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1、/22铸 造 合 金 Casting Alloys2010秋季学期(五周，20学时) 周二 1-2节 正心楼514 周五 1-2节正心楼514任课教师：苏彦庆，李新中1/221 绪论2 铸铁基础知识3 铸铁的熔炼及熔体处理4 铸造钛合金5 铸造镁合金6 铸造铜合金7 铸造铝合金8 铸造高温合金和金属间化合物课程内容2/22第3讲 铸铁的熔炼及熔体处理最初的铸铁的性能很低，通过熔体处理方面的研究，包括熔体过热 处理、孕育、变质或球化处理来改善铸铁的组织，使铸铁的各方面 性能得以提高。由于（失控的）非均质形核核心数量未知及分布不均匀，使凝固组 织不均匀，有异常长大倾向，也就是说非均质形核有偶发性。
2、均质形核必须有相对于非均质形核更大的过冷度，对于Fe-C合金系而言，在较大的过冷度下可能析出渗碳体，因此铸铁凝固过程中不 能采用均质形核来控制凝固。必须发挥主观能动性、实现可控的非 均质形核过程。3/2231 铁液的过热和高温静置处理在一定范围内提高铁液的过热温度，延长高温静置时间，会导致铸铁 的石墨及其基体组织的细化，使铸铁的强度提高；进一步提高过热温 度，铸铁的形核能力降低，使石墨形态变差，甚至出现自由渗碳体， 使强度降低，因而存在一个临界温度。临界温度的高低主要决定于铁 液的化学成分和冷却速度。所有促进增大过冷度的因素（碳硅含量低 、冷却速度快、成核能力差），都会使临界温度降低。普通灰口
3、铸铁 的临界温度为1500-1550。经过高温处理的铁液在较低温度下静置相当时间后，过热效果会消失 ，即过热处理具有可逆性。其原因为重新形成非均质形核核心，成核 能力提高，而出现异常长大。 4/22上述现象的存在是与过热过程中熔体微观结构的变化有密切关系的。熔体 结构与固体结构相似，原子之间有较强的作用力，原子之间的距离也和晶 体晶格参数接近（5%偏差）。熔体和固体更为相近的是熔体中存在结构的微观不均匀体，某些区域原子之间的结合紧密，与晶体结构更接近，这 样的区域称为原子团簇（cluster），它可以成为晶胚，为凝固过程提供非均质核心衬底。另外熔体中不可避免地存在各种非金属氧化物，他们熔点 高
4、，在熔体中稳定存在，也可能成为非均质核心。还有一点就是熔体中的 气体，它也可能为形核创造条件。应该说上述非均质形核核心的尺寸是随熔体温度的提高而不断降低的，如 图，在某些合金系中这样的降低甚至有可能是不连续的，如Al-Si合金方面的研究结果。熔体温度的提高会使非金属氧化物及气体含量降低，因为 熔体温度升高，粘度降低，非金属氧化物及气体易于逸出。5/22图中非均质核心尺寸的变化有两种原因，其一是核心外层原子的逃逸，其二 是大尺寸的核心分解为小尺寸的核心（熔体对外表现为粘度降低）。这样的 结果会使核心数量增加，当随着熔体温度的提高，大尺寸核心分解使核心数 量增加到一定程度后，温度的进一步增加，使核
5、心尺寸逐步小于临界核心尺 寸，而表现为形核率的降低。因此熔体过热处理存在临界过热温度，如图3- 1。可逆性的存在是由于上述非均质核心的分解是可逆的。无论是分解还是 聚合都是动力学过程，需要一定的时间，所以熔体过热到合适的温度后还要 静置合适的时间。 熔铸技术要求的高温出炉低温浇注也是满足上述理论分析的。这里的关键是 低温温度的确定以及在该低温下保持的时间。低温浇注的目的是减少凝固收 缩，但低温处理有可能使过热处理好处消失。上面提到核心聚合过程是动力 学过程，这也就为确定低温静置时间提供了依据，如图。温度对异质核心尺寸的影响 温度对异质核心数量的影响 衬底尺寸 随时间的变化 图3-1 熔体中团簇
