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1、 铸造是在液态下成形的方法，铸造是在液态下成形的方法，考察指标和影响因素考察指标和影响因素多达几十个多达几十个0 0 绪论绪论 铸造基本内涵铸造基本内涵：铸造是：铸造是材料材料液态成形的方法液态成形的方法中国铸造产业存在的问题中国铸造产业存在的问题中国铸造产业存在的问题中国铸造产业存在的问题一一一一 专业化程度不高，生产规模小专业化程度不高，生产规模小专业化程度不高，生产规模小专业化程度不高，生产规模小二二二二 技术含量及附加值低技术含量及附加值低技术含量及附加值低技术含量及附加值低三三三三 产学研官结合不够紧密产学研官结合不够紧密产学研官结合不够紧密产学研官结合不够紧密 铸造技术基础薄弱铸造
2、技术基础薄弱铸造技术基础薄弱铸造技术基础薄弱铸造合金铸铁部分课件 一、铸造技术的发展一、铸造技术的发展人类社会生产的历史，以其使用的材料的性质来划分，经历了石器时代、青铜器时代、铁器时代，人工合成新材料的新时代。是以铸造技术水平的提高为前提的。是以铸造技术水平的提高为前提的。铸造是集熔炼熔炼与凝固凝固、成形成形为一体的科学技术。铸造包括熔炼方法、浇注方法、造型方法、热处理方法熔炼方法、浇注方法、造型方法、热处理方法，每种方法都得到了快速发展。铸造工艺发展：传统的范型工艺传统的范型工艺到现在的多种类的铸造技术，Near Net Shape精密铸造铸造加工的对象： 有机材料 无机材料非金属材料 金
3、属材料：黑色金属：Fe、Cr、Mn 有色金属材料：Fe、Cr、Mn之外的元素0 0 绪论绪论 铸造合金铸铁部分课件 二、铸造合金二、铸造合金较之变形合金的特点较之变形合金的特点合金化元素含量高，成分范围相对较宽，组织相对较粗大，甚至不均匀，强度较高、塑性相对较低。加工成本较低，复杂件成形。0 0 绪论绪论 铸造合金铸铁部分课件 三、铸造合金发展三、铸造合金发展铜、铁、钢、镍、锌、铝、镁、钛等铜、铁、钢、镍、锌、铝、镁、钛等 现代铸造材料的蓬勃发展：除金属材料外，非金属材料的熔铸技术与理论在不断发展，如各种宝石（参杂Ti、Cr等离子的Al2O3，用于激光发射器）、铌酸锆、铌酸铝锂陶瓷材料Al2O
4、3/YAG(用于超高温结构材料)、YBaCuO(超导体)、SiC-Si太阳能材料、浆料铸造-烧结单晶W、Mo、Nb（用于热离子发射电源）、单晶镍基合金叶片、单晶Cu导线、单晶Si芯片金属间化合物（用于结构材料TiAl，MoSi2、功能材料NiTi，TeDyFe）电致发光材料，发光效率90%以上，白炙灯的发光效率只有5%，节能意义重大光致发光材料，白天吸收太阳能，晚间发光，类似于夜明珠铸造合金由低熔点向高熔点发展，合金活度不断增加，技术难度不断增大，说明人们克服困难、解决问题的能力不断提高。0 0 绪论绪论 铸造合金铸铁部分课件铸造合金铸造合金是重要的工程材料，具有广泛的应用领域。作为材料成型与
5、控制工程专业的加工对象，其本身的特性是本专业学生必须了解的基础知识。铸造合金铸造合金本身的特性无论对成形过程，还是对其应用过程中的可靠性都具有决定性影响，只有在充分了解铸造合金本身的各方面特性后，才能充分发挥铸造合金的特殊性能。该课程该课程是使学生获得有关铸造合金种类、特性、制备方法的基础专业课。该课程主要介绍各种铸造的应用领域，了解铸造合金成分对其工艺性能、组织及使用性能的影响。为后续材料成形方面的专业课奠定基础。课程目的与任务课程目的与任务0 0 绪论绪论 铸造合金铸铁部分课件2-12-1、铸铁的分类、铸铁的分类 工业上的铸铁是一种以工业上的铸铁是一种以FeFe、SiSi、C C为基础的复
6、杂的多元合金，为基础的复杂的多元合金，其碳含量一般在其碳含量一般在2.0-4.5%2.0-4.5%，硅含量，硅含量1-3%1-3%，同时含有，同时含有Mn 0.2-1.2%Mn 0.2-1.2%，P 0.04-P 0.04-1.2%1.2%，S 0.04-0.2%S 0.04-0.2%。为了提高铸铁的性能通常还要加入其他合金元素为了提高铸铁的性能通常还要加入其他合金元素CrCr、V V、CoCo、NiNi、MnMn等。等。与钢的差别：成分方面与钢的差别：成分方面(C+Si)(C+Si)和组织方面和组织方面( (高碳相高碳相) )。第第2 2讲讲 铸铁基础知识（铸铁基础知识（11）铸造合金铸铁部
