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1、第一篇 铸铁及其熔炼,李立新,材料成型及控制工程,铸铁：1）指含碳量大于2.14%2）或者组织中具有共晶组织的铁碳合金。3）是以铁、碳、硅为主要元素的多元合金。,什么是铸铁?,碳、共晶,1）含碳量大于2.14%2)共晶组织,碳、共晶,1）有共晶组织。2）不是2.14%,珠光体 铁素体 珠光体加铁素体,共晶组织、共析组织,参考书：金属学与热处理,本课程以金属学为基础,复习以上概念,铸造合金：铸铁、铸钢、有色合金。铸铁占80%。铸铁占机器重量的40%90%。,灰铸铁齿轮箱,核燃料贮存运输容器(QT350-22),铸铁曲轴,大型船用柴油机汽缸体(HT-300),重型机床床身(HT-250),珠光体蠕
2、墨铸铁,铁素体蠕墨铸铁,Si/Mg/Ce,四种铸铁,铸造专业录像,1、前言2、电炉熔炼及浇注3、参考书：1）金属学与热处理 2）金属成型原理,1、铸铁的概念。,作业-重点内容,第一章 铸铁的结晶及组织的形成,第一节 铁碳双重相图,为什么？相同成分铁水，,1、冷速慢得到灰口铸铁。,2、冷速快得到白口铸铁，,1、快速冷却时，含碳量2.14%以上的铁合金，析出渗碳体；2、铸造过程，慢速冷却，可以析出石墨。,也就是说：冷速不同，可以析出石墨，也可析出渗碳体。,在生产实践中，现象：1）浇注不同壁厚的铸件；2）冷却速度不同的铸型，例如金属型、石墨型。3）会有白口或灰口，是冷却速度不同导致共晶凝固温度不同所
3、致。,白口铁在900以上保温，莱氏体可分解为奥氏体加石墨。固体状态：存在渗碳体；石墨两种状态。,推荐参考书：金属学与热处理,1、Fe-Fe3C 和 Fe-G(石墨)双重相图2、Fe3C是亚稳相，在一定条件下将发生分解：Fe3C3Fe+C（石墨）,热力学观点：在一定条件下，高温渗碳体自动分解为奥氏体石墨，表明渗碳体自由能高，奥氏体石墨具有较低自由能，处于平衡状态。渗碳体是在某种条件下形成的，在转变过程中也是平衡的，但不是最稳定的。,结晶动力学观点：液体中形成渗碳体比形成石墨容易，且渗碳体是金属间化合物，不需要铁原子从晶核中扩散出去，因此，在某种条件下，奥氏体石墨不如形成渗碳体顺利。,因此，从热力
4、学观点Fe-Fe3C相图是介稳定的，Fe-C才是稳定的；从结晶动力学观点Fe-Fe3C在一定条件下转变是可能的，出现铁碳二重性。,存在两个铁碳相图：Fe-Fe3C和Fe-G双重相图,三、铁碳硅准二元相图,铸铁中对金相组织起决定作用的是铁、碳、硅，需要研究铁碳硅三元相图。铸铁中硅一般在0.8%3.5%范围内变动，用含硅量一定的铁碳硅准二元相图来分析硅、碳对结晶过程的影响。,1）共晶点和共析点含碳量随硅量的增加而减少。碳在液体和奥氏体中的溶解度减少。,2）硅的加入使相图上出现了共晶、共析转变三相区，说明三元合金是在一定温度范围内进行的。,3）共晶、共析转变温度有所改变。温差扩大，硅赿高，奥氏体+石
5、墨高出奥氏体+渗碳体越多。,4）硅加入后，缩小了相图上的奥氏体区。,四、元素对相图各临界点的影响,五、碳当量和共晶度的意义,碳当量：根据各种元素对共晶点实际含碳量的影响，将这些元素的量折算成碳量的增减，称之为碳当量。CE=C+1/3(Si+P)。,将CE值与4.26%相比：当CE4.26%称之过共晶成分；CE4.26称之亚共晶成分；CE=4.26称之共晶成分。,共晶度：铸铁的实际含碳量与共晶点的实际含碳量的比值称之共晶度。Sc=1 共晶 Sc1过共晶 Sc亚共晶。,Sc=,1、为什么有双重相图的存在?用热力学动力学观点解释，在生产实践中，为什么相同成分铁液，浇注不同壁厚的铸件；冷却速度不同的铸
