钒钛灰铸铁金相组织观察与分析

鲜 广， 范洪远， 郭智兴， 王 均

(四川大学 制造科学与工程学院， 成都 610065)

钒钛灰铸铁金相组织观察与分析

鲜 广， 范洪远， 郭智兴， 王 均

(四川大学 制造科学与工程学院， 成都 610065)

以钒钛灰铸铁金相组织观察与分析为例，设计了一个研究型的材料制备和组织分析实验，探究灰铸铁中添加钒、钛合金元素对铸铁组织的影响。采用铸造成型方法，通过成分设计、配料、熔炼、浇注等系列工序制备了钒钛灰铸铁材料，并利用金相显微镜及其附带工具软件分析材料的内部组织。结果表明，单独加入钒、钛元素和复合加入钒钛元素均促使铸铁组织中的石墨由A型石墨向其他形态转变，石墨长度变短、数量增加，同时使以珠光体为主的基体组织细化，碳化物数量增加。

灰铸铁； 钒钛； 石墨； 金相组织； 实验教学

0 引 言

钒钛微合金灰铸铁是在普通灰铸铁成分基础上添加少量的钒和钛元素或用天然含有少量钒和钛的钒钛铸造生铁熔炼的一种新型灰铸铁[1]。钒钛与碳氮元素具有较高的亲和力，能生成显微硬度很高的钒钛碳氮化物，这种碳化物在基体组织中弥散均匀分布，使得钒钛灰铸铁比普通灰铸铁具有更高的强度和硬度[2-3]。同时，高熔点的粒状钒钛碳化物分布在基体上，基体氧化在一定程度上受阻，使得钒钛灰铸铁比普通灰铸铁具有更高的高温强度和热稳定性能[4-5]。尽管钒、钛元素对提高灰铸铁的力学性能和高温性能有利，但其加入的量有严格限制，盲目提高灰铸铁中钒、钛元素的含量反而会恶化铸铁的性能[6]。本文提出的钒钛灰铸铁金相组织观察与分析，作为材料成型及控制工程专业“材料成型综合实验”课程中一个研究型的材料制备和组织分析实验的案例，介绍了其方案设计与步骤实施的全过程。

1 钒钛灰铸铁材料成分设计与成型

1.1 成分设计

为了解钒、钛元素含量对灰铸铁显微组织的影响，设计了4种不同的钒钛含量，如表1所示。钒钛元素与碳元素结合形成碳化物使自由碳减少，为获得较多的石墨组织，需要较高的碳含量，但又为了得到更多的珠光体，减少铸铁组织中铁素体和粗大石墨，碳含量不能过高，综合确定灰铸铁中碳含量(质量百分数)为3.4%～3.5%。为保证灰铸铁具有良好的流动性，减小缩孔、缩松和白口倾向，灰铸铁中硅含量设计为1.8%～2.1%，碳当量控制在4.0%左右。另外，灰铸铁中锰含量设计为0.85%，磷、硫元素的含量分别控制在0.1%和0.06%以内。

表1 实验设计的灰铸铁钒钛元素的含量 %

由于在熔炼时使用的原料中不可避免地含有少量合金元素，导致在成分设计钒钛含量为零的试样中含有少量的钒和钛；并且，在冶炼过程中存在元素不同程度的烧损，因而铸铁中钒钛元素的实际含量与设计值略有差异。钒钛灰铸铁材料的实际成分如表2所示，后面的实验分析均以实际测得的化学成分为准。

表2 钒钛灰铸铁试样的实际成分

1.2 熔炼与浇注成型

熔炼灰铸铁试样采用的原材料主要为生铁、废钢和回炉料，熔炼配料比例大致为30%回炉料+20%废钢+50%生铁，另外还包括增碳剂、孕育剂、钒铁和钛铁等。增碳剂是为了调节灰铸铁的碳含量，考虑到碳元素的烧损，每增加1%的增碳剂可以提高0.7%的含碳量；实验中未进行脱硫处理。熔炼在50 kg中频感应炉中进行，原料全部熔化后，取出部分铁水浇注一个白口试样。检测白口试样的化学成分，将测得的成分和实验设计的成分进行对比，计算出需要加入的合金材料的质量，加入相应的合金原料调整合金元素的含量并继续熔化至合金元素均匀混合。将铁液在1 480 ℃左右除渣，出炉后用75硅铁进行包底孕育处理，孕育剂加入量为铁液质量的0.2%。不同成分的试样铁水的出炉温度相同，并且在同一温度(1 380 ℃)下进行浇注，且冷却条件相同。

