微量元素对厚大断面球铁中石墨形态的影响

论文摘要

本文通过分析稀土元素(RE)、锑(Sb)及保温对石墨形态的影响,研究了厚大断面球墨铸铁中石墨形态的变化规律,并初步分析了石墨球的内部结构。通过扫描电镜观察了微量元素RE和Sb添加前后石墨的形态与分布,发现含RE和Sb的试样较不含RE和Sb的试样石墨更加细小、均匀。添加0.060%RE和0.012%Sb后,石墨球数由226个/mm2增加到311个/mm2,石墨的形状因子显著提高,石墨球的截面积显著减小。稀土元素由于能造成螺旋台阶的“钉扎”效应,促进了不同台阶之间和同一台阶上不同部分之间运动的不平衡,从而促进了螺旋台阶的增殖,形成球状石墨;锑在石墨前沿的富集,在球墨表面形成均匀的Sb包围层,影响了界面前沿碳原子的扩散速度和在石墨上的沉积速度,从而阻碍石墨的生长,使石墨尺寸减小,有效地防止了球墨生长过程中的变态。在本实验条件下,当RE和Sb的含量分别为0.057%和0.010%时,对石墨形态与分布起到最佳的效果。对厚大断面球铁的凝固过程进行了物理模拟,球化良好的铁液置于1300℃保温180分钟后,石墨已经开始明显衰退;变温保温的铁液在225分钟后,石墨已经开始明显衰退,出现碎块状石墨。经RE和Sb处理的球铁,Mg、Sb、Ce、Y在球形石墨的中心有一定程度的偏聚;而在碎块状石墨的共晶团内,各元素含量明显减少,尤其RE与Mg减少更为明显。影响碎块状石墨形成的因素中,化学成分、铁水的孕育状况及铸型的冷却条件影响最大。虽然RE的加入有利于防止碎块状石墨的产生,但过量的RE反而会增大碎块状石墨的形成的倾向。利用扫描电镜、透射电镜对球形石墨的内部结构进行了观察,发现在球形石墨的中心部位存在一个明显的核心。经能谱点分析,富集的元素含量由高到低依次是S、Mg、Y、Ce、Ca。计算了CaS等化合物的错配度δ,发现CaS、CeS满足错配度<12%的条件,因此可以成为石墨结晶的有效核心。石墨球的内部结构为从其中心向外呈放射状圆锥体组成。石墨内部区域为菱方晶系的Graphite Nitrate,其晶格参数为:a=0.2460nm,c=5.3500nm。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 球墨铸铁中的石墨球化
• 1.2.1 石墨形态的分类
• 1.2.2 球墨铸铁凝固机理
• 1.2.3 球墨铸铁石墨球化机理
• 1.2.4 合金元素对石墨球化的影响
• 1.3 碎块状石墨的形成机理
• 1.4 论文的主要研究内容
• 第2章 实验内容与研究方法
• 2.1 球墨铸铁的制备
• 2.1.1 化学成分的选择
• 2.1.2 熔炼及球化处理工艺
• 2.2 厚大断面球铁凝固模拟
• 2.3 实验分析方法
• 2.3.1 金相显微镜
• 2.3.2 扫描电子显微镜分析
• 2.3.3 透射电子显微镜
• 第3章 RE及Sb的加入量对石墨形态的影响
• 3.1 引言
• 3.2 RE和Sb对石墨形态的影响
• 3.2.1 石墨形态对比
• 3.2.2 RE和Sb的作用
• 3.3 RE及Sb加入量对石墨形态的影响规律
• 3.4 本章小结
• 第4章 保温对石墨形态的影响
• 4.1 引言
• 4.2 保温对石墨形态的影响及其变化规律
• 4.2.1 等温保温
• 4.2.2 变温保温
• 4.3 碎块状石墨的产生
• 4.3.1 碎块状石墨形貌
• 4.3.2 微量元素及孕育的影响
• 4.4 本章小结
• 第5章 球形石墨微观结构与长大过程界面稳定性
• 5.1 引言
• 5.2 球形石墨的内部核心
• 5.2.1 球形石墨内部形貌与元素组成
• 5.2.2 球形石墨的结构
• 5.2.3 石墨异质形核的结构条件
• 5.3 石墨长大过程中的界面稳定性
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