珠光體中滲碳體的形式存在，最終導致石墨的含量降低[8]。

No.3試樣石墨形態為A型石墨與D型石墨的混合態，表明鈦元素使石墨形態由A型石墨向D型石墨轉變[9]。鈦除了具有細化石墨的作用外(當鈦元素含量>0.1%時)，還有利于促進奧氏體枝晶的形成，發達的奧氏體枝晶使鐵液聚集于枝晶間隙，石墨在狹小區域內大量形核，但由于石墨的生長條件較差，因而在奧氏體枝晶間隙內形成細小卷曲的D型石墨[10]。

No.4試樣其石墨形態由A型轉變為B型石墨，并且出現了部分E型石墨，石墨細化，石墨長度變短，數量增多，面積分數減小。釩鈦元素與碳元素結合生成更多碳化物，消耗更多的碳，降低了石墨化轉變的碳含量。同時，由于碳化物增多，石墨結晶形核基底增加，形核數量更多，導致最終的石墨數量增加明顯[11]。另外，由于釩鈦元素含量增加，使鐵液共晶轉變溫度降低更多，在發生共晶轉變時，鐵液過冷度較大，有利于形成B型石墨。

3 釩鈦灰鑄鐵的基體組織觀察與分析

用4%硝酸酒精溶液腐蝕試樣表面后得到的基體組織如圖2所示，利用金相分析軟件統計灰鑄鐵中珠光體、鐵素體等的含量，結果如表4所示。No.1試樣基體組織中珠光體占98%，同時還有含量約為1.6%的鐵素體。珠光體晶粒較大，片間距較大，鐵素體附著在部分石墨周圍，呈斷續狀分布。

(a)No．1(b)No．2(c)No．3(d)No．4

圖2 釩鈦灰鑄鐵的基體組織和碳化物

No.2試樣基體組織中珠光體含量為76%，幾乎不含鐵素體，同時基體組織中出現了含量約為23.2%的變態萊氏體組織，與No.1試樣相比，珠光體晶粒細化，片間距更小。釩與碳的結合能力很強，是反石墨化的滲碳體穩定元素。在共晶反應前期，生成大量的碳化釩顆粒，可作為先共晶奧氏體析出的形核基底，起到細化先共晶奧氏體的作用，在共析反應之后得到晶粒和片間距細化的珠光體基體。同時，釩元素使鐵液的鐵-石墨共晶溫度下降，鐵-滲碳體共晶溫度升高[12]，如圖3所示。在冷卻速度較快的情況下，鐵水很容易冷卻到鐵-滲碳體共晶溫度以下，從而在共晶轉變時，析出共晶奧氏體和滲碳體的機械混合物(萊氏體)，此時也發生生成奧氏體和石墨的共晶轉變。共晶反應釋放的潛熱使鐵液的溫度回升到鐵-滲碳體共晶溫度以上，從而只發生生成共晶奧氏體和石墨的鐵-石墨共晶轉變，如圖4所示。在共析轉變階段，先共晶奧氏體和萊氏體中的奧氏體發生共析轉變生成珠光體并析出二次滲碳體。同時，鐵-石墨共晶轉變生成的共晶奧氏體全部轉變為珠光體，未發生石墨化轉變。最終基體組織由珠光體和變態萊氏體組成。

圖3 釩元素對鐵-石墨體系和鐵-滲碳體系平衡共晶溫度的影響

圖4 麻口鑄鐵的凝固冷卻曲線

No.3試樣基體組織中珠光體含量為98%，鐵素體含量為1.5%。與No.1試樣相比，珠光體片間距更小，晶粒輕微細化。與單獨加入釩的No.2試樣相比，加入鈦元素使鐵素體的含量有少量增加。這是因為鈦元素促進D型石墨的形成，在共析轉變階段，碳從奧氏體中脫溶后，能更快地擴散并聚集形成共析石墨，沉積在原來細小卷曲的共晶D型石墨上，導致D型石墨周圍形成較多的鐵素體。另外，加入鈦能使奧氏體枝晶由外生樹枝晶生長轉變為內生等軸樹枝晶生長[13]。同時，鈦也會加大枝晶的“晶體增值”效應，形成更多等軸晶，最終細化了珠光體晶粒[14]。

