文|柳八原
编辑|柳八原
钛和*土稀**元素在材料科学和工程领域中具有广泛的应用。它们不仅可以改善材料的力学性能，还对材料的微观结构和性能产生重要影响。在铸铁铬（Cr）合金中，Ti和REE的引入已被证明对其初级结晶和耐磨性具有显著影响。
初级结晶是铸铁铬合金凝固过程中的关键阶段，决定了材料的微观组织和力学性能。Ti和REE作为强化元素，可以改变合金的晶粒尺寸和形貌，并调节相互作用，从而影响晶体的生长行为和晶界结构。通过合适的处理方法和添加剂，Ti和REE的引入可以实现铸铁铬合金中晶粒的细化和均匀分布，从而提高材料的强度、韧性和疲劳寿命。
让我们一起来研究Ti和REE对铸铁铬合金初级结晶和耐磨性的影响。 通过表征材料的微观结构、力学性能和耐磨性能，我们将探索Ti和REE在铸铁铬合金中的作用机制，并为优化合金设计和工艺提供理论依据和实验指导。
研究的材料和方法
最初的W0熔体是通过使用容量为50公斤的感应电炉熔炼共晶铬铸铁来制备的。这种铸铁包含了刚玉衬里，并且装料由工业条件下常用的材料组成，包括废钢、铬铁和渗碳剂。为了制造刚玉衬里，接种的熔体经过重新熔化，并在钢包中加入了孕育剂。
对于TiMM004样品，添加了以下量的孕育剂：混合金属 - 按电荷重量计0.06%，钛 - 按电荷重量计0.06%。而对于TiMM1样品，孕育剂的添加量为 ：混合金属 - 按电荷重量计2%，钛 - 按电荷重量计2%。表展示了使用LECO光谱仪制备的熔体的化学成分。
热导数分析方法（TDA）被用于呈现整个结晶过程，并在该研究中用于检查初级结晶的动力学。该测试台由一台计算机连接到CRYSTALDIGRAPH设备，该设备连接到两个测试仪，反映了两种不同的冷却速度，以便检查具有不同凝固时间的结晶过程。
首先，使用ATD-C（W0，TiMM004，TiMM1）测试仪，对具有较短凝固时间的样品进行测试。然后，使用ATD-Is（W0i，TiMM004i，TiMM1i）测试仪，对具有较长凝固时间的样品进行测试。ATD-Is测试仪中熔体的凝固时间约为ATD-C测试仪的两倍。
通过这种方式，利用TDA方法可以观察和比较不同冷却速度条件下的结晶过程。这些实验结果对于研究材料的凝固行为和晶体生长动力学非常重要，并可以提供关于样品结晶行为的定量信息。
为了评估样品的耐磨性，使用了摩擦测试仪3-POD装置进行基于改进销盘法的耐磨性测试。该方法通过比较样品的磨损与由Creusabro 8000（C8）耐磨钢制成的磨损测试参考样品的磨损来进行评估。
首先，从TDA测试仪的溢流部件中提取用于耐磨性测试的样品。然后，使用C120 SiC砂纸进行干磨损测试。测试过程中，圆盘转速设定为155 rpm，样品架速度为400 rpm，负载为220 g。测试周期时间为10分钟，持续进行六个周期。
通过这种测试方法，可以比较样品与参考样品之间的磨损情况。Creusabro 8000（C8）耐磨钢作为参考样品，具有已知的优秀耐磨性能，因此可以作为评估样品耐磨性的基准。
通过分析耐磨性测试的结果，可以获得样品在给定测试条件下的磨损性能，并将其与参考样品进行比较。这有助于评估样品的耐磨性能，了解其在实际应用中的潜力和可靠性。
金相分析
为了评估样品的耐磨性，使用了摩擦测试仪3-POD装置进行基于改进销盘法的耐磨性测试。该方法通过比较样品的磨损与由Creusabro 8000（C8）耐磨钢制成的磨损测试参考样品的磨损来进行评估。
首先，从TDA测试仪的溢流部件中提取用于耐磨性测试的样品。然后，使用C120 SiC砂纸进行干磨损测试。测试过程中，圆盘转速设定为155 rpm，样品架速度为400 rpm，负载为220 g。测试周期时间为10分钟，持续进行六个周期。
通过这种测试方法，可以比较样品与参考样品之间的磨损情况。Creusabro 8000（C8）耐磨钢作为参考样品，具有已知的优秀耐磨性能，因此可以作为评估样品耐磨性的基准。
通过分析耐磨性测试的结果，可以获得样品在给定测试条件下的磨损性能，并将其与参考样品进行比较。
图像分析结果表明，在两个接种样品中，碳化物的平均面积和平均长度减小，而舍入系数增加。以W0样品为例，碳化物的平均面积为73.276μm²，平均长度为12.594μm，舍入系数为0.402。
而在TiMM004样品中，碳化物的平均面积为59.021μm²，平均长度为9.707μm，舍入系数为0.411。对于TiMM1样品，碳化物的平均面积为50.919μm²，平均长度为9.889μm，舍入系数为0.452，每个样品都对应了20张微观结构照片的分析结果。