2 钒钛灰铸铁的石墨组织观察与分析

采用OLYMPUS GX51金相显微镜观察灰铸铁的石墨组织，结果如图1所示，利用金相分析软件Image-Pro Plus统计石墨的长度、面积和数量，并按相关国标评判石墨长度等级、石墨面积分数、石墨数量，结果如表3所示。No.1试样中的石墨主要为细片状A型石墨，含有少量的厚块状石墨。

(a)No．1(b)No．2(c)No．3(d)No．4

图1 钒钛灰铸铁中石墨组织形态和分布

No.2试样石墨形态发生改变，石墨组织中A型石墨细化且出现了约20%的E型石墨，石墨数量增加，平均长度减小，面积分数减少。钒是强碳化物形成元素，在共晶转变前形成起到结晶核心的碳化钒微粒，细化石墨[7]；同时，钒是反奥氏体化元素，共析转变时促使奥氏体向珠光体转变，使碳以珠光体中渗碳体的形式存在，最终导致石墨的含量降低[8]。

No.3试样石墨形态为A型石墨与D型石墨的混合态，表明钛元素使石墨形态由A型石墨向D型石墨转变[9]。钛除了具有细化石墨的作用外(当钛元素含量>0.1%时)，还有利于促进奥氏体枝晶的形成，发达的奥氏体枝晶使铁液聚集于枝晶间隙，石墨在狭小区域内大量形核，但由于石墨的生长条件较差，因而在奥氏体枝晶间隙内形成细小卷曲的D型石墨[10]。

No.4试样其石墨形态由A型转变为B型石墨，并且出现了部分E型石墨，石墨细化，石墨长度变短，数量增多，面积分数减小。钒钛元素与碳元素结合生成更多碳化物，消耗更多的碳，降低了石墨化转变的碳含量。同时，由于碳化物增多，石墨结晶形核基底增加，形核数量更多，导致最终的石墨数量增加明显[11]。另外，由于钒钛元素含量增加，使铁液共晶转变温度降低更多，在发生共晶转变时，铁液过冷度较大，有利于形成B型石墨。

3 钒钛灰铸铁的基体组织观察与分析

用4%硝酸酒精溶液腐蚀试样表面后得到的基体组织如图2所示，利用金相分析软件统计灰铸铁中珠光体、铁素体等的含量，结果如表4所示。No.1试样基体组织中珠光体占98%，同时还有含量约为1.6%的铁素体。珠光体晶粒较大，片间距较大，铁素体附着在部分石墨周围，呈断续状分布。

(a)No．1(b)No．2(c)No．3(d)No．4

图2 钒钛灰铸铁的基体组织和碳化物

No.2试样基体组织中珠光体含量为76%，几乎不含铁素体，同时基体组织中出现了含量约为23.2%的变态莱氏体组织，与No.1试样相比，珠光体晶粒细化，片间距更小。钒与碳的结合能力很强，是反石墨化的渗碳体稳定元素。在共晶反应前期，生成大量的碳化钒颗粒，可作为先共晶奥氏体析出的形核基底，起到细化先共晶奥氏体的作用，在共析反应之后得到晶粒和片间距细化的珠光体基体。同时，钒元素使铁液的铁-石墨共晶温度下降，铁-渗碳体共晶温度升高[12]，如图3所示。在冷却速度较快的情况下，铁水很容易冷却到铁-渗碳体共晶温度以下，从而在共晶转变时，析出共晶奥氏体和渗碳体的机械混合物(莱氏体)，此时也发生生成奥氏体和石墨的共晶转变。共晶反应释放的潜热使铁液的温度回升到铁-渗碳体共晶温度以上，从而只发生生成共晶奥氏体和石墨的铁-石墨共晶转变，如图4所示。在共析转变阶段，先共晶奥氏体和莱氏体中的奥氏体发生共析转变生成珠光体并析出二次渗碳体。同时，铁-石墨共晶转变生成的共晶奥氏体全部转变为珠光体，未发生石墨化转变。最终基体组织由珠光体和变态莱氏体组成。

