元素在球墨铸铁中的偏析行为

1．偏析系数K_s

元素在球墨铸铁枝晶中的K_s被定义为

K_s= 枝晶心部溶质浓度/ 枝晶间溶质浓度

然而，元素在球墨铸铁共晶晶粒的K。与灰铸铁的表述略有差别。由于球墨铸铁共晶晶粒定义表达的多样性使共晶晶粒的K。界定变得十分困难。为方便对球墨铸铁偏析的量化表述，采取最简单的凝固单元定义：一个石墨球+奥氏体壳：一个共晶晶粒。于是

K_s= 石墨体表面外奥氏体的溶质浓度/ 奥氏体壳外缘溶质浓度

表1给出一些元素在球墨铸铁共晶晶粒中的偏析系数K_s值。鉴于试样制取条件不同，表中K_s有较大差异。对比表1与表2灰铸铁的K_s值，元素在球墨铸铁中的偏析程度比灰铸铁严重。

表1  元素在球墨铸铁中的偏析系数K_s

表2  元素在灰铸铁中的偏析系数K_s

元素在球墨铸铁中的分布规律与灰铸铁相同。K_s>1的反偏析元素(Si、Cu、Ni、Co、Al )优先分布在靠近石墨球附近的奥氏体晶内；K_s<1正偏析元素(Mn、Mo、Cr、P、V、Ti)则富集于共晶晶粒间的残余液体中。C的偏析行为受Si影响，由于反偏析元素优先进入奥氏体相，降低碳在奥氏体中的溶解度，C被推向LTF区，反映出正偏析特征。

2．元素偏析随凝固过程的变化

在凝固进程中，各溶质元素在固相、固液界面以及液相中的含量变化是不同的。图1示出不同阶段的液淬组织，A为最早析出的固相，B为固-液界面，C为尚未凝固的液相。图2是4、B、C三位置处元素含量随凝固进程的变化规律。清楚看出：①石墨球旁(A点)的溶质元素不依固相体积分数变化而变化，说明元素在固相中的扩散很小；Ni、Cu、Si反偏析元素在A点的实际含量比铁液平均值C₀高，使C/C₀>1，其中Ni、Cu的相对浓度比Si大。Mo、Cr、Mn正偏析元素在奥氏体固相内含量低于铁液平均值，使C/C₀<1，最低为Mo，其次是Cr、Mn。②凝固固相边缘(B点)的Ni、Cu、Si值随固相体积分数增加而逐渐下降。Mo、Cr、Mn则逐渐上升。③在液相区(C点)，凝固开始(固相体积分数为0％)时，各元素的含量与铁液原始成分C₀相同，C/C₀=1。随凝固进行，液相区在缩小，正偏析元素Mo、Cr、Mn逐渐增多，偏析程度的次序为Mo>Cr>Mn。反偏析元素Ni、Cu、Si则逐渐贫化，偏析顺序是Cu>Ni>Si。

a)

b)

图1  球铁不同凝固阶段的液淬金相组织

a) 凝固初期   A—石墨球旁最早析出的固相   B—固-液界面处 

 b) 凝固末期   C—未凝固的液相

a)                                                        b)                                                      c)

图2  A、B、C位置各溶质元素含量随凝固进程的变化

a) A点     b) B点     c) C点

铁液成分(均质量分数)：C=3.65％，Si=2.45％，Mn=0.41，单独另含：Cu=0.91％，

Mo=0.83％，Cr=0.50％，Ni=0.83％。C为实际含量，Co为平均含量   试样尺寸Ф12mm

3．元素在液体通道中的偏析

石墨球周围的奥氏体壳是由若干个奥氏体晶粒组成的，在晶粒之间形成液体通道。作者测定出正偏析元素在液体通道内的浓度普遍较高，残余液体内则最高，见图3。此外，发现低熔点元素容易在此富集。

图3    元素在液体通道中的分布

a)电子探针测试位置    b)元素的分布

G—石墨球   A—奥氏体   K—液体通道   R—残余液体

试样化学成分(均质量分数)：C=3.65％，Si=3.19％，Mn=0.02％，P=0.035％，S=0.002％，Ni=0.07％，Cr=0.03％，Mg=0.057％

4．枝晶间偏析

厚壁球墨铸铁的缓冷奥氏体枝晶发达(最长可达70mm)，沿热流方向分布。枝晶间剩余液体中的正偏析元素不断富集，形成枝晶间偏析。图4是厚壁铸件缓冷枝晶偏析的测试位置，表3给出枝晶内与枝晶间化学成分电子探针分析结果。测试数据显示Cr、Mn、Ti、P在枝晶间含量普遍高，反偏析元素Si则集中在枝晶内。

表3  枝晶内、枝晶间Si、Cr、Mn、Ti、P、S的分布(质量分数，％)

图4  缓冷枝晶的枝晶偏析测试位置

1、2—枝晶内   3、4、5、6—枝晶间