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(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期六1.鑄鐵的分類及石墨化過(guò)程2.灰鑄鐵石墨特點(diǎn)及形成機(jī)理3.球鐵石墨特點(diǎn)及形成機(jī)理4.蠕墨鑄鐵石墨特點(diǎn)及形成機(jī)理第2頁(yè)，共28頁(yè)，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?；铱阼T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(guò)程1.1鑄鐵的分類第3頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期六1、石墨為穩(wěn)定相，具有特殊的簡(jiǎn)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(guò)程及其影響因素：石墨結(jié)構(gòu)第4頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

鐵碳合金的結(jié)晶實(shí)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(guò)程及其影響因素：第5頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期六兩個(gè)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(diǎn)0.77%0.68%E點(diǎn)2.11%2.08%C點(diǎn)4.30%4.26%第6頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期六1.2.3石墨化過(guò)程鑄鐵組織中石墨的形成叫“石墨化”過(guò)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(guò)程及其影響因素：第一階段第二階段第三階段第7頁(yè)，共28頁(yè)，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(méi)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(méi)有進(jìn)行→石墨與Fe3CⅡ共存

第一、二階段石墨化沒(méi)有進(jìn)行第三階段石墨化沒(méi)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(guò)程及其影響因素：第8頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

↑碳當(dāng)量，↑時(shí)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(guò)程及其影響因素：第9頁(yè)，共28頁(yè)，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(diǎn)及對(duì)性能的影響灰鑄鐵主要石墨形態(tài)2.灰鑄鐵石墨特點(diǎn)及形成機(jī)理第10頁(yè)，共28頁(yè)，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(guò)冷度下進(jìn)行時(shí)形成的片狀石墨。

1.低的過(guò)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(duì)石墨形態(tài)控制明顯有利2.灰鑄鐵石墨特點(diǎn)及形成機(jī)理第11頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期六B型石墨

B型石墨呈放射狀，其實(shí)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(guò)冷（D型）石墨，隨著結(jié)晶過(guò)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(guò)冷度降低，故外層石墨生長(zhǎng)速率延緩，石墨片又逐漸長(zhǎng)成了片狀，而且沿著熱流的方向長(zhǎng)成了輻射狀。再進(jìn)一步向外發(fā)展時(shí)，由于熱流已不再有明顯的輻射方向性，故外圍又長(zhǎng)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(diǎn)及形成機(jī)理第12頁(yè)，共28頁(yè)，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(guò)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(guò)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(guò)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(diǎn)及形成機(jī)理第13頁(yè)，共28頁(yè)，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(wú)一定方向性的近似點(diǎn)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(shí)澆注后冷卻速度非?？?，造成結(jié)晶過(guò)冷度變大，這樣的情況下鑄件中先析出了奧氏體，同時(shí)過(guò)冷度較大，導(dǎo)致奧氏體枝晶生長(zhǎng)，將鐵液分割，但二次枝晶發(fā)育不完全，因此石墨無(wú)一定的方向性。過(guò)冷石墨2.灰鑄鐵石墨特點(diǎn)及形成機(jī)理第14頁(yè)，共28頁(yè)，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(guò)冷度較D型較小，奧氏體枝晶細(xì)密，同時(shí)二次枝晶近于同時(shí)完成。二次枝晶具有方向性，與結(jié)晶潛熱方向相同。同時(shí)由于過(guò)冷度不是很大，石墨生長(zhǎng)成為片狀。2.灰鑄鐵石墨特點(diǎn)及形成機(jī)理第15頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期六F型石墨F型石墨是我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中所特有的，其特點(diǎn)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(shí)質(zhì)上亦是過(guò)共晶石墨，是高碳鐵水在較大過(guò)冷條件下生長(zhǎng)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(zhǎng)。F型=A型+C型2.灰鑄鐵石墨特點(diǎn)及形成機(jī)理第16頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期六3.球鐵石墨特點(diǎn)及形成機(jī)理3.1球鐵主要石墨形態(tài)第17頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期六3.球鐵石墨特點(diǎn)及形成機(jī)理3.2球墨鑄鐵微觀凝固過(guò)程球墨鑄鐵凝固過(guò)程主要分為三個(gè)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(zhǎng)大，由于石墨的生長(zhǎng)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(zhǎng)階段隨著奧氏體殼層的形成，奧氏體外延生長(zhǎng)，并在液相中長(zhǎng)大；奧氏體的結(jié)晶析出又會(huì)促進(jìn)新的石墨球狀初始形態(tài)在液相中形成。第18頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期六3.球鐵石墨特點(diǎn)及形成機(jī)理3.2球墨鑄鐵微觀凝固過(guò)程目前主要的物理模型來(lái)解釋球墨鑄鐵的凝固過(guò)程多球模型（大多數(shù)）單球模型G.Rivera等人提出的一個(gè)新的凝固模型。在模型中每個(gè)凝固單元為有枝晶結(jié)構(gòu)和許多石墨球的一個(gè)共晶奧氏體晶粒。第19頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期六3.球鐵石墨特點(diǎn)及形成機(jī)理3.2球墨鑄鐵微觀凝固過(guò)程球墨鑄鐵凝固的特點(diǎn)為糊狀凝固

這是由于球墨鑄鐵的成分在共晶點(diǎn)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(shí)，尚未凝固的液態(tài)金屬被分割成一個(gè)個(gè)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(zhǎng)方式。

石墨長(zhǎng)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(guò)固態(tài)的奧氏體殼擴(kuò)散到石墨球上，同時(shí)Fe原子由石墨-奧氏體界面處擴(kuò)散出去，這一過(guò)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(shí)間長(zhǎng)。第20頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期六3.球鐵石墨特點(diǎn)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(jí)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(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期六3.球鐵石墨特點(diǎn)及形成機(jī)理3.3石墨的球化機(jī)理自球鐵問(wèn)世以來(lái)，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(méi)有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，以下為主要的幾種理論。石墨結(jié)構(gòu)第22頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期六3.球鐵石墨特點(diǎn)及形成機(jī)理3.3石墨的球化機(jī)理沿a面長(zhǎng)大速度快會(huì)增大片狀面積，沿c面長(zhǎng)大速度快會(huì)增大石墨厚度。當(dāng)va＞vc最終會(huì)形成片狀石墨，當(dāng)va=vc或va＜vc則會(huì)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(zhǎng)速度，球化元素能夠脫硫脫氧，遏制促進(jìn)c軸生長(zhǎng)速度，從而形成球狀石墨。界面能說(shuō)第23頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期六3.球鐵石墨特點(diǎn)及形成機(jī)理3.3石墨的球化機(jī)理與界面能說(shuō)相同，同樣認(rèn)為活性元素阻礙了石墨的球狀生長(zhǎng)，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(zhǎng)強(qiáng)烈分支的作用。促使石墨呈“小角簇”螺旋晶方式生長(zhǎng)。

位錯(cuò)學(xué)說(shuō)第24頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期六3.球鐵石墨特點(diǎn)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(zhǎng)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(zhǎng)板狀晶；上述過(guò)程反復(fù)進(jìn)行。形成了球狀石墨。

氣泡學(xué)說(shuō)第25頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期六3.球鐵石墨特點(diǎn)及形成機(jī)理3.3石墨的球化機(jī)理鐵液經(jīng)過(guò)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(guò)鋁脫氧處理后的鐵水，石墨不呈球形。但說(shuō)明一定的表面張力是得到球狀石墨的必要