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鑄造詞匯——灰鑄鐵
本文導(dǎo)讀：
灰鑄鐵基本上是由鐵、碳和硅組成的共晶型合金，其中，碳主要以石墨的形態(tài)存在。生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鑄件，控制鑄鐵凝固時形成的石墨的形態(tài)和基體金屬組織是至關(guān)重要的。孕育處理是生產(chǎn)工藝中最重要的環(huán)節(jié)之一。良好的孕育處理可使灰鑄鐵具有符合要求的顯微組織，從而保證鑄件的力學(xué)性能和加工性能。
在液態(tài)鑄鐵中加入孕育劑，可以形成大量亞顯微核心，促使共晶團在液相中生成。接近共晶凝固溫度時，生核處首先形成細小的石墨片，并由此成長為共晶團。每一個共晶團的形成，都會向周圍的液相釋放少量的熱，形成的共晶團越多，鑄鐵的凝固速率就越低。凝固速率的降低，就有助于按鐵－石墨穩(wěn)定系統(tǒng)凝固，而且能得到A型石墨組織。
一 孕育處理的作用
灰鑄鐵的力學(xué)性能在很大程度上取決于其顯微組織。未經(jīng)孕育處理的灰鑄鐵，顯微組織不穩(wěn)定、力學(xué)性能低下、鑄件的薄壁處易出現(xiàn)白口。為保證鑄件品質(zhì)的一致性，孕育處理是必不可少的。
鑄鐵孕育處理所用的孕育劑，加入量很少，對鑄鐵的化學(xué)成分影響甚小，對其顯微組織的影響卻很大，因而能改善灰鑄鐵的力學(xué)性能，對其物理性能也有明顯的影響。良好的孕育處理有以下作用：
◆消除或減輕白口傾向；
◆ 避免出現(xiàn)過冷組織；
◆減輕鑄鐵件的壁厚敏感性，使鑄件薄、厚截面處顯微組織的差別小，硬度差別也小；
◆有利于共晶團生核，使共晶團數(shù)增多；
◆使鑄鐵中石墨的形態(tài)主要是細小而且均勻分布的A型石墨，從而改善鑄鐵的力學(xué)性能。孕育良好的鑄鐵流動性較好，鑄件的收縮減少、加工性能改善、殘留應(yīng)力減少。
二．灰鑄鐵的顯微組織
灰鑄鐵的力學(xué)性能決定于其基體組織和片狀石墨的分布狀況。灰鑄鐵的力學(xué)性能主要取決于其基體組織，為了得到高強度，希望基體組織以珠光體為主、盡量減少鐵素體含量。如果鐵素體量過多，不僅導(dǎo)致鑄鐵的強度低，而且加工時會使刀具過熱，顯著降低刀具的壽命。與球墨鑄鐵不同，對灰鑄鐵不可能有延性和韌性的要求，只要求其強度，所以一般都以珠光體含量高為好。
灰鑄鐵中的石墨片，有切割金屬基體、破壞其連續(xù)性、使其強度降低的作用。從強度考慮，應(yīng)避免產(chǎn)生長而薄的石墨片和粗大的石墨片，具明顯方向性的石墨片影響尤大。控制石墨片的分布狀況，是保證灰鑄鐵性能的關(guān)鍵。
A型石墨是在鑄鐵的石墨生核能力較強、冷卻速率較低、在過冷度很小的條件下發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變時形成的。在光學(xué)顯微鏡下觀察時，石墨呈均勻分布的彎曲片狀，無方向性，其長度則因鑄鐵的生核條件和冷卻速率而不同。高品質(zhì)的結(jié)構(gòu)鑄件，都希望其具有中等長度的A型石墨。
B型石墨在光學(xué)顯微鏡下呈菊花狀，共晶團中心部位石墨片比較細小，外圍的石墨片較粗大。實際上，中心部位是D型石墨，外圍是A型石墨。B型石墨的生核條件比A型石墨差，共晶轉(zhuǎn)變時的過冷度也比形成A型石墨時大，結(jié)晶時先在共晶團中心部位產(chǎn)生過冷石墨（D型），釋放的結(jié)晶潛熱使周邊的過冷度降低、形成A型石墨。如B型石墨為量不多，對鑄鐵的性能影響不大，一般情況下可允許其存在。
C型石墨主要出現(xiàn)于碳當量很高（過共晶）、冷卻緩慢的鑄鐵中，有粗大片狀初生石墨，也有小片狀石墨，有時部分石墨片上有帶尖角的塊狀。過共晶鐵液冷卻時，通過液相線后，在一定的過冷度下析出初生石墨，并在液相中逐漸長大。由于結(jié)晶溫度較高，成長時間較長，形成分枝較少的粗大片狀。溫度降低到共晶溫度時，發(fā)生正常的共晶轉(zhuǎn)變，這時產(chǎn)生的石墨是正常的共晶石墨（A型石墨），最終的結(jié)果是在粗大的石墨片之間分布有正常的共晶石墨。因此，C型石墨是由粗大、塊狀石墨和A型石墨構(gòu)成的。C型石墨可使鑄鐵的熱導(dǎo)率提高，改善其抗熱沖擊的能力，但對鑄鐵的力學(xué)性能影響較大，一般的結(jié)構(gòu)鑄件不應(yīng)有這種石墨。
