铸铁石墨形成机理探讨
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
随着奥氏体壳层的形成，奥氏体 外延生长，并在液相中长大；奥氏体 的结晶析出又会促进新的石墨球状初 始形态在液相中形成。
3.球铁石墨特点及形成机理
3.2 球墨铸铁微观凝固过程
目前主要的物理模型来解释球墨铸铁的凝固过程
G. Rivera 等人
提多出球的模一型个新 的在（凝模大固型多模中数型每。个）
凝固单元为有 枝晶结构和许
A型
B型
C型
D型
E型
F型
2.灰铸铁石墨特点及形成机理
A型石墨
A 型石墨是在石墨的成核能力较强，冷却速度较慢，共晶 转化在很小的过冷度下进行时形成的片状石墨。
1.低的过冷度 2.足够的形核核心
有论文认为，共晶度较小的情况下， 强脱氧元素Al和Zr在孕育前进行 0.007%~0.010%的预处理对石墨形态 控制明显有利
普通灰铸铁 可锻铸铁 球墨铸铁 蠕墨铸铁
1.2 石墨化过程及其影响因素：
1.2.1 铸铁中的石墨
1、石墨为稳定相，具有特殊的简 单六方晶格，石墨的强度、硬 度和塑性都很差。
2、可以直接析出石墨； 3、Fe3C在一定条件下分解为
铁素体和石墨， 即：Fe3C→3Fe+G（石墨）。
石墨结 构
1.2石墨化过程及其影响因素：
1.2石墨化过程及其影响因素：
1.2.5 影响石墨化的因素
化学成分： C、Si促进石墨化元素 Mn 、S阻碍石墨化元素
冷却速度：
WC
+
↑碳当量，↑时间 → 有墨化
冷速快→ 抑制石墨化
2金.灰相铸组铁织石特墨点特及点对及性形能成的机影理响 灰铸铁主要石墨形态
2.灰铸铁石墨特点及形成机理 F型石墨
F型石墨是我国标准中所特有的，其特点是在星型石墨 上分布着许多小的石墨片（这些小石墨片呈A型分布）。
F型石墨实质上亦是过共晶石墨，是高碳铁水在较大过 冷条件下生长的。星型石墨可以认为是相当于C型中的初生 石墨，小片状A型石墨在其上沿结晶潜热方向生长。
F型=A型+C型
3.3 石墨的球化机理
表面张力学说 铁液经过 Mg 处理后表面张力有很大的增加。增加铁水表面
张力可以促使石墨球的形成。但不能解释经过铝脱氧处理后的铁 水，石墨不呈球形。但说明一定的表面张力是得到球状石墨的必 要条件。
现在的研究人员研究人员倾向于将界面能(吸附)学说和螺 旋生长学说结合起来，但按这种方式进行长大的机制，还缺乏 直观的试验和进一步理论上验证。
多个单石共球墨晶模球奥的氏型一体
晶粒。
3.球铁石墨特点及形成机理
3.2 球墨铸铁微观凝固过程
球墨铸铁凝固的特点为糊状凝固
这是由于球墨铸铁的成分在共晶点附近，凝固断面上液-固两相区 宽，当包围石墨的奥氏体临近接触时，尚未凝固的液态金属被分割成一 个个小的连续熔池，失去了补缩通道，呈现出糊状状态。糊状凝固是球 墨铸铁的固有属性。这也是产生缩松的根本原因。
冷速 第一、二阶段石墨化完全进行
慢 → C主要以石墨存在
灰口铸铁
第三阶段石墨化完全进行→ F基体+石墨
第三阶段石墨化部分进行→ P+F基体+石墨
第三阶段石墨化没有进行→ P基体+石墨
第一、二阶段石墨化部分进行
麻口铸铁
第三阶段石墨化没有进行→ 石墨与Fe3CⅡ共存
第一、二阶段石墨化没有进行
白口铸铁
快
第三阶段石墨化没有进行→ C以Fe3C形式存在
3.3 石墨的球化机理
石墨核心探究
石墨球核心形貌各异，有球形、片状以及锥形。石墨球异质 核心多数为单核心，但也存在少量双重和多重核心结构。核心的尺 寸在微米级别，约为0.6~7 μm。
石墨球核心物质主要是硫化物、氧化物及碳化物，它们中的 一种或多种化合物共同构成石墨球异质核心。
