铸造合金及熔炼

• Fe3C与α片层相间分布，或Fe3C呈颗粒状分布在铁素体基体 上。
• （二）形核
• 共析转变常在奥氏体界面上或奥氏体/石墨界面上形核，先 析出领先相和奥氏体之间有一定位相关系。一个相形成后， 其临近γ中C的浓度发生改变，引起碳原子界面扩散，为第 二相析出创造条件。
• （三）生长
• 一旦Fe3C或α从γ界面上并向γ相内生长后，就开始生长在 Fe3C或α同时生长的过程中，各自的前沿和侧面分别有铁 和碳的富集。在生长前沿产生溶质元素的交替扩散，使晶 体生长，向前、向侧形成片层，最后形成共析领域。
• 2. 常见元素对FHale Waihona Puke Baidu-C相图上共晶温度的影响
• （1）Ni,Si量增加，扩大两个系统共晶温度间隔，促进共晶转变析出石 墨。
• （2）Cr，S，阻止石墨析出，促进白口。
• 3. 化学成分对石墨的影响
• （1）C,Si增高，石墨粗化，一定限度前降低其含量，石墨细化 • （2）O,S较高，石墨呈片状，较低，有呈团、球状趋势。
• b.形态：共晶团内的奥氏体和初奥氏体枝晶构成连续的金属 基体，每个共晶团内的石墨构成连续的分枝立体形状，分布于 金属基体之中，一些晶间夹杂物或硬化相则分散分布于共晶团 或共晶团之间。
• c.共晶团数量对性能的影响 • ⅰ 共晶团数量增加，白口倾向减小，力学性能略有提高。 • ⅱ 共晶团数量增加，增加共晶凝固期间膨胀力，使胀大倾
三相共存区； • （3）硅量的增加还缩小了相图上的奥氏体区。
• 2. 冷速 • 冷速大，导致共晶温度降低，趋向于Fe-Fe3C共晶
反应;反之，共晶温度升高，趋向于Fe-G共晶反应。
四、碳当量和共晶度的表达式及意义
• 1．碳当量：根据各元素对共晶点实际碳量的影响， 将这些元素折算成碳量的增减，谓之碳当量（CE表示 =C+1/3Si）。
• c.共晶团数量对性能的影响 • ⅰ 共晶团数量增加，白口倾向减小，力学性能略有提高。 • ⅱ 共晶团数量增加，增加共晶凝固期间膨胀力，使胀大倾
向增加，增加缩松倾向。 • ⅲ 影响因素：共晶转变时成核及生长条件，冷速越大，非
均质形核越多，生长速度越慢，则形成的共晶团数量越多。
(3) 石墨的晶体结构及片状石墨的长大
• 2. 作用：降低铁液过冷倾向，促使铁液按稳定系共晶 进行凝固。
• 五、气体
• （1）氢，氮，阻碍石墨化
• （2）阻碍石墨化；铸件断面敏感性大；气孔；消耗孕育和变质剂
《铸造合金及其熔炼》概述
• 一 课程介绍
• 1.课程性质
• 考试课，2学分，共40学时。
• 2.课程体系
• 基础课-专业基础课-专业方向课 • 大学物理-物理化学-材料科学基础-热处理原理-金属工艺学-工程材料
学。
• 3.课程内容
• （1）铸造合金： 牌号，成分，组织、性能特点，应用 • （2）熔炼：设备，工艺，基本原理。
•
2、片状石墨的过程形成
•
3、球状石墨的形成过程
•
4、蠕虫状石墨的形成过程
§1-3 铸铁的固态相变（二次结晶）
• 一、奥氏体中碳的脱溶
• 二、铸铁的共析转变（固态相变）
• γ冷却到共析稳定以下，达到一定过冷度，开始发生共析转变 形成珠光体，两个固相α加Fe3CⅡ相互协同地从第三个固相长
大，公共界面上存在着择优的位相关系。 • （一）形貌
• ② 承受负荷时造成应力集中现象。（石墨缺口作用，或切 割作用）
• (2) 硬度特点
• (3) 较低的缺口敏感性 • (4) 良好的减震性（机床床身利用这一特点） • (5) 良好减摩性
3. 灰铁的牌号与用途
§3-2 影响铸铁铸态组织的因素
• 一、冷速影响
• 1、冷速大，铁液过冷度大，白口倾向增加 • 2、偏析的影响 • 形成碳化物元素在残留铁液中富集，Si低，使莱氏体温度升
第三章 灰铸铁
• 灰铸铁：指断面呈灰色，其中碳主要以片状石墨的形式 存在的铸铁。
• §3-1 金相组织、力学性能特点，应用
• 一、金相组织特点
• 2.灰铁性能特点 • (1) 强度性能差
• ① 石墨强度低（<20MPa），密度小（占体积大），使金 属基体承受负荷的有效截面积减少。（石墨的缩减作用）