7、分课件按铸铁中是否有石墨存在，分为灰铸铁和白口铁按铸铁中是否有石墨存在，分为灰铸铁和白口铁( (高碳相的存在形式不同高碳相的存在形式不同) )按石墨存在形态，分为：普通灰口铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁、可锻铸按石墨存在形态，分为：普通灰口铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁、可锻铸铁铁按铁合金中是否含有除常规元素之外的合金元素分为普通铸铁和合金铸按铁合金中是否含有除常规元素之外的合金元素分为普通铸铁和合金铸铁（由于其具有特殊的性能，如耐磨、耐热、耐腐蚀等，又称为特殊铸铁（由于其具有特殊的性能，如耐磨、耐热、耐腐蚀等，又称为特殊铸铁）铁）铸铁以其应用特点可以分为两大类，即结构材料为主（发挥其力学性能，铸铁以其应
8、用特点可以分为两大类，即结构材料为主（发挥其力学性能，如灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁、可锻铸铁）和功能材料为主（发挥其如灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁、可锻铸铁）和功能材料为主（发挥其特殊的性能，如耐磨铸铁、耐热铸铁、耐腐蚀铸铁）特殊的性能，如耐磨铸铁、耐热铸铁、耐腐蚀铸铁）铸造合金铸铁部分课件灰铸铁的发展是以强度的提高为驱动力的，早期其强度只有灰铸铁的发展是以强度的提高为驱动力的，早期其强度只有60-60-80MPa80MPa，现在可以达到，现在可以达到400MPa400MPa以上。从发展的途径上看，早期着以上。从发展的途径上看，早期着眼于孕育，但逐渐向合金化方向发展。为了改善铸造性能，力求眼于孕
9、育，但逐渐向合金化方向发展。为了改善铸造性能，力求采用较高碳当量的铸铁。基本无塑性。采用较高碳当量的铸铁。基本无塑性。早在早在19351935年德国人发现了铸铁凝固过程中通过控制合金成分可以年德国人发现了铸铁凝固过程中通过控制合金成分可以析出石墨球，进而世界范围内开展球墨铸铁的研究。析出石墨球，进而世界范围内开展球墨铸铁的研究。400-400-900MPa,900MPa,塑性达到塑性达到2-20%2-20%。蠕墨铸铁的强度和塑性低于球墨铸铁，但高于灰铸铁。蠕墨铸铁的强度和塑性低于球墨铸铁，但高于灰铸铁。可锻铸铁强度可锻铸铁强度300-700MPa,300-700MPa,塑性塑性2-12%2-1
10、2%。铸造合金铸铁部分课件2-22-2、铁碳相图、铁碳相图由于铸铁中的碳能以石墨或渗碳体两种独立的形式存在，因而Fe-C合金系中存在Fe-石墨、Fe-Fe3C双重相图，其中Fe-石墨是稳定系，Fe-Fe3C是非稳定系。从动力学角度分析，稳定系发生在冷却速度缓慢，非稳定系发生在冷却速度较快的条件下。铸造合金铸铁部分课件存在的转变（反应）：同素异构转变，磁性转变，包晶转变，共晶转变，共析转变相区：L-液相，-高温铁素体bcc，-奥氏体fcc，-铁素体bcc，cm-渗碳体，gr-石墨可能的组织：莱氏体(+Fe3C共晶体)，珠光体(+Fe3C共析体)索氏体(细的+Fe3C共析体) 托氏体(极细的+Fe
11、3C共析体)，上述共析组织中渗碳体为片状，通过热处理可以成粒状。图2-1 Fe-Fe3C系和Fe-石墨系双重相图（实线为Fe-石墨系，虚线为Fe-Fe3C系）铸造合金铸铁部分课件The stable equilibrium phases of the Fe-C system at ambient pressure are (1) the gas, g; (2) the liquid, L; (3) bcc (d-Fe); (4) fcc (g-Fe), or austenite; (5) bcc (a-Fe), or ferrite; and (6) hexagonal (C), or gra
