【文章內(nèi)容簡介】 強化金屬基體 中國最大的管理資源中心 (大量免費資源共享 ) 第 6 頁 共 13 頁 （一） 、灰鐵中 G的生長方式： G晶體結(jié)構(gòu)：變態(tài)六方晶格，每層 C原子排成正六角形，相鄰兩層 C原子間距較大，為。六角環(huán)形層面呈基面的側(cè)面叫 G 晶體的棱柱面（柱面）。在基面上每個 C 原子均以共價鍵結(jié)合的方式與鄰近三個 C 原子結(jié)合，原子間距為 埃，原子結(jié)合力特別強，結(jié)合能為 419～ 502J/mol,而層層間距離大，原子結(jié)合力很弱，結(jié)合能僅為 ～。 灰鐵中 G的生長方式 : (片狀 ) ①由于 G晶體中層層結(jié)合力較弱，在已經(jīng)形成 G的某一原子層面上所 生長的另一新原子層，若不夠大的話，便有可能重新溶入鐵液中，因此，沿垂直于層面方向， G 生長速度較慢。相反，在每一原子層面上邊緣的 C原子，總還有一個共價鍵是沒有結(jié)合的，只要鐵液中有個別的 C原子進入適當?shù)奈恢茫隳芎芾喂痰慕Y(jié)合上去，所以在沿垂直于柱面方向上 G的生長速度就較快，即 G生長時，沿基面方向生長快，沿垂直于基面方向上加厚慢，故形成片狀。 ② G 在形核和生長過程中會導(dǎo)致其周圍鐵水的 C濃度降低，凝固點升高，生成一層包圍著 G 片的 A殼，但 A 實際上很難把 G片完全包圍， G 片端部仍直接與鐵水接觸，這樣 G片向 兩側(cè)加厚的生長必須依靠 C原子從鐵水中通過 A層擴散到 G周圍，再結(jié)合到 G兩側(cè)面上，與此同時，還必須使鐵原子向 A外作反向擴散，顯然這些擴散過程是比較困難的，故 G片向兩側(cè)方向生長較慢。反之，由于 G片端部與鐵水直接接觸， C原子的擴散和鐵原子的反相擴散比較容易進行，因此， G 片生長過程是呈方向性，即加厚慢，沿平面方向生長快，故片狀。 （二）、鑄鐵的 G細化強化 —— 孕育處理 孕育：在液態(tài)鐵水中加入一種物質(zhì)從促進外來晶核的形成或激發(fā)自生晶核的產(chǎn)生，使晶核數(shù)目大量增加的過程稱孕育。此工藝叫孕育處理，經(jīng)孕育處理 的灰鐵，叫孕育鑄鐵。 常用孕育劑及孕育處理方法： ①孕育劑：硅鐵（ 75%Si）和硅鈣合金，硅鐵的粒度一般為 3～ 10mm，對于壁厚為 20～50mm的鑄件，硅鐵加入量為鐵水重量的 ～ %。 ②孕育處理方法：孕育劑加入方法最常用的為沖入法，即將孕育劑均勻撒入鐵槽的鐵水流中，沖入鐵水包，經(jīng)充分攪拌后扒渣，即可澆注。 一般認為，假如孕育劑后 100s內(nèi)孕育作用最強烈，稱飽和孕育狀態(tài)。隨孕育后鐵水停留時間的延長，孕育效果顯著減小，出現(xiàn)孕育衰退現(xiàn)象（ 表現(xiàn)出共晶團數(shù)目減少），白口深度增加， G 數(shù)量減少，與之相應(yīng)，鑄鐵機械性能下降，因此，目前出現(xiàn)了許多瞬時孕育方法，如包外孕育、澆杯孕育和型腔孕育等，其目的都是為了縮短自孕育處理到鑄件凝固的時間間隔。 孕育理論：（孕育作用及其作用機理） ①外來晶核的形成：（作為外來晶核的條件） c、 在高溫下有足夠的穩(wěn)定性，不熔化，不分解，無化學(xué)成分變化。 d、 質(zhì)點表面與熔體金屬要有良好潤實行，潤濕角越小越好。 e、 外來晶核與有母液中結(jié)晶出的新相應(yīng)符合結(jié)構(gòu)和尺寸的原理。由上述原則，發(fā)現(xiàn)一些金屬的 C化物能成為結(jié)晶的外來晶核，例 如 CaC BaC SrC YC LaCCeC TiC、 ZrC等 ，因為它們的高溫晶體結(jié)構(gòu)、晶格常數(shù)與 G晶體符合結(jié)構(gòu)和尺寸相似原理。以 CaC2為例，在硅鐵中 Ca 為必存元素，一般含量在 ～ %， 中國最大的管理資源中心 (大量免費資源共享 ) 第 7 頁 共 13 頁 當 Ca隨硅鐵或硅鈣進入鐵水后，由于 Ca 在鐵水中溶解度小，因此加入量不大，也能形成鈣滴，鐵水中的 C與 Ca作用生成 CaC2， CaC2在高溫下是穩(wěn)定的。生產(chǎn)實踐證實， Ba、 Al、 Re 等均有孕育作用，它們與鐵水中的 C、 O、 S 作用，可分別形成BaC Al4O4C、 La2O2S、 Ce2O2S 等外來晶核，成為 G結(jié) 晶的襯底和核心。 