鑄鐵石墨形成機(jī)理探討

關(guān)于鑄鐵石墨形成機(jī)理探討第1頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六1.鑄鐵的分類及石墨化過程2.灰鑄鐵石墨特點及形成機(jī)理3.球鐵石墨特點及形成機(jī)理4.蠕墨鑄鐵石墨特點及形成機(jī)理第2頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六根據(jù)碳在鑄鐵中存在的形態(tài)不同，通?？蓪㈣T鐵分為白口鑄鐵（Fe3C）、灰口鑄鐵(石墨)及麻口鑄鐵。灰口鑄鐵中，根據(jù)石墨的形態(tài)不同分為

普通灰鑄鐵可鍛鑄鐵球墨鑄鐵蠕墨鑄鐵

1.鑄鐵的分類及石墨化過程1.1鑄鐵的分類第3頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六1、石墨為穩(wěn)定相，具有特殊的簡單六方晶格，石墨的強(qiáng)度、硬度和塑性都很差。

2、可以直接析出石墨；3、Fe3C在一定條件下分解為鐵素體和石墨，即：Fe3C→3Fe+G（石墨）。

1.2.1鑄鐵中的石墨1.2石墨化過程及其影響因素：石墨結(jié)構(gòu)第4頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六

鐵碳合金的結(jié)晶實際上存在兩種相圖，即Fe3C-Fe和Fe-G相圖，鐵碳合金結(jié)晶條件不同可以全部或部分地按照其中的一種或另一種相圖進(jìn)行結(jié)晶。1.2.2Fe-G相圖1.2石墨化過程及其影響因素：第5頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六兩個相圖的比較：Fe—Fe3C相圖Fe—G相圖共晶溫度1148℃1154℃共析溫度727℃738℃S點0.77%0.68%E點2.11%2.08%C點4.30%4.26%第6頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六1.2.3石墨化過程鑄鐵組織中石墨的形成叫“石墨化”過程。第一階段:LcAE+G共晶石墨第二階段:AG二次石墨第三階段:ASFp+G共析石墨1.2石墨化過程及其影響因素：第一階段第二階段第三階段第7頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六

第一、二階段石墨化完全進(jìn)行

→C主要以石墨存在

第三階段石墨化完全進(jìn)行→

F基體+石墨

第三階段石墨化部分進(jìn)行→

P+F基體+石墨第三階段石墨化沒有進(jìn)行→

P基體+石墨

第一、二階段石墨化部分進(jìn)行第三階段石墨化沒有進(jìn)行→石墨與Fe3CⅡ共存

第一、二階段石墨化沒有進(jìn)行第三階段石墨化沒有進(jìn)行→C以Fe3C形式存在冷速慢快灰口鑄鐵麻口鑄鐵白口鑄鐵1.2.4石墨化程度與鑄鐵分類1.2石墨化過程及其影響因素：第8頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六

↑碳當(dāng)量，↑時間→有利于石墨化冷速慢→促進(jìn)石墨化冷速快→抑制石墨化1.2.5影響石墨化的因素

化學(xué)成分：C、Si促進(jìn)石墨化元素

Mn、S阻礙石墨化元素

冷卻速度：WC+Wsi(%)1.2石墨化過程及其影響因素：第9頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六A型D型C型B型F型E型金相組織特點及對性能的影響灰鑄鐵主要石墨形態(tài)2.灰鑄鐵石墨特點及形成機(jī)理第10頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六A型石墨A型石墨是在石墨的成核能力較強(qiáng)，冷卻速度較慢，共晶轉(zhuǎn)化在很小的過冷度下進(jìn)行時形成的片狀石墨。

1.低的過冷度2.足夠的形核核心有論文認(rèn)為，共晶度較小的情況下，強(qiáng)脫氧元素Al和Zr在孕育前進(jìn)行0.007%~0.010%的預(yù)處理對石墨形態(tài)控制明顯有利2.灰鑄鐵石墨特點及形成機(jī)理第11頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六B型石墨