12、phite. Orthorhombic Fe3C, or cementite, is a metastable phase.Allotropic reaction (同素异构转变) Peritectic reaction (包晶反应)Eutectic reaction (共晶反应) Eutectoid reaction (共析反应)Sublimation (升华) Melting (熔化)铸造合金铸铁部分课件图2-2 共晶部分的详细图形（1153/1147/1142C） 对于铸造合金通常采用共晶成分点，提高铸造性能（对提高流动性有好处：熔点低、易于过热(粘度低)、不形成大枝晶，潜热大）。Fe-
13、C共晶部分的详细图形2-2，Fe3C液相线与石墨液相线的交点是在石墨共晶温度之下11K，这表明在激冷条件下熔体易于对渗碳体相过饱和析出。即过冷度小于11K时石墨的液相线高于渗碳体的液相线，而优先析出石墨。当过冷度大于11K后渗碳体的液相线高于石墨的液相线，将优先析出渗碳体。同时要考虑成分的影响。（最高界面温度判据）Fe-石墨系共晶条件4.26/1426K，Fe-Fe3C系共晶条件4.30/1421K构成铸铁的主要的相：石墨、渗碳体、奥氏体、铁素体、（珠光体）。石墨在铸铁中的形态：片状石墨、共晶石墨、蠕虫状石墨、球状石墨。铸造合金铸铁部分课件2-32-3、铸铁的灰口或白口凝固、铸铁的灰口或白口凝
14、固铸铁依照其凝固方式的不同，而可能形成灰口组织或白口组织，在某些特殊的条件下也可能形成由灰口和白口构成的混合组织，即麻口组织。铸造合金铸铁部分课件一、过冷一、过冷温度温度T(过冷度过冷度)的影响（热力学的影响（热力学影响）影响）铸铁依照何种方式凝固，结晶成灰口或白口组织取决于石墨与渗碳体两者相对的形核可能性以及生长速率，这将取决于铁液的化学成分和结晶条件。图2-3是在温度-生长速率坐标上绘出的灰口或白口铸铁组织存在的范围(没有考虑成分的影响)。石墨共晶的平衡温度为1153oC，而Fe3C的共晶平衡温度为1147oC，在两个平衡温度之间，只有石墨共晶能够形核长大。2-32-3、铸铁的灰口或白口凝
15、固、铸铁的灰口或白口凝固图2-3 灰口和白口铸铁组织的存在范围铸造合金铸铁部分课件2-32-3、铸铁的灰口或白口凝固、铸铁的灰口或白口凝固在1147oC以下，石墨共晶和渗碳体共晶都能形核、生长，但随着温度的降低，渗碳体的生长速率相对于温度的变化率(dR/dT)明显大于石墨的。两者生长速率大小关系的转折点对应的温度是1142oC(D DT临界过冷度临界过冷度)，即，低于此温度时，渗碳体的生长速率大于石墨的生长速率，会发生白口组织凝固，结晶过冷度是决定铸铁凝固方式的基本因素。分析图分析图2-3时有两种途径：时有两种途径：1）考察相同过冷）考察相同过冷度时不同相的生长速率的大小关系，生长速度时不同相
16、的生长速率的大小关系，生长速率大的将优先形成；率大的将优先形成；2）考察相同的生长速）考察相同的生长速率条件下，所需过冷温度的大小关系，过冷率条件下，所需过冷温度的大小关系，过冷温度小的将优先形成。温度小的将优先形成。图2-3 灰口和白口铸铁组织的存在范围铸造合金铸铁部分课件该图表明过冷度增加，生长速度增加TR非晶？注意：过冷度越大，形核率高、生长速度越过冷度越大，形核率高、生长速度越大，固相分数增加快，不绝对，过大的过冷大，固相分数增加快，不绝对，过大的过冷度会使凝固速度降低，形成细晶，直至非晶度会使凝固速度降低，形成细晶，直至非晶的形成。的形成。TR非晶？图2-3 灰口和白口铸铁组织的存在