向增加，增加缩松倾向。 • ⅲ 影响因素：共晶转变时成核及生长条件，冷速越大，非
均质形核越多，生长速度越慢，则形成的共晶团数量越多。
• ③ 共晶团形态
• a.共晶团：以每个石墨核心为中心形成的石墨-奥氏体两相 共生生长的共晶颗粒，称为共晶团。
• b.形态：共晶团内的奥氏体和初奥氏体枝晶构成连续的金属 基体，每个共晶团内的石墨构成连续的分枝立体形状，分布于 金属基体之中，一些晶间夹杂物或硬化相则分散分布于共晶团 或共晶团之间。
高，以致共晶团边界处形成碳化物倾向更为增加。 • 实际生产中影响冷速的因素：
• （1）铸件形状
• （2）浇温
• 提高浇温，降低冷速
• （3）铸型材料的导热能力
• 石墨型>金属型>湿砂型>干砂型
• 二、化学成分影响
• 1.各元素在铸铁中的存在状态
• （1）Mn,Ni,Co: 全溶于奥氏体或铁素体中
• （2）S,P:在奥氏体中溶解度极低，形成FeS，MnS,Fe3P。
• 石墨既可以从液体和奥氏体中析出，也可以通过渗碳体分
解来获得。灰口铸铁和球墨铸铁中的石墨主要是从液体中析 出；可锻铸铁中的石墨则完全由白口铸铁经长时间退火，由 渗碳体分解而得到。 • 物理意义
2．影响石墨化的因素
• (1) 合金元素：C和Si强烈促进，S强烈阻碍，Mn 阻碍，P微弱促进。
• (2) 冷却速率：缓慢冷却有利于石墨化。
3.奥氏体枝晶中的成分偏析
（1）成分偏析 ① 相间成分不均匀性，由分配系数KP
表示
② 晶内偏析，由偏析系数KL表示
（2）影响偏析的因素
• ① 与碳亲合力小的石墨化元素 Al,Cu,Si,Ni,Co • KP>1，说明这些元素在奥氏体中皆有富集 • KL>1，说明奥氏体心部的含量高于其边缘位置
及氧化物夹杂微粒，构成石墨晶核的最中心部分和外层物 质，具有双层结构，中心为钙镁硫化合物，外层部分为 Mg，Al，Si，Ti的氧化物。 • b.生长 • 在熔体中自由的生长；在奥氏体的包围下生长。 • 螺旋位错在球铁生长起主要作用，螺旋台阶的旋出口 是碳原子开始生长的最有利位置。生长过程中，如果各个 螺旋台阶按均势速度生长，晶体将长成一近似球状多面体。
• 4.重要性
• 与实践联系紧密，指导生产实践；哈工大考研面试的专业课。
第一篇 铸铁及其熔炼
一、铸铁定义及成分
1. 定义：铸铁是指含碳量大于2.1%的铁碳合金。 2. 成分：Fe，C，Si，Mn，S，P。成分范围见表1。
二、铸铁分类
按碳在铸铁中存在形式（单质或化合物）
二、铸铁分类
按碳在铸铁中存在形式（单质或化合物）
§1-2 铸铁的一次结晶过程
一、初析石墨的结晶
二、初析奥氏体结晶
1. 初析奥氏体枝晶的凝固过程 (1) 平衡凝固过程 亚共晶成分铁液过冷到液相线温度以下，奥氏体枝晶形核并长大，进 入共晶凝固阶段后，液体中开始形成共晶团，此奥氏体继续长大，数 量也增加。 (2) 非平衡凝固 在实际凝固条件下，共晶成分或过共晶成分的铸铁在凝固过程中也会 析出初析奥氏体。
• ④ 球墨铁铸的共晶转变
• a.石墨球长大包括两个阶段 • 在熔体中直接析出核心并长; • 形成奥氏体外壳，在奥氏体外壳包围下长大; • b.离异共晶 • 球状石墨和奥氏体析出格局是：石墨在先，奥氏体在后，两个相没有平滑的共
同结晶前沿，而在时间和场合上都分离。
• ⑤ 球状石墨形成机理
• a.石墨晶核产生 • 球化剂、孕育剂中的合金元素与O、S化合物形成硫化物
• CE>4.26% 过共晶成分 • CE<4.26% 亚共晶成分 • CE=4.26% 共晶成分
• 物理意义？
。2.共晶度
• 概念：铸铁的实际含碳量和共晶点的实际含碳量 的比值，以SC表示
•
• CFe—铸铁的实际含碳量； • CC＇—稳定态共晶点的含碳量。 • 物理意义？
五、铸铁的石墨化
• 1．石墨化：铸铁中碳原子析出并形成石墨的过程称 为石墨化。
② 球状石墨形成条件
a. 铁液类凝固时有较大的达冷度
b. 较大的铁液与石墨间的界面张力
c. 有一定的Mg,Ce等球化剂的残余量
d. 充分的石墨形核条件
• ③ 球化剂共同特点
