脉冲电流作用下球墨铸铁固态石墨化的基础研究

论文摘要

针对水冷金属型离心铸造法生产球墨铸铁管高温退火中存在的高温耗能、易变形等问题,本文将脉冲电流处理技术用来加速球墨铸铁的固态石墨化过程。首先从理论上探讨了脉冲电流作用时球墨铸铁的固态石墨化行为,然后通过实验验证了理论研究结果的正确性,从而系统地阐述了脉冲电流作用下球墨铸铁的固态石墨化机理。理论研究表明,对铸态球墨铸铁进行脉冲电流处理,在渗碳体周围产生的位错塞积使其自由能增加而稳定性降低,渗碳体石墨化的驱动力增加,为渗碳体的快速石墨化提供了有利的热力学条件。本文建立了电流密度与渗碳体分解速率和石墨形核率的理论关系式,表明脉冲电流密度增加,渗碳体的石墨化进程加快。脉冲电流通过增加渗碳体的不稳定性系数和时间指数、降低碳原子在奥氏体中的扩散激活能来提高渗碳体的分解速率,通过降低石墨的形核势垒、缩短形核孕育期、增加石墨的形核位置来提高石墨的形核率,通过增加扩散前置系数、降低扩散激活能来提高碳原子在奥氏体中的扩散系数。石墨数量的增加缩短了碳在奥氏体内的扩散距离,促使碳原子快速转变成石墨,从而加速渗碳体的石墨化过程。实验发现,与未经脉冲电流处理相比,在920℃保温3min的同时施加300V、15Hz、3min的脉冲电流处理后,组织中渗碳体的含量降低了11%,新生石墨的数量增加了2%,新生石墨主要在奥氏体晶界形核并长成球状。室温下施加j(（max）≈1.67kA·mm-2的脉冲电流处理后,组织中渗碳体的含量比未加脉冲电流处理时降低了12%,新生石墨的数量比未加脉冲电流处理时增加了3%,新生石墨主要在渗碳体附近形核并长成球状。这一结果表明,无论是在高温还是在室温对球墨铸铁施加脉冲电流,都能加速渗碳体的石墨化过程。实验结果验证了脉冲电流可加速球墨铸铁固态石墨化过程的理论分析。采用电子探针分析表明,脉冲电流处理后奥氏体基体中碳的分布变得更加均匀,证实了脉冲电流可加强碳原子在奥氏体内的扩散能力,与理论分析结果一致。本文系统研究了不同脉冲电流处理参数下球墨铸铁的固态石墨化过程。结果表明,脉冲电流作用下渗碳体的石墨化过程必须有温度做保证才能发挥电流的辅助作用。在高温施加低密度脉冲电流或在室温进行高密度脉冲电流处理,随着电流密度的增大、脉冲电流频率的加快和脉冲处理时间的延长,渗碳体的石墨化进程加快。在电压为3000V、电容为800μF的高密度脉冲电流处理下,球墨铸铁在13s内温度达到1100℃,渗碳体实现了快速石墨化。当球墨铸铁在920℃保温3min的同时施加参数为800V、20Hz、3min的脉冲电流时,渗碳体的石墨化过程基本完成。与完全消除渗碳体的正常高温石墨化相比,脉冲电流处理下,渗碳体石墨化的时间缩短了7min,温度降低了60℃。本文研究了脉冲电流作用下球墨铸铁的基体组织转变行为。结果发现,在球墨铸铁的高温石墨化中施加脉冲电流使空冷时铁素体的转变量增多,珠光体的量减少,珠光体的片层间距减小。本文的研究工作为应用脉冲电流促进球墨铸铁固态石墨化提供了理论和实验依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 本文的主要创新点
• 第1章 绪论
• 1.1 球墨铸铁的发展概况
• 1.2 球墨铸铁管的生产现状
• 1.3 铸铁的固态石墨化过程
• 1.3.1 固态石墨化原理
• 1.3.2 加速铸铁固态石墨化过程的措施
• 1.4 外场在材料加工中的应用
• 1.4.1 电流在材料加工中的应用
• 1.4.2 磁场在材料加工中的应用
• 1.4.3 脉冲电流在材料加工中的应用
• 1.5 本文的选题意义及研究内容
• 1.5.1 选题意义
• 1.5.2 研究内容
• 第2章 球墨铸铁固态石墨化过程中脉冲电流作用机理的理论研究
• 2.1 引言
• 2.2 脉冲电流作用下球墨铸铁固态石墨化的热力学