6、尺寸的变化6/2232 灰口铸铁的形核和孕育铁液浇铸以前，在一定的条件下（一定的过热度、化学成分、合适 的加入方式）向铁液中加入一定量的物质（孕育剂）以改变铁液的 凝固过程，改善铸铁组织，从而达到提高性能为目的的处理方法， 称之为孕育处理。孕育铸铁的生产过程是利用冲天炉（电弧炉、感应电炉）熔炼出低 碳硅含量的铁液，并将其过热到一定温度，而后加入适量的孕育剂 进行孕育处理。处理好的铁液在一定时间内进行浇注。采用非高纯炉料及一般方法熔炼的铁液中常存在有多种氧化物和硫 化物等杂质的细微颗粒，可以作为石墨的非均质核心，因此铸铁的 结晶是以非均质形核为主。为了细化铸铁的组织，还可以在适当控 制铸铁化学成
7、分的条件下，往铸铁中加入某些能形成大量非均质核 心的物质，即进行孕育。7/22一、孕育处理的目的n 通过加入孕育剂，在铁液中形成大量的非均质石墨核心 ，从而消除低共晶度铸铁在共晶转变过程中的白口倾向 ，使其结晶成为具有良好石墨形态的灰口铸铁。 n 改善石墨形态，使过冷型石墨转变为均匀分布无方向型 的石墨，并获得细片珠光体基体，从而提高铸铁的性能 。 n 适当增加共晶团数。 n 减小铸件上薄壁与厚壁之间由于冷却速度不同而产生的 组织和性能上的差别，消除壁厚敏感性，提高组织均一 性。8/22二、孕育处理的本质孕育处理的本质是利用非均质形核来细化凝固组织和改善石墨形态， 非均质形核应符合以下要求 能
8、促进铸铁按灰口铸铁而不是白口铸铁结晶； 避免产生不希望有的过冷组织； 在片状石墨灰口铸铁中能增加共晶团数（共晶团频率）。 铁液中存在的杂质颗粒中只有一部分能起到非均质形核的作用，这种能起 到晶核作用的物质必须与石墨相有共格或半共格的界面。在有共格界 面的情况下，晶核基底与结晶相（石墨）存在应变，晶核基底上原子 之间被拉伸，而形核相原子之间被压缩，或与此相反。在有半共格界 面的情况下，晶核基底的晶面与石墨的晶面之间，由完全配合区域与 错配区域构成，在界面上有间隔开的位错。 在铁液中的某种固体颗粒上形成石墨晶体时，在两种晶格之间通常总会存 在失配度： 为石墨六方晶格的（0001）面的点阵间距， 为
9、非均质 核心的物质基底面的点阵间距。若失配度小于15%，该固体颗粒可能 构成石墨的非均质核心。9/22三、孕育剂的作用原理生产中应用的片状石墨灰口铸铁大部分是亚共晶铸铁。在大的冷却速度下 ，亚共晶铸铁中常会形成在奥氏体枝晶间分布、细小而无一定方向性的分 枝发达的过冷石墨，降低铸铁的性能。孕育处理能有效防止出现过冷石墨 ，也能避免在薄壁铸件断面上产生白口。孕育处理能增加共晶团数目，提 高铸铁机械性能。关于孕育机理还无定论，各种假说互有长短 1 氧化物晶核孕育说 铁液中的氧化物，特别是SiO2是形成非均质核心的主体。其根据是硅和氧 有高的亲和力，在铁液中能有效地形成SiO2晶体。而且在SiO2晶体
10、中存在 有与石墨的（0001）面互相共格的晶面。这种学说的不足在于不能解释很 纯的FeSi对片状灰口铸铁只有微弱的孕育作用，而含有少量的Ca、Zr等的 FeSi却具有明显的孕育作用。 2 碳化物晶核孕育说 孕育形成的晶核可能是具有盐类结构的碳化物，其中最可能的是，碳化物 上的碳层构成了为石墨晶体形成而预先准备的碳集合物。石墨沿平行于 CaC2晶格的（111）面而生长。在CaC2晶格的（111）晶面之间的原子间距 为0.341nm，而石墨（0001）晶面之间的原子间距为0.335nm，两者比较接 近。10/223 硫化物-氧化物双重晶核孕育说利用现代电子测试手段研究认为, 晶核具有双层结构,其核
11、心为尺寸大约 为1m的硫化物,由氧化物的外壳包着. 作为孕育剂使用的硅铁中含有微量的Ca,Ce,Zr等元素,这种硅铁在有白口 倾向的亚共晶成分铁液中溶解以后,随即形成CaS,CeS等硫化物(或碳化物) 为核心和以SiO2为外壳的晶核,这些晶核与石墨的原子排列有一定的共格关 系而使铁液中的碳原子能够依附在其表面上生长. 与此同时,由于硅铁溶解,在铁液中形成大量的富硅微区.由于硅提高铁液 中碳的活度,促进了碳原子从铁液中析出,从而在共晶转变过程中助长石墨 晶体的生成. 又由于有大量的晶核在铁液中均匀分布,故能形成多而细小 的共晶团和细片石墨. 猜想1：SiO2的熔点不很高，在铁熔化温度范围内，其存
