必威·「BetWay」官方网站毕业论文：变质处理对铸钢组织的细化Crl2钢在应用时必须具有足够的冲击韧性和耐磨性。铸造Crl2模具钢晶碳化物呈网状分布于晶界上，且枝晶粗大，经变质处理，晶粒明显细化，共晶组织能得到改善。

　　本文在学校新进的真空中频感应熔炼设备上，采用新型钾钠变质剂对Cr12钢进行复合变质处理，并运用超景深显微镜等观察手段分析了这种经变质处理后Cr12钢的组织。钾钠变质剂能增大凝固过程中的过冷度，降低氧、硫、磷含量，从而使Cr12钢晶粒明显细化，粗大板条状和网络状碳化物减少，提高碳化物分布的均匀性。分别在2.38kg铸料中加入0.35g、0.83g、1.43g、2.02g的变质剂，结果表明复合变质剂加入量为0.83g-1.43g时候，Cr12钢的组织性能最佳，晶粒得到细化，粒状碳化物数量增加，碳化物形态分布均匀。经热处理工艺后必威，经变质处理后的Cr12钢的力学性能得到明显改善。

　　在精密冲压、精密锻造、压力铸造、冷挤压、热挤压及等温超塑成形等工艺中，模具已成为主要的成型工具。其中冷作模具钢在成分和使用上有如下特点，合金含量高，所以钢的淬透性良好，硬度高，好的耐磨性，但碳化物分布不易均匀，这要求材料在凝固时应尽量采取措施控制材料的晶粒度，并使材料的碳化物分布均匀。在一般的凝固过程中，这种材料晶粒粗大，碳化物易成网状晶界分布或呈鱼骨状形态，对这种钢在凝固时采取变质处理，可在一定程度上改善这一缺点。通过对它们组织力学性能的比较，可以在模具材料设计时优化材料性能。在毕业设计中将掌握通过变质处理改善材料组织的方法，了解细晶组织获得的途径，掌握提高模具材料性能的基本途径。

　　模具材料性能的好坏和使用寿命的长短，直接影响加工产品的质量和生产的效益。而模具材料的种类、热处理工艺、表面处理技术是影响模具使用寿命的极其重要的因素。因此世界各国均致力于开发新型模具材料、改进模具的热处理工艺、选用适当的表面处理技术、合理设计模具结构、加强对模具的维护等措施来提高模具的寿命。

　　铸钢是以铁、碳为主要元素的合金，碳含量0-2%。铸钢又分为铸造碳钢、铸造低合金钢和铸造特种钢3类[1]。

　　①铸造碳钢。以碳为主要合金元素并含有少量其他元素的铸钢。含碳小于0.2%的为铸造低碳钢，含碳0.2%～0.5%的为铸造中碳钢，含碳大于0.5%的为铸造高碳钢。随着含碳量的增加，铸造碳钢的强度增大，硬度提高。铸造碳钢具有较高的强度、塑性和韧性，成本较低，在重型机械中用于制造承受大负荷的零件，如轧钢机机架、水压机底座等；在铁路车辆上用于制造受力大又承受冲击的零件如摇枕、侧架、车轮和车钩等。

　　②铸造低合金钢。含有锰 、铬、铜等合金元素的铸钢。合金元素总量一般小于5%，具有较大的冲击韧性，并能通过热处理获得更好的机械性能。铸造低合金钢比碳钢具有较优的使用性能，能减小零件质量，提高使用寿命。

　　③铸造特种钢。为适应特殊需要而炼制的合金铸钢，品种繁多，通常含有一种或多种的高量合金元素，以获得某种特殊性能。

　　水经脱氧、出气或经ABD\COD等精炼工艺处理，再浇注铸件。造型、制芯常采用水玻璃砂、树脂砂工艺。水玻璃吹二氧化碳工艺由于水玻璃加入量高，溃散性差，旧砂不能再生，已面临被淘汰；碱性酚醛树脂自硬砂无磷、无硫、工艺性能好，推广应用前景好；酯硬化水玻璃自硬砂无毒、无味、旧砂可再生回用，现已在铁道部、冶金部、通用机械广泛应用，生产出几公斤到几百吨的铸钢件[2]。

　　这种设计对铸件形状和大小有着最大的选择自由度，尤其是复杂的形状和空心部分，而且钢铸件可以由核心铸件的独特工艺制造。易成型和易改变形状并可以快速根据图纸制作出成品可以提供快速响应并缩短交货时间。