17、范围铸造合金铸铁部分课件二、冷却速率的影响（动力学影响）二、冷却速率的影响（动力学影响）2008.11.172008.11.17节点节点冷却速度对铸铁结晶过程的影响主要在对相变过程中原子扩散迁移的影响。在共晶转变中，如果冷却速度小，则在该温度下有较长的转变时间，有条件进行充分的碳原子扩散，故使转变倾向有利于按照石墨共晶方式进行。因此，具有一定碳硅含量的铁液在共晶转变中，可因冷却速度的不同而生成白口铸铁或灰口铸铁。冷却速度还影响奥氏体的共析转变，而形成全珠光体或珠光体-铁素体混合基体。图2-4冷却速度对铸铁凝固组织的影响示意图冷却速度非常缓慢时，将完全按稳定系共晶反应，增加冷却速度，发生部分按稳
18、定系共晶、部分按非稳定系共晶，冷却速度再增加，将完全按非稳定系共晶。2-32-3、铸铁的灰口或白口凝固、铸铁的灰口或白口凝固铸造合金铸铁部分课件三、成分的影响三、成分的影响总体而言，铸铁中的合金元素对其相变过程有重要的影响，其影响主要表现在以下几方面：1）促进铸铁的灰口结晶或白口结晶促进铸铁的灰口结晶或白口结晶，即在共晶过程中促进或阻碍石墨化；2）在初生相结晶及共晶转变中，影响结晶相的形核过程和结晶方式在初生相结晶及共晶转变中，影响结晶相的形核过程和结晶方式，从而影响灰口铸铁中石墨（或白口铸铁中碳化物）的形态、尺寸及分布特性，以及亚共晶铸铁中初生奥氏体树枝晶体的生长过程；3）在奥氏体内碳的脱溶
19、过程中，促进二次高碳相以石墨或促进二次高碳相以石墨或渗碳体形式析出；4）在共析转变过程中，影响过冷奥氏体的稳定性影响过冷奥氏体的稳定性，从而使共析转变按不同的方式进行；5）影响共晶含碳量和共析含碳量。影响共晶含碳量和共析含碳量。可见，对相图中的相变过程都有影响。可见，对相图中的相变过程都有影响。2-32-3、铸铁的灰口或白口凝固、铸铁的灰口或白口凝固铸造合金铸铁部分课件（一）（一）基本元素的影响基本元素的影响在非合金化的普通铸铁中，主要的存在元素为碳、硅、锰、磷和硫，对石墨的结晶起重要作用的是碳和硅。碳碳本身是形成石墨的元素，同时，铁液中碳的高低又决定着石墨的形核和长大，从结晶动力学角度看，铁
20、液中碳的浓度高时，比较容易形成石墨核心，一旦形成核心后，由于铁液中碳原子浓度高，扩散和聚集的过程也比较容易实现，因此，铁液含碳量高时，在共晶转变中倾向于按照稳定系结晶。同时，含碳量高的铁液经共晶转变后形成的组织中石墨的数量较多，这又为共析转变中石墨的析出提供了更多的形核衬底，因此碳是促进石墨化的重要的元素碳是促进石墨化的重要的元素。2-32-3、铸铁的灰口或白口凝固、铸铁的灰口或白口凝固铸造合金铸铁部分课件硅硅是强烈促进铸铁中碳石墨化的元素强烈促进铸铁中碳石墨化的元素，它提高铁液中碳的活度提高铁液中碳的活度（相当于增加碳含量），扩大共晶温度范围，增大形成白口的临界过冷增大形成白口的临界过冷度度
21、，促进灰口组织形成。在共析转变方面，硅也促进奥氏体按照稳定系平衡进行转变。由于硅的这种作用，硅常用来作为调整和控制铸铁组织的元素。2-32-3、铸铁的灰口或白口凝固、铸铁的灰口或白口凝固图1-5铸铁组织与碳硅含量的关系（Si有促进石墨析出的作用）没有Si，即使碳含量高过4.3%，也不能保证形成灰口。铸造合金铸铁部分课件锰锰在铸铁的共晶转变中具有较弱的阻碍石墨化的作用，但锰能中和硫的有害作用。2-32-3、铸铁的灰口或白口凝固、铸铁的灰口或白口凝固硫硫在高含量时，有阻碍石墨化的作用，同时还使初生奥氏体和共晶奥氏体的枝晶粗化。当硫含量高时，还会形成硫共晶，降低铸铁的性能，故在铸铁中应限制硫含量。但
22、少量的硫化物对石墨形核有利，故铸铁中含硫量亦非越少越好。磷磷具有促进共晶石墨化的作用，但由于它具有严重的结晶偏析倾向，在铸铁中磷含量不高时就形成磷共晶，使铸铁变脆。铸造合金铸铁部分课件（二）合金（二）合金元素的总体影响元素的总体影响按照促进灰口或白口凝固的方向和作用的强弱可将合金元素按以下顺序排列：灰口凝固 Si，Al，Ni，Co，CuMn，Mo，Sn，Cr，V，Sb，Te白口凝固合金元素的影响主要归结为三个方面三个方面对碳在铁液中溶解度的影响对碳在铁液中溶解度的影响某种合金元素使铁液中碳的溶解度降低，即使碳的活度增大，促使碳以稳定系结晶（析出石墨）。如每1%Si使碳的溶解度降低0.29-0.