图3 钒元素对铁-石墨体系和铁-渗碳体系平衡共晶温度的影响

图4 麻口铸铁的凝固冷却曲线

No.3试样基体组织中珠光体含量为98%，铁素体含量为1.5%。与No.1试样相比，珠光体片间距更小，晶粒轻微细化。与单独加入钒的No.2试样相比，加入钛元素使铁素体的含量有少量增加。这是因为钛元素促进D型石墨的形成，在共析转变阶段，碳从奥氏体中脱溶后，能更快地扩散并聚集形成共析石墨，沉积在原来细小卷曲的共晶D型石墨上，导致D型石墨周围形成较多的铁素体。另外，加入钛能使奥氏体枝晶由外生树枝晶生长转变为内生等轴树枝晶生长[13]。同时，钛也会加大枝晶的“晶体增值”效应，形成更多等轴晶，最终细化了珠光体晶粒[14]。

No.4试样基体组织中珠光体含量为99%，没有出现铁素体。钒、钛复合加入，其对基体组织的影响既有相同之处，也有相反作用。钒、钛均能与碳反应形成碳化物，成为异质形核核心，起到细化珠光体基体的作用。如与No.1试样相比，珠光体晶粒和片间距细化。另一方面，钒阻碍铁素体形成，钛元素一定程度上促进铁素体形成[15]，两元素的综合作用导致基体中没有铁素体。与No.3试样相比，基体组织中铁素体含量显著下降，铁素体含量由0.5%下降到基本不含铁素体。与No.2试样相比，基体组织中珠光体含量由76%增加到99%。由于钛元素对石墨化进程产生影响，促进石墨化过程进行，使共晶转变至共析转变阶段完全石墨化，抵消单独加入钒元素时的阻碍石墨化作用，抑制莱氏体的形成，使灰铸铁基体组织全部为珠光体。

4 钒钛灰铸铁组织中的碳化物与磷共晶组织

钒钛元素加入铸铁中与碳反应生成形状不同的碳化物，不同含量的钒钛生成的碳化物数量和分布不尽相同。利用金相分析软件统计碳化物和磷共晶组织的数量、形态及分布情况见表5。结合图4和表5的统计数据可知，钒钛元素的加入，铸铁组织中形成了碳化物，且加入的钒钛合金元素总量越大，碳化物数量越多。在No.1试样中，有极少量的形状为方形或三角型的颜色为淡粉红色规则碳化物，绝大部分碳化物弥散分布于基体中，少量分布于片状石墨尖端或石墨与基体的界面[16]。普通灰铸铁试样中钒钛元素含量极低，钒、钛含量分别为0.007%和0.018%，即使在这种情况下，也形成了钒钛碳化物，足以说明钒、钛元素与碳元素结合能力很强。另外，由于铁液中磷含量低(<0.04%)，形成的磷共晶组织数量较少。

表5 钒钛灰铸铁中碳化物和磷共晶数量和分布

No.2试样与No.1试样相比，碳化物数量显著增加，且碳化物形态种类增加，出现了板状和条状碳化物。No.3试样与No.1试样相比，碳化物数量增加明显，碳化物形态主要为颗粒状的方形和三角形以及少量的圆形和不规则形状，碳化物的颜色主要为暗白色。No.4试样在普通灰铸铁的基础上复合添加钒、钛元素，碳化物数量明显增加，形状主要为方形、三角形、不规则块状和圆形，碳化物主要分布于基体中且分布较为均匀。

5 结 语

以钒钛灰铸铁金相组织观察与分析作为材料成型及控制工程专业本科实验教学的例子，设计了研究型的材料制备和组织分析实验，获得了以下结论：

(1)普通灰铸铁的石墨为细片状A型石墨，单独加入钒、钛和复合加入钒钛均促使石墨形态发生改变，石墨变细变短、数量增多、面积分数减小。

(2)单独加入钒、钛和复合加入钒钛均使铸铁的基体组织细化，珠光体片间距变小，单独加入钒时，基体组织中形成部分变态莱氏体。

(3)钒、钛元素与碳结合形成碳化物，钒钛含量越高，碳化物数量越多。

[1] 李华基,洪观镇,胡慧芳.钒钛蠕墨铸铁的特点及其应用前景[J].热加工工艺，2010,39(19):35-39.

