孕育剂对高导热率和高拉伸强度珠光体灰铸铁的影响

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发布时间：

2019-12-13

为了提高珠光体灰口铸铁的导热性和抗拉强度，实验研究了孕育剂对组织和性能的影响。Zr-FeSi，Sr-FeSi和SiC孕育剂分别接种了三组具有相似成分的铁。

摘要

为了提高珠光体灰口铸铁的导热性和抗拉强度，实验研究了孕育剂对组织和性能的影响。Zr-FeSi，Sr-FeSi和SiC孕育剂分别接种了三组具有相似成分的铁。金相分析用于测量最大石墨长度，一次枝晶数量和共晶菌落数。对于一定的碳当量，可以确定的是，珠光体灰口铸铁的导热系数与最大石墨长度有直接关系，而抗拉强度主要受一次枝晶含量的影响。用Sr-FeSi孕育剂获得了最佳的结构，最高的导热率和拉伸强度。MnS颗粒在改变灰口铸铁的结构中起关键作用。发现为石墨和初级奥氏体提供成核位置对于提高导热性和强度很重要。但是，过多的核（MnS颗粒）会导致石墨片变短，从而导致初级树枝状晶体的抑制性生长。

1.简介

尽管灰铸铁（GCI）几十年来一直被认为是生产重要发动机部件的首选，但使用寿命仍不能令人满意。由于交替的点火负载和快速的热循环，这些零件的失效模式是高循环疲劳和热机械疲劳。这些GCIS的断裂的电阻都密切相关的抗张强度和热导率。因此，需要在保持高抗拉强度的同时开发具有高导热率的高性能铸铁（HPCI）。

如Riposan 所述，由完全珠光体基体和均匀分布的A型石墨组成的珠光灰铸铁是优选的，因为它在所有灰铸铁中具有最佳的综合性能。然而，珠光GCI的导热率和拉伸强度之间存在竞争关系。通常，批准抗拉强度的主要方法是降低石墨薄片的分数以及减少它们的长度。相反，导热率可受益于石墨量和石墨尺寸的增加。据报道，发达的初生枝晶可能有利于高拉伸强度，尽管由于石墨骨架之间存在大量的基体不连续性，提示共晶集落尺寸减小对热导率有负面影响。然而，极少有直接进行研究以同时提高导热性和拉伸强度的研究。

孕育剂已被认为是一种以低成本提高GCI性能的有效方法。研究表明，Al，Ce和Zr可以通过直接影响奥氏体的形核来增加枝晶含量。Riposan发现Sr-FeSi可以有效地改善共晶集落和使原始奥氏体成核。据Edalati报道，通过SiC孕育剂可以获得由A型石墨的均匀分布和增加的共晶菌落数组成的均匀结构。然而，已经进行了有限的工作来研究孕育剂对显微组织和性能，特别是导热率和拉伸强度的影响。

进行这项工作是为了发现通过孕育剂具有高导热率和抗张强度的HPCI开发可能性。使用不同的孕育剂（包括Zr-FeSi，Sr-FeSi和SiC孕育剂）生产具有各种微观结构的样品。研究了微观结构特征的影响，主要包括石墨长度和一次枝晶百分比，以阐明结构特征在影响导热率和强度方面的作用。提供了电子显微镜的详细分析，并特别关注了微观结构演变的机制。

2.实验细节

在500 kg中频感应炉中将九个灰铸铁锭熔化。装料由70重量％的废钢和30重量％的生铁组成。使用钼铁，锰铁，硅铁和渗碳剂以满足组合物的要求。过热至1530°C后，将铁水转移到钢包中，然后倒入EN-1561 II型模具中。在浇注之前，将孕育剂沉积在钢包的底部。样品和孕育剂的标称成分在表1中给出。碳当量（CE）由以下公式计算：CE = C％+ 0.31 Si％+ 0.33 P％。