亞共晶鑄鐵中，偶爾也能見到這種石墨。如：用感應(yīng)電爐熔煉而爐料中生鐵塊用量過多時，由于原生鐵遺傳的影響，就可能出現(xiàn)帶尖角的塊狀石墨；孕育劑加入量過大，造成局部硅元素富集，也會產(chǎn)生這種石墨。
D型石墨是鑄鐵的碳當量較低、冷卻速率較高，在過冷度較大、初生奧氏體枝狀晶發(fā)達的條件下在奧氏體枝晶間形成的，石墨片細小而無方向性。D型石墨常見于碳當量較低的薄壁灰鑄鐵件中，也稱為‘過冷石墨’或‘枝晶間石墨’。在不加合金元素時，D型石墨往往伴隨有鐵索體。如基體組織為珠光體，則鑄鐵的耐磨性較好，且機械加工后能得到較細的表面粗糙度。
E型石墨是在碳當量較低、冷卻速率也較低的條件下形成的。由于初生奧氏體枝狀晶較多、發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變時過冷度不大、石墨核心不太多、共晶團較大，形成的石墨片大于D型石墨。由于冷卻比較緩慢，奧氏體枝狀晶發(fā)達，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變時液相主要在初生奧氏體枝狀晶之間，形成的石墨片沿枝狀晶方向生長，具有一定的方向性，對鑄鐵力學(xué)性能的影響較大，要力求避免其產(chǎn)生。
可能出現(xiàn)E型石墨的鑄鐵，如冷卻速率較高，也會形成D型石墨。因此，在高強度薄壁鑄鐵件中往往會同時見到D型石墨和E型石墨。
生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)灰鑄鐵件，應(yīng)使其基體組織全部為珠光體，石墨為A型，而且石墨片要均勻分布于金屬基體中，珠光體也應(yīng)細小而均勻。要盡可能的地使組織中的B型石墨和D型石墨減至最少，不應(yīng)該有C型石墨和E型石墨。為此，必須進行有效的孕育處理并控制鑄件的冷卻速率。
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在液態(tài)鑄鐵中加入孕育劑，可以形成大量亞顯微核心，促使共晶團在液相中生成。接近共晶凝固溫度時，生核處首先形成細小的石墨片，并由此成長為共晶團。每一個共晶團的形成，都會向周圍的液相釋放少量的熱，形成的共晶團越多，鑄鐵的凝固速率就越低。凝固速率的降低，就有助于按鐵－石墨穩(wěn)定系統(tǒng)凝固，而且能得到A型石墨組織。
一 孕育處理的作用
灰鑄鐵的力學(xué)性能在很大程度上取決于其顯微組織。未經(jīng)孕育處理的灰鑄鐵，顯微組織不穩(wěn)定、力學(xué)性能低下、鑄件的薄壁處易出現(xiàn)白口。為保證鑄件品質(zhì)的一致性，孕育處理是必不可少的。
鑄鐵孕育處理所用的孕育劑，加入量很少，對鑄鐵的化學(xué)成分影響甚小，對其顯微組織的影響卻很大，因而能改善灰鑄鐵的力學(xué)性能，對其物理性能也有明顯的影響。良好的孕育處理有以下作用：
◆消除或減輕白口傾向；
◆ 避免出現(xiàn)過冷組織；
◆減輕鑄鐵件的壁厚敏感性，使鑄件薄、厚截面處顯微組織的差別小，硬度差別也小；
◆有利于共晶團生核，使共晶團數(shù)增多；
◆使鑄鐵中石墨的形態(tài)主要是細小而且均勻分布的A型石墨，從而改善鑄鐵的力學(xué)性能。孕育良好的鑄鐵流動性較好，鑄件的收縮減少、加工性能改善、殘留應(yīng)力減少。
二．灰鑄鐵的顯微組織
灰鑄鐵的力學(xué)性能決定于其基體組織和片狀石墨的分布狀況。灰鑄鐵的力學(xué)性能主要取決于其基體組織，為了得到高強度，希望基體組織以珠光體為主、盡量減少鐵素體含量。如果鐵素體量過多，不僅導(dǎo)致鑄鐵的強度低，而且加工時會使刀具過熱，顯著降低刀具的壽命。與球墨鑄鐵不同，對灰鑄鐵不可能有延性和韌性的要求，只要求其強度，所以一般都以珠光體含量高為好。