B型石墨呈放射狀，其實質(zhì)上是中心部分由D型石墨組成，放射狀的外圍則為A型石墨。共晶團(tuán)的中心部分形成過冷（D型）石墨，隨著結(jié)晶過程的進(jìn)行，在共晶轉(zhuǎn)變中釋放出結(jié)晶潛熱向周圍散出，導(dǎo)致結(jié)晶過冷度降低，故外層石墨生長速率延緩，石墨片又逐漸長成了片狀，而且沿著熱流的方向長成了輻射狀。再進(jìn)一步向外發(fā)展時，由于熱流已不再有明顯的輻射方向性，故外圍又長成了蜷曲的片狀A(yù)TYPE石墨。B型=A型+D型2.灰鑄鐵石墨特點及形成機(jī)理第12頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六C型石墨C型石墨是在碳當(dāng)量很高（過共晶），冷卻速度很慢的情況下出現(xiàn)的粗大石墨形態(tài)。容易產(chǎn)生C型石墨的兩種情況：

一是生鐵遺傳性因素引起形成C型石墨，電爐本身過熱溫度低，生鐵中的粗大石墨不能完全熔化。

二是部分增碳劑進(jìn)入鑄件型腔隨其余鐵水一起結(jié)晶凝固，這部分石墨就起到了過共晶成分鐵液先析出的初生石墨的作用。2.灰鑄鐵石墨特點及形成機(jī)理第13頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六D型石墨

D型石墨形態(tài)特征是在奧氏體枝晶間分布著大量細(xì)小而無一定方向性的近似點狀石墨。

這是由于鐵水缺乏形核因子或孕育效果的影響、或鑄件本身壁薄同時澆注后冷卻速度非?？?，造成結(jié)晶過冷度變大，這樣的情況下鑄件中先析出了奧氏體，同時過冷度較大，導(dǎo)致奧氏體枝晶生長，將鐵液分割，但二次枝晶發(fā)育不完全，因此石墨無一定的方向性。過冷石墨2.灰鑄鐵石墨特點及形成機(jī)理第14頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六E型石墨

E型石墨形態(tài)特征是在奧氏體枝晶間分布著大量細(xì)小片狀石墨呈方向性分布。E型石墨的形成機(jī)理與D型石墨相似，但是過冷度較D型較小，奧氏體枝晶細(xì)密，同時二次枝晶近于同時完成。二次枝晶具有方向性，與結(jié)晶潛熱方向相同。同時由于過冷度不是很大，石墨生長成為片狀。2.灰鑄鐵石墨特點及形成機(jī)理第15頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六F型石墨F型石墨是我國標(biāo)準(zhǔn)中所特有的，其特點是在星型石墨上分布著許多小的石墨片（這些小石墨片呈A型分布）。F型石墨實質(zhì)上亦是過共晶石墨，是高碳鐵水在較大過冷條件下生長的。星型石墨可以認(rèn)為是相當(dāng)于C型中的初生石墨，小片狀A(yù)型石墨在其上沿結(jié)晶潛熱方向生長。F型=A型+C型2.灰鑄鐵石墨特點及形成機(jī)理第16頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六3.球鐵石墨特點及形成機(jī)理3.1球鐵主要石墨形態(tài)第17頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六3.球鐵石墨特點及形成機(jī)理3.2球墨鑄鐵微觀凝固過程球墨鑄鐵凝固過程主要分為三個階段

(1)石墨初始形態(tài)形成階段大量的石墨球首先在液相中析出(2)奧氏體殼層形成階段隨著熔體溫度的下降，先析出石墨長大，由于石墨的生長速度大于C在液體中的擴(kuò)散速度，較大的石墨球周圍出現(xiàn)貧碳層，在石墨周圍有奧氏體殼層形成。(3)石墨和奧氏體離異生長階段隨著奧氏體殼層的形成，奧氏體外延生長，并在液相中長大；奧氏體的結(jié)晶析出又會促進(jìn)新的石墨球狀初始形態(tài)在液相中形成。第18頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六3.球鐵石墨特點及形成機(jī)理3.2球墨鑄鐵微觀凝固過程目前主要的物理模型來解釋球墨鑄鐵的凝固過程多球模型（大多數(shù)）單球模型G.Rivera等人提出的一個新的凝固模型。在模型中每個凝固單元為有枝晶結(jié)構(gòu)和許多石墨球的一個共晶奧氏體晶粒。第19頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六3.球鐵石墨特點及形成機(jī)理3.2球墨鑄鐵微觀凝固過程球墨鑄鐵凝固的特點為糊狀凝固