6、型，会有白口或灰口两种组织?2、研究不同含硅量的铁碳硅准二元相图，硅的作用是什么?3、碳当量。含碳量3.8%、硅含量2.6%、磷含量2.6%的铸铁的碳当量是多少。,作业-重点内容,你我皆凡人，看看书吧！三次课后，将要说听不懂了,第二节 铸铁一次结晶过程,一次结晶过程：液态转变成固态。包括两个阶段：初析和共晶凝固。（1）初析石墨或初析奥氏体的形成。（2）共晶凝固，共晶团和共晶后期组织的形成。,一、初析石墨的形成（过共晶成分铸铁）,当过共晶成分的铁水冷却到液相线时，在一定的过冷度下就会析出初析石墨晶核，并在铁水中自由长大，由于结晶温度高、时间长，长成粗大C形片状石墨。,二、初析奥氏体的结晶,（一）
7、奥氏体枝晶的凝固过程1）在平衡条件下，只有亚共晶成分的铁水才会析出初析奥氏体枝晶，2）在非平衡条件下，共晶甚至过共晶成分的铁水亦会析出初析奥氏体。,用连续液淬的方法研究：1）图中初析奥氏体已转变成马氏体，2）尚未凝固的液体经液淬后直接转变成细小的莱氏体。,凝固过程为：1）液相线温度以上，铁水全部处于液态。2）冷却到液相线温度以下，奥氏体枝晶开始析出并长大。,进入共晶转变阶段以后，液体中开始出现共晶团，但此时析奥氏体还会继续长大、数量也会注所增加。,初析奥氏体和共晶团存在一个重叠生长温度区间，由于温度不同，重叠生长温度区间不同，组织上会出现成分相同，初析奥氏体枝晶的百分比不同情况。,（二）初生奥
8、氏体形态,奥氏体为面心立方，原子密排面为（111）面，当奥氏体只有按密排面生长，其表面能最小，原子密排面构成的晶体外形是八面体，八面体的生长方向必然中八面体的轴线，形成奥氏体的一次枝晶。,推荐参考书：金属学与热处理,在一次枝晶上生长起微小突起，在此基础上形成二次枝晶，进而形成三次枝晶。,（三）奥氏体枝晶的成分偏析,奥氏体枝晶在凝固过程中其成分是不均匀性的。1、为了表示晶内偏析程度则由偏析系数来表示。2、为了相间成分(固相液相)不均匀性可用分配系数来表示。,奥氏体枝晶中的化学成分不均匀性是由凝固过程所决定的。按照相图，先析出的奥氏体枝晶心部碳量较低，在逐渐长大的以后各层奥氏体中的碳量沿着图中JE
9、线变化，碳逐渐增高，形成所谓芯状组织。,1）在初析奥氏体中硅富集，锰较低。枝晶间残存的液体中碳高、锰高、硅低。2）与碳亲合力小的石墨化元素（铝、铜、硅、镍、钴）在奥氏体内富集k1。,3）与碳亲合力元素大的白口化元素（Mn Cr W Mo V）在共晶液体内富集k1。这样就会造成结晶前沿的液相中合金成分的变化，改变结晶过程。,（四）影响奥氏体枝晶数量及粗细的因素,在冷却速度较快的条件下，由于不平衡条件下进行凝固，碳当量高达4.7%时，铸态组织中仍有一定量的初析奥氏体，这是工业铸态组织中的一个特征。,1）在相同碳当量情况下，初析奥氏体受碳硅量的影响。Si/C比增加，初析奥氏体增加。2）高碳当量的情况
10、下，碳量增高，枝晶细化。3）硫对奥氏体树枝晶的粗细变有影响，硫量增加，树枝晶有粗化的倾向。,合金元素的加入，要影响初析奥氏体析出温度的高低，必然会影响初析奥氏体的形态和数量。（讨论W、Mo、Cr、V、Cu、Ti）,Ti使枝晶数量增多、细化，增加量约占总量的25%。V使枝晶在共晶期间增加的数量更多，增加量约占总量的37%。V、Ti同时加入时，影响更明显，使枝晶数量增加很多，并细化枝晶，共晶转变期间枝晶数量增长量约占总量的35%。,有二种转变方式：(1)稳定系转变，形成灰口铸铁。(2)亚稳定系转变，形成白口铸铁。(3)混合型，形成麻口铸铁。,三、共晶凝固过程,（一）稳定系的共晶转变过程,铁水温度降
11、低到低于稳定系平衡温度以下，初析奥氏体间熔体的含碳量达到饱和，此时形成石墨晶核。则石墨/熔体界面上熔体含碳量低，为奥氏体析出形成条件。反过来奥氏体析出又促进共晶石墨生长，此时铸铁进入了共晶凝固阶段。,共晶凝固：铁水中存在的亚微观石墨团聚体、未熔的微细石墨颗粒、高熔点夹物都可能成为石墨的非均质晶核。石墨形核以后，石墨的(0001)面可以作为奥氏体(111)面的基底而促进奥氏体形核，形成交叉共生生长模式。,在结晶前沿，石墨片始终突出在外，伸入熔体中为领先相，领先向熔体生长和分枝。以每个石墨为中心形成石墨-奥氏体共生生长，晶粒共晶团。,晶间碳化物：在各共晶团之间聚集较多的低熔点夹杂物。随着凝固过程的
