北京科技大学铸造合金及制备工艺23球铁

北京科技大学材料成型与控制工程系铸造合金与制备技术专业毛为民2.3球墨铸铁？球墨铸铁？球墨铸铁的诞生：自20世纪20年代以来，它一直在寻求通过添加合金元素来改善铸铁的性能。球墨铸铁就是在这种趋势下诞生的。1946年，赫姆罗格研究铸铁时，向高碳、低硫、低磷灰铸铁的铁水中加入铈，其残留量超过0.02%(重量)。铸态球形石墨的制备在材料科学领域引起了轰动。然而，由于ce的高成本和对铁水的严格要求，它不能立即推广。球墨铸铁的诞生：几乎与赫姆罗格的研究工作同时进行的是，1949年，美国国际镍公司的阿贝加涅宾和米勒发现，用镁处理铁水，使其残留量达到0.04%以上，也可以得到球状石墨。如果在含C4.5%、Si2.25%和Ni2.0%的灰铸铁中加入0.5重量%的镁，抗拉强度达到780兆帕，远远高于当时灰铸铁的预期强度。显微组织检查表明此时铸铁中的石墨是球形的。添加镁处理球墨铸铁时，对铁水的要求不太严格，镁的价格也比较合理。因此，球墨铸铁可以推广应用。球墨铸铁的应用仅用了10年时间，球墨铸铁就被正式用作工业应用的金属材料，这是意想不到的。2005年，全球36个主要国家和地区(中国、美国、日本、德国、俄罗斯、印度、法国、意大利、英国、巴西、墨西哥、韩国、台湾、西班牙、土耳其、加拿大、乌克兰、波兰等。)每年生产超过1959万吨球墨铸铁件。2005年，我国球墨铸铁产量达到583万吨以上，广泛应用于冶金、机械、交通、能源、水利、军事工程等行业，极大地促进了经济发展和社会进步。2.3.1在球墨铸铁的一次结晶过程中，球墨铸铁的成分通常接近共晶或过共晶成分。加入一定量的球化剂后，铁水中硫、氧等杂质元素的含量大大降低，球化元素保持一定的残留量。铁水的一次结晶过程和石墨形态将发生根本性的变化，从而可以制备球墨铸铁。因此，从球墨铸铁的基本成分如碳和硅来看，其一次结晶和球状石墨的形成应主要通过共晶转变来完成。2.3.1.1球形石墨的结构和组成？观察和分析球状石墨的结构有助于理解其生长机理和初生结晶过程的特点。让我们先来看看石墨球的观测结果。在小倍率条件下，石墨的外形接近圆形，如下图所示。铸铁中的石墨(甲)球墨铸铁中的石墨(非腐蚀性)(乙)灰铸铁中的石墨(非腐蚀性)？放大倍数较大时，石墨形状为多边形，内部为放射状(特别是在偏振光下，不同的晶体方向有不同的反射能量)；球墨铸铁中的石墨(无腐蚀性、极化、亮场)？深度腐蚀后，石墨表面不光滑，有不同大小的气泡。稀土镁加锑(0.005重量%)球墨铸铁从球墨铸铁中提取的石墨球的深腐蚀表面形貌？离子轰击后，石墨球有明显的年旋转。球状石墨稀土镁合金处理环球状石墨稀土镁合金处理环，环的颗粒是石墨的基面，石墨球的形状在透射电子显微镜下包含一长串夹杂物。从实验观察推断，球形石墨具有多晶结构。从核心开始，石墨径向发展。每个辐射角是由石墨晶格基面(0001)垂直于球的径向并相互平行堆叠而成，形成单晶。所有颗粒的C轴0001都是径向排列的，并绘出球形石墨结构示意图？球状石墨的成分是什么？球状石墨中的铁含量是片状石墨的十倍。含不同量的硅、钛、锰等。含有球化元素镁和铈，铈的含量从球的中心到球的表面减少，如下图所示。铈在石墨球中的分布是什么(用光敏性表示)？反球化元素铋、锑、碲、锡等元素的分布与球化元素相反。氧化物和硫化物夹杂物也存在于石墨球的中心。2.3.1.2形成球状石墨的条件？在真空条件下熔炼纯铁碳硅合金(硫、氧含量很低)，出现石墨球，如果加速冷却，更容易得到球形石墨。通常，球状石墨也可以通过在高真空下对铁水进行净化和脱气以将硫和氧降低到0.001%以下来获得。加入球化元素并保持一定的残余量，铁水可以在相当宽的冷却速度范围内使石墨球化。