《北京科技大学铸造合金及制备工艺23球铁》由会员分享，可在线阅读，更多相关《北京科技大学铸造合金及制备工艺23球铁（93页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、铸造合金及制备工艺 北京科技大学 材料成形与控制工程系 毛卫民 2 3 球墨铸铁球墨铸铁 球墨铸铁 nodular cast iron ductile cast iron spheroidal graphite cast iron 球墨铸铁的诞生 20世纪20年代以后 谋求通过添加合金元素改善 铸铁性能 球墨铸铁就是在这种潮流下诞生的 1946年 英国H Morrogh在研究铸铁时 往高 碳 低硫 低磷的灰口铸铁的铁水中加入Ce 铈 并使其残留量达到0 02wt 以上 制得 了铸态下的球状石墨 在材料科学界引起轰动 但因Ce昂贵 对铁水要求严格 未能立即推广 球墨铸铁的诞生 几乎与H Morr
2、ogh研究工作的同时 在1949 年 美国国际镍公司的A B Gagnebin和Miller 发现用Mg处理铁水 并使其残留量达到0 04 以上 也可以得到球状石墨 如在含C4 5 Si2 25 Ni2 0 的灰口铸铁中加入了0 5wt 的Mg 其抗拉强度达到780MPa 远远高于当 时预期的灰口铸铁的强度 组织检测发现此时 的铸铁中的石墨呈球状 加镁处理球铁时对铁 水要求不太严格 镁的价格也较合理 因此 球墨铸铁才得以推广应用 球墨铸铁的应用 球墨铸铁从诞生到正式作为工业应用的金属材 料只用了10年的时间 这是出人意料的 2005年 世界上36个主要国家与地区 中国 美国 日本 德国 俄罗斯
3、 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 年球墨铸铁件的产量达到1959万吨以上万吨以上 我国 2005年球墨铸铁件的产量达到583万吨以上万吨以上 广泛应用于冶金 机械 交通 能源 水利 军事工程等行业 极大地推动了经济的发展和 社会的进步 2 3 1 球墨铸铁的一次结晶过程 球墨铸铁的成分一般接近共晶或过共晶成分 加入一定量的球化剂后 铁水的S O等杂质 元素含量大大下降 并使球化元素保持一定的 残余量 这种铁水的一次结晶过程和石墨形态 将发生根本性的变化 就可以制备球墨铸铁 因此 从球墨铸铁的C Si等基本成分看 它 的一次结晶
4、及球状石墨的形成应该主要是通过主要是通过 共晶转变完成共晶转变完成的 2 3 1 1 球状石墨的结构及成分 观察和分析球状石墨的结构有助于了解 其生长机理和一次结晶过程的特点 下面就先看看石墨球的观察结果 在放大倍数不大的情况下 石墨的外 形接近圆形 如下图所示 铸铁中的石墨 a 球墨铸铁中的石墨 未腐蚀 b 灰口铸铁中的石墨 未腐蚀 放大倍数较大时 石墨的外形呈多边 形轮廓 内部呈放射状 尤其在偏振光 下 不同的晶体方向有不同的反射能 力 球墨铸铁中的石墨 未腐 蚀 偏振光 明视场 深腐蚀后 石墨表面不光滑 带有大小 不等的泡状物 稀土镁加锑 0 005wt 球墨铸铁 深腐蚀 从球铁中萃取的
5、石墨球的表面形貌 SEM 经离子轰击后 石墨球具有明显的年 轮 球状石墨的年轮 稀土镁合金处理 球状石墨的年轮 稀土镁合金处理 年轮的纹理是石墨的基面 球状石墨的年轮 透射电镜下的石墨球形貌 中心含有一长串夹杂物 透射电镜下的石墨球形貌 中心含有一组夹杂物颗粒 石墨结构分三层 由实验观察推断 球状石墨具有多晶体结构 从核心开始 石墨呈放射状发展 每个放射角 皆由垂直于球的径向 相互平行的石墨晶格基 面 0001 堆积而成 构成一个单晶体 所有 晶粒的C轴 0001 均呈径向辐射状排列 石墨 球就是由许多这样的多面锥体石墨晶粒所组 成 如下图所示 球状石墨结构示意图 下面再看看球状石墨的成分 球
