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铸造词汇——灰铸铁

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灰铸铁基本上是由铁、碳和硅组成的共晶型合金,其中,碳主要以石墨的形态存在。生产优质铸件,控制铸铁凝固时形成的石墨的形态和基体金属组织是至关重要的。孕育处理是生产工艺中最重要的环节之一。良好的孕育处理可使灰铸铁具有符合要求的显微组织,从而保证铸件的力学性能和加工性能。
    在液态铸铁中加入孕育剂,可以形成大量亚显微核心,促使共晶团在液相中生成。接近共晶凝固温度时,生核处首先形成细小的石墨片,并由此成长为共晶团。每一个共晶团的形成,都会向周围的液相释放少量的热,形成的共晶团越多,铸铁的凝固速率就越低。凝固速率的降低,就有助于按铁-石墨稳定系统凝固,而且能得到A型石墨组织。
一 孕育处理的作用
    灰铸铁的力学性能在很大程度上取决于其显微组织。未经孕育处理的灰铸铁,显微组织不稳定、力学性能低下、铸件的薄壁处易出现白口。为保证铸件品质的一致性,孕育处理是必不可少的。
铸铁孕育处理所用的孕育剂,加入量很少,对铸铁的化学成分影响甚小,对其显微组织的影响却很大,因而能改善灰铸铁的力学性能,对其物理性能也有明显的影响。良好的孕育处理有以下作用:
◆消除或减轻白口倾向;
◆ 避免出现过冷组织;
◆减轻铸铁件的壁厚敏感性,使铸件薄、厚截面处显微组织的差别小,硬度差别也小;
◆有利于共晶团生核,使共晶团数增多;
◆使铸铁中石墨的形态主要是细小而且均匀分布的A型石墨,从而改善铸铁的力学性能。孕育良好的铸铁流动性较好,铸件的收缩减少、加工性能改善、残留应力减少。
二.灰铸铁的显微组织
    灰铸铁的力学性能决定于其基体组织和片状石墨的分布状况。灰铸铁的力学性能主要取决于其基体组织,为了得到高强度,希望基体组织以珠光体为主、尽量减少铁素体含量。如果铁素体量过多,不仅导致铸铁的强度低,而且加工时会使刀具过热,显著降低刀具的寿命。与球墨铸铁不同,对灰铸铁不可能有延性和韧性的要求,只要求其强度,所以一般都以珠光体含量高为好。
    灰铸铁中的石墨片,有切割金属基体、破坏其连续性、使其强度降低的作用。从强度考虑,应避免产生长而薄的石墨片和粗大的石墨片,具明显方向性的石墨片影响尤大。控制石墨片的分布状况,是保证灰铸铁性能的关键。
A型石墨是在铸铁的石墨生核能力较强、冷却速率较低、在过冷度很小的条件下发生共晶转变时形成的。在光学显微镜下观察时,石墨呈均匀分布的弯曲片状,无方向性,其长度则因铸铁的生核条件和冷却速率而不同。高品质的结构铸件,都希望其具有中等长度的A型石墨。
    B型石墨在光学显微镜下呈菊花状,共晶团中心部位石墨片比较细小,外围的石墨片较粗大。实际上,中心部位是D型石墨,外围是A型石墨。B型石墨的生核条件比A型石墨差,共晶转变时的过冷度也比形成A型石墨时大,结晶时先在共晶团中心部位产生过冷石墨(D型),释放的结晶潜热使周边的过冷度降低、形成A型石墨。如B型石墨为量不多,对铸铁的性能影响不大,一般情况下可允许其存在。
    C型石墨主要出现于碳当量很高(过共晶)、冷却缓慢的铸铁中,有粗大片状初生石墨,也有小片状石墨,有时部分石墨片上有带尖角的块状。过共晶铁液冷却时,通过液相线后,在一定的过冷度下析出初生石墨,并在液相中逐渐长大。由于结晶温度较高,成长时间较长,形成分枝较少的粗大片状。温度降低到共晶温度时,发生正常的共晶转变,这时产生的石墨是正常的共晶石墨(A型石墨),最终的结果是在粗大的石墨片之间分布有正常的共晶石墨。因此,C型石墨是由粗大、块状石墨和A型石墨构成的。C型石墨可使铸铁的热导率提高,改善其抗热冲击的能力,但对铸铁的力学性能影响较大,一般的结构铸件不应有这种石墨。
     亚共晶铸铁中,偶尔也能见到这种石墨。如:用感应电炉熔炼而炉料中生铁块用量过多时,由于原生铁遗传的影响,就可能出现带尖角的块状石墨;孕育剂加入量过大,造成局部硅元素富集,也会产生这种石墨。
D型石墨是铸铁的碳当量较低、冷却速率较高,在过冷度较大、初生奥氏体枝状晶发达的条件下在奥氏体枝晶间形成的,石墨片细小而无方向性。D型石墨常见于碳当量较低的薄壁灰铸铁件中,也称为‘过冷石墨’或‘枝晶间石墨’。在不加合金元素时,D型石墨往往伴随有铁索体。如基体组织为珠光体,则铸铁的耐磨性较好,且机械加工后能得到较细的表面粗糙度。
    E型石墨是在碳当量较低、冷却速率也较低的条件下形成的。由于初生奥氏体枝状晶较多、发生共晶转变时过冷度不大、石墨核心不太多、共晶团较大,形成的石墨片大于D型石墨。由于冷却比较缓慢,奥氏体枝状晶发达,发生共晶转变时液相主要在初生奥氏体枝状晶之间,形成的石墨片沿枝状晶方向生长,具有一定的方向性,对铸铁力学性能的影响较大,要力求避免其产生。
    可能出现E型石墨的铸铁,如冷却速率较高,也会形成D型石墨。因此,在高强度薄壁铸铁件中往往会同时见到D型石墨和E型石墨。
    生产优质灰铸铁件,应使其基体组织全部为珠光体,石墨为A型,而且石墨片要均匀分布于金属基体中,珠光体也应细小而均匀。要尽可能的地使组织中的B型石墨和D型石墨减至最少,不应该有C型石墨和E型石墨。为此,必须进行有效的孕育处理并控制铸件的冷却速率。


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