12、进行，残余液体中合金元素含量越来越高，在各共晶团之间有正偏析，形成晶间碳化物。,共晶团数目：灰铸铁共晶团数目决定于共晶转变时的成核条件和成长条件。冷却速度和过冷度大，非均质晶核越多，共晶团数目多，力学性能提高。,石墨的晶体结构：六方晶体结构，从晶体生长理论讲，正常生长方式应是沿基面择优生长，最后长成片状石墨组织。,（二）石墨晶体结构及片状石墨的长大,石墨中具有许多缺陷：旋转晶界、螺旋位错、倾斜孪晶对生长有很大影响，不同的成分、过冷度等条件不同，形成缺陷类型的倾向不同。纯合金中生长界面是光滑的，形核困难。,存在螺旋位借，则为石墨生长提供大量台阶，看起来是沿着基面a向生长，实际还包含着c向生长，既
13、有增大片状面积的作用，又有石墨增加厚度的作用。,存在旋转晶界，提供了晶体生长的台阶，台阶可促进石墨晶体(1010)面上生长。Va大于Vc，则生长为片状石墨。Va等于或小于Vc，则生长为球状石墨。,由于硫、氧的存在并吸附在石墨棱面上，使棱面生长速度快，因此成片状。奥氏体析出，使结晶前沿有杂质元素，会影响到石墨缺陷的形成，更导致石墨沿一定方向生长。,灰铸铁形成片状石墨原因：,化学成分、冷却速度、形核条件不同，灰铸铁石墨形状可分 6种。,A片状,B菊花状,C块片状,D枝晶点状,E枝晶片状,F星状,(三)球状石墨的形成条件,一定成分的铁水、经球化处理、铁水中的硫氧含量显著下降，球化元素在铁水中有一定的
14、残余量，则在共晶凝固过程中石墨呈球状。,1.球状石墨的结构,低倍观察呈球状。,高倍观察为多边形轮廓，内部呈放射状。在偏振光下更明显。,扫描电镜观察则石墨球表面不光滑，有许多胞状物。,石墨球截面复型电镜照片，球状石墨内部结构具有独特的年轮状特点，中心可以看到白色小点。,球状石墨具有多晶体结构，从核心向外呈辐射状生长，每个放射角皆由垂直于球的径向而呈相互平行的石墨基面堆积而成。,从以上晶体结构的分析，可以断定：,因而球的外表面都是由(0001)面覆盖。,2.球状石墨形成条件,两个必要条件是：1）有较大的过冷度；2）较大的铁水与石墨间界面张力。,1）加入球化剂会增大过冷和改变铁水与石墨之间的表面张力
15、。2）加入球化剂后，Mg-RE首先与铁水中的硫氧反应降低二者含量，铁水与石墨之间的表面张力增加。,3.球墨铸铁的共晶转变,首批小球在高于共晶温度时已经形成；温度下降，有的重新解体，有的长大，在此过程中又会形成新的石墨球。,某些石墨球长到一定尺寸被奥氏体包围。某些石墨球初期被奥氏体包围。形核长大；形成奥氏体后在奥氏体包围下长大。共晶凝固方式为离异共晶。,共晶球墨铸铁凝固过程的液淬观察,共晶温度之上，A+球,共晶开始，A+球分别析出,共晶结束,共晶主要阶段,内容主要包括三个方面：1）石墨晶核的产生及其性质、2）球状石墨的长大、3）以及球化元素的作用。,4.球状石墨的形成机理,研究表明球状石墨中心有
16、外来夹杂微粒，这些微粒具有双层结构。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，晶核的外层则由镁、铝、硅、钛的氧化物组成。,1）石墨晶核的产生及其性质,球状石墨的生长中起主要作用的是螺旋位错。虽然看来是沿(0001)按1010晶向螺旋式生长，但其结果都使晶体在0001方向得到发展。各个螺旋按均势的速度生长，晶体将长成一个近似球状的多面体。,2）球状石墨的长大,如果有某些表面活性元素(如氧、硫)吸附在螺旋台阶的旋出口处，它们将抑制这一螺旋晶的生长，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。,3）球化