6、状石墨中的Fe含量为片状石墨的十 倍 含有不同数量的Si Ti Mn等 含有球化元素 Mg Ce 由球心向球表 面 Ce 的含量下降 如下图所示 石墨球中Ce的分布 以感光暗度表示 反球化元素 Bi Sb Te Sn等元素的分 布与球化元素的分布相反 石墨球中心还存在氧化物和硫化物夹 杂 2 3 1 2 球状石墨形成的条件 在真空条件下熔炼纯的Fe C Si合金 S O很 低 曾经出现石墨球 若加快冷却 则更容 易获得球状石墨 一般铁水在高真空下经过纯 化 除气处理 使S O 降低到0 001 以下 也可以得到球状石墨 加入球化元素 并使其保持一定的残留量 一 般铁水可以在相当广的冷速范围内使
7、石墨球 化 Bi Pb Sb Ti As等元素超过一定量时 会 干扰石墨的球化 快速冷却有利于石墨的球化 特别在球化剂量 不足时更是如此 良好的孕育是获得数量多 尺寸小 形状圆整 的石墨球的重要条件 综上所述 形成球状石墨的条件是 铁水的杂 质含量 S O等 要足够低 有一定的残留 Mg Ce等球化元素 较快的冷速 充分的石 墨成核条件 2 3 1 3 球墨铸铁的一次结晶 球墨铸铁一次结晶实际上也就是石墨和奥氏体 的形核和长大过程 更重要的是石墨的形核与石墨的形核与 长大过程长大过程 球状石墨产生的位置与时间 球墨铸铁的一次结晶主要是共晶转变 因 此 石墨球自何时 何处产生是个重要问题 石墨产
8、生的位置 20世纪50年代 有学者认为 即使按稳定 系转变 Fe C Si合金中的石墨球也是间接形 成的 即通过固态下Cm的分解而形成 石墨在 奥氏体外壳中长大成球状 另外一些理论对此 作了引申 认为球状石墨是从碳过饱和的奥氏 体中内形成的 球状石墨产生的位置 20世纪60年代 精确的实验结果否定了50 年代关于球状石墨产生的观点 证明球状石墨球状石墨 是从铁水中直接产生是从铁水中直接产生 如利用离心方法可以分 离出石墨球 厚大铸件有时会出现石墨球漂 浮 有时发现几个石墨球长在一起 液淬技术 直接发现了液态铁水中的石墨球 如下图所 示 球墨铸铁液淬后的显微组织 a 石墨球外有奥氏体壳 b 石墨
9、球外无奥氏体壳 a b 球状石墨产生的时间 关于球状石墨产生的时间球状石墨产生的时间 有实验表明 无论是亚共晶还是过共晶成分的铁水 首批石 墨球是在远高于平衡的共晶温度 如高于 1280 之上形成的 也有实验表明 首批石 墨球是在比平衡的共晶温度低得不多的温度下 形成的 球状石墨和奥氏体的长大 在早期研究中 根据球墨铸铁的液淬组织中 的石墨球外缘均有奥氏体环奥氏体环的现象 认为球状 石墨是在奥氏体外壳的包围中长大 在后来研究中 从共晶转变温度范围内进行 液淬的球墨铸铁组织中不断发现四周无奥氏体 外壳的石墨球 这些球状石墨直接与渗碳体的 共晶液相接触 而且已经达到了相当大的尺 寸 这证明球状石墨
10、不仅在铁水中形成 而且 可以在铁水中自由长大在铁水中自由长大 在液淬组织中也发现 部分球状石墨被奥氏体外壳所包围 这证明球 状石墨长大到一定尺寸时 其外缘形成奥氏体 外壳 球状石墨和奥氏体的长大 球状石墨被奥氏体包围后是否继续长大或长 大多少 对此仍有不同的观点 一种观点认 为 球状石墨外缘的奥氏体壳一旦形成 球状球状 石墨的生长就基本停止了石墨的生长就基本停止了 所以球状石墨在奥 氏体外壳包围下的长大在整个球状石墨的生长 过程中只占极次要的地位 另一种观点认为 每一个球状石墨都要经历先在铁水中形成和长 大 然后又在奥氏体外壳包围下继续长大这样 两个阶段 现在赞成前一种观点的学者居多 球墨铸铁
11、的一次结晶过程小结 将上面球墨铸铁结晶过程的实验结果总结如 下 在高于或稍低于平衡共晶温度下 从铁水中 析出首批石墨晶核 标志着共晶转变已经开 始 石墨晶核在铁水中自由长大自由长大 并长大到相当 的尺寸 随着石墨球的长大 其周围铁水贫 碳 这部分低碳铁水对于奥氏体来说处于过冷 状态 转变为奥氏体 形成包围石墨球的外 壳 球墨铸铁的一次结晶过程小结 石墨球的奥氏体外壳形成以后 碳要经过长 距离的固相扩散才能到达石墨球的表面 因此 石墨球的生长速度急剧降低生长速度急剧降低 如果孕育良好 一批石墨球被奥氏体包围 后 又不断析出新的石墨晶核 直到铁水的共 晶转变终了 球墨铸铁的一次结晶过程如下图所示
