[科普中國]-包晶反應(yīng)

簡介

如下圖中所示的二元體系，它包含有異元熔化相ab，成分點(diǎn)x即為以ab，結(jié)晶過程中，包晶反應(yīng)為：

L（包晶成分）+β→ab，它與ab的熔化是相反的過程。

現(xiàn)在研究位于β初相區(qū)之上的成分點(diǎn)y，在圖中畫出了剛好位于包晶溫度以上的連結(jié)線及剛好位于包晶溫度以下的連結(jié)線。在包晶溫度以上，體系中有包晶成分的液相和β相固體；在包晶溫度以下，有平衡相ab和β。因此結(jié)晶反應(yīng)為：L（包晶成分）+β→ab+β，在此過程中β相被部分吸收。1

包晶反應(yīng)的影響δ-Fe相的析出和包晶反應(yīng)對鑄造碳鋼和低合金鋼是非常重要的結(jié)晶過程階段。在一次結(jié)晶過程中形成的奧氏體的晶粒度與原始δ-Fe相的晶粒大小及包晶反應(yīng)的結(jié)晶過冷度有關(guān)。δ-Fe 相的晶粒度愈細(xì)小及包品反應(yīng)的結(jié)晶過冷度愈大時，則所形成的奧氏體晶粒愈細(xì)。

實際上，奧氏體的枝晶臂間距也同樣與δ-Fe相的結(jié)晶過程有關(guān)。在-Pe的析出過程中，當(dāng)冷卻速度增大時，δ-Fe相的結(jié)晶前沿處的溫度梯度增大，枝晶臂間距減小，分枝增多，因面使得進(jìn)一步生成的奧氏體的枝晶細(xì)化。
同理，奧氏體晶粒內(nèi)部的結(jié)晶偏析，也與δ-Fe相的結(jié)晶過程條件有關(guān)。結(jié)晶過冷度大時，原子擴(kuò)散遲緩，結(jié)晶偏析程度也相應(yīng)減輕。通過對鋼液進(jìn)行孕育處理和變質(zhì)處理，能夠人為地改變這一段結(jié)晶過程的條件，從而改
善厚壁鑄件的組織，提高其性能。

如采用鈦、鋯、釩等元素對鋼液進(jìn)行孕育，則能夠在鋼液中形成大量彌散的鈦、鋯等元素的氮化物，作為δ-Fe析出時的非均質(zhì)晶核，從而使δ-Fe相細(xì)化。采用鈰、鑭等稀，士元素對鋼被進(jìn)行變質(zhì)處理，能細(xì)化δ-Pe相的枝晶臂間距。由于稀土元素具有表面活性的特性，在鑄鋼結(jié)晶中，稀土元素僅有微量固溶于δ-Fe相中，大部分富集在δ-Fe枝晶的結(jié)晶前沿，并吸附在δ-Fe枝晶表面，阻礙鐵原子的擴(kuò)散，從而延緩δ-Fe的結(jié)晶過程，使8-Fe的結(jié)晶過冷度增大，并使包晶反應(yīng)溫度降低，從而促使δ-Fe相晶粒細(xì)化，一次枝晶長度縮短，并使枝晶臂間距縮小。見下圖：2

包晶反應(yīng)的應(yīng)用包晶合金在一般凝固條件下，得到的組織通常是粗的兩相枝晶組織，包晶反應(yīng)和包晶轉(zhuǎn)變所產(chǎn)生的固相往往包圍著先包晶相（初生相），不能得到象共晶合金一樣的兩相均勻混合物；同時由于包晶反應(yīng)的不完全性，所以凝固后的合金中存在嚴(yán)重的顯微偏析和宏觀偏析。由于上述原因，包晶合金在工業(yè)上的應(yīng)用比共晶合金要少。但是，包晶反應(yīng)具有下述兩個顯著特點(diǎn)l一是包晶反應(yīng)的形成相依附在初生相（先包晶相）上形成，二是包晶反應(yīng)的不完全性。利用這兩個特點(diǎn)，在工業(yè)上有以下應(yīng)用。3

在軸承合金中的應(yīng)用軸承是用來支承軸頸的，軸在轉(zhuǎn)動過程中與軸承之間不可避免要出現(xiàn)摩擦和磨損。在使用中通常希望被磨損的是軸承，而不是軸，因為更換一根軸比更換軸承要困難和昂貴得多。實踐表明，滑動軸承主要失效方式是嚴(yán)重磨損和因發(fā)熱而咬合。根據(jù)軸承工作條件，希望軸承合金的組織由具有足夠塑性和韌性的基體及均勻分布的硬質(zhì)點(diǎn)所組成。這些硬質(zhì)點(diǎn)一般都是金屬化合物，所占的體積比例為5～50%。軟的基體使軸承具有良好的磨合性，不會因受沖擊而開裂，硬的質(zhì)點(diǎn)使軸承具有小的摩擦系數(shù)和抗咬合性能。軸承合金還要求具有高的導(dǎo)熱性和小的膨脹系等等。

在下圖中影線區(qū)所包括的包晶合金可能滿足軸承合金所提出的要求，這些合金先結(jié)晶出硬的化合物，然后通過包晶反應(yīng)形成軟的固溶體，并把硬的化合物質(zhì)點(diǎn)包圍起來，從而得到軟的基體上分布有硬的化合物質(zhì)點(diǎn)的組織。Sn-Sb系軸承合金就屬此例。

在孕育處理中的應(yīng)用在鎂、鎂一鋯合金中加入鋯合金或含鋯的鹽類，在鋁合金中加入Al—Ti合金或可被還原的含鈦鹽類。在銅合鐵或鐵合金等等都是通過包晶反應(yīng)而增進(jìn)和促使形核，從而顯著細(xì)化晶粒。

包晶反應(yīng)涉及一個液相和一個固相轉(zhuǎn)變成另一個新固相的過程，新固相一包晶反應(yīng)的產(chǎn)物包圍初生相，使包晶轉(zhuǎn)變難于進(jìn)行到底，也就是說包晶反應(yīng)必然要形成一個包層，而包層是擴(kuò)散障壁，溶質(zhì)原子通過包層的擴(kuò)散速度控制了包晶轉(zhuǎn)變的速度和程度，而溶質(zhì)原子在固相中擴(kuò)散速度通常是小的，因此包晶轉(zhuǎn)變一般進(jìn)行得很不完全，包晶反應(yīng)所形成的晶粒是小的。如果在包品反應(yīng)前，在熔體中出現(xiàn)大量先包晶相的微小質(zhì)點(diǎn)，當(dāng)溫度梯度足夠小時，主要相（包晶形成相）將沿著它們形核；并由于形成包層，它起著擴(kuò)散障壁作用，使主要相的長大受到限制，因此凝固后得到細(xì)小的晶粒。包晶形核的一個重要特點(diǎn)是非均質(zhì)晶核在熔體內(nèi)部形成，因此，它們對主要相結(jié)晶提供未污染的和潔凈的界面。3