12、在的微观结构尺度 很小，可能不超过临界核心的尺寸，所以SiO2本身的形核衬底作用可能不 显著，当有碳化物或硫化物存在时，他们首先为SiO2提供衬底使其长大， 到超过石墨晶核的临界尺寸后石墨依附在其表面生长。 猜想2：SiO2的某个晶面与石墨的(0001)面共格，但SiO2的这个特定的晶面 不一定在其生长过程中成为界面，因此本身的形核衬底作用可能不显著， 当有碳化物或硫化物存在时，他们首先为SiO2提供衬底使其长大，使SiO2 的晶面选择性生长，而使特定晶面称为界面，促进石墨在其上生长。 11/22四、孕育效果孕育处理的效果将随时间的推移而逐渐消失,即发生孕育衰退现象 .孕育衰退来自三方面的原因
13、： (1)已形成的晶核的老化,由于铁液中溶解有FeO,MnO等氧化物他们与晶核表面的SiO2分 子化合而形成FeSiO3,MnSiO3等化合物，使晶核受到污染,失去 其作为晶核的活性,此即为晶核的老化。（中毒） (2)晶核在铁液中上浮 (3)富硅微区消失.孕育作用的发生和衰退过程可以通过孕育前以及孕育处理后不 同时间所浇注的三角试样的白口深度变化来表明.如图3-5,在孕 育处理后的1-2min时间内,孕育作用表现充分,随后的一段时间 内孕育作用逐渐消失。 图3-5孕育效果随时间的变化 12/22五、孕育处理工艺（一）原铁液的化学成分和温度 适当控制孕育处理前原铁液的化学成分和温度是实现有效孕育
14、的重要条件 。原铁液的碳硅含量应相当于使铸铁组织处于即将由白口向灰口过度（但 仍为白口组织）的临界状态，即相当于白口铸铁的边缘成分。这样在加入 为数不多的孕育剂时，即可收到良好的孕育效果。在一般情况下，原铁液 的含碳量wc=2.6-3.2%范围内,硅含量在wsi=2.0-1.0%范围内.与图联系图3- 铸铁组织与碳硅含量的关系（Si有促 进石墨析出的作用）原铁液经过适当的过热和静置,以使铁液中 残存的石墨晶芽得以消除,也会使铁液中某 些可能作为石墨形核衬底的夹杂物从铁液 中上浮而除去,使铁液得到一定程度的净化 （避免偶发非均质形核）.为此,铁液温度应 达到1450C以上,并在此温度静置10-1
15、5min 时间.13/22（二）孕育剂的加入量和粒度灰铸铁用孕育剂的主要成分是硅铁(一般wsi=75%的硅铁),孕育剂的加入量应根据铸件的壁厚而定:对厚壁铸件加入量为铁液重的0.2-0.4%,对薄壁铸件,加入量为铁液重的0.3-0.5%.孕育剂应有适宜的粒度(一般1-3mm),以使其能在铁液中迅速熔化和吸收,粉状硅铁在孕育处理过程中容易氧化烧损,故应避免应用.14/22（三）孕育处理方法最初采用的孕育处理方法是冲浇法,即将孕育剂放置在铁包底部,靠铁液 液流将孕育剂冲熔的方法.缺点是一包铁水处理后,必须在孕育衰退之前 浇注完毕.这对一次处理大量铁水而又需要较长时间浇注的生产情况是 不适应的.为了
16、避免孕育衰退,在孕育处理工艺方面进行了改进（防止孕 育衰退）。包内孕育：包内冲入法，出铁槽孕育法 迟后孕育：浇口杯内孕育法，硅铁棒孕育法，浮硅孕育法，孕育丝孕育 法，随流孕育法。 1浮硅孕育法在临浇注之前,将硅铁块撒布在铁液表面,进行孕育.这种 操作方法简单,其缺点是有时硅铁块被熔渣包裹住,而失去孕育作用. 2浇口杯孕育法这种孕育方法操作简单,但有时孕育剂分布不均匀.15/2216/223硅铁铁棒孕育法用硅铁粉与粘接剂为 材料,压制成硅铁棒,将硅铁 棒置于包嘴位置以进行孕育.其优点是实现 了瞬时孕育,作用较可靠 .缺点是操作复杂.17/22孕育丝孕育法 随流孕育法18/22型内孕育法将孕育剂制成型内插入块,安放在浇注系统中.浇注时 铁液将孕育剂冲熔而实现孕育.这种方法孕育效果良好,作用可靠 ,适宜于大量生产。 浇口杯内孕育法19