• a. 与硫、氧有很大亲和力，生成稳定的反应生长物，显著减小铁液中的反球化 元素。
• b. 铁液中溶解度很低 • c.与碳有一定的亲和力，但在石墨晶体中有较低的溶解度。
• Va= Vc或Va<Vc：形成球状石墨
• ③ 石墨分布、分类及形成条件
• 凝固条件不同（成分、冷速、形核能力），灰铁中可出 现不同的分布和形态（尺寸）。
(4) 球形石墨的形成过程
① 球形石墨结构
低倍观察，近似球形；高倍观察，成多边形轮廓。内部 呈现放射状；扫描电镜观察，石墨球表面一般不是光滑 球面，有许多胞状物，中心（内部）结构年轮状特点。 球状石墨具有多晶体结构，从核心向外呈辐射状生长锥 体状的石墨单晶。
• （1）冷速快，非平衡结晶，碳当量高达4.7%，仍 有初析奥氏体。
• （2）碳当量一定，受Si/C比影响。
• ① Si/C比增加，初析奥氏体量增加。
• ② 高碳当量时，除影响数量外，还影响奥氏体 粗细，冷速一定时，随着碳量的增加，枝晶细化。
• （3）硫含量增加，枝晶粗化。
• 三、共晶凝固
• 1、稳定系共晶转变 • （1）结晶过程
• 2. 动力学观点
• 经历的扩散过程不同，对比分析？。
结论与思考
• 结论：从热力学观点看，Fe-Fe3C相图介稳定， Fe-C相图稳定。从动力学观点看，在一定条件 下，按Fe-Fe3C相图转变是可能的，因此出现二 重性。
• 思考题：热处理中石墨化退火的原理
三、影响铁碳双重相图的因素
• 1.成分（主要是Si的影响） • （1）共晶点和共析点含碳量随硅量的增加而减少； • （2）硅的加入使相图上出现了共晶和共析转变的
白口铸铁 麻口铸铁
Fe3C Fe3C+G
灰口铁
铁素体基体灰铸铁
铁素体基体球墨铸铁
铁素体基体蠕墨铸铁
铁素体黑心可锻铸铁
第一章 铸铁的结晶及组织的形成
• §1-1 铁碳双重相图 • 一、铁碳双重相图分析（区别）
1不同之处
《铸造合金及其熔炼》概述
• 1热力学观点；
• 高温 γ+G和γ+ Fe3C在能量不同，对比分析？
• ① 石墨晶体结构：六方晶格，见正常生长方式 是沿基面择优生长，最后形成片状组织。
• ② 片状石墨的长大
• 石墨是非金属晶体，生长界面为光滑界面，依靠二位形 核生长困难，需较大的过冷度。如果存在螺旋位错、旋 转晶界，则生长容易。
• Va—a向长大速度; Vc—c向长大速度
• Va> Vc：长成片状石墨
• 4. 各元素对金属基体的影响 • 5.常用合金元素的作用
• 三、铁液过热和高温静置
• 一定范围内提高铁液的过热温度，细化基体和石墨，灰 铸铁临界温度1500-1550℃。
• 四、孕育的影响
• 1. 定义：浇注前，在一定条件下向液体中加入一定量
的促进异质形核的固态物质，以改变铸造合金的凝固过 程，改善结晶组织，从而提高铸造合金性能的处理方法。
• (5)蠕虫状石墨的形成过程
• 蠕虫状石墨是在共晶凝固过程中从铁液直接析出。两种生 长模式：
• ①小球墨——畸变球墨——蠕虫状石墨
• ②小片状石墨 由于蠕化元素局部富集而演变而成，稀土 元素和镁通过富集于于蠕虫状石墨的生长端部而起蠕化作
用的， 即可以为a向，也可以为c向。
• 小结：1、稳定系共晶转变的方式
• (2) 共晶凝固场所及方式
• ① 场所
•
初析奥氏体枝晶间，具有共晶成分的液体中单独由石墨
形核。
• ② 方式：非均质形核
•
非均质形核核心：a.亚微观石墨团聚体；b. 未熔的微细
石墨颗粒；c. 高熔点夹杂物颗粒（硫化物，碳化物，氮化
物）。
• ③ 共晶团形态
• a.共晶团：以每个石墨核心为中心形成的石墨-奥氏体两相 共生生长的共晶颗粒，称为共晶团。
的含量，即形成晶内反偏析。 • ② 白口元素（Mn,Cr,W,Mo,V） • 与碳亲合力大于铁，富集于共晶液体中，而且
与碳结合力越大，KP 越小。在奥氏体心部浓度低， 边缘浓度高，形成正偏析，即 • KL<1。
• 4.影响奥氏体枝晶的因素
• 引言：奥氏体枝晶起到骨架作用，并防止裂纹扩展，因此研究奥氏体 枝晶数量的变化及影响因素，对控制铸铁的组织及性能有较重要的意 义。