17、元素的作用,镁、钙等元素的作用在于，通过这些元素的硫化物和氧化物而去除了熔体中的氧和活性硫；同时，这些元素的硫化物及氧化物夹杂微粒构成了球状石墨晶核的最中心部分和外层部分物质。,（四）蠕虫状石墨的形成过程,蠕虫状石墨在共晶凝固过程中从铁水中直接析出。最初为小球状或聚集状，经过畸变，没有被奥氏体包围的长出口，在与铁水直接接触中长大而成。,生长模式为：1）小球石墨畸变石墨蠕虫状石墨。2）最初呈片状，在界面前沿，由于蠕化元素的存在逐渐演变成蠕虫状。,（五）亚稳定系共晶转变过程,当铁水化学成分和冷却速度变化时，共晶转变成共晶奥氏体加渗碳体-莱氏体。渗碳体的晶格结构为复杂的正交晶格。,在普通白口铸铁中，
18、莱氏体中的奥氏体和渗碳体以片状协同生长的方式，同时在侧向上以奥氏体为分隔晶体的蜂窝结构成长。最后，在连续的渗碳体基体中构成蜂窝状的共晶体。,在普通白口铸铁中，渗碳体共晶组织不仅可以是莱氏体型，而且也可以是板条状渗碳体型。,在铬系白口铸铁中，低铬铸铁中的碳化物为M3C正交晶型，呈表面带有规则沟槽的连续片状。,高铬铸铁中的碳化物M7C3具有六方、斜方和菱形三种晶型，在二维状态下呈孤立的空心杆状和板条状。深腐蚀下，发现这些孤立的杆和板条在其“根部”仍然是连续的。,(六)磷共晶的形成,磷在铸铁中易偏析。含磷0.05%时，可能在铸铁中形成磷共晶组织。磷共晶以不连续网状或孤岛状的形式分布于原共晶团间的位置
19、。,铸铁中的磷共晶,二元磷共晶、a-Fe+Fe3P三元磷共晶、a-Fe+Fe3P+Fe3C硬而脆，容易从基体上剥落下来，所以要减少铸铁中的含磷量与控制磷共晶出现。,1、分析初析奥氏体枝晶的凝固过程。2、V、Ti对铸铁奥氏体枝晶的影响。3、偏析系数、分配系数。4、分析讨论片状石墨的长大过程及形成条件。5、不同显微镜观察的球状石墨的结构。6、试讨论磷共晶的分类。,作业-重点内容,第三节 铸铁的固态相变(即二次结晶),一、奥氏体中碳的脱溶：灰铸铁：共晶转变后奥氏体含碳约2.10%。奥氏体中的含碳量将沿ES线减小，以二次石墨的形式析出。,白口铸铁：按亚稳定系析出二次渗碳体。在固态连续冷却的条件下，析出
20、的高碳相不需要重新形核，依附在共晶高碳相上。,二、铸铁的共析转变：,1、共析转变是决定铸铁基体组织的重要环节。2、共析转变也按成对长大的方式进行，两个固体相相互协同从第三个固体相长大。3、最终形成珠光体组织。,(一)珠光体形貌,珠光体组织在奥氏体界面上形核，并以球团状晶粒向母相内长大。每个珠光体团由多个结构单元组成，在结构单元中，大部分片层是平行的。,(二)形核,共析转变在奥氏体的界面或奥氏体/石墨界面上形核。一个相形成后，其邻近的奥氏体中碳的浓度将发生改变，引起碳原子的界面扩散，为第二相的析出创造了条件。灰铸铁，则先由奥氏体中发生碳的脱溶，然后析出铁素体，进而进入共析阶段。,(三)生长,渗碳
21、体或铁素体从奥氏体界面上生成后，就开始生长。渗碳体或铁素体同时生长的过程中，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，生长时不但有向前生长，而且有通过搭桥或分枝的方式沿其侧面交替地生长，形成新片层，最后形成团状共析领域。,三、过冷奥氏体的中温及低温转变,奥氏体，快速连续冷却或等温冷却，可得到不同基体的铸铁：贝氏体：是由含碳过量的铁素体和极细小的渗碳体混合而成。马氏体：过饱和的 a 固溶体。,推荐参考书：金属学与热处理,奥氏体化的铸铁快冷至450250范围，并进行保温，使过冷奥氏体进行等温分解，则其转变产物为贝氏体组织。更高的强度和硬度。,推荐参考书：金属学与热处理,奥氏体化后的铸铁，快冷到230以下，则进行无扩散转变而生成马氏体。通过不同温度的回火而得到回火马氏体、回火托氏体或回火索氏体，得到不同性能的铸铁。,推荐参考书：金属学与热处理,如加入足够数量的稳定奥氏体的合金元素，如锰和镍，可使奥氏体一直稳定到室温而不发生转变，从而可获得奥氏体铸铁。,推荐参考书：金属学与热处理,作业,1、讨论铸铁快速冷却、等温转变，其铸铁形成何种组织。,
