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灰铸铁和球墨铸铁凝固过程中的几个要点问题!
点击数:243     发表日期:2017/4/4

铸铁件的最终性能,主要决定于其在凝固过程中形成的组织,例如:灰铸铁的热性能就受其组织中石墨的形态、尺寸和数量的影响,力学性能则取决于初生奥氏体枝晶的数量、石墨的形态和共晶团的尺寸;球墨铸铁的力学性能则取决于石墨球的数量、形态,以及基体组织的特点。

灰铸铁、球墨铸铁的凝固过程包括:初生相(奥氏体、石墨)的析出,共晶转变和剩余残液的凝固。

共晶转变的末期,共晶晶粒与共晶晶粒之间、共晶晶粒与初生奥氏体枝晶之间互相衔接,剩余的低熔点残液处于晶粒之间的晶界部位,最后凝固。这种残液在铸铁中所占的体积分数虽然很小,但是,其中富集了多种偏析元素和夹杂物,它的凝固状态可以使铸铁件中产生多种晶界缺陷,如磷共晶、晶界碳化物、晶界非金属夹杂物、畸形石墨、晶间缩松等,对铸件质量的影响很大。生产过程中影响剩余残液性质的因素也很多,诸如:铸铁化学成分的选定,熔炼用各种原材料的质量,熔炼过程的控制,铁液的后处理工艺等等。因此,要讨论剩余残液的凝固,决不是一两个段落所能说得清楚的,这里只能暂且按下不说了。

到目前为止,我们对铸铁凝固过程的认识仍然是不够充分的,很有必要进一步的探索和研究。

一、铸铁凝固过程中的生核

铸铁是一种碳含量比较高的Fe-C合金,除碳以外,还含有多种其他合金元素。一般低合金铸铁中的碳,可以以石墨或Fe3C的形态析出。

高温的铁液中,石墨的自由能比Fe3C低得多,较易于直接自铁液中析出。当然,铸铁中的碳也可自固态的奥氏体中脱溶析出。从热力学方面的分析看来,‘Fe-石墨’系二元相图是稳定的平衡状态,所以称之为Fe-C合金的稳定系。相对而言,Fe-Fe3C二元相图就是Fe-C合金的介稳定系。

要了解铸铁的凝固过程,当然要参照Fe-C合金相图。通常我们看到的书籍中,Fe-C二元合金相图,一般都用虚线表示稳定系(Fe-石墨),实线表示介稳定系(Fe-Fe3C)。近年来,有人提出:Fe-C合金相图中,用实线表示稳定系(Fe-石墨)、用虚线表示介稳定系(Fe-Fe3C),可能更为贴切。

这篇短文,只涉及常用的灰铸铁和球墨铸铁的凝固,最关心的是石墨的析出,希望铸铁在凝固过程中不析出Fe3C,所以图1中以实线表示稳定系。

图1 简略的Fe-C合金相图(凝固部分)

均匀的液相中结晶析出固相(均质生核),晶核的形成需要很大的表面能。对纯金属而言,在金属液中均质生核,一般都需要将其过冷到其熔点100℃以下。以这种生核方式结晶、凝固,在实验室中也许能够做到,在生产条件下,不可能实现这种结晶、凝固的机制。

实际上,各种铸造合金的结晶、凝固过程,都起始于异质晶核。一般说来,如果晶核的晶格与凝固体晶格的适配性好,合金液在很小的过冷度下就可以开始结晶、凝固。

1、灰铸铁、球墨铸铁中硅的作用

单纯的Fe-C合金,图1中涉及的一些临界点的温度、碳含量见表1。

在平衡条件下,稳定系的共晶温度TEG(1153℃),只比介稳定系的共晶温度TEC(1147℃)高6℃。铸铁的凝固过程中,冷却速率略高一点、过冷度略大一点,就会按介稳定系转变。实际生产条件下,铸铁凝固时冷却速率都比较高、过冷度较大,如果是单纯的Fe-C合金,很容易出现白口。对于生产灰铸铁和球墨铸铁铸件而言,凝固过程中碳不能以Fe3C的形态析出,必须使其按稳定系转变,因而,加入合金元素,扩大TEG和TEC之间的温度差,是至关重要的。

Fe-C合金中加入硅,可以提高稳定系的共晶温度,不过这种作用不太明显,但是,硅却可以使介稳定系的共晶温度显著降低,从而扩大TEG和TEC之间的温度差。硅的这种作用参见

 

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