No.4試樣基體組織中珠光體含量為99%，沒有出現鐵素體。釩、鈦復合加入，其對基體組織的影響既有相同之處，也有相反作用。釩、鈦均能與碳反應形成碳化物，成為異質形核核心，起到細化珠光體基體的作用。如與No.1試樣相比，珠光體晶粒和片間距細化。另一方面，釩阻礙鐵素體形成，鈦元素一定程度上促進鐵素體形成[15]，兩元素的綜合作用導致基體中沒有鐵素體。與No.3試樣相比，基體組織中鐵素體含量顯著下降，鐵素體含量由0.5%下降到基本不含鐵素體。與No.2試樣相比，基體組織中珠光體含量由76%增加到99%。由于鈦元素對石墨化進程產生影響，促進石墨化過程進行，使共晶轉變至共析轉變階段完全石墨化，抵消單獨加入釩元素時的阻礙石墨化作用，抑制萊氏體的形成，使灰鑄鐵基體組織全部為珠光體。

4 釩鈦灰鑄鐵組織中的碳化物與磷共晶組織

釩鈦元素加入鑄鐵中與碳反應生成形狀不同的碳化物，不同含量的釩鈦生成的碳化物數量和分布不盡相同。利用金相分析軟件統計碳化物和磷共晶組織的數量、形態及分布情況見表5。結合圖4和表5的統計數據可知，釩鈦元素的加入，鑄鐵組織中形成了碳化物，且加入的釩鈦合金元素總量越大，碳化物數量越多。在No.1試樣中，有極少量的形狀為方形或三角型的顏色為淡粉紅色規則碳化物，絕大部分碳化物彌散分布于基體中，少量分布于片狀石墨尖端或石墨與基體的界面[16]。普通灰鑄鐵試樣中釩鈦元素含量極低，釩、鈦含量分別為0.007%和0.018%，即使在這種情況下，也形成了釩鈦碳化物，足以說明釩、鈦元素與碳元素結合能力很強。另外，由于鐵液中磷含量低(<0.04%)，形成的磷共晶組織數量較少。

表5 釩鈦灰鑄鐵中碳化物和磷共晶數量和分布

No.2試樣與No.1試樣相比，碳化物數量顯著增加，且碳化物形態種類增加，出現了板狀和條狀碳化物。No.3試樣與No.1試樣相比，碳化物數量增加明顯，碳化物形態主要為顆粒狀的方形和三角形以及少量的圓形和不規則形狀，碳化物的顏色主要為暗白色。No.4試樣在普通灰鑄鐵的基礎上復合添加釩、鈦元素，碳化物數量明顯增加，形狀主要為方形、三角形、不規則塊狀和圓形，碳化物主要分布于基體中且分布較為均勻。

5 結 語

以釩鈦灰鑄鐵金相組織觀察與分析作為材料成型及控制工程專業本科實驗教學的例子，設計了研究型的材料制備和組織分析實驗，獲得了以下結論：

(1)普通灰鑄鐵的石墨為細片狀A型石墨，單獨加入釩、鈦和復合加入釩鈦均促使石墨形態發生改變，石墨變細變短、數量增多、面積分數減小。

(2)單獨加入釩、鈦和復合加入釩鈦均使鑄鐵的基體組織細化，珠光體片間距變小，單獨加入釩時，基體組織中形成部分變態萊氏體。

(3)釩、鈦元素與碳結合形成碳化物，釩鈦含量越高，碳化物數量越多。

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Metallographic Structure Observation and Analysis of Vanadium-Titanium Cast Iron

XIANGuang,FANHong-yuan,GUOZhi-xing,WANGJun

(School of Manufacture Science and Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

This paper describes an experiment for studying the materials preparation and organization analysis based on metallographic structure observation and analysis of vanadium-titanium cast iron, and explores the influence of adding vanadium and titanium alloy elements on the structure of cast iron. The result shows that adding vanadium or titanium element separately can prompt the graphite morphology change from type A graphite to others. Meanwhile, the cast iron matrix is refined and the carbides increase. The research is one of comprehensive experiment for material forming and control engineering major. It possesses advantage of high operability, and at the same time, has the research and exploration spirit. Thus, it can not only consolidate students’ professional knowledge, but also cultivate the students’ comprehensive abilities.

cast iron; vanadium-titanium; metallographic structure; experiment teaching; graphite

2016-03-16

四川省科技計劃項目(2014GZ0004)；攀枝花市科技計劃項目(2013CY-C-1)

鮮 廣(1989-)，男，四川南充人，碩士，助理工程師，主要研究方向：金屬材料及表面涂層。

Tel.：028-85403689； E-mail: xianguang2014@scu.edu.cn

TG 257; G 642.0

A

1006-7167(2017)01-0038-04