12、球墨铸铁 的一次结 晶过程 2 3 1 4 球状石墨的形成机理 球状石墨的形成机理是研究球墨铸铁一次结晶 的重要内容 试图从理论上阐明形成球状石墨 的过程 借以指导球墨铸铁的生产指导球墨铸铁的生产 机理主要研究什么 研究石墨晶核的产生及性质 球状石墨的长大 过程 球化元素的作用 由于球状石墨形成机理研究的困难 目前尚没 有成熟的理论 只有许多观点或假说 主要有 核心说 过冷说 表面能说 吸附说 位错 说 气泡说等 表面能说 Buttner等人发现灰口铸铁和球墨铸铁的铁水 与石墨坩埚的润湿性不同 于是提出了表面能 假说 于是 学者们想方设法测定铁水的表面张力 以验证表面能说 结果表明 灰口铸铁铁
13、水的 表面张力为800 1000 dyn cm 镁球墨铸铁铁 水的表面张力为1300 1400 dyn cm 或1550 1600 dyn cm 大约比灰口铸铁铁水的表面张 力提高了50 Herfurth Donobo Gautschi l hberg等人研究了微量元素对铁水 表面张力的影响 发现使铁水表面张力下降的 元素阻碍石墨的球化 但是铁水表面张力大并不能成为生成球状石墨 的充分条件 这可有下面的实验提供证据 随着 铝的残留量增加 铁水的表面张力增大 但这种 铁水却根本不能生成球状石墨 如下图所示 铝处理铁水后铁水的表面张力 对铁水表面张力的 测定完全没有考虑石 墨结晶时的各向异 性 据
14、此 学者采用 热解石墨作为基体材 料 测定铁水与石墨 基面的界面能 B L 铁水与石墨柱面的界 面能 P L 试图根据 界面能的大小关系界面能的大小关系解 释石墨的球化 石墨的晶体结构示意图 Hellawell Tiller认 为 石墨从铁水中结晶 析出 易于沿垂直于界 面能较小的面生长 McSwain Milman认 为 在用 Ce或Mg处理 的铁水中 B L P L 结果使 石墨易于沿a轴方向生长成片状 石墨基 面和棱柱面铸铁熔体之间的界面能大小 的变化规律提供了这方面的证据 如下 表所示 铸铁类别石墨晶面铸铁表面能 J cm2 10 7 接触角 铸铁熔体与 石墨之间的 界面能 J cm2
15、 10 7 镁处理球墨 铸铁 棱面 多晶 基面 1174 0 1167 0 1127 9 124 0 116 7 115 0 1720 7 1620 8 1459 7 铈处理球墨 铸铁 棱面 多晶 基面 1311 3 1464 1 1334 9 111 6 108 5 104 7 1578 7 1504 7 1322 8 含硫普通灰 口铁 棱面 多晶 基面 1152 8 1017 1 1056 7 77 4 85 0 105 7 845 5 950 9 1269 8 铸铁熔体与石墨晶体不同晶面之间的界面能 但是 沿垂直于界面能较小的晶面生 长 的说法是以石墨沿c 轴方向生长为球 状石墨为前提条
16、件 只能是一种说明而 已 并不能解释石墨为何优先生长成球 状 总之 球状石墨的具体形核和长大过程的 研究还很不成熟 需要继续深入探索 直 到提出一种较为完善的结晶理论 并得到 实验验证 2 3 1 5 一次结晶的组织特点 球墨铸铁共晶转变的过程决定了它的一次结晶 组织的特点 一次结晶组织有什么特点呢 球墨铸铁的单位面积或单位体积内共晶团的数 目比灰口铸铁多得多 共晶团的尺寸就小 得 多 证据 在通常情况下 正常球墨铸铁组织中 共晶团的数目为灰口铸铁的50 200倍 甚至更 多 如浇注同样的 25mm砂型试棒 球墨铸铁 中的共晶团一般为100 200个 cm2 而灰口铸 铁中的共晶团则为1 5 2 0个 cm2 为什么 球墨铸铁中共晶团数目多的主要原 因 球墨铸铁中的石墨球被奥氏体包围 后 其生长速度急剧降低 于是又不断 析出新的石墨晶核 造成共晶转变期间 析出的石墨晶核数远远超过灰口铸铁 球化处理时 进行了大剂量的孕育 人 为增加了大量的结晶核心 还有一个工艺因素的作用需要特别强调 即冷却速度的作用 加快共晶转变期间的冷却速度有利于获 得细小 圆整的石墨球 可以防止石墨畸变 冷却速度越