当铋、铅、锑、钛、砷等元素超过一定量时，石墨的球化会受到干扰。快速冷却有利于石墨的球化，特别是当球化剂量不足时。良好的孕育是获得大量、小尺寸、圆形石墨球的重要条件。总而言之，形成球状石墨的条件是：杂质含量(硫、氧等)。)的熔融铁应该足够低；还有一些残余的球化元素，如镁和铈。冷却速度更快；石材和油墨成核的充分条件。2.3.1.3球墨铸铁的初生结晶实际上是石墨和奥氏体的成核和生长过程，更重要的是石墨和石墨的成核和生长过程。球形石墨是何时何地生产的？球墨铸铁的一次结晶主要是共晶转变，因此，何时何地生产石墨球是一个重要问题。石墨产生的位置：20世纪50年代，一些学者认为，铁-碳-硅合金中的石墨球是间接形成的，即使它们是按照稳定的体系转化的，即通过在固态下Cm的分解，石墨在奥氏体壳中生长成球。其他一些理论对此进行了扩展，认为球状石墨是由碳过饱和奥氏体形成的。球形石墨来自哪里？在20世纪60年代，精确的实验结果否定了20世纪50年代关于球状石墨产生的观点，证明了球状石墨是由铁水直接产生的，或者是由铁水直接产生的。例如，石墨球可以用离心法分离，有时石墨球浮在厚的大型铸件上，有时几个石墨球一起生长，液态铁液中的石墨球直接用液态淬火技术发现，如下图所示。液态淬火后球墨铸铁的显微组织A)石墨球外奥氏体壳，B)石墨球外无奥氏体壳(a)(b)？球形石墨是什么时候形成的？关于生产球形石墨的时间，实验表明，无论是亚共晶还是过共晶铁水，第一批石墨球都是在比平衡温度高得多的共晶温度下形成的(例如，高于1280)。一些实验还表明，第一批石墨球是在比平衡共晶温度低得多的温度下形成的。球状石墨和奥氏体的生长？在早期的研究中，根据球墨铸铁液态淬火组织中石墨球的外缘有奥氏体环奥氏体环的现象，认为球形石墨是在奥氏体壳的包围中长大的。在以后的研究中，从共晶转变温度范围淬火的球墨铸铁组织中不断发现没有奥氏体壳的石墨球。这些球形石墨直接与渗碳体的共晶液相接触，并已达到相当大的尺寸。这证明球形石墨不仅在铁水中形成，而且可以在铁水中自由生长，在铁水中自由生长。液态淬火组织中还发现一些被奥氏体壳包围的球状石墨，这证明当球状石墨长大到一定尺寸时，其外缘形成奥氏体壳。？球状石墨和奥氏体的生长？对于球状石墨是否会继续生长或者被奥氏体包围后会生长多少，仍然有不同的看法。一种观点认为，一旦在球状石墨的外缘形成奥氏体壳，球状石墨的生长基本停止，石墨的生长基本停止，因此被奥氏体壳包围的球状石墨的生长在球状石墨的生长过程中起非常小的作用。另一种观点认为，每一种球状石墨必须经历两个阶段：首先，它在铁水中形成和生长，然后，它在奥氏体壳的包围下继续生长。目前，大多数学者同意前一种观点。球墨铸铁一次结晶过程概述球墨铸铁结晶过程的上述实验结果总结如下：在高于或略低于平衡共晶温度的温度下，第一石墨晶核从铁水中沉淀出来，这表明共晶转变已经开始。石墨晶核在铁水中自由生长，并长到相当大的尺寸。随着石墨球的长大，其周围的铁水贫碳，这部分低碳铁水处于奥氏体过冷状态，并转化为奥氏体，形成石墨球周围的外壳。球墨铸铁一次结晶过程概述？石墨球的奥氏体壳形成后，碳只有经过长时间的固相扩散才能到达石墨球表面，因此石墨球的生长速度急剧下降。如果孕育良好，在一批石墨球被奥氏体包围后，新的石墨晶核不断沉淀，直到铁水的共晶转变完成。球墨铸铁的一次结晶过程如下图所示。球墨铸铁一次结晶过程中2.3.1.4球墨的形成机理？球墨的形成机理是球墨铸铁一次结晶研究的重要内容。试图从理论上解释球墨的形成过程，以指导球墨铸铁的生产和球墨铸铁的生产。机制主要研究什么？研究了石墨核的产生和性质、球状石墨的生长过程以及球状元素的影响。由于研究球状石墨形成机理的困难，目前还没有成熟的理论，只有许多观点或假设，主要包括核心理论、过冷理论、表面能理论、吸附理论、位错理论、气泡理论等。