23、31%，其促使碳以石墨形式析出；1%Cr使碳的溶解度升高0.06-0.063%，其促使碳以渗碳体形式析出假设合金熔体中原有C1的碳含量，当加入某元素，使合金熔体中碳的理论含量改变为C2，若C2C1，促进渗碳体形成；C2C1，促进石墨形成；C1=C2，对碳的析出从某方面说没有影响由于合金元素的存在，使得铸铁的共晶含碳量发生变化，其中Si、P、S使共晶含碳量减少（Fe-C相图上共晶点左移），而Mn使共晶含碳量增加（共晶点右移）可以用碳当量与共晶含碳量比较4.26碳当量：碳当量：根据不同元素对共晶点实际碳含量的影响，将这些元素折算成碳量的增减，以CE%表示，CE%=C%+1/3(Si+P)%。将CE
24、%与共晶点（4.26%）相比，CE%4.26%，为过共晶，CE%4.26%，为亚共晶。铸造合金铸铁部分课件对共晶温度范围的影响对共晶温度范围的影响共晶温度范围TE(参看图2-3)对于共晶转变的石墨化倾向有重要的影响。TE大时，铸铁倾向于形成石墨共晶。铸铁中每种合金元素均会使稳定系共晶温度TE和介稳系共晶温度TE发生改变，从而使TE增大或减小。某些元素（Si,Ni）增大TE值，起促进石墨化作用，另一些元素（Cr）减小TE值，起阻碍石墨化作用。合金元素在改变TE方面的作用还与其在铁液中的含量有关，如图2-6。图2-6 合金元素对共晶温度范围的影响铸造合金铸铁部分课件对临界过冷度的影响对临界过冷度的
25、影响铸铁共晶结晶过程的临界过冷度T(参看图2-3)是使铸铁进行灰口凝固所能承受的最大的结晶过冷度，由于合金元素对石墨共晶和渗碳体共晶的生长速率产生不同的影响，因而会使临界过冷度T增大或减小。根据晶体生长动力学方面的研究，铸铁共晶转变的临界过冷度T与共晶温度范围TE以及石墨共晶与渗碳体共晶的生长速率比之间有一定的函数关系：式中KG、KC分别与石墨共晶、渗碳体共晶生长速率有关的常数，而0KG/KCVaVc，因此初生渗碳体在a-b面内长成片状，是以树枝状结晶方式长大的，渗碳体的树枝晶是二维的。六角形六角形出现在高铬铸铁中不定形形状不定形形状出现在其他高合金元素含量的铸铁中。铸造合金铸铁部分课件二、奥
26、氏体二、奥氏体-碳化物共晶碳化物共晶（一）结晶过程热力学当具有共晶成分的铁液过冷至共晶温度（图1-23中ECF线）以下时，他同时为碳和铁所饱和，因而有同时析出奥氏体和碳化物的热力学驱动力，过冷铁液的自由能比奥氏体-渗碳体共晶混合物的自由能高出G1，比奥氏体-石墨共晶混合体的自由能高出G2，而G2G1，从热力学角度，形成奥氏体石墨共晶的热力学驱动力更大。但从动力学角度，由于形成渗碳体所需的原子扩散程度比形成石墨小的多，故当冷却速度大时，形成奥氏体-渗碳体共晶。铸造合金铸铁部分课件奥氏体奥氏体-渗碳体共晶形态渗碳体共晶形态因合金元素的种类、含量及冷却条件的不同，可能得到不同形状的碳化物。莱氏体型共
27、晶碳化物 在普通白口铸铁中，在连续的碳化物上分散分布的小岛（奥氏体或奥氏体转变产物）。在快冷时小岛中组织为马氏体或残余奥氏体，在慢冷时为珠光体。鱼骨状共晶碳化物 在高钨铸铁中，出现鱼骨状碳化物，在一个主杆上分布很多平行的分枝，在分枝间为奥氏体或奥氏体转变产物。葵花状碳化物 含B的白口铸铁中碳化物形成葵花状菊花形碳化物 含CrMo铸铁中，碳化物具有独特的菊花状。铸造合金铸铁部分课件第第3 3讲讲 铸铁的熔体处理铸铁的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
28、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偶发性。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、实现可控的非可控的非均质形核过程均质形核过程。铸造合金铸铁部分课件31 铁液的过热和高温静置处理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
29、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。普通灰口铸铁的临界温度为1500-1550C。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。 铸造合金铸铁部分课件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（
30、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，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。铸造合金铸铁部分课件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）