根据中国标准GB / T T228.1-2010，使用规格尺寸为20 mm，规格长度为60 mm，表面光洁度为3.2μm的狗骨形棒测量拉伸强度。对每种组合物进行三项测试，并取平均值。然后从握持部分上切下直径为12.5 mm，厚度为2.5 mm的圆盘样品，并用于确定热扩散率（α）和热容量（Cp）在室温下使用NETZSCH LFA 457激光闪光仪（NETZSCH GABO Instruments GmbH，Ahlden，Sachsen，Germany）。基于放置在液体中的物体使液体的体积等于该物体的体积的事实，通过阿基米德法测量样品的体积。密度（ρ通过称量样品重量并除以体积获得）。

配备有能量色散X射线光谱仪（WDS）的光学显微镜和场发射扫描电子显微镜（SEM，JEOL，昭岛，日本东京）被用于分析显微结构。然后，使用Image J Pro软件（6.0版，Media Cybernetics，Rockville，MD，美国）通过定量金相学在未蚀刻条件下评估石墨的长度和面积分数。然后将样品用4％的硝酸盐蚀刻以暴露基质相。Stead Le Chatelier蚀刻剂（4 g MgCl 2，1 g CuCl 2，2 mL HCl，100 mL乙醇）。还进行了彩色蚀刻以评估一次奥氏体的面积分数。彩色蚀刻剂是溶于100 mL蒸馏水中的50 g NaOH和4 g苦味酸。蚀刻步骤在98℃下进行六分钟。简单地将相的体积分数假定为该相在金相试样上所占的面积分数。在每个样品的横截面上总共测量了八个场。

3.结果

3.1。金相分析

根据GB / T 7216-2009，在所有铁中均观察到由完全珠光体基体和均匀分布的A型石墨组成的均质结构。珠光体的层状类似空格也可以不同的接种中发现。视场中三个最长的薄片的平均值被视为最大长度，因为大多数石墨薄片在随机的2D截面中都不完整。随着CE的增加，石墨含量增加，一次枝晶数量减少。另外，未观察到孕育剂对石墨含量的影响。各种孕育剂之间的重要差异主要表现在最大薄片长度，原生枝晶百分比和共晶菌落大小。对于类似的CE，Zr-FeSi孕育剂产生最短的石墨薄片，中等的初生枝晶和中等大小的共晶菌落。在Sr-FeSi孕育剂的样品中发现了最长的石墨长度，最高的初生枝晶百分比和最小的共晶集落尺寸。SiC孕育剂样品中的最大石墨长度类似于Sr-FeSi孕育剂样品中的最大石墨长度。此外，SiC接种了最低的枝晶数量和最大的共晶菌落。对于相似的CE（石墨百分比），在当前工作中发现了原生枝晶百分比与共晶菌落之间的明确线性关系。因此，在随后的分析中主要关注一次枝晶百分比和石墨尺寸。

3.2。扫描电镜分析

发现在所有样品中，MnS颗粒均嵌入基质中并与石墨表面接触。差异主要出现在颗粒的形态和分布上。在X-FeSi孕育剂样品中的大多数MnS颗粒的核中发现X氧化物（X = Zr或Sr），而在SiC孕育剂样品中，没有观察到MnS中可见的夹杂物。在SiC孕育剂样品中，观察到大尺寸的MnS团簇。相反，在接种X-FeSi的样品中发现了明显少量且分布均匀的MnS。

对相同样品进行统计分析以计数MnS颗粒。根据所选择的孕育剂，在MnS颗粒数量上观察到显着差异。Zr-FeSi孕育剂的样品中MnS颗粒数量最多，而SiC孕育剂的铁中发现的数量最少。

3.3。拉伸和热性能

对于一定的接种过程，抗张强度和导热系数之间存在明显的负相关。但是，对于各种孕育剂，这种关系是站不住脚的。用Sr-FeSi孕育剂样品可获得最高的拉伸强度和最高的导热率。Zr-FeSi孕育剂的铁比SiC孕育剂的铁具有更高的强度，但导热系数更低。建议通过良好的孕育剂可以同时获得改善的拉伸性能和热性能。