表面能理论？Buttner等人发现灰铸铁和球墨铸铁的铁水润湿性不同于石墨坩埚，并提出了表面能假说。因此，学者们想尽一切办法测量铁水的表面张力来验证表面能理论。结果表明，灰铁铁水的表面张力维为8001000达因/厘米，镁球墨铸铁铁水的表面张力维为13001400达因/厘米或15501600达因/厘米，比灰铁铁水高出约50%。Herfurth、Donobo、Gautschi、lhberg等人研究了微量元素对铁水表面张力的影响，发现降低铁水表面张力的元素阻碍了石墨的球化。然而，铁水的大表面张力不能成为生成球形石墨的充分条件，这可以通过以下实验来证明：随着残余铝的增加，铁水的表面张力增加，但是该铁水根本不能生成球形石墨，如下图所示。铝处理后铁水的表面张力？铁水表面张力的测量没有考虑石墨结晶过程中的各向异性。据此，学者们以热解石墨为基体材料，测量铁水与石墨基体表面之间的界面能B-L和铁水与石墨圆筒表面之间的界面能P-L，试图根据界面能与界面能的大小关系来解决石墨的球化问题。石墨晶体结构示意图？赫拉维尔和蒂勒认为，石墨是从熔融铁中结晶出来的，容易沿着与界面垂直的表面生长，尺寸较小铸铁型石墨晶面表面能铸铁J/cm210-7接触角()铸铁熔体与石墨之间的界面能J/Cm210-7经镁处理的球墨铸铁棱柱多晶基体1174 . 0167 . 01127 . 9 124 . 0 116 . 7 115 . 0 1720 . 7 1620 . 8 1459 . 7经铈处理的球墨铸铁棱柱多晶基体1311.3 1464.1 1334.9 111.6 “沿垂直于界面的晶面的生长可以更小”的说法是基于石墨沿C轴方向生长成球形石墨的前提。 这只能是一种解释，不能解释为什么石墨会长成球形。总之，对球状石墨特定成核和生长过程的研究还不成熟，需要进一步探索，直到一个相对完善的结晶理论被提出并得到实验验证。2.3.1.5一次结晶的显微组织特征球墨铸铁的共晶转变过程决定了其一次结晶组织的特征。初级晶体结构的特征是什么？球墨铸铁的单位面积或单位体积共晶团的数量比灰铸铁大得多，共晶团的尺寸也小得多。证据：在正常情况下，普通球墨铸铁组织中的共晶团数量是灰铸铁的50200倍甚至更多。例如，如果铸造相同的25mm砂型试棒，球墨铸铁中的共晶团数量一般为100，200个/cm2，而灰铸铁中的共晶团数量为1.52.0个/cm2。为什么？球墨铸铁中共晶团数量多的主要原因是球墨铸铁中的石墨球被奥氏体包围后生长速度急剧下降，新的石墨晶核不断析出，导致共晶转变过程中析出的石墨晶核数量远远超过灰铸铁。在球化处理过程中，进行了大剂量的孕育，并为人类添加了大量的晶核。还有一个过程因素需要特别强调，那就是冷却速度的影响。在共晶转变过程中加快冷却速度有利于获得细小的圆形石墨球，防止石墨变形。冷却速度越快，球形石墨晶核的生长速度越快。碳在球形石墨外缘熔体中的扩散速度跟不上碳的结晶速度。因此，这一层熔体贫碳，这使得这一层熔体更容易处于过冷状态。这将导致奥氏体壳提前形成，石墨球的生长速度提前降低，最终获得细小的石墨球。与此同时，快速冷却为成核提供了更大的驱动力，形成新的石墨核，这必将细化石墨球。如果共晶转变过程中的冷却速度慢，石墨球的奥氏体壳形成较晚，那么石墨球已经生长到一定尺寸，并且在石墨球生长到一定尺寸之后发生变形石墨，因此通过缓慢冷却容易获得粗糙且不太圆的石墨组织。一定量的游离渗碳体通常会出现在未充分孕育的球墨铸铁的初级结晶中。为什么？当孕育不好时，铁水在共晶转变过程中过冷倾向大，形成石墨晶核的条件差，导致石墨晶核难以形成，这可能导致共晶团周围的残余熔体过冷到亚稳体系的共晶温度以下，导致白色凝固。此