MgS、 MnS、 CaS、FeS、 SiO2、MgO、SiC、TiC
与灰铸铁凝固的主要区别在于球墨铸铁的凝固方式为 非共晶共长方式。
石墨长大进入共晶阶段后，奥氏体壳已经形成，C 原子由铁水 通过固态的奥氏体壳扩散到石墨球上，同时 Fe 原子由石墨-奥氏体 界面处扩散出去，这一过程比 C 原子在铁水中的扩散速度要慢的多，
因此球墨铸铁的共晶凝固时间长。
3.球铁石墨特点及形成机理
3.球铁石墨特点及形成机理 3.1 球铁主要石墨形态
3.球铁石墨特点及形成机理
3.2 球墨铸铁微观凝固过程
球墨铸铁凝固过程主要分为三个阶段
(1)石墨初始形态形成阶段 大量的石墨球首先在液相中析出
(2)奥氏体壳层形成阶段 随着熔体温度的下降，先析出石
墨长大，由于石墨的生长速度大于 C 在液体中的扩散速度，较大的石墨球 周围出现贫碳层，在石墨周围有奥氏 体壳层形成。 (3)石墨和奥氏体离异生长阶段
铸铁石墨形成机理探讨
时晓
1.铸铁的分类及石墨化过程 2.灰铸铁石墨特点及形成机理 3.球铁石墨特点及形成机理 4.蠕墨铸铁石墨特点及形成机理
1.铸铁的分类及石墨化过程
1.1铸铁的分类
根据碳在铸铁中存在的形态不同，通常可将铸铁分为 白 口铸铁（Fe3C）、灰口铸铁(石墨)及麻口铸铁。 灰口铸铁中，根据石墨的形态不同分为
2.灰铸铁石墨特点及形成机理
B型石墨
B型石墨呈放射状，其实质上是中心部分由D型石墨组成，放射 状的外围则为A型石墨。
共晶团的中心部分形成过冷（D型）石墨，随着结晶过程的进行， 在共晶转变中释放出结晶潜热向周围散出，导致结晶过冷度降低，故 外层石墨生长速率延缓，石墨片又逐渐长成了片状，而且沿着热流的 方向长成了辐射状。再进一步向外发展时，由于热流已不再有明显的 辐射方向性，故外围又长成了蜷曲的片状ATYPE石墨。
过冷石墨
2.灰铸铁石墨特点及形成机理
E型石墨
E型石墨形态特征是在奥氏体枝晶间分布着大量细小片 状石墨呈方向性分布。
E型石墨的形成机理与D型石墨相似，但是过冷度较D型 较小，奥氏体枝晶细密，同时二次枝晶近于同时完成。二次 枝晶具有方向性，与结晶潜热方向相同。同时由于过冷度不 是很大，石墨生长成为片状。
3.球铁石墨特点及形成机理
3.3 石墨的球化机理
气泡学说 铁液中存在气泡，这些气泡界面是最容易形成石墨结晶
的位置。由于石墨的晶格结构，沿气泡界面形成板状晶，如 果板状晶的生长前沿相互干涉，则该处形成石墨的晶界，再 向气泡内侧进一步生长板状晶；上述过程反复进行。形成了 球状石墨。
3.球铁石墨特点及形成机理
3.球铁石墨特点及形成机理 3.3 石墨的球化机理
自球铁问世以来，出现了很多解释球化现象的理论，但是到目前 为止球状石墨的形成机理还没有统一的认识，以下为主要的几种理论。
石墨结构
3.球铁石墨特点及形成机理
3.3 石墨的球化机理
界面能说
沿a面长大速度快会增大片状面积， 沿c面长大速度快会增大石墨厚度。当va ＞vc最终会形成片状石墨，当va=vc 或va ＜vc则会形成球状石墨。
B型=A型+D型
2.灰铸铁石墨特点及形成机理
C型石墨
C型石墨是在碳当量很高（过共晶），冷却速度很慢的情况下出 现的粗大石墨形态。
容易产生C型石墨的两种情况： 一是生铁遗传性因素引起形成C型石墨，电炉本身过热温度低， 生铁中的粗大石墨不能完全熔化。 二是部分增碳剂进入铸件型腔随其余铁水一起结晶凝固，这部分 石墨就起到了过共晶成分铁液先析出的初生石墨的作用。
4.蠕墨铸铁石墨特点及形成机理 4.1 蠕墨铸铁石墨的形态