• 2.2.1 脉冲电流作用下影响渗碳体稳定性的因素
• 2.2.2 脉冲电流作用下渗碳体的失稳
• 2.2.3 脉冲电流作用下渗碳体石墨化的驱动力
• 2.3 脉冲电流作用下渗碳体的分解速率
• 2.3.1 脉冲电流改变时间指数对渗碳体分解速率的影响
• 2.3.2 脉冲电流改变不稳定性系数对渗碳体分解速率的影响
• 2.3.3 脉冲电流改变碳原子的扩散激活能对渗碳体分解速率的影响
• 2.3.4 脉冲电流作用下渗碳体分解速率的表达式
• 2.4 脉冲电流作用下石墨的形核率
• 2.4.1 脉冲电流增加石墨形核位置对石墨形核率的影响
• 2.4.2 脉冲电流改变形核势垒对石墨形核率的影响
• 2.4.3 脉冲电流改变形核孕育期对石墨形核率的影响
• 2.4.4 脉冲电流作用下石墨形核率的公式
• 2.4.5 脉冲电流改变石墨形核率对碳原子扩散距离的影响
• 2.5 脉冲电流对球墨铸铁基体组织转变的影响
• 2.5.1 高温石墨化后球墨铸铁的基体组织转变过程
• 2.5.2 脉冲电流处理后球墨铸铁的基体组织转变过程
• 2.5.3 冷速对脉冲电流处理后基体组织转变的影响
• 2.6 小结
• 第3章 实验研究的思路及方案总体设计
• 3.1 实验思路
• 3.2 实验内容
• 3.3 实验设备
• 3.3.1 高压脉冲电源
• 3.3.2 低压脉冲电源
• 第4章 高密度脉冲电流对球墨铸铁固态石墨化的影响
• 4.1 引言
• 4.2 实验方法
• 4.2.1 高密度脉冲电流对球墨铸铁温度的影响
• 4.2.2 脉冲电流处理参数的选择
• 4.2.3 渗碳体与石墨量的确定方法
• 4.3 高密度脉冲电流对渗碳体分解的影响
• 4.4 高密度脉冲电流对石墨形成的影响
• 4.5 不同脉冲电流处理参数下渗碳体的石墨化
• 4.5.1 脉冲电流密度对渗碳体石墨化的影响
• 4.5.2 脉冲电流处理效果对处理温度的响应
• 4.5.3 脉冲电流处理效果对处理时间的响应
• 4.5.4 高密度脉冲电流处理时球墨铸铁固态石墨化的最佳工艺
• 4.6 讨论
• 4.6.1 高密度脉冲电流处理下渗碳体的分解过程
• 4.6.2 高密度脉冲电流处理下石墨在渗碳体上的原位形核机制
• 4.7 小结
• 第5章 高温加低密度脉冲电流对球墨铸铁固态石墨化的影响
• 5.1 引言
• 5.2 实验方法
• 5.2.1 高温加低密度脉冲电流对球墨铸铁温度的影响
• 5.2.2 脉冲电流处理参数的选择
• 5.3 高温加低密度脉冲电流对渗碳体分解的影响
• 5.4 高温加低密度脉冲电流对石墨形成的影响
• 5.5 不同脉冲电流处理参数下渗碳体的石墨化过程
• 5.5.1 脉冲电流密度对渗碳体石墨化的影响
• 5.5.2 脉冲电流频率对渗碳体石墨化的影响
• 5.5.3 高温加低密度脉冲电流时球墨铸铁固态石墨化的最佳工艺
• 5.6 小结
• 第6章 脉冲电流对奥氏体中碳原子扩散能力的影响
• 6.1 引言
• 6.2 实验方法
• 6.3 正常高温石墨化时奥氏体中碳原子的扩散
• 6.4 高密度脉冲电流作用下奥氏体中碳原子的扩散
• 6.5 高温加低密度脉冲电流处理时奥氏体中碳原子的扩散
• 6.6 小结
• 第7章 脉冲电流对球墨铸铁基体组织转变的影响
• 7.1 引言
• 7.2 实验方法
• 7.3 高温加脉冲电流对空冷时基体组织转变的影响
• 7.3.1 高温加脉冲电流对空冷时基体组织转变量的影响
• 7.3.2 高温加脉冲电流对空冷时珠光体片层间距的影响
• 7.3.3 高温加脉冲电流对低温石墨化中珠光体转变的影响
• 7.4 高温加脉冲电流对炉冷时基体组织转变的影响
• 7.5 脉冲电流对球墨铸铁力学性能的影响
• 7.6 小结
• 第8章 结论
• 参考文献
• 作者在攻读博士学位期间公开发表的论文
• 致谢