鑄鐵石墨形成機理探討

1、鑄鐵石墨形成機理探討鑄鐵石墨形成機理探討時曉時曉1.鑄鐵的分類及石墨化過程鑄鐵的分類及石墨化過程2.灰鑄鐵石墨特點及形成機理灰鑄鐵石墨特點及形成機理3.球鐵石墨特點及形成機理球鐵石墨特點及形成機理4.蠕墨鑄鐵石墨特點及形成機理蠕墨鑄鐵石墨特點及形成機理 根據碳在鑄鐵中存在的形態(tài)不同，通?？蓪㈣T鐵分為白白口鑄鐵（口鑄鐵（FeFe3 3C C）、灰口鑄鐵灰口鑄鐵( (石墨石墨) )及麻口鑄鐵麻口鑄鐵?；铱阼T鐵中，根據石墨的形態(tài)不同分為 普通灰鑄鐵普通灰鑄鐵 可鍛鑄鐵可鍛鑄鐵 球墨鑄鐵球墨鑄鐵 蠕墨鑄鐵蠕墨鑄鐵 1.鑄鐵的分類及石墨化過程鑄鐵的分類及石墨化過程1.1鑄鐵的分類 1、石墨為穩(wěn)定相，具有

2、特殊的簡、石墨為穩(wěn)定相，具有特殊的簡 單六方晶格，石墨的強度、硬單六方晶格，石墨的強度、硬 度和塑性都很差。度和塑性都很差。 2 2、可以直接析出石墨；、可以直接析出石墨； 3 3、FeFe3 3C C在一定條件下分解為在一定條件下分解為 鐵素體和石墨，鐵素體和石墨， 即：即：FeFe3 3C3Fe+GC3Fe+G（石墨）石墨）。 1.2.1 鑄鐵中的石墨1.2 石墨化過程及其影響因素：石墨結構 鐵碳合金的結晶實際上存在兩種相圖，即FeFe3 3C-FeC-Fe和Fe-GFe-G相圖，鐵碳合金結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行結晶。1.2.2 Fe-G相圖1.2石墨化過

3、程及其影響因素：兩個相圖的比較：兩個相圖的比較：FeFeFeFe3 3C C相圖相圖FeFeG G相圖相圖共晶溫度11481154共析溫度727738S點0.77%0.68%E點2.11%2.08%C點4.30%4.26%1.2.3 石墨化過程 鑄鐵組織中石墨的形成叫鑄鐵組織中石墨的形成叫“石墨化石墨化” ” 過程。過程。第一階段第一階段: : Lc ALc AE E+G+G 共晶石墨共晶石墨 第二階段第二階段: : A GA G 二次石墨二次石墨 第三階段第三階段: : A AS S F Fp p+G+G 共析石墨共析石墨1.2石墨化過程及其影響因素：第一階段第一階段第二階段第二階段第三階段

4、第三階段 第一、二階段石墨化完全進行 C主要以石墨存在主要以石墨存在 第三階段石墨化完全進行 F基體+石墨 第三階段石墨化部分進行 P+F基體+石墨 第三階段石墨化沒有進行 P基體+石墨 第一、二階段石墨化部分進行 第三階段石墨化沒有進行 石墨與Fe3C共存 第一、二階段石墨化沒有進行 第三階段石墨化沒有進行 C以Fe3C形式存在冷速冷速慢慢快快灰口鑄鐵灰口鑄鐵麻口鑄鐵麻口鑄鐵白口鑄鐵白口鑄鐵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： 碳當量，時間 有利于石墨化 冷速慢 促進石墨化 冷速快 抑制石墨化1.2.5 影響石墨化的因素 化學成分：化學成分：C、Si促進石墨化元素

5、Mn、S阻礙石墨化元素 冷卻速度：冷卻速度： WC+Wsi(%)1.2石墨化過程及其影響因素：A型型D型型C型型B型型F型型E型型金相組織特點及對性能的影響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理灰鑄鐵石墨特點及形成機理A型石墨 A型石墨是在石墨的成核能力較強，冷卻速度較慢，共晶轉化在很小的過冷度下進行時形成的片狀石墨。 1.1.低的過冷度低的過冷度2.2.足夠的形核核心足夠的形核核心有論文認為，共晶度較小的情況下，強脫氧元素Al和Zr在孕育前進行0.007%0.010%的預處理對石墨形態(tài)控制明顯有利2.灰鑄鐵石墨特點及形成機理灰鑄鐵石墨特點及形成機理B型石墨