　　可以选择不同的化学成分和组织结构来满足不同项目的需求。不同的热处理工艺可以选择力学性能而且可在大范围内使用该属性并提高可焊性和可使用性。

　　钢铸件的力学性能在各个方向相差不大，比锻钢零件占优。设计师在进行一些高科技产品的设计时必须在三个方向上考虑材料的性能，这样的就突出了铸件的优势。不考虑重量、体积和一次所制量，钢铸件很容易做出复杂的形状和非应力集中部件。

　　钢铸件可用于各种各样的工作条件，且力学性能优于其他合金铸件。当我们需要高拉伸强度或动态载荷部件、重要的压力容器铸件和在低或高温下承担重负荷的核心部件时，原则上，我们应该优先使用钢铸件 [3]。

　　铸态组织的形貌和组成相的含量与钢的碳含量有关。碳含量越低的铸钢，铁素体含量越多，魏氏组织的针状越明显、越发达，数量也多。随铸钢碳含量的增加，珠光体量增多，魏氏组织中的针状和三角形的铁素体量减少，针齿变短，量也减少，而块状和晶界上的网状铁素体粗化，含量也增多。

　　铁素体呈细等轴晶。珠光体分布形态随钢的碳含量增加而变化。随钢的碳含量增加，珠光体呈断续网状分布→网状分布→珠光体与铁素体均匀分布，其含量也不断增多。

　　（4）调质组织 ZG270-500以上牌号的铸造碳钢可进行调质处理，组织为回火索氏体[4]。

　　铸钢的熔点高、结晶温度范围较宽,流动性较差,铸态晶粒粗大,而且由于铸钢通常是铸造成形,多数组织细化技术都不适应。微量元素在钢中起着很重要的作用,主要表现在钢的轧制过程中,微合金钢近年来发展迅速,被广泛地用于各个工业部门。研究表明,Ti、V、Nb等微合金元素、稀土变质等对细化钢锭组织有良好作用,但在铸钢中的研究及应用较少,作用机理尚不太清楚。氧化物冶金是利用钢中细小非金属夹杂物诱导晶内铁素体形核细化晶粒的一项新技术。在已研究的各种Ti、Al、Zr等氧化物中,Ti氧化物被认为可诱导晶内铁素体形核,从而产生细化组织,提高钢材强韧性的效果。目前,氧化物冶金技术主要应用在提高低碳钢板焊接热影响区的韧性以及非调质钢的韧性方面,在普通碳钢中的研究很少,而且对影响晶内铁素体形成的工艺方面缺乏研究。研究结果表明[5],加入Ti、Al后,钢中的夹杂物类型有很大改变,生成了Ti的氧化物和氮化物、Al的氧化物、Ti、Al的复合氧化物和硫化物,这些夹杂物的尺寸比较细小,大都在3μm以下。除呈四边形的TiN外,形状大多呈球状必威。Ti、Al的加入可以明显改善铸钢的铸态组织,有利于晶内块状铁素体的形成,细化了晶粒。奥氏体化温度,保温时间和冷却速度对晶内针状铁素体的形成起着决定性的作用。900℃奥氏体化,保温60min,正火是本实验体系中晶内针状铁素体形成的最佳热处理工艺,在这种热处理工艺下,可以生成大量的晶内针状铁素体。Ti、Al含量对晶内针状铁素体有很大的影响。不含Ti、Al的原始组织,无论是铸态下还是经过热处理,都不会生成晶内针状铁素体。力学性能检测结果表明,Ti、Al含量的多少对铸钢的力学性能有很大影响,随着Ti、Al含量的增加,铸态组织的布氏硬度有增加的趋势,强度和塑性呈下降趋势。晶内针状铁素体可以显著提高铸钢的伸长率和断面收缩率,使其塑性增强[6]。

　　变质处理是工业生产中广泛使用的方法。有意地向液态金属中加入某些变质剂,以细化晶粒和改善组织,达到提高材料性能的目的。 变质处理就是向金属液体中加入一些细小的形核剂（又称为孕育剂或变质剂），使它在金属液中形成大量分散的人工制造的非自发晶核，从而获得细小的铸造晶粒。如在铁水中加入硅铁，硅钙合金都能细化石墨。生产中常用的变质剂有形核变质剂和吸附变质剂[7]。

　　低成本、高效、无污染、多功能化的复合变质是变质处理的发展趋势。含稀土元素的变质和复合变质是铸造Al-Si合金变质处理的发展趋势[8]。

　　通过细化晶粒而使金属材料力学性能提高的方法称为细晶强化，工业上将通过细化晶粒以提高材料强度。通常金属是由许多晶粒组成的多晶体，晶粒的大小可以用单位体积内晶粒的数目来表示，数目越多，晶粒越细。实验表明，在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属有更高的强度、硬度、塑性和韧性。这是因为细晶粒受到外力发生塑性变形可分散在更多的晶粒内进行，塑性变形较均匀，应力集中较小；此外，晶粒越细，晶界面积越大，晶界越曲折，越不利于裂纹的扩展。故工业上将通过细化晶粒以提高材料强度的方法称为细晶强化。

