求教个问题：到底在铸铁中会不会产生硅偏析？

老翻砂匠 · 发表于 2014-12-14 16:55:23

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铸件的激冷表面，加工后使用一段时间出现蚀坑现象（使用温度600℃~700℃），做金相试样观察，石墨与基体均无异常（D墨+90%铁素体），将蚀坑处做电子扫描观察，发现蚀坑为酥松状态（原来判断是高温氧化），做能跑分析，凡是坑的位置点，硅的含量均超标（3.5~7.65%不等），而无蚀坑的位置点则正常（1.9~2.1%），未见有氧、氮等其它元素的成分，特此求教高人，到底在铸铁中会不会产生硅的偏析？究竟产生这种现象的原因是什么？

以下为参考数据：

材料：低合金V-Ti-Mo-Ni铸铁，CE为4.23%（以上为客户要求，一直这样做，没有变化过）；

造型工艺：水玻璃砂二氧化碳硬化；

熔炼与浇注工艺：熔炼温度1530~1550℃，出炉温度1520℃，浇注温度1380~1320℃，总孕育量：硅钡钙0.35%。

老翻砂匠在此谢谢诸位！

qwsx · 发表于 2014-12-14 19:38:26

灰铸铁微观偏析特点
1．偏析倾向严重铸铁内含有较多的溶质元素，元素的相互作用加大了铸铁的偏析程度。Mn、Cr、V、W、Mo等正偏析元素被凝固的固相推向LTF区，与LTF区中的碳相结合，进一步加重微观偏析。钢常存的溶质元素(如Si、C、Mn、S、P)明显低于铸铁，因而偏析倾向比铸铁小。例如，Cr在钢中的Ka=0.94，而在铸铁中可达到Ka=0.70。
2．元素的分布复杂铸铁的溶质元素含量大、凝固组织种类多使元素分布变得复杂。例如：亚共晶灰铸铁的初生奥氏体与共晶奥氏体虽都是奥氏体组织，但两者的偏析系数Ka不同。在一个共晶团内溶质元素的浓度也是极不均匀的，这可从图1的颜色差别看出；另外，枝晶不仅在横截面上存在偏析，长度方向也存在成分差异(见图2)。

图1  共晶团内的偏析
(白灰色小区最后凝固，含正偏析元素高)
3．存在反偏析特性  对于大多数工程合金的元素偏析均表现为正偏析。铸铁则不同，

图2  枝晶的偏析
a)横截面上的偏析  b)长度方向上的偏析
除正偏析外，还有一部分元素凝固时显示出反偏析属性。灰铸铁中的溶质元素被分成正偏析与反偏析两大类：
正偏析元素-Mn、Cr、V、Mo、W、P、S等
反偏析元素-Si、Al、Cu、Ni、Co
不难看出，各元素的偏析特性与它们的石墨化能力、形成碳化物的倾向有密切关系(P、S除外)。正偏析元素主要是碳化物形成元素；反偏析元素则是强烈的石墨化元素。
铸铁中硅及其他石墨化元素的反偏析行为是由于铸铁含有较高的碳、硅量所引起。低碳钢是含碳、硅量偏低的Fe-C-Si系三元合金，在组成它的Fe-C、Fe-Si二元合金中，溶质元素C、Si的分配系数Ka<1。凝固时，根据溶质再分布原理，虽然C、Si也要分布于液相，但C、Si偏析到液相的数量相对较少，Si←→C相斥力的能量不足以破坏系统中固相晶粒富Fe，液相富碳、富硅的分布特点。然而，对于C、Si较高的铸铁则不同，Fe-C-Si系中硅的分布按另一种方式进行。此时，由于C、Si浓度提高，Si←→C相斥力大为增强，Si从富C的微小体积中被置换出来，被C排斥出液体优先进入Fe相。随枝晶(或共晶团)的长大，Si不断固溶于奥氏体，液相中的Si量却逐渐减少，由原先的正偏析转成反偏析，而C的微观偏析符号仍保持不变。在液相中Si被C排斥而不是C被Si排斥的原因在于：Si的3s3p轨道上的价电子离核心更远，并且被它的(K、L)两个内层所屏蔽，而C只有一个(K)屏蔽层。因此，与Fe形成化学键时，Si比C更有优势。硅在Fe-C-Si合金中偏析方向的转变与碳含量有密切关系，见表1。当w(C)>0.35％时，Ka>1，硅转成反偏析。当Si量升高时，临界含C量也随之提高。
表1  硅的偏折系数Ka与碳含量的关系
合金种类w(C)(％)Ka
15钢0.150.91
35钢0.341.00
45钢0.481.10
60MnSi20.651.20
可锻铸铁2.601.51
灰铸铁3.151.60
只要碳的质量分数小于0.35％，硅的偏析与含量无关，均表现为正偏析。铜、镍、钻、铝的反偏析行为，是由于这些元素与铁形成的原子键远比有碳存在的Fe-Fe键强，Al、Cu、Ni、Co与Fe形成固溶体的热力学位显得更稳定。
复制，粘贴，坐等高人。

castengineer · 发表于 2014-12-14 19:56:17

本帖最后由 castengineer 于 2014-12-15 15:26 编辑

回复 1# 老翻砂匠

到底在铸铁中会不会产生硅的偏析？究竟产生这种现象的原因是什么

会有偏析:
一:在奥氏体枝晶内和枝晶间会有偏析.机理如第二点。
二:在先结晶和后结晶的奥氏体枝晶内,也会有硅的偏析.