這是由于球墨鑄鐵的成分在共晶點附近，凝固斷面上液-固兩相區(qū)寬，當(dāng)包圍石墨的奧氏體臨近接觸時，尚未凝固的液態(tài)金屬被分割成一個個小的連續(xù)熔池，失去了補(bǔ)縮通道，呈現(xiàn)出糊狀狀態(tài)。糊狀凝固是球墨鑄鐵的固有屬性。這也是產(chǎn)生縮松的根本原因。與灰鑄鐵凝固的主要區(qū)別在于球墨鑄鐵的凝固方式為非共晶共長方式。

石墨長大進(jìn)入共晶階段后，奧氏體殼已經(jīng)形成，C原子由鐵水通過固態(tài)的奧氏體殼擴(kuò)散到石墨球上，同時Fe原子由石墨-奧氏體界面處擴(kuò)散出去，這一過程比C原子在鐵水中的擴(kuò)散速度要慢的多，因此球墨鑄鐵的共晶凝固時間長。第20頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六3.球鐵石墨特點及形成機(jī)理3.3石墨的球化機(jī)理石墨核心探究

石墨球核心形貌各異，有球形、片狀以及錐形。石墨球異質(zhì)核心多數(shù)為單核心，但也存在少量雙重和多重核心結(jié)構(gòu)。核心的尺寸在微米級別，約為0.6~7μm。石墨球核心物質(zhì)主要是硫化物、氧化物及碳化物，它們中的一種或多種化合物共同構(gòu)成石墨球異質(zhì)核心。MgS、MnS、CaS、FeS、SiO2、MgO、SiC、TiC第21頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六3.球鐵石墨特點及形成機(jī)理3.3石墨的球化機(jī)理自球鐵問世以來，出現(xiàn)了很多解釋球化現(xiàn)象的理論，但是到目前為止球狀石墨的形成機(jī)理還沒有統(tǒng)一的認(rèn)識，以下為主要的幾種理論。石墨結(jié)構(gòu)第22頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六3.球鐵石墨特點及形成機(jī)理3.3石墨的球化機(jī)理沿a面長大速度快會增大片狀面積，沿c面長大速度快會增大石墨厚度。當(dāng)va＞vc最終會形成片狀石墨，當(dāng)va=vc或va＜vc則會形成球狀石墨。

表面活性元素如氧、硫等富集吸附在石墨棱面降低了該面界面張力和界面能，加速石墨沿棱面a軸的生長速度，球化元素能夠脫硫脫氧，遏制促進(jìn)c軸生長速度，從而形成球狀石墨。界面能說第23頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六3.球鐵石墨特點及形成機(jī)理3.3石墨的球化機(jī)理與界面能說相同，同樣認(rèn)為活性元素阻礙了石墨的球狀生長，但強(qiáng)調(diào)了Mg、稀土元素具有脫氧脫硫的作用之外，還具有使C軸生長強(qiáng)烈分支的作用。促使石墨呈“小角簇”螺旋晶方式生長。

位錯學(xué)說第24頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六3.球鐵石墨特點及形成機(jī)理3.3石墨的球化機(jī)理鐵液中存在氣泡，這些氣泡界面是最容易形成石墨結(jié)晶的位置。由于石墨的晶格結(jié)構(gòu)，沿氣泡界面形成板狀晶，如果板狀晶的生長前沿相互干涉，則該處形成石墨的晶界，再向氣泡內(nèi)側(cè)進(jìn)一步生長板狀晶；上述過程反復(fù)進(jìn)行。形成了球狀石墨。

氣泡學(xué)說第25頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六3.球鐵石墨特點及形成機(jī)理3.3石墨的球化機(jī)理鐵液經(jīng)過Mg處理后表面張力有很大的增加。增加鐵水表面張力可以促使石墨球的形成。但不能解釋經(jīng)過鋁脫氧處理后的鐵水，石墨不呈球形。但說明一定的表面張力是得到球狀石墨的必要