蠕虫状石墨是主要形态，其中掺杂少量球型石墨，但不允许出 现片状石墨。
4.蠕墨铸铁石墨特点及形成机理 4.2 蠕墨铸铁石墨形成机理
蠕虫状石墨介于片状石墨和球型石墨中间的形态。生产时要严 格控制Mg和稀土的加入量，以得到蠕虫状的石墨。
表面活性元素如氧、硫等富集吸附 在石墨棱面降低了该面界面张力和界面能， 加速石墨沿棱面a轴的生长速度，球化元 素能够脱硫脱氧，遏制促进c轴生长速度， 从而形成球状石墨。
3.球铁石墨特点及形成机理
3.3 石墨的球化机理
位错学说 与界面能说相同，同样认为活性元素阻碍了石墨的球状
生长，但强调了Mg、稀土元素具有脱氧脱硫的作用之外，还 具有使C轴生长强烈分支的作用。促使石墨呈“小角簇”螺旋 晶方式生长。
2.灰铸铁石墨特点及形成机理
D型石墨
D型石墨形态特征是在奥氏体枝晶间分布着大量细小而无一定方向 性的近似点状石墨。
这是由于铁水缺乏形核因子或孕育效果的影响、或铸件本身壁薄 同时浇注后冷却速度非常快，造成结晶过冷度变大，这样的情况下铸 件中先析出了奥氏体，同时过冷度较大，导致奥氏体枝晶生长，将铁 液分割，但二次枝晶发育不完全，因此石墨无一定的方向性。
1.2.2 Fe-G相图
铁碳合金的结晶实际上存在两种相图，即Fe3C-Fe和 Fe-G相图，铁碳合金结晶条件不同可以全部或部分地按 照其中的一种或另一种相图进行结晶。
两个相图的比较：
共晶温度
Fe—Fe3C 相图
1148℃
共析温度
727℃
S点
0.77%
E点
2.11%
C点
4.30%
Fe—G 相图 1154℃ 738℃
0.68%
2.08%
4.26%
1.2石墨化过程及其影响因素： 1.2.3 石墨化过程
铸铁组织中石墨的形成叫“石墨化” 过程。
第一阶段: Lc A E+G
共晶石墨
第二阶段: A G
二次石墨
第三阶段: AS Fp+G
共析石墨
第一阶段 第二阶段
第三阶段
1.2石墨化过程及其影响因素：
1.2.4 石墨化程度与铸铁分类
3.球铁石墨特点及形成机理
3.2 球墨铸铁微观凝固过程
目前主要的物理模型来解释球墨铸铁的凝固过程
G. Rivera 等人
提多出球的模一型个新 的在（凝模大固型多模中数型每。个）
凝固单元为有 枝晶结构和许
A型
B型
C型
D型
E型
F型
2.灰铸铁石墨特点及形成机理
A型石墨
A 型石墨是在石墨的成核能力较强，冷却速度较慢，共晶 转化在很小的过冷度下进行时形成的片状石墨。
1.低的过冷度 2.足够的形核核心
有论文认为，共晶度较小的情况下， 强脱氧元素Al和Zr在孕育前进行 0.007%~0.010%的预处理对石墨形态 控制明显有利
普通灰铸铁 可锻铸铁 球墨铸铁 蠕墨铸铁
1.2 石墨化过程及其影响因素：
1.2.1 铸铁中的石墨
1、石墨为稳定相，具有特殊的简 单六方晶格，石墨的强度、硬 度和塑性都很差。
2、可以直接析出石墨； 3、Fe3C在一定条件下分解为
铁素体和石墨， 即：Fe3C→3Fe+G（石墨）。
石墨结 构
1.2石墨化过程及其影响因素：
1.2石墨化过程及其影响因素：
1.2.5 影响石墨化的因素
化学成分： C、Si促进石墨化元素 Mn 、S阻碍石墨化元素
冷却速度：
WC
+
↑碳当量，↑时间 → 有墨化
冷速快→ 抑制石墨化
2金.灰相铸组铁织石特墨点特及点对及性形能成的机影理响 灰铸铁主要石墨形态
2.灰铸铁石墨特点及形成机理 F型石墨
F型石墨是我国标准中所特有的，其特点是在星型石墨 上分布着许多小的石墨片（这些小石墨片呈A型分布）。
F型石墨实质上亦是过共晶石墨，是高碳铁水在较大过 冷条件下生长的。星型石墨可以认为是相当于C型中的初生 石墨，小片状A型石墨在其上沿结晶潜热方向生长。