31、。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
32、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 熔体中团簇尺寸的变化铸造合金铸铁部分课件32 灰口铸铁的形核和孕育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
33、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。铸造合金铸铁部分课件一、孕育处理的目的一、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
34、一性。铸造合金铸铁部分课件二、孕育处理的本质二、孕育处理的本质孕育处理的本质本质是利用非均质形核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
35、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。铸造合金铸铁部分课件三、孕育剂的作用原理三、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
36、短1 氧化物晶核孕育说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0.341
37、nm，而石墨（0001）晶面之间的原子间距为0.335nm，两者比较接近。铸造合金铸铁部分课件3 3 硫化物硫化物- -氧化物双重晶核孕育说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,
38、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，
39、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。铸造合金铸铁部分课件四、孕育效果四、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：(1)已形成的晶核的老化,(2)晶核在铁液中上浮(3)富硅微区消失.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）孕育作用的发生和衰退过程可以通过孕育前后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
40、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 铸造合金铸铁部分课件五、孕育处理工艺五、孕育处理工艺（一）原铁液的化学成分和温度（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
41、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10-15min时间.铸造合金铸铁部分课件（二）孕育剂的加入量和粒度（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
42、应避免应用.铸造合金铸铁部分课件（三）孕育处理方法（三）孕育处理方法最初采用的孕育处理方法是冲浇法冲浇法,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
43、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.铸造合金铸铁部分课件铸造合金铸铁部分课件3硅硅铁棒孕育法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.铸造合金铸铁部分课件孕育丝孕育法孕育丝孕育法 随流孕育法随流孕育法铸造合金铸铁部分课件型内孕育法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。浇口杯内孕育法铸造合金铸铁部分课件3-3、白口、白口铸铁铸铁的的变质变质 采用变质处理变质处理方法可以改善初晶及共晶碳化物的形
44、态，使碳化物在基体中呈不连续分布，从而能够减小白口铸铁的脆性并提高其强度。变变质处理的实质质处理的实质是改变白口铸铁中碳化物的长大条件碳化物的长大条件，抑制其择优取向生抑制其择优取向生长的趋势。长的趋势。 以Ce为主要元素的混合稀土与适宜的细化奥氏体枝晶的元素（Ti，N，V等）相配合，可以收到良好的变质效果。稀土元素Ce具有很强的表面活性，在铸铁结晶过程中，在碳化物的不同晶面上进行选择性吸收，在铸铁结晶过程中，在碳化物的不同晶面上进行选择性吸收，它优先吸附在能位较高同时也是生长较快的晶面上，减缓其生长速率，它优先吸附在能位较高同时也是生长较快的晶面上，减缓其生长速率，其结果是减弱了晶体生长的各
