微量元素对厚大断面球铁中石墨形态的影响

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GraphiteNitrate，其晶格参数为：a=0.2460nm，c=5.3500nm。

目录

微量元素对厚大断面球铁中石墨形态的影响

THE EFFECTS OF TRACE ELEMENTS ON THE GRAPHITE MORPHOLOGY IN HEAVY SECTION DUCTILE IRON

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分析

5.4 本章小结

结论

参考文献

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致 谢