注意：直接在鐵水中撒入上述的 C 化物、硫氧化物，孕育作用往往達不到預(yù)期的效果，只有在孕育過程期間產(chǎn)生的這些化合物，才能成為極細小的 G 核心，孕育效果才強烈。 ②激發(fā)自生晶核的產(chǎn)生：當含 Si的孕育劑加入到鐵水中后，在鐵水中形成了大量微小的富硅區(qū)，加大了溶液的濃度起伏，另外，硅鐵熔解后造成局部微區(qū)的溫度下降，形成溫度起伏，再者，根據(jù)結(jié)晶學(xué)原理，當液態(tài)金屬中存在高熔點的外來晶核時，臨界晶核形成功可以大大減小，致使在較小的能量起伏下就能形成 G 晶核，正是在這些大量微小的富硅區(qū)內(nèi)，由于過共晶度很大，溫度又 較低，所需臨界形核功又較小，因此， C 迅速析出，就地形成自生 G 晶核。另外，由于原子的熱運動還會使富硅原子集團四處游移，所到之處都可產(chǎn)生排 C作用而析出自生 G晶核，以上即為孕育過程激發(fā)自生經(jīng)合產(chǎn)生的原理。 （三）、鑄鐵的 G 球化強化 —— 球化處理 球化：將普通灰口鐵的液體鐵水，在澆注前進行球化處理，結(jié)晶后其石墨的形態(tài)發(fā)生了根本的變化，由原來的片狀變?yōu)榍驙睢?G 形態(tài)的這種改變，不僅極大地減弱了應(yīng)力集中效應(yīng)，而且使金屬基體的作用得以充分發(fā)揮。 球化元素與反球化元素： ①球化元素指那些再不同純凈度和冷卻速度下，可使工業(yè)鑄鐵獲得球 G 元素。 Mg、 Y、Ce、 Ca（較強）。其它稀土元素是 Er、 Yb、 Ho、 La等（一定能力），而 Li、 Th、 Sr、 Ba、Na、 K只有在不含 S的鑄鐵中才有球化能力。 ② 反球化元素指那些只要少量存在于鐵水中，就能部分或全部破壞 G球化效果的元素，如 S 和 O。此外，還有一些偶存的反球化元素，如 Sn、 Sb、 As、 Pb、 Al、 Bi、 Ti、 B 等。 球狀 G 的成核： 球狀 G 是從液體鐵水中直接析出的，并且與鐵水的化學(xué)成分無關(guān)，也就是說，對于亞共晶、 共晶或過共晶成分的鑄鐵來說，均是如此。 球 G 成核大多數(shù)為非自發(fā)形核，因為①自發(fā)成核所需過冷度很大，②鐵水中不可避免地存在許多雜質(zhì)和化合物，如碳化物、氧硫化物、硫化物等，在一定條件下它們課程外來晶核。③試驗研究確定，大多數(shù) G球的中心（在沿垂直截面橫切時）含有 Mg、 Ce、S、 Si、 O 等元素組成的化合物。 球 G 晶核的形狀，根據(jù)成核類別和成核條件的不同，可以是多邊球形，也可以是球狀或網(wǎng)狀。研究表明，球 G 的晶核形狀與片狀 G 的晶核形狀無本質(zhì)區(qū)別，也即球 G 的最終生成主要不取決于成核過程，而主要取決于 G 的長 大過程，但應(yīng)明確，要有利于 G長大成球，晶核一定要形成強烈的分支，因為大量的小角度分支是形成球形多晶體的基本前提。 球 G 的形成條件： ①基面與鐵水之間的界面能（或相間張力）小于柱面與鐵水之間的界面能（相間張力） G生長為球狀；相反，則生長為片狀。 ②較大過冷度。（二者均為必要條件，非充分條件） 球 G的生長機理： 中國最大的管理資源中心 (大量免費資源共享 ) 第 8 頁 共 13 頁 球 G的生長機理 尚未完全認識清楚，曾提出許多學(xué)說，例如過冷說、吸附說、表面張力說、螺旋位錯說等，各種學(xué)說都能說明一些實際問題，但還缺 少可靠的實際根據(jù)，因此還不夠完善，與某些實際觀察現(xiàn)象也存在一些矛盾。下面僅介紹螺旋位錯學(xué)說：① C原子集團首先形成球形晶胚（即形成具有枝晶的胚芽），由于存在晶體缺陷，在球形晶胞表面上產(chǎn)生螺旋位錯，出現(xiàn)螺旋位錯口。② C原子優(yōu)先在各螺旋臺階上堆砌，一個或幾個螺旋口長成一個角錐體。③當每個角錐體的徑向生長速度相同時，最后由多個角錐體組成一個球形 G 多晶體。 未經(jīng)球化處理的鐵水，由于 S、 O 表面活性元素容易在螺旋位錯上堵塞螺旋口，使 C 原子堆砌困難，減少分支傾向， G 就生長為片狀。鐵水經(jīng)球化處理后，球化元素 具有清除干擾元素 S、 O的作用，使螺旋口重新露出。另外，一部分球化元素鑲嵌入 G 晶格，促使更多的螺旋口產(chǎn)生。 （四）、鑄鐵的 G 蠕化強化 —— 變質(zhì)處理 變質(zhì)處理：將普通灰鐵的液體鐵水，在澆注前進行變質(zhì)處理，凝固后