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[基础理论]1016 球墨铸铁的凝固形貌
时间 : 2022-09-05 10:29 浏览量 : 6

    对铸铁的凝固组织(石墨球、奥氏体、共晶团)在形成过程中的形态变化,分布特点及相互关系所做的描述称为凝固形貌。

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    球墨铸铁的凝固形貌比其它铸铁的更受关注,这是因为:


    ①   凝固组织形态直接影响球墨铸铁的性能。


    ②   凝固组织的分布和球墨铸铁缺陷的产生和预防有直接关系。


    ③   凝固组织的相互关系明显影响固态相变。


    准确、清楚地描述微观尺寸范围内各凝固组织在形成过程中的相互关系是了解球墨铸铁凝固行为的重要前提。长期以来,很多文献认为球墨铸铁的微观凝固过程是:球状石墨在液体中独自自由生长到一定尺寸后,围绕球墨的贫碳熔液会凝固形成奥氏体壳。接着,石墨球在固体壳的包围下生长,生长速度急剧下降。在石墨球生长的同时,奥氏体也在生长,直至奥氏体壳相互接触,最终完成凝固过程。于是,习惯上将一个被奥氏体壳包围下的石墨球看做一个共晶凝固单元,或称共晶晶粒,简称共晶团。


    20世纪80年代开始,很多研究人员对球墨铸铁的微观凝固过程提出了新的认识。其基本观点如下:


    ①   亚共晶球墨铸铁,先析出初生奥氏体枝晶;共晶球墨铸铁如在非平衡凝固条件下,开始也先析出初生奥氏体枝晶;而过共晶球墨铸铁则首先析出初生石墨球。


    ②   共晶结晶时,发生离异共晶。共晶奥氏体枝晶与石墨球分别独自形核。


    ③   石墨球与液体直接接触生长。一般条件下,独自生长是十分有限的。石墨球生长的最大直径只有10-15μm。接着,在石墨球外围形成奥氏体晕圈。同时,奥氏体在异地按枝状生长,并逐渐在枝晶旁析出石墨球。


    ④   由于石墨漂浮,枝晶下沉及熔体对流等原因,石墨球与奥氏体发生碰撞与接触,相互融合成一个共晶凝固单元。


    ⑤   随后,奥氏体枝晶轮廓发生圆整化,枝状轮廓消失。石墨球被奥氏体包围,碳原子通过奥氏体壳向石墨扩散,使石墨球在这个阶段得到显著长大。此阶段是石墨-奥氏体共晶晶粒生长的重要阶段。


    ⑥   共晶末期,共晶晶粒相遇,晶粒间的残余液体全部变成固相后,凝固结束。


    对球墨铸铁凝固过程的上述认识是建立在球墨铸铁属于离异共晶及熔体内存在运动两个事实基础上的,强调了奥氏体枝晶的单独存在与它在凝固过程中的作用。但有时也观察到由一个或多个石墨球+奥氏体外壳组成的共晶晶粒,而不存在枝晶的情况。上述观点仍需进一步研究。


    球墨铸铁的宏观凝固过程与灰铸铁不同,凝固断面上液-固两相区宽,呈现出“糊状凝固”的形貌。而灰铸铁则按照“逐层凝固”方式推进。两者的区别表现在:


    ①   球化及孕育处理显著增加异质形核核心。核心存在于整个熔体,有利于全截面同时结晶。


    ②   石墨球在奥氏体壳包围下生长,生长速度慢,延缓了铸件表层的形成,使内部有充足时间形核。而片状石墨端部始终与铁液接触,生长速度快,凝固时间短,促进快速形壳。


    ③   球墨铸铁热导率低(比灰铸铁低20-40%),散热慢,导致铸件外壳生长速度慢。


    糊状凝固一般是指:正在凝固的固相(共晶晶粒)大范围存在于液相中,使液-固两相长时间共存的一种凝固方式。除了由球团状共晶晶粒组成的糊状凝固外,在过共晶或厚大截面球墨铸铁中,还存在一种缓冷枝晶+球状共晶团晶粒组成的海绵状糊状凝固过程。随着截面增厚,共晶度增大,由枝晶构成的网也明显加强。


    糊状凝固是球墨铸铁固有属性,一些外界因素可对这种特性产生一定的影响,如降低孕育量能适量减小凝固形貌的糊状性;采用激冷铸型可以加速边界硬壳的形成。但是要根本上改变糊状凝固特性是极其困难的。


    铸铁的宏观凝固形貌与铸件的内在质量有紧密的关系。


    亚共晶灰铸铁先析出奥氏体枝晶,然后发生共晶反应,故长度变化曲线上先收缩再膨胀;共晶灰铸铁由于枝晶析出少,所以几乎不收缩。当析出石墨时,尺寸明显膨胀。但由于灰铸铁硬壳形成早,能抵挡膨胀压力,使膨胀压力作用于铸件内部,减少缩松缩孔形成。


    球墨铸铁的长度变化曲线则明显不同。共晶凝固前期,发生明显收缩,后期才产生急剧膨胀。这是因为凝固前期,以奥氏体枝晶的生长为主,之后,石墨球才显著长大。由此推断球墨铸铁的缩孔是在共晶前期即奥氏体析出时期发生的,如果此时借助冒口给与补缩则可获得健全铸件。当石墨大量析出时,形成的膨胀压力压向型壁,由于外壳松软,膨胀力使铸件外廓尺寸增大,进一步增大缩孔的体积。构筑刚性型壁或急速冷却形成坚硬外壳,可使膨胀压力作用于铸件内部,有利于减少或消除缩孔缺陷。此外,调整成分,加强孕育效果可使石墨析出与长大时间尽量提前,弥补奥氏体枝晶的收缩,都可以减少缩孔的形成。


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