脈沖電流作用下球墨鑄鐵固態(tài)石墨化的基礎(chǔ)研究.pdf

1、針對水冷金屬型離心鑄造法生產(chǎn)球墨鑄鐵管高溫退火中存在的高溫耗能、易變形等問題，本文將脈沖電流處理技術(shù)用來加速球墨鑄鐵的固態(tài)石墨化過程。首先從理論上探討了脈沖電流作用時(shí)球墨鑄鐵的固態(tài)石墨化行為，然后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論研究結(jié)果的正確性，從而系統(tǒng)地闡述了脈沖電流作用下球墨鑄鐵的固態(tài)石墨化機(jī)理。 理論研究表明，對鑄態(tài)球墨鑄鐵進(jìn)行脈沖電流處理，在滲碳體周圍產(chǎn)生的位錯(cuò)塞積使其自由能增加而穩(wěn)定性降低，滲碳體石墨化的驅(qū)動力增加，為滲碳體的快速石

2、墨化提供了有利的熱力學(xué)條件。本文建立了電流密度與滲碳體分解速率和石墨形核率的理論關(guān)系式，表明脈沖電流密度增加，滲碳體的石墨化進(jìn)程加快。脈沖電流通過增加滲碳體的不穩(wěn)定性系數(shù)和時(shí)間指數(shù)、降低碳原子在奧氏體中的擴(kuò)散激活能來提高滲碳體的分解速率，通過降低石墨的形核勢壘、縮短形核孕育期、增加石墨的形核位置來提高石墨的形核率，通過增加擴(kuò)散前置系數(shù)、降低擴(kuò)散激活能來提高碳原子在奧氏體中的擴(kuò)散系數(shù)。石墨數(shù)量的增加縮短了碳在奧氏體內(nèi)的擴(kuò)散距離，促使碳原子

3、快速轉(zhuǎn)變成石墨，從而加速滲碳體的石墨化過程。 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與未經(jīng)脈沖電流處理相比，在920℃保溫3min的同時(shí)施加300V、15Hz、3min的脈沖電流處理后，組織中滲碳體的含量降低了11％，新生石墨的數(shù)量增加了2％，新生石墨主要在奧氏體晶界形核并長成球狀。室溫下施加jmax≈1.67 kA·mm-2的脈沖電流處理后，組織中滲碳體的含量比未加脈沖電流處理時(shí)降低了12％，新生石墨的數(shù)量比未加脈沖電流處理時(shí)增加了3％，新生石墨主要在滲

4、碳體附近形核并長成球狀。這一結(jié)果表明，無論是在高溫還是在室溫對球墨鑄鐵施加脈沖電流，都能加速滲碳體的石墨化過程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了脈沖電流可加速球墨鑄鐵固態(tài)石墨化過程的理論分析。采用電子探針分析表明，脈沖電流處理后奧氏體基體中碳的分布變得更加均勻，證實(shí)了脈沖電流可加強(qiáng)碳原子在奧氏體內(nèi)的擴(kuò)散能力，與理論分析結(jié)果一致。 本文系統(tǒng)研究了不同脈沖電流處理參數(shù)下球墨鑄鐵的固態(tài)石墨化過程。結(jié)果表明，脈沖電流作用下滲碳體的石墨化過程必須有溫度做保

5、證才能發(fā)揮電流的輔助作用。在高溫施加低密度脈沖電流或在室溫進(jìn)行高密度脈沖電流處理，隨著電流密度的增大、脈沖電流頻率的加快和脈沖處理時(shí)間的延長，滲碳體的石墨化進(jìn)程加快。在電壓為3000V、電容為800μF的高密度脈沖電流處理下，球墨鑄鐵在13s內(nèi)溫度達(dá)到1100℃，滲碳體實(shí)現(xiàn)了快速石墨化。當(dāng)球墨鑄鐵在920℃保溫3min的同時(shí)施加參數(shù)為800V、20Hz、3min的脈沖電流時(shí)，滲碳體的石墨化過程基本完成。與完全消除滲碳體的正常高溫石墨化相