　　晶粒越细小，位错集群中位错个数（n）越小，根据τ=nτ0，应力集中越小，所以材料的强度越高；细晶强化的强化规律，晶界越多，晶粒越细，根据霍尔-配奇关系式，晶粒的平均值(d)越小，材料的屈服强度就越高[9]。

　　提高塑性机制：晶粒越细，在一定体积内的晶粒数目多，则在同样塑性变形量下，变形分散在更多的晶粒内进行，变形较均匀，且每个晶粒中塞积的位错少，因应力集中引起的开裂机会较少，有可能在断裂之前承受较大的变形量。

　　但是晶粒具有长大的趋势，因为晶粒越大，单位体积的晶粒就越少，即晶界的面积就越小，因而界面能或整个系统的自由能越低[10]。

　　外来杂质能增加金属的形核率或阻碍晶核的长大[11]。在浇注前向液态金属中加入某些难熔的固体颗粒，会显著的增加晶核数量，使晶粒细化。Al、Ti、Nb、V等元素在钢种形成强碳化物或氮化物，形成弥散的分布颗粒来阻止晶粒的长大。

　　搅拌和震动能向液体中输入额外的能量以提供形核功；另外，还可以使结晶的枝晶破碎，增加晶核的数量。

　　本次研究的内容主要是通过变质处理对铸钢组织细化的影响，从而在实际生产过程中对低碳钢的性能研究做出一定的理论基础。

　　考虑到材料的通用性，本实验选用材料废旧的Cr12模具钢作为回炉料，其余熔炼原料为废钢和铬铁。

　　含钾和钠的变质剂也是高铬铸铁中常用的变质剂[12]，早在上世纪80年代山东工业大学就研制成功了含K、Na的强效变质剂，并对K、Na在白口铸铁中的作用机理进行了研究。K、Na熔点低，是表面活性元素，吸附在碳化物与奥氏体的界面上，造成成分过冷，在碳化物择优生长表面的吸附与偏聚改变碳化物的结晶惯习面(这已为K的电子探针扫描所证实)，从而使得基体及碳化物晶粒向各个方向生长的几率相等，所以生长形状趋向于团球状[13]。同稀土相似，K、Na具有很强的脱O、脱S能力，能有效减少O、S杂质的数量，使晶界大大净化，结晶核心周围过冷度均匀[14] ，进而细化了碳化物。值得一提的是K、Na的沸点都很低(在900℃以下)，这就涉及到K、Na加入铁液的形态和加入方法，采取的措施不当就有可能造成K、Na挥发，铁液沸腾。山东工业大学开发了含K、Na的变质剂，这些变质剂采用稀土镁作还原剂，加入金属液中很平稳，不会产生沸腾和大量烟雾必威、闪光。使用钾盐和稀土复合变质处理可以使高铬铸铁碳化物细化并改善形貌，分布均匀，并能使冲击韧性显著提高[15]。

　　V、Ti是常用的变质剂，研究表明，一定的钒量是白口铁中碳化物获得球化的必要条件[16] 。V、Ti加入铁液中会形成 (VC、TiC、TiN)[17-18]等高熔点物质，可作为初生碳化物的形核质点，进而细化初生碳化物。B能减少固溶体中C的含量，使铁液中C的溶解度增加，造成铁液中C的原子集团数增多，从而使碳化物的生长核心增多，有利于碳化物的细化[19]。王兆昌等人[20]对硼变质处理白口铸铁有深入的研究，采用B和RE—Si合金对高铬铸铁变质处理会使碳化物由粗大的杆簇群，变为彼此孤立的、平行分布的细杆。

　　有文献[21]表明，Zn、Mg是一种极为有效的变质剂，阴世河等人[22]对Cr26白口铁选择了多种变质剂进行了试验，试验结果显示以Mg为主要成分的变质剂具有良好的变质效果。秦紫瑞[23]采用稀土镁合金变质处理过共晶高铬铸铁，也明显地细化其组织，改善碳化物的分布形态，使其铸态力学性能达到或超过Ni-hard1号水平。主要原因是Mg的熔点低，是强烈的成分过冷元素，提高了碳化物的形核率，使初生碳化物细化。当变质剂加入之后，Mg首先会吸附在[0001]面的孪晶沟槽和层错中，抑制碳化物的长大，变质后初生碳化物尺寸急剧减少。