6、B型石墨呈放射狀，其實質上是中心部分由D型石墨組成，放射狀的外圍則為A型石墨。 共晶團的中心部分形成過冷（D型）石墨，隨著結晶過程的進行，在共晶轉變中釋放出結晶潛熱向周圍散出，導致結晶過冷度降低，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ATYPE石墨。B型=A型+D型2.灰鑄鐵石墨特點及形成機理灰鑄鐵石墨特點及形成機理C型石墨 C型石墨是在碳當量很高（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

7、熱溫度低，生鐵中的粗大石墨不能完全熔化。 二是部分增碳劑進入鑄件型腔隨其余鐵水一起結晶凝固，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理灰鑄鐵石墨特點及形成機理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。過冷石墨過冷石墨2.灰鑄鐵石墨特點及形成機理灰鑄鐵石墨特點及形成機理E型石墨 E型

8、石墨形態(tài)特征是在奧氏體枝晶間分布著大量細小片狀石墨呈方向性分布。 E型石墨的形成機理與D型石墨相似，但是過冷度較D型較小，奧氏體枝晶細密，同時二次枝晶近于同時完成。二次枝晶具有方向性，與結晶潛熱方向相同。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理灰鑄鐵石墨特點及形成機理F型石墨 F型石墨是我國標準中所特有的，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。星型石墨可以認為是相當于C型中的初生石墨，小片狀A型石墨在其上沿結晶潛熱方向生長。F型=A型+C型2.灰鑄鐵石墨特點及形成機理灰

9、鑄鐵石墨特點及形成機理3.球鐵石墨特點及形成機理球鐵石墨特點及形成機理3.1 球鐵主要石墨形態(tài)3.球鐵石墨特點及形成機理球鐵石墨特點及形成機理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；奧氏體的結晶析出又會促進新的石墨球狀初始形態(tài)在液相中形成。3.球鐵石墨特點及形成機理球鐵

10、石墨特點及形成機理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多球模型（大多數(shù)）（大多數(shù)）單球模型單球模型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構和許多石墨球的一個共晶奧氏體晶粒。3.球鐵石墨特點及形成機理球鐵石墨特點及形成機理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。這也是產生縮松的根本原因。 與灰

11、鑄鐵凝固的主要區(qū)別在于球墨鑄鐵的凝固方式為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。非共晶共長方式。 石墨長大進入共晶階段后，奧氏體殼已經形成，C 原子由鐵水通過固態(tài)的奧氏體殼擴散到石墨球上，同時 Fe 原子由石墨-奧氏體界面處擴散出去，這一過程比 C 原子在鐵水中的擴散速度要慢的多，因此球墨鑄鐵的共晶凝固時間長。3.球鐵石墨特點及形成機理球鐵石墨特點及形成機理3.3 石墨的球化機理 石墨核心探究 石墨球核心形貌各異，有球形、片狀以及錐形。石墨球異質核心多數(shù)為單核心，但也存在少量雙重和多重核心結構。核心的尺寸在微米級別，約為0.67 m。 石墨球核心物質主要是硫化物、氧化物

12、及碳化物，它們中的一種或多種化合物共同構成石墨球異質核心。MgS、 MnS、 CaS、FeS、SiO2、MgO、SiC、TiC3.球鐵石墨特點及形成機理球鐵石墨特點及形成機理3.3 石墨的球化機理 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理還沒有統(tǒng)一的認識，以下為主要的幾種理論。石墨結構石墨結構3.球鐵石墨特點及形成機理球鐵石墨特點及形成機理3.3 石墨的球化機理 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vavc最終會形成片狀石墨，當va=vc 或vavc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

13、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c軸生長速度，從而形成球狀石墨。界面能說界面能說3.球鐵石墨特點及形成機理球鐵石墨特點及形成機理3.3 石墨的球化機理 與界面能說相同，同樣認為活性元素阻礙了石墨的球狀生長，但強調了Mg、稀土元素具有脫氧脫硫的作用之外，還具有使C軸生長強烈分支的作用。促使石墨呈“小角簇”螺旋晶方式生長。 位錯學說位錯學說3.球鐵石墨特點及形成機理球鐵石墨特點及形成機理3.3 石墨的球化機理 鐵液中存在氣泡，這些氣泡界面是最容易形成石墨結晶的位置。由于石墨的晶格結構，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，再向氣泡內側進一步生長板狀晶；上述過程反復進行。形成了球狀石墨。 氣泡學說氣泡學說3.球鐵石墨特點及形成機理球鐵石墨特點及形成機理3.3 石墨的球化機理 鐵液經過 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條件。 表面張力學說表面張力學說 現(xiàn)在的研究人員研究人員傾向于將界面能現(xiàn)在的研究人員研究人員傾向于將界面能( (吸附吸附) )學說和螺學說和螺旋生長學說結合起來，但按這種方式進行長大的機制，還缺乏旋生長學說結