45、向异性其结果是减弱了晶体生长的各向异性，促使碳化物成为板块状。而Ti，N，V等元素在铁液中形成大量的非均质晶核，使奥氏体枝晶增多变细，并缩小碳化物的尺寸，使其分散和孤立化。同时，由于碳化物尺寸的减小，也使其保持块状生长的相对稳定性得到提高，避免块状碳化物在生长过程中产生分支。猜想：渗碳体是否可以球化猜想：共晶过程中渗碳体不一定为领先相第第3 3讲讲 铸铁的熔体处理铸铁的熔体处理铸造合金铸铁部分课件34、石墨球化、石墨球化处处理理 球墨铸铁球墨铸铁一般用稀土镁合金对铁液进行处理，以改善石墨形态，从而得到比灰铸铁性能更高的铸铁。球墨铸铁中的石墨以圆球形状存在，由于球状石墨对铸铁基体的割裂作用最小，
46、因而能使基体的性能得到充分发挥。球墨铸铁具有比灰铸铁高的多的强度和韧性，成为可以和铸钢相比的铸造合金材料。 蠕墨铸铁蠕墨铸铁中的石墨以蠕虫状存在，蠕虫状石墨与片状石墨形状相似，但两者间有明显的不同：蠕虫状石墨的长度与厚度之比较小（l：g=2-10），而片状石墨的比值较大（l：g50）；蠕虫状石墨的端部呈圆钝状，而片状石墨的端部为锐角形；蠕虫状石墨的卷曲程度远大于片状石墨。由于这些原因，使得蠕墨铸铁具有比灰铸铁高的多的强度。而由于蠕墨铸铁中的石墨之间的连续性比球墨铸铁强，它的导热形和减振性均优于球墨铸铁。因此蠕墨铸铁比灰铸铁强度高、又在一定程度上保留了灰铸铁的良好性能的一种铸铁材料。 球墨铸铁和
47、蠕墨铸铁的生产方法：球墨铸铁和蠕墨铸铁的生产方法：球墨铸铁的一般生产过程包括：熔炼铁液、球化处理、孕育处理、浇注铸件、热处理，在上述环节中熔炼优质的铁液和进行有效的球化-孕育处理是生产球墨铸铁的关键。蠕墨铸铁的一般生产过程包括：熔炼铁液、蠕化处理、孕育处理、浇注铸件，在上述环节中熔炼优质的铁液和进行有效的蠕化-孕育处理是生产蠕墨铸铁的关键。铸造合金铸铁部分课件一、石墨的球化机理一、石墨的球化机理核心说：核心说：认为作为晶核物质的晶格结构是决定石墨形状的条件。用镁处理铁液能使石墨球化是因为能在铁液中生成具有立方晶格结构的MgO、MgS、MgC2等化合物，碳原子从四面八方以相同的速度结晶而形成球状
48、石墨。不能解释有的石墨核心是片状石墨。碳化物快速分解说：碳化物快速分解说：认为球状石墨的生长过程包括两个阶段，首先是球墨铸铁结晶成白口组织，其后因为铸铁含硅量高，白口组织中的碳化物立即分解为奥氏体和石墨。不能解释球状石墨从铁液中直接结晶析出。过冷说：过冷说：认为球状石墨与片状石墨一样，可以从铁液中直接析出，而将石墨长成球状的原因归于过冷度。其根据是球墨铸铁的结晶过冷度比片状石墨铸铁大得多。球墨铸铁在更低的温度下结晶，碳原子的扩散速度成为石墨生长的限制性环节，而且随着过冷度的增大，铁液的表面张力增加，更促进生成相朝着比表面积小的形态发展。过饱和奥氏体说：过饱和奥氏体说：认为由于球墨铸铁的结晶过冷
49、度大，在结晶时不能达到平衡状态，故会形成过饱和奥氏体，而后在过饱和的奥氏体中分解出石墨，由于是在固态下分解，故石墨长成球状。气泡学说：气泡学说：认为石墨长成球形，是镁蒸汽泡作用的结果。石墨在铁液中直接形核和生长的初期将受到铁液巨大的表面张力作用，而无适当的空间条件，其形核和生长的可能性很小。而球化处理时，产生的镁蒸汽泡为石墨的形核和长大创在了条件。但关于石墨球化过程至今还无定论。结合石墨析出过程的分析，球化剂的加入改变S和O的存在，改变界面能，而使c向生长加快，长成球状。铸造合金铸铁部分课件二、石墨球化的评定标准二、石墨球化的评定标准球化率：球化率：在铸铁的微观组织的有代表性的视场中，在单位面
50、积上球状石墨数目与全部石墨数目的比值（以百分数表示）石墨球径：石墨球径：在放大100倍的条件下测量的有代表性的球状石墨直径圆整度：圆整度：是对石墨球圆整程度的定性的概念。为了保证球状石墨具有好的性能，要求有高的球化率，圆整而细小的球状石墨。铸造合金铸铁部分课件三、球化剂三、球化剂:镁、铈和钇作为球化剂的特点镁、铈和钇作为球化剂的特点1球化能力球化能力镁作为球化剂，有很强的脱硫、脱氧能力，能有效地消除硫、氧的吸附作用，增加铁液的表面张力，提高铁液/石墨界面能，故能稳定地使石墨球化。在用镁处理铁液时，能形成分散度很大的镁的硫化物、硫氧化物及碳化物的微粒，这些夹杂物微粒可作为球化处理后孕育处理过程中
