球墨鑄鐵石墨球核心組成及熱力學(xué)分析.pdf

1、球墨鑄鐵是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)乃至世界制造業(yè)最主要的材料之一，是近代工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的一種鑄造金屬材料。球墨鑄鐵以其高強(qiáng)度、高塑韌性、優(yōu)良的鑄造性能和加工性能，而廣泛應(yīng)用在機(jī)械制造、礦山冶金、石油化工和國(guó)防工業(yè)等行業(yè)，并逐步替代鑄鋼件。但是，球墨畸變、石墨形核率及球化率降低等缺陷嚴(yán)重影響了球墨鑄鐵的性能，不但增加鑄造企業(yè)的生產(chǎn)成本，更不利于中國(guó)由鑄造大國(guó)走向鑄造強(qiáng)國(guó)。因此，有必要對(duì)球墨畸變的影響因素、石墨的形核物質(zhì)及形核物質(zhì)的熱力學(xué)穩(wěn)定性

2、進(jìn)行研究，為抗石墨球衰退提供理論依據(jù)。
　　 本文通過(guò)澆注球化處理后不同保溫時(shí)間金屬液的球墨鑄鐵棒狀鑄件，定量研究了保溫時(shí)間、殘余鎂量對(duì)石墨形貌和球化率的影響;澆注相同球化劑不同孕育劑處理的楔形鑄件，研究石墨球的核心組成。采用Thermo-calc熱力學(xué)計(jì)算軟件對(duì)石墨球形核物質(zhì)的熱力學(xué)穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)對(duì)石墨與形核物質(zhì)的錯(cuò)位度進(jìn)行計(jì)算。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算，對(duì)石墨異質(zhì)核心的形核機(jī)理進(jìn)行研究。
　　 研究結(jié)果表明，隨著

3、金屬液保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，球鐵中殘余鎂含量呈線性降低，二者符合定量關(guān)系式。殘余鎂含量大于0.02％時(shí)石墨球的形狀為非常圓整的球形，當(dāng)試樣中殘余鎂含量在0.02％，即保溫時(shí)間為7分鐘時(shí)，球墨鑄鐵中開始有少量的團(tuán)絮狀石墨和蠕蟲狀石墨，此時(shí)部分石墨球開始畸變;殘余鎂含量繼續(xù)降低，畸變石墨球數(shù)量劇增，當(dāng)殘余鎂的含量在0.013％時(shí)，大量蠕蟲狀石墨析出，但仍有球狀石墨存在，而殘余鎂的含量在0.007％時(shí)，球狀石墨發(fā)生嚴(yán)重畸變，球鐵中已經(jīng)沒(méi)有球形石墨。

4、
　　 殘余鎂含量直接影響石墨的球化率。以殘余鎂含量0.02％為界，可分為低鎂和高鎂兩個(gè)不同區(qū)段。在高鎂區(qū)段，球墨鑄鐵中蠕蟲狀石墨消失，組織中石墨呈球狀或類球狀，而且隨著殘余鎂含量的繼續(xù)增加，在一定范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的、較高的球化率;在低鎂區(qū)段中除殘余鎂含量低于0.013％時(shí)組織中僅見(jiàn)有蠕蟲狀石墨外，其余大多數(shù)均為蠕蟲狀石墨與不同數(shù)量球狀石墨的共存組織，且隨著殘余鎂含量的增加，石墨球化率呈類線性增加。
　　 不同孕育劑處理的

5、石墨球物質(zhì)雖略有差異，但是大部分情況下，是球化元素和孕育元素反應(yīng)生成的化合物，主要有:氧化物SiO2、CaO、MgO、FeO、Al2O3、CeO2、MoO3、Cr2O3、BaO、CuO、La2O3;硫化物MgS、CaS、FeS、MnS、CeS2、BaS、La2S3;碳化物SiC、TiC、V3C2;氮化物AlN、Si3N4;磷化物Mg3(PO4)2;硅化物FeSi、Fe2Si、Fe5Si3;金屬間化合物Ca5Sb3、Ce3Bi4;γ-Fe

6、。
　　 石墨球核心物相既有單一的硫化物、氧化物及其他化合物，但是更多的是上述化合物中的兩種或多種組成，石墨球核心形狀有球形、片狀、柱狀、舌形、菱形、錐形、多角形及不規(guī)則的多邊形，其尺寸都在微米級(jí)別，尺寸約為0.9～7.05μm。
　　 不同石墨球的形核物質(zhì)形核機(jī)理存在差異，主要有:直接形核，誘導(dǎo)形核。直接形核MgS、CaS、MgO、CeO2等與石墨錯(cuò)位度較低，δ都小于12％，因此理論上它們都可以直接成為石墨的形核襯底，

7、即為直接形核。SiO2與石墨錯(cuò)位度為15.41％，但是實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，它可以與SiC、AlN和Al2O3結(jié)合共同成為石墨球的核心，此為誘導(dǎo)形核。
　　 石墨球的核心物質(zhì)中存在較多的物相為MgS、CaS、MgO、CeO2等面心立方結(jié)構(gòu)，一方面具有面心立方結(jié)構(gòu)的晶核在金屬液中比較穩(wěn)定，在鐵液中能長(zhǎng)時(shí)間存在，而且這些化合物所需的元素主要來(lái)自于球化劑及孕育劑中，含量比較高;另一方面面心立方的(111)面與石墨的(0001)生長(zhǎng)面具有良好的匹