研究结果显示，与未接种样品相比，接种样品中的碳化物呈现出更圆形的形状，因此具有更高的冲击强度。以TiMM004样品为例，平均碳化物面积比W0样品降低了23%，平均长度降低了2%，而舍入系数增加了0%。在TiMM1样品中，平均碳化物面积降低了30%，平均长度降低了21%，而舍入系数增加了9%。 这些结果表明，Ti和REE的混合物对合金的显微组织具有显著的细化作用。
大量添加的Ti导致TiC砾岩的形成，因为它在基质中的分布不均匀。这一现象在图像中非常明显。此外，研究发现熔体中形成的碳化钛可能呈现向上移动并靠近表面的趋势。这种现象可能是由于熔融金属之间的密度差异（6.6-7.1 g/cm³）和TiC的密度（4.91 g/cm³）以及对流运动所致。 然而，在含铬的情况下，由于其密度（6.68 g/cm³）与液态金属密度非常相似，不存在碳化铬砾岩的形成。
碳化钛砾岩的形成可能是由于新形成的TiC被困住并在湍流充模过程中形成氧化物双膜的作用。这与John Campbell教授的理论相符（参考文献25）。进一步的研究支持了TiC在铸件高度上的偏析现象，并支持了砾岩形成机制的存在。
磨损分析
在对图像进行分析时，我们注意到以下几点。首先，W0样品的磨损比C8样品低8%，而两种接种样品的耐磨性都优于W0和C8样品。在耐磨性方面，TiMM1样品在所检测的条件下表现最佳。TiMM004样品的磨损比W29样品低0%，比C71样品低8%。TiMM1样品的磨损比W41样品低0%，比C76样品低8%，而TiMM1样品的磨损比TiMM17样品低0.04%。
接种样品中耐磨性的提高可能与TiC的存在有关。由于TiC具有较高的硬度，它可以减少磨损的发生。此外，TiC的存在还能够细化铬7C3碳化物，从而降低碳化物的断裂率。同时，基体由珠光体和奥氏体向纯奥氏体的转变可以增强基体的塑性，并提高碳化物的承载能力，从而降低其磨损率。
硬度分析
用于检查耐磨性的样品使用洛氏法进行硬度评估。硬度测试结果如图所示。
硬度和耐磨性之间存在已知的比例关系;然而，与样品W0（未接种的样品）相比，每个接种样品的硬度较低，这是碳化物相细化以及合金金属基体从珠光体到奥氏体的变化的结果。在其他研究中也获得了类似的硬度降低效果，其中仅使用FeTi进行接种。
扫描电镜分析
在Phenom Pro-X扫描电子显微镜上进行EDS（能量色散X射线光谱）分析可以提供有关孕育剂对铸铁铬的结晶过程和微观结构的影响的信息。
图中展示了TiMM1样品的元素分布图，清晰地显示出碳化钛与共晶碳化物相邻的情况。这表明碳化钛具有作为Cr结晶的底层的能力，同时它们也与共晶碳化物密切相关。TiC的存在和在共晶沉淀中的体积表明，TiC不仅是共晶碳化物的孕育剂，而且构成了共晶本身。
通过EDS分析，我们能够确定TiC在TiMM1样品中的分布情况，并且与Cr结晶有着密切的关联。这为我们揭示了孕育剂对铸铁铬的结晶过程和微观结构产生的影响提供了直观的证据。
对TiMM1样品选定区域的图谱分析表明，合金的显微组织由四种元素决定，即Fe（铁）、Cr（铬）、Ti（钛）和C（碳）。在标记的微观结构中，我们可以观察到一些明亮的颗粒，然而，这些颗粒并未被分析仪检测到。
通过对分析区域的化学成分进行测量（以重量%表示），我们发现铁的含量为64.6%，铬的含量为18.6%，钛的含量为9.6%，碳的含量为7.2%。
进一步的分析显示，含有较高Ti和C含量的颗粒被鉴定为TiC颗粒。我们对结构中的沉淀和轻元素进行了线性分析，结果如图所示，共得到了13个数据点。
在光点上可以观察到大量的铈和镧，在这些点附近，我们可以看到M7C3共晶沉淀以及TiC，这意味着Ce和La化合物可以用作M的有效垫层7C3碳化物，以及碳化钛颗粒结晶的衬垫。
初级结晶方面，Ti和REE的引入可以显著影响铸铁铬合金的晶粒尺寸和形貌。合适的添加剂和处理方法能够实现晶粒的细化和均匀分布，提高材料的强度、韧性和疲劳寿命。
Ti和REE的存在还可以调节晶体的生长行为和晶界结构，进一步优化合金的微观组织。
在耐磨性方面，Ti和REE的加入可以显著提高铸铁铬合金的耐磨性能。它们增加了合金的硬度、抗磨损性和耐蚀性，使合金能够更好地抵抗摩擦、磨损和磨料作用的损伤。特别是Ti的引入可形成硬质碳化物颗粒（如TiC），有效减少磨损并提高合金的耐用性。
Ti和REE的最佳添加量和处理方法是影响初级结晶和耐磨性的关键因素。过高或过低的添加量可能导致合金性能的下降。因此，需要在实际应用中进行合理的添加剂控制和工艺优化，以获得最佳的初级结晶和耐磨性能。