4。讨论

众所周知，铸态GCI的性能受化学成分和孕育剂的影响。石墨的量主要取决于CE，CE将元素对石墨沉淀的影响转化为相对的碳含量。石墨量的增量对热传导性，但是，从强度产生负面影响的明确的积极作用。这可以用石墨的双重边缘来解释：改善导热性但切断基体。但是，对于宽泛的CE，当前工作中的孕育剂明显改变了微结构，从而改变了GCI的热和拉伸性能

Sr-FeSi孕育剂的GCI的高拉伸性能和热性能可能是由更发达的初生枝晶和更长的石墨薄片导致的，热导率被发现增加随最大薄片长度。尽管人们期望增加一次枝晶的数量会降低热在其上通过的矩阵桥的导热率，但在目前的工作中并未建立这样的效果。对于相同的孕育剂，观察到的增加一次枝晶含量对热导率的有害影响可能是降低CE从而降低石墨含量的结果。与导热率相反，强度主要由一次枝晶数量决定，一次枝晶的数量越多，强度越高。石墨长度的影响微弱，至少不确定。拉伸强度主要由一次枝晶含量决定的事实支持了这样的理论，即共晶菌落和石墨薄片可以在一次臂上延伸而不影响材料强度。

正如Riposan所提出的，对于含FeSi的脱氧元素X（X = Sr或Zr），X会在高温下促进小氧化物微夹杂物的形成。沉淀的氧化物提供了MnS可以在其上成核并生长的基质。由氧化物和MnS组成的所谓（Mn，X）S化合物为初级奥氏体和低共熔石墨提供了许多核位置。对于SiC ，孕育剂通过反应溶解到熔体中：

SiC + Fe→FeSi + C（离解）

由于高活性和零失配，因此生成的解离碳为石墨提供了成核点。可以解释为什么在SiC孕育剂合金中观察到最少的枝晶和最少数量的MnS颗粒。

即使接种Zr-FeSi的样品具有最多数量的MnS颗粒，这些颗粒被认为是原生奥氏体和石墨的有效核，但在接种Sr-FeSi的GCI中发现了最发达的原生枝晶。可能的解释可以通过涉及相的成核和生长动力学的论据来提供。据里维拉，在孕育剂的过共晶熔体中，凝固是从奥氏体枝晶和石墨的独立成核开始的。当树枝状晶体生长并随着温度下降与石墨接触时，层状石墨和奥氏体单元共同生长并最终形成共晶菌落。Zr-FeSi孕育剂的铁中大量的（Mn，Zr）S化合物意味着在凝固开始时奥氏体和石墨的核位置更多，因此，更多的机会可以使初级奥氏体和石墨发生相互作用。结果，由于共晶菌落的早期生长，初级枝晶的生长受到抑制。在Zr-FeSi孕育剂的铁中发现了较短的石墨薄片和较大的共晶菌落，这一事实支持了这一假设。

5。结论

对于相似的CE，已证实增加珠光体GCI的导热性和拉伸强度的主要结构因素是不同的。导热系数由最大石墨长度决定，而抗拉强度主要受一次枝晶含量的影响。长石墨鳞片和发达的树枝状晶体由于具有较高的导热性和强度，因此是优选的。

实际上，可以通过良好的孕育剂获得最佳结构。尽管添加的SiC孕育剂了长A型石墨片，但它似乎并未为初级奥氏体提供成核位置。Zr-FeSi和Sr-FeSi通过在高温下促进MnS的成核作用而接种了初级奥氏体和石墨。然而，在Sr-FeSi孕育剂的铁中发现了最佳的结构和性能。Sr-FeSi孕育剂可能提供了合适的尺寸和数量的MnS颗粒。Zr-FeSi孕育剂铁中分散的MnS颗粒较多，由于形核部位过多，导致石墨较短，树枝状晶的数量较少。