铸铁石墨球化机理

铸铁石墨球化机理(mechanism of nodular graphitization in cast iron)

主要指石墨晶核的产生及性质、球状石墨的长大以及球化元素的作用。经过铸铁冶金工作者的长期努力，在球状石墨形成机理方面取得了不少研究成果，如关于球状石墨的结构；形成球状石墨的条件；石墨球能够从铁液中直接析出，而且能单独的生长；加入球化剂的必要性，球化剂的作用等方面均有比较一致的认识。但也存在着不少问题有待研究解决。

核心说较早提出的一种学说，认为晶核的品格结构是决定石墨成球的条件。用镁处理铁水使石墨球化，是因为能生成具有立方晶格结构的MgO、MgS、MgC2等化合物，碳原子从四周以相同的速度向其扩散聚集而成球状石墨。用扫描电镜和X射线显微分析技术对球状石墨进行仔细观察表明，在球状石墨中心有尺寸约1μm的外来夹杂微粒，而且认为它们是球状石墨的晶核，它们具有双层结构。在用硅铁镁合金进行球化处理和用硅铁进行孕育处理的球墨铸铁中，晶核的最中心部分由钙和镁的硫化物组成，其尺寸约O．05um，晶核的外层则由镁、铝、硅、钛的氧化物组成；在这个内外层之间和外层上生长的石墨之间，均有一定的晶面对应关系。由此认为，镁钙等元素在球状石墨晶核形成过程中的作用是通过组成这些元素的硫化物和氧化物而去除溶体中的氧和活性硫；同时，这些元素的硫化物及氧化物夹杂微粒就构成了球状石墨晶核的最中心部分和外层部分物质。但直接用MgS微粒处理铁水使石墨球化的实验却未成功，因此球化元素的形核作用就难以断言是促成石墨球化的主要原因。

过冷说认为球状石墨的出现是铁水过冷的结果，随着过冷增大，铁水的表面张力增加，促使生成相朝着比表面积最小的形态方向发展。但这个学说未能揭示在不同过冷度下，石墨在生长机制方面有何不同之处。

界面能说在经镁或铈处理的球墨铸铁中，铸铁熔体和石墨晶体的棱面(10 10)之间的界面能量高于熔体和石墨晶体基面(0001)之间的界面能量，使石墨向垂直于基面的晶向[0001]生长成球墨。而在含硫较多的灰口铸铁中，铸铁熔体和石墨不同的晶面间的界面能量关系则相反，因而在灰口铸铁中使石墨在垂直于柱面的晶向[1010]生长成片墨。不过这个原理仅对完全晶体适用；从热力学来看论述是正确的，但缺乏从动力学角度对石墨结构的形成进行分

析。

位错生长说在球状石墨成长的过程中，同样存在着大量的晶体缺陷，在球状石墨的生长中起主要作用的是螺旋位错。由于这些位错的存在，在晶体表面造成的螺旋台阶的旋出

口是碳原子作为二维晶生长的最有利位置。虽然看来是沿(0001)按[1010]晶向螺旋式生长，但其结果却使晶体在[0001]方向得到发展，如图中a，在生长过程中，如果各个螺旋台阶按均势的速度生长时，晶体将长成一个近似球状的多面体(图中b)。如果有某些表面活性元素(如氧)吸附在螺旋台阶的旋出口处，它们将抑制这一螺旋晶体的生长，而别处却仍保持一定的速度生长。这时晶体的等轴生长方式将受到破坏，其结果是使球状石墨畸变。至于球化元素的作用主要在于与表面活性元素(氧、硫)发生作用，去除它们对石墨成球状生长的干扰作用。而且认为氧的干扰作用大于硫。虽然螺旋位错生长学说越来越多地被承认，但按这种方式进行长大的机制，还有待更直观的试验和进一步从理论上论证。此外，还必须回答气泡学说及其他模型所提出的一系列问题。

气泡说在50年代初期就提出，但在试验工作上一直未取得重大进展。认为在铁水中如果有大量悬浮的小气泡存在，就会促使石墨球化。像镁这个低沸点元素，在铁水中气化后，能形成大量弥散的微型气泡，铁水中的碳原子通过扩散聚集在气一液界面上，由于所需形核的功较小，而使石墨优先析出并进而长成球。直到70年代，经过许多试验作出新的解释，支持了这个理论。曾用硫、硒、碲分别处理1450℃的Fe—C合金得到了球墨铸铁。加入上述元素以后，均在铁液中发现有沸腾的蒸气，球形气泡中也发现有中空的石墨球；随着铁液保温时间的延长，基体石墨球减少；在石墨球中没有检测出这些元素的化合物。并且球中硫、硒的浓度反而比基体中少，而碲则比基体中略有增加。在氩气压力比镁的平衡蒸气压高得多的情况下，加入足够镁处理铁液，也不能得到球状石墨，但随着把氩气压力降低，则又有球状石墨的形成。还有向铁液中吹入氮气、二氧化碳气、氩气、氯气等，都可使部分石墨球化。还有在铁液中分别加入铈、钇、镧、钛和锆等，发现均能使石墨球化，原因是这些元素在室温下都能吸收大量的氢气，并在处理铁液时又把它释放出来，其石墨球化作用主要取决于释放出的氢气泡量。其实它们本身并无球化作用或具有反球化作用。但是对球状石墨的多面体外形、形成球状石墨时基面和棱面上的界面能的变化、反球化元素的严格限量和球状石墨畸变等现象仍无法解释。

铸铁石墨球化机理(tneehanism of nodular graphitization in east iron)主要指石墨晶核的产生及性质、球状石墨的长大以及球化元素的作用。经过铸铁冶金工作者的长期努力，在球状石墨形成机理方面取得了不少研究成果，如关于球状石墨的结构; 形成球状石墨的条件;石墨球能够从铁液中直接析出，而且能单独的生长;加入球化剂的必要性，球化剂的作用等方面均有比较一致的认识。但也存在着不少问题有待研究解决。核心说较早提出的一种学说，认为晶核的晶格结构是决定石墨成球的条件。用镁处理铁水使石墨球化，是因为能生成具有立方晶格结构的Mgo、Mgs、MgCZ等化合物，碳原子从四周以相同的速度向其扩散聚集而成球状石墨。用扫描电镜和X射线显微分析技术对球状石墨进行仔细观察表明，在球状石墨中心有尺寸约如m的外来夹杂微粒，而且认为它们是球状石墨的晶核，它们具有双层结构。在用硅铁镁合金进行球化处理和用硅铁进行孕育处理的球墨铸铁中，晶核的最中心部分由钙和镁的硫化物组成，其尺寸约0.05拜m，晶核的外层则由镁、铝、硅、钦的氧化物组成; 在这个内外层之间和外层上生长的石墨之间，均有一定的晶面对应关系。由此认为，镁钙等元素在球状石墨晶核形成过程中的作用是通过组成这些元素的硫化物和氧化物而去除溶体中的氧和活性硫;同时，这些元素的硫化物及氧化物夹杂微粒就构成了球状石墨晶核的最中心部分和外层部分物质。但直接用Mgs微粒处理铁水使石墨球化的实验却未成功，因此球化元素的形核作用就难以断言是促成石墨球化的主要原因。过冷说认为球状石墨的出现是铁水过冷的结果，随着过冷增大，铁水的表面张力增加，促使生成相朝着比表面积最小的形态方向发展。但这个