　　Mg与S、O也有极大的亲和力，可去除合金中的S和O，有净化铁液的作用，避免了晶粒粗大。Mg还是表面活性元素，它偏聚于晶界或相界并能与Cr、Mo等原子半径相近的元素共同形成合金碳化物，因此适量Mg能提高界面能，使γ-碳化物相界面张力与γ-γ相界面张力的比值σγ-C/σγ-γ增高，故适量Mg能分割碳化物并改变其形态，使碳化物分散和细化[24]。

　　本实验采用钾、钠变质剂进行复合变质处理，实验中分为,4组，分别加入，0.35、0.83、1.43、2.02 g/2.38kg变质剂，使其达到最佳变质效果。

　　真空中频感应炉是一种将工频50HZ交流电转变为中频（300HZ以上至20K HZ）的电源装置，把三相工频交流电，整流后变成直流电，再把直流电变为可调节的中频电流，供给由电容和感应线圈里流过的中频交变电流，在感应圈中产生高密度的磁力线，并切割感应圈里盛放的金属材料，在金属材料中产生很大的涡流。从而使感应圈温度升高，将炉中Cr12钢料熔融，接着便可完成浇铸工作。

　　为了观察出不同量的变质剂对铸钢组织的细化影响，根据表2.1配制炉料，将事先准备好的废旧的Cr12钢料分为等量的四份，重量近似为2.38kg。然后根据实验要求，分别按0.015%，0.035%，0.060%，0.085%的比例称量出四份钾钠变质剂，质量分别为0.35g,0.83g,1.43g,2.02g。

　　在所有操作之前，都必须确定水冷循环系统处于正常工作状态，且对应的水冷进出水阀门都处于开启状态。调试时，打开送水阀门，同时开启排水开关，接着开启水泵上所有对应的水冷进出水阀门，当观察到进水和排水达到一个稳定平衡状态时，则表示水路循环系统正常。需要注意的是，当出现停电情况下，若感应炉需要继续冷却时，须打开应急回水系统。在感应熔炼以及浇铸时，感应炉和感应线圈的高温冷却都是通过水循环使其冷却。

　　在确定水冷循环系统处于正常工作状态，且对应的水冷进出水阀门都处于开启状态时，才可以进行设备调试。调试具体步骤为：

　　至此，中频感应炉的调试已经完成。经调试后，若一切设备正常运行，没有发现任何异常情况，将实验材料和工具都准备好后，便可以进行感应熔炼和浇铸实验。

　　在确定水冷循环系统处于正常工作状态，且对应的水冷进出水阀门都处于开启状态时，便可以进行实验操作了，具体操作过程为：

　　（6）随着功率的加大，炉中的Cr12钢会逐渐被熔化成液态，熔炼升温过程中可以通过炉顶测温度装置对熔体温度进行检测；

　　（14） 按照这种操作流程，依次完成另外三组Cr12钢样品的熔炼和浇铸，然后关闭电源和水路，则实验结束。

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　　目的是去除经磨光后的试样磨面上经细磨留下的细微划痕，使试样磨面成为光亮无痕的镜面。抛光时，试样磨面应均匀的轻压在抛光盘上，并将试样由中心至边缘移动，并做轻微移动，直至试样成为光亮无痕的镜面，即停止抛光。用清水冲洗干净后即可进行浸蚀。

　　根据材料和检验要求正确选择浸蚀剂。一般合金钢采用的腐蚀剂是4%硝酸酒精，因此Cr12钢采用4%硝酸酒精腐蚀。注意掌握浸蚀时间，一般是磨面由光亮逐渐失去光泽而变成银灰色或灰黑色时最适合，通常情况下侵蚀时间为10s左右。通常高倍观察时浸蚀宜浅，低倍观察可深些。试样浸蚀适度后，应立即用清水冲洗干净，滴上乙醇酒精吹干，即可进行显微分析。

　　光学显微镜装置如图3.9所示，根据放大倍数选用所需的物镜和目镜，分别实装在物镜座上及目镜筒内。根据观察需要，选用4x，10x,25x倍的物镜，将试样放在载物台中心，试样观察表面应朝下。转动初调焦手轮，降低载物台使试样观察表面接近物镜，但切勿相碰以免损坏物镜；然后相反方向转动初调焦手轮，升起载物台，使能看到清晰物像为止。适当凋节孔径光阑和视场光阑，以获得最理想的物像。观察结束应及时切断照明电源。在计算机软件上对金相组织分别对四种样品进行拍照。