51、，生成SiO2晶体时所倚赖的基地，从而有利于形成大量的细小而圆整的石墨球。用铈、钇处理的铸铁要差些。2对对反球化元素干反球化元素干扰扰作用的抵抗能力作用的抵抗能力铁液中含有的Al、Ti、Zr、Pb、Te等为反球化元素。为了保证石墨的良好球化，应对铁液中的反球化元素含量严格限制。不同的球化元素对反球化元素的干扰作用具有不同的抵抗能力。由于镁与大部分反球化元素不相化合，或化合程度很小，对反球化元素的抵抗能力低。而稀土元素与反球化元素具有一定的化合能力，而表现出好的抗干扰能力。铸造合金铸铁部分课件3抗球化衰退能力抗球化衰退能力球化处理后的铁液，随着时间的延长，石墨球化作用会逐渐减弱而消失，表现为石墨
52、球化率下降，球径变大，圆整度变差，逐渐发生畸变，直至变为片状石墨。这种现象称为球化衰退，其原因球化衰退，其原因为为：在铁液停留过程中，空气中的氧会不断进入铁液中，并向铁液深处扩散，造成铁液中氧的活度升高，使铁液中球化剂的残留量降低。在球化处理温度下，铁液中残留的Ce、Mg与S、O之间的反应已达到平衡，但在铁液停留过程中，由于温度降低，铁液中S、O的溶解度降低，析出S和O，致使其与部分Ce、Mg重新化合反应，使铁液中Ce、Mg残留量降低。溶解于铁液的Mg具有较高的饱和蒸气压，容易从铁液中逸出，致使残留镁量不断下降。从球化处理完，获得良好的石墨球化状态开始，到开始出现球化程度降低为止的一段时间称为
53、球化衰退时间。镁作球化剂时球化衰退时间只有10-15min，Ce稀土合金15-20min，稀土Y1-3h。铸造合金铸铁部分课件四、球化元素的适宜残留量四、球化元素的适宜残留量 为了使铸铁中的石墨达到稳定的球化，必须将铁液中S和O的反球化作用降低到一定程度，为此需要在铁液中保持一定的球化元素平衡含量，即适宜的残留量。 在采用镁作球化剂时，其适宜的残留量与铁液含硫量、铸件壁厚及铸型材料（冷却强度）有关，铸铁含硫量高、铸件凝固时间长，镁的适宜残留量应高些，一般为WMg0.03-0.065%。不是说镁的残留量越高越好，残留量高时，会使石墨形状发生恶化，严重时出现畸变铸造合金铸铁部分课件五、球墨铸铁孕育
54、的必要性五、球墨铸铁孕育的必要性经球化处理的铁液石墨形核能力差，凝固过程中达到的过冷度大，当过冷度超过临界过冷度后，会析出渗碳体，而降低球墨铸铁的性能。铸造合金铸铁部分课件35铸铁铸铁凝固凝固过过程中可能出程中可能出现现的的问题问题一、局部白口及反白口一、局部白口及反白口局部白口局部白口可能在灰口及球墨铸铁中出现。一方面由于薄壁部分冷却快，按照亚稳系凝固，另一方面是由于铸铁凝固后，当铸件表面从高温冷却至1050C的过程中，产生表面脱碳，降低了碳当量，促进形成白口。反白口反白口的铸铁件外部为灰口组织，而内部为白口组织，因白口组织的位置与表层白口缺陷正好相反，所以称为反白口。产生反白口的原因：产生
55、反白口的原因：n各种成份的铸铁有各自的最易形成反白口的临界冷却速度。由于在已凝固部分的冷却作用下，中心部位的凝固速度快于外部而形成反白口。n在冷却较快的情况下，凝固过程产生成份偏析，碳的负偏析，过共晶铸铁凝固过程中，铁液中的碳不断降低，最后凝固区可能按亚稳系凝固，实验证明中心白口区碳含量比外部灰口区降低0.28%。n反石墨化元素的正偏析，在最后凝固的铁液中富集了反石墨化元素，促进渗碳体析出。 铸造合金铸铁部分课件 铸造合金铸铁部分课件 n厚壁球墨铸铁件最后凝固部分产生孕育衰退，石墨球数量少，形成大过冷，形成白口n铁液中氢含量高，凝固过程中氢聚集在铸件中心部位，阻止石墨化促进形成白口解决办法：解
56、决办法：减少反石墨化元素，强化孕育，在保证球化的前提下降低球化剂加入量。铸造合金铸铁部分课件 二、石墨漂浮二、石墨漂浮高碳含量铸铁容易出现的缺陷。常出现在铸件的上表面、型芯的下表面或铸件的最后凝固区域，出现大量的石墨，是一种比重偏析现象。控制碳当量，降低浇注温度，控制冷却速度铸造合金铸铁部分课件三、胀型及疏松三、胀型及疏松铁液冷却、凝固过程中产生冷却收缩和凝固收缩，将促进缩孔、疏松的形成。但铸铁凝固过程中伴随有石墨的析出而发生体积膨胀，这种膨胀可能将凝固前期所形成的收缩的一部分或全部抵消。如果铸型刚度差，在石墨化膨胀压力作用下，造成型壁向外迁移，铸件尺寸增加，最终使铸铁件内缩孔容积增加。形成缩
57、孔（疏松）的总容积V总=V液缩+V凝缩-V石膨+V型移如果铸型刚度足够大，V型移=0，那么当V液缩+V凝缩=V石膨，V总=0，即铸铁能够实现“自补缩”。铸造合金铸铁部分课件 对比灰口铁与球墨铁的凝固过程分析产生疏松缩孔的倾向对比灰口铁与球墨铁的凝固过程分析产生疏松缩孔的倾向灰铸铁在共晶凝固时，共晶团中片状石墨的尖端始终与共晶铁液接触，共晶石墨的膨胀主要作用在铁液上，这样迫使铁液通过枝晶间通道去补缩液态收缩和固态收缩。而且灰铸铁倾向于逐层凝固，使铁液的补缩通道可在较长时间里保持通畅，所以灰铸铁产生疏松的倾向小。球墨铸铁的凝固趋向于“糊状凝固”，因而在铸件断面上有较宽的凝固区域。石墨球包裹在奥氏体外壳里生长，石墨化产生的膨胀力很容易通过奥氏体传到铸型上产生胀型。共晶团间的液体收缩很难得到铁液的补缩，易产生缩孔疏松。铸造合金铸铁部分课件