F型=A型+C型
3.3 石墨的球化机理
表面张力学说 铁液经过 Mg 处理后表面张力有很大的增加。增加铁水表面
张力可以促使石墨球的形成。但不能解释经过铝脱氧处理后的铁 水，石墨不呈球形。但说明一定的表面张力是得到球状石墨的必 要条件。
现在的研究人员研究人员倾向于将界面能(吸附)学说和螺 旋生长学说结合起来，但按这种方式进行长大的机制，还缺乏 直观的试验和进一步理论上验证。
多个单石共球墨晶模球奥的氏型一体
晶粒。
3.球铁石墨特点及形成机理
3.2 球墨铸铁微观凝固过程
球墨铸铁凝固的特点为糊状凝固
这是由于球墨铸铁的成分在共晶点附近，凝固断面上液-固两相区 宽，当包围石墨的奥氏体临近接触时，尚未凝固的液态金属被分割成一 个个小的连续熔池，失去了补缩通道，呈现出糊状状态。糊状凝固是球 墨铸铁的固有属性。这也是产生缩松的根本原因。
冷速 第一、二阶段石墨化完全进行
慢 → C主要以石墨存在
灰口铸铁
第三阶段石墨化完全进行→ F基体+石墨
第三阶段石墨化部分进行→ P+F基体+石墨
第三阶段石墨化没有进行→ P基体+石墨
第一、二阶段石墨化部分进行
麻口铸铁
第三阶段石墨化没有进行→ 石墨与Fe3CⅡ共存
第一、二阶段石墨化没有进行
白口铸铁
快
第三阶段石墨化没有进行→ C以Fe3C形式存在
3.3 石墨的球化机理
石墨核心探究
石墨球核心形貌各异，有球形、片状以及锥形。石墨球异质 核心多数为单核心，但也存在少量双重和多重核心结构。核心的尺 寸在微米级别，约为0.6~7 μm。
石墨球核心物质主要是硫化物、氧化物及碳化物，它们中的 一种或多种化合物共同构成石墨球异质核心。
MgS、 MnS、 CaS、FeS、 SiO2、MgO、SiC、TiC
与灰铸铁凝固的主要区别在于球墨铸铁的凝固方式为 非共晶共长方式。
石墨长大进入共晶阶段后，奥氏体壳已经形成，C 原子由铁水 通过固态的奥氏体壳扩散到石墨球上，同时 Fe 原子由石墨-奥氏体 界面处扩散出去，这一过程比 C 原子在铁水中的扩散速度要慢的多，
因此球墨铸铁的共晶凝固时间长。
3.球铁石墨特点及形成机理
3.球铁石墨特点及形成机理 3.1 球铁主要石墨形态
3.球铁石墨特点及形成机理
3.2 球墨铸铁微观凝固过程
球墨铸铁凝固过程主要分为三个阶段
(1)石墨初始形态形成阶段 大量的石墨球首先在液相中析出
(2)奥氏体壳层形成阶段 随着熔体温度的下降，先析出石
墨长大，由于石墨的生长速度大于 C 在液体中的扩散速度，较大的石墨球 周围出现贫碳层，在石墨周围有奥氏 体壳层形成。 (3)石墨和奥氏体离异生长阶段
铸铁石墨形成机理探讨
时晓
1.铸铁的分类及石墨化过程 2.灰铸铁石墨特点及形成机理 3.球铁石墨特点及形成机理 4.蠕墨铸铁石墨特点及形成机理
1.铸铁的分类及石墨化过程
1.1铸铁的分类
根据碳在铸铁中存在的形态不同，通常可将铸铁分为 白 口铸铁（Fe3C）、灰口铸铁(石墨)及麻口铸铁。 灰口铸铁中，根据石墨的形态不同分为
2.灰铸铁石墨特点及形成机理
B型石墨
B型石墨呈放射状，其实质上是中心部分由D型石墨组成，放射 状的外围则为A型石墨。
共晶团的中心部分形成过冷（D型）石墨，随着结晶过程的进行， 在共晶转变中释放出结晶潜热向周围散出，导致结晶过冷度降低，故 外层石墨生长速率延缓，石墨片又逐渐长成了片状，而且沿着热流的 方向长成了辐射状。再进一步向外发展时，由于热流已不再有明显的 辐射方向性，故外围又长成了蜷曲的片状ATYPE石墨。
过冷石墨
2.灰铸铁石墨特点及形成机理
E型石墨