按说,含硅高抗氧化能力强.至于高硅处发酥,有基体剥落的现象,硅高,其对铁的固溶强化能力强.晶格畸变应力大.这种应力是原子间的点阵畸变.不会在模体反复加热过程中消除.

以上只不过是自己的推理,仅供参考.是否其因.大家探讨.

castengineer · 发表于 2014-12-14 20:03:11

回复 1# 老翻砂匠

最好有一金相图.把基体组织和蚀坑配和起来,再分析为好.

老翻砂匠 · 发表于 2014-12-14 22:06:41

回复 3# castengineer

谢谢董工的分析和回复

，但我想不通的是，既然这样，那孕育处理的过程岂不是助长了硅的偏析了？

castengineer · 发表于 2014-12-15 07:30:18

本帖最后由 castengineer 于 2014-12-15 11:05 编辑

回复 5# 老翻砂匠

既然这样，那孕育处理的过程岂不是助长了硅的偏析了？

对是这样的.这也不可避免.

castengineer · 发表于 2014-12-15 07:40:16

回复 5# 老翻砂匠

如果各部蚀区的分布均匀并微小.我的推理尚可再推敲.如不,推理就不成立了.

castengineer · 发表于 2014-12-15 15:38:22

回复 1# 老翻砂匠

凡是坑的位置点，硅的含量均超标（3.5~7.65%不等），

如晶体均匀增硅，和后结晶的奥氏体枝晶有关。有如低碳钢铸件的热冒口，其含碳量都高于配碳量的机理。

老翻砂匠 · 发表于 2014-12-15 15:55:51

回复 8# castengineer

宏观观察，表面布满了小点点，与发生氧化的现象极为相似，电镜扫描观察，小点点均为小蚀坑，做能谱分析，凡是发生有蚀坑的，含Si量都远高于没有发生蚀坑的，而没有发生蚀坑的含硅量正常（1.9~2.1%）

castengineer · 发表于 2014-12-15 20:57:49

本帖最后由 castengineer 于 2014-12-15 21:07 编辑

回复 9# 老翻砂匠

凡是坑的位置点，硅的含量均超标（3.5~7.65%不等），而无蚀坑的位置点则正常（1.9~2.1%），

如3.5%和1.9~2.1%.这个比值,符合配硅2.2的铸铁中,奥氏体初晶晶内偏析的比值特点.
现在有三个问题:
1:是否模具都有这重共性.不含钒的模具也有这种现象么?
2:晶内偏析到7.65%.不可能,因没有别的机制,会使硅在配硅2.1%时,有这么有序化的偏析.是否再核实一下数据.
3:最好有金相图.定位一下蚀坑在基体中金相的位置.

老翻砂匠 · 发表于 2014-12-15 21:08:24

回复 10# castengineer

有些数据资料还没传给我，当时我只是在电镜实验室看了结果，没能将数据拷给我（外U盘受到严禁的），带到数据全了之后，我再上传~

我现在最为关心的是，如何解决这个问题。

再次谢谢董工的关注与鼎力回帖！

castengineer · 发表于 2014-12-15 21:21:58

本帖最后由 castengineer 于 2014-12-15 21:41 编辑

回复 11# 老翻砂匠

如果如我所谈---那就是:
1:增加铁水过冷度.增加奥氏体初晶核数.使晶内偏析程度降低.缩短铁水凝固时,造成硅偏析硅的浓度区间.
2:增加铁素体化退火的时间,使晶内偏析的硅在铁基体内的有序化增强.均衡硅偏析的浓度差.降低硅致点阵畸变能的应力值.
3:铸铁的高合金化,会增大硅的晶内偏析.和降低高温退火对硅在铁基体内的有序化扩散过程.

老翻砂匠 · 发表于 2014-12-15 21:45:34

回复 12# castengineer

最纳闷儿的事是，工艺基本还是老样子，没有改变过，为什么会出现的这么突然，且还是批量发生。这点一直想不通~

castengineer · 发表于 2014-12-15 21:50:37

本帖最后由 castengineer 于 2014-12-15 21:52 编辑

回复 13# 老翻砂匠

1:最好有金相图.定位一下蚀坑在基体中金相的位置.是在奥氏体晶内还是在石墨的近旁.
2:等看一下外检的数据吧.
再有据的分析吧.:
以上都是拍脑袋的推测.

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