脉冲电流作用下球墨铸铁固态石墨化的基础研究

发布时间：2020-08-03 10:39

【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。
【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：TG143.5
【图文】：

脉冲电流作用下渗碳体周围发生

的坚硬相一渗碳体周围时，由于渗碳体的强度高于奥氏体，渗碳体周围的运动位错受到渗碳体的阻碍。根据位错塞积理论，同号位错在前进的途中遇到障碍物而被塞积，位错被渗碳体钉扎住，在渗碳体周围形成位错塞积，该过程如图2.2所示。值得指出的是，脉冲电流也能促进位错在渗碳体上的攀移。但是，位错的攀移通常依靠高温和原子的扩散才能实现，因此，位错的攀移比滑移要困难。由于室温下对球墨铸铁进行高密度脉冲电流处理时，球墨铸铁的升温速度快，脉冲电流的处理时间很短，渗碳体界面上位错攀移的速度赶不上渗碳体周围的位错塞积速度。因此，在渗碳体周围的位错塞积基本上来不及松弛。卜一-州卜.一叫__旗丫少3C土土曾土扮翼默二二二红占占合必礴-.-位错豁尸位错塞积Fe3Clee--叫卜一一一日图2.1脉冲电流作用下渗碳体周围发生的塑性变形示意图图2.2脉冲电流作用下球墨铸铁中渗碳体周围位错塞积示意图(2)高温加低密度脉冲电流时球墨铸铁中位错的行为当在球墨铸铁的高温石墨化过程中施加低密度脉冲电流时，假设脉冲电流的脉宽较窄，脉冲电流频率较低，每两次脉冲电流的间隔时间远大于脉冲宽度，那么高温下球墨铸铁因施加脉冲电流而产生的温升可以忽略不计，脉冲电流产生的热压应力几乎为零。于是

温还是在低温施加脉冲电流，由于坚硬相渗碳体的存在使奥氏体中位错的数量有不同程度的增加。因此，脉冲电流处理下，奥氏体的自由能会增加。根据上述分析，脉冲电流处理下，渗碳体向石墨转变的驱动力可以用图2.3中的△负表示。从图2.3中可以看出，△负>△Gl。可见，与球墨铸铁的正常高温石墨化过程相比，脉冲电流处理使渗碳体石墨化的驱动力增加。脉冲电流作用下渗碳体石墨化的驱动力△负的大小与渗碳体周围位错的数量成正比，而渗碳体周围位错的数量与脉冲电流密度成正比。因此，脉冲电流密度越大，渗碳体周围的位错塞积程度就越严重，△负就越大，渗碳体的石墨化进程就越快。尸>、、不l少，入游G飞、，，.△﨏卜﨑

【引证文献】

相关期刊论文 前1条

1 梁益龙;梁迟英;梁宇;;脉冲电流辅助热处理对EA4T车轴钢带状组织的影响[J];材料热处理学报;2011年10期

本文编号：2779514