E型石墨形态特征是在奥氏体枝晶间分布着大量细小片 状石墨呈方向性分布。
E型石墨的形成机理与D型石墨相似，但是过冷度较D型 较小，奥氏体枝晶细密，同时二次枝晶近于同时完成。二次 枝晶具有方向性，与结晶潜热方向相同。同时由于过冷度不 是很大，石墨生长成为片状。
3.球铁石墨特点及形成机理
3.3 石墨的球化机理
气泡学说 铁液中存在气泡，这些气泡界面是最容易形成石墨结晶
的位置。由于石墨的晶格结构，沿气泡界面形成板状晶，如 果板状晶的生长前沿相互干涉，则该处形成石墨的晶界，再 向气泡内侧进一步生长板状晶；上述过程反复进行。形成了 球状石墨。
3.球铁石墨特点及形成机理
3.球铁石墨特点及形成机理 3.3 石墨的球化机理
自球铁问世以来，出现了很多解释球化现象的理论，但是到目前 为止球状石墨的形成机理还没有统一的认识，以下为主要的几种理论。
石墨结构
3.球铁石墨特点及形成机理
3.3 石墨的球化机理
界面能说
沿a面长大速度快会增大片状面积， 沿c面长大速度快会增大石墨厚度。当va ＞vc最终会形成片状石墨，当va=vc 或va ＜vc则会形成球状石墨。
B型=A型+D型
2.灰铸铁石墨特点及形成机理
C型石墨
C型石墨是在碳当量很高（过共晶），冷却速度很慢的情况下出 现的粗大石墨形态。
容易产生C型石墨的两种情况： 一是生铁遗传性因素引起形成C型石墨，电炉本身过热温度低， 生铁中的粗大石墨不能完全熔化。 二是部分增碳剂进入铸件型腔随其余铁水一起结晶凝固，这部分 石墨就起到了过共晶成分铁液先析出的初生石墨的作用。
4.蠕墨铸铁石墨特点及形成机理 4.1 蠕墨铸铁石墨的形态
蠕虫状石墨是主要形态，其中掺杂少量球型石墨，但不允许出 现片状石墨。
4.蠕墨铸铁石墨特点及形成机理 4.2 蠕墨铸铁石墨形成机理
蠕虫状石墨介于片状石墨和球型石墨中间的形态。生产时要严 格控制Mg和稀土的加入量，以得到蠕虫状的石墨。
表面活性元素如氧、硫等富集吸附 在石墨棱面降低了该面界面张力和界面能， 加速石墨沿棱面a轴的生长速度，球化元 素能够脱硫脱氧，遏制促进c轴生长速度， 从而形成球状石墨。
3.球铁石墨特点及形成机理
3.3 石墨的球化机理
位错学说 与界面能说相同，同样认为活性元素阻碍了石墨的球状
生长，但强调了Mg、稀土元素具有脱氧脱硫的作用之外，还 具有使C轴生长强烈分支的作用。促使石墨呈“小角簇”螺旋 晶方式生长。
2.灰铸铁石墨特点及形成机理
D型石墨
D型石墨形态特征是在奥氏体枝晶间分布着大量细小而无一定方向 性的近似点状石墨。
这是由于铁水缺乏形核因子或孕育效果的影响、或铸件本身壁薄 同时浇注后冷却速度非常快，造成结晶过冷度变大，这样的情况下铸 件中先析出了奥氏体，同时过冷度较大，导致奥氏体枝晶生长，将铁 液分割，但二次枝晶发育不完全，因此石墨无一定的方向性。
1.2.2 Fe-G相图
铁碳合金的结晶实际上存在两种相图，即Fe3C-Fe和 Fe-G相图，铁碳合金结晶条件不同可以全部或部分地按 照其中的一种或另一种相图进行结晶。
两个相图的比较：
共晶温度
Fe—Fe3C 相图
1148℃
共析温度
727℃
S点
0.77%
E点
2.11%
C点
4.30%
Fe—G 相图 1154℃ 738℃
0.68%
2.08%
4.26%
1.2石墨化过程及其影响因素： 1.2.3 石墨化过程
铸铁组织中石墨的形成叫“石墨化” 过程。
第一阶段: Lc A E+G
共晶石墨
第二阶段: A G
二次石墨
第三阶段: AS Fp+G
共析石墨
第一阶段 第二阶段
第三阶段
1.2石墨化过程及其影响因素：
1.2.4 石墨化程度与铸铁分类