[2] 郭建英.钒钛蠕铁及其在钢锭模上的应用[J].河北机电学院学报,1999,11(3):30-36.

[3] Sissener J. Combined influence of vanadium and titanium on cast iron with lamellar graphite [J]. Foundry Trade Journal, 1979(4): 26-31.

[4] 翟启杰.钒在铸铁中的作用及含钒铸铁-铸铁中的微量元素讲座之四[J].现代铸铁,2001(4):25-28．

[5] 吴进钱,黄新民,杨 明,等. V、Ti合金化对玻璃模具材料抗氧化及耐热疲劳性的影响[J].铸造,2011,60(7):697-699.

[6] 苏华钦,施居府.铸铁凝固及其质量控制[M].北京:机械工业出版社,1993:148-149．

[7] 李华基,洪观镇,杨志远.钒钛蠕墨铸铁的力学性能分析[J].铸造,2010,59(10):1076-1079．

[8] 王 工,许光奎,钱翰城,等.钒钛中硅铸铁组织及性能的研究[J].现代铸铁, 1992(2):38-40．

[9] 李小平,钟元龙,林元祖.合金元素Ti对D型石墨形成条件的影响[J].钢铁钒钛,2003,24(4):67-70．

[10] Shy Y H, Hsu C H, Lee S C,etal. Effects of titanium addition and section size on microstructure and mechanical properties of compacted graphite cast iron [J]. Materials Science & Engineering A, 2000, 278(1-2):54-60.

[11] 王国飞,范洪远,王 均,等.钒钛对灰铸铁制动鼓组织性能的影响[J].热加工工艺,2015,44(13):50-52．

[12] 李传栻.灰铸铁的组织和几种合金元素的影响(一)[J].铸造纵横,2004(12):10-17．

[13] 李庆春.铸件形成理论基础[M].北京:机械工业出版社,1987:137-138．

[14] 李荣德,于海朋,丁 晖.铸铁质量及其控制技术[M].北京:机械工业出版社,1998:58-60．

[15] Hassani A, Habibolahzadeh A, Sadeghinejad S. Comparison of Microstructural and Tribological Effects of Low Vanadium-Low Titanium Additions to a Gray Cast Iron [J]. Journal of Materials Engineering & Performance, 2013, 22(1):267-282.

[16] 陈瑾琚.钒钛元素在铸铁中的存在状态及分布规律[J].钢铁钒钛,1983(4):88-93．

Metallographic Structure Observation and Analysis of Vanadium-Titanium Cast Iron

XIANGuang,FANHong-yuan,GUOZhi-xing,WANGJun

(School of Manufacture Science and Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

This paper describes an experiment for studying the materials preparation and organization analysis based on metallographic structure observation and analysis of vanadium-titanium cast iron, and explores the influence of adding vanadium and titanium alloy elements on the structure of cast iron. The result shows that adding vanadium or titanium element separately can prompt the graphite morphology change from type A graphite to others. Meanwhile, the cast iron matrix is refined and the carbides increase. The research is one of comprehensive experiment for material forming and control engineering major. It possesses advantage of high operability, and at the same time, has the research and exploration spirit. Thus, it can not only consolidate students’ professional knowledge, but also cultivate the students’ comprehensive abilities.

cast iron; vanadium-titanium; metallographic structure; experiment teaching; graphite

2016-03-16

四川省科技计划项目(2014GZ0004)；攀枝花市科技计划项目(2013CY-C-1)

鲜 广(1989-)，男，四川南充人，硕士，助理工程师，主要研究方向：金属材料及表面涂层。

Tel.：028-85403689； E-mail: xianguang2014@scu.edu.cn

TG 257; G 642.0

A

1006-7167(2017)01-0038-04