灰鑄鐵中的石墨片，有切割金屬基體、破壞其連續(xù)性、使其強度降低的作用。從強度考慮，應(yīng)避免產(chǎn)生長而薄的石墨片和粗大的石墨片，具明顯方向性的石墨片影響尤大。控制石墨片的分布狀況，是保證灰鑄鐵性能的關(guān)鍵。
A型石墨是在鑄鐵的石墨生核能力較強、冷卻速率較低、在過冷度很小的條件下發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變時形成的。在光學(xué)顯微鏡下觀察時，石墨呈均勻分布的彎曲片狀，無方向性，其長度則因鑄鐵的生核條件和冷卻速率而不同。高品質(zhì)的結(jié)構(gòu)鑄件，都希望其具有中等長度的A型石墨。
B型石墨在光學(xué)顯微鏡下呈菊花狀，共晶團中心部位石墨片比較細小，外圍的石墨片較粗大。實際上，中心部位是D型石墨，外圍是A型石墨。B型石墨的生核條件比A型石墨差，共晶轉(zhuǎn)變時的過冷度也比形成A型石墨時大，結(jié)晶時先在共晶團中心部位產(chǎn)生過冷石墨（D型），釋放的結(jié)晶潛熱使周邊的過冷度降低、形成A型石墨。如B型石墨為量不多，對鑄鐵的性能影響不大，一般情況下可允許其存在。
C型石墨主要出現(xiàn)于碳當量很高（過共晶）、冷卻緩慢的鑄鐵中，有粗大片狀初生石墨，也有小片狀石墨，有時部分石墨片上有帶尖角的塊狀。過共晶鐵液冷卻時，通過液相線后，在一定的過冷度下析出初生石墨，并在液相中逐漸長大。由于結(jié)晶溫度較高，成長時間較長，形成分枝較少的粗大片狀。溫度降低到共晶溫度時，發(fā)生正常的共晶轉(zhuǎn)變，這時產(chǎn)生的石墨是正常的共晶石墨（A型石墨），最終的結(jié)果是在粗大的石墨片之間分布有正常的共晶石墨。因此，C型石墨是由粗大、塊狀石墨和A型石墨構(gòu)成的。C型石墨可使鑄鐵的熱導(dǎo)率提高，改善其抗熱沖擊的能力，但對鑄鐵的力學(xué)性能影響較大，一般的結(jié)構(gòu)鑄件不應(yīng)有這種石墨。
亞共晶鑄鐵中，偶爾也能見到這種石墨。如：用感應(yīng)電爐熔煉而爐料中生鐵塊用量過多時，由于原生鐵遺傳的影響，就可能出現(xiàn)帶尖角的塊狀石墨；孕育劑加入量過大，造成局部硅元素富集，也會產(chǎn)生這種石墨。
D型石墨是鑄鐵的碳當量較低、冷卻速率較高，在過冷度較大、初生奧氏體枝狀晶發(fā)達的條件下在奧氏體枝晶間形成的，石墨片細小而無方向性。D型石墨常見于碳當量較低的薄壁灰鑄鐵件中，也稱為‘過冷石墨’或‘枝晶間石墨’。在不加合金元素時，D型石墨往往伴隨有鐵索體。如基體組織為珠光體，則鑄鐵的耐磨性較好，且機械加工后能得到較細的表面粗糙度。
E型石墨是在碳當量較低、冷卻速率也較低的條件下形成的。由于初生奧氏體枝狀晶較多、發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變時過冷度不大、石墨核心不太多、共晶團較大，形成的石墨片大于D型石墨。由于冷卻比較緩慢，奧氏體枝狀晶發(fā)達，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變時液相主要在初生奧氏體枝狀晶之間，形成的石墨片沿枝狀晶方向生長，具有一定的方向性，對鑄鐵力學(xué)性能的影響較大，要力求避免其產(chǎn)生。
可能出現(xiàn)E型石墨的鑄鐵，如冷卻速率較高，也會形成D型石墨。因此，在高強度薄壁鑄鐵件中往往會同時見到D型石墨和E型石墨。
生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)灰鑄鐵件，應(yīng)使其基體組織全部為珠光體，石墨為A型，而且石墨片要均勻分布于金屬基體中，珠光體也應(yīng)細小而均勻。要盡可能的地使組織中的B型石墨和D型石墨減至最少，不應(yīng)該有C型石墨和E型石墨。為此，必須進行有效的孕育處理并控制鑄件的冷卻速率。
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