球墨铸铁的凝固特性

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实际生产中采用的球墨铸铁，大多数都接近共晶成分。厚壁铸件采用亚共晶成分，薄壁铸件采用过共晶成分，但偏离共晶成分都不远。

    共晶成分、过共晶成分的球墨铸铁，共晶凝固时都是先自液相中析出小石墨球。即使是亚共晶成分的球墨铸铁，由于球化处理和孕育处理后铁液的过冷度增大，也会在远高于平衡共晶转变温度的温度下先析出小石墨球。第一批小石墨球在1300℃甚至更高的温度下就已形成。

    在此后的凝固过程中，随着温度的降低，首批小石墨球有的长大，有的再次溶入铁液，同时也会有新的石墨球析出。石墨球的析出和长大是在一个很宽的温度范围内进行的。

    石墨球长大时，其周围的铁液中碳含量降低，就会在石墨球的周围形成包围石墨球的奥氏体外壳。奥氏体外壳形成的时间与铸件在铸型中的冷却速率有关：冷却速率高，铁液中的碳来不及扩散均匀，形成奥氏体外壳就较早；冷却速率低，有利于铁液中的碳扩散均匀，奥氏体外壳的形成就较晚。

    奥氏体外壳形成以前，石墨球直接与碳含量高的铁液直接接触，铁液中的碳易于向石墨球扩散，使石墨球长大。奥氏体外壳形成后，铁液中的碳向石墨球的扩散受阻，石墨球的长大速度急剧下降。由于自铁液中析出石墨时释放的结晶潜热多，约3600 J/g，自铁液中析出奥氏体时释放的结晶潜热少，约200 J/g，在石墨球周围形成奥氏体外壳、石墨球的长大受阻，就会使结晶潜热的释放显著减缓。在这种条件下，共晶凝固的进行要靠进一步降低温度以产生新的晶核。因此，球墨铸铁的共晶转变要在颇大的温度范围内完成，其凝固的温度范围是灰铸铁的二倍或更多一些，具有典型的糊状凝固特性。

     简略说来，球墨铸铁的凝固特性主要有以下几方面。

1、凝固温度范围宽

    从铁－碳合金的平衡图看来，在共晶成分附近，凝固的温度范围并不宽。实际上，铁液经球化处理和孕育处理后，其凝固过程偏离平衡条件很远，在共晶转变温度（1150℃）以上150℃左右，即开始析出石墨球，共晶转变终了的温度又可能比平衡共晶转变温度低50℃左右。

    凝固温度范围这样宽的合金，以糊状凝固方式凝固，很难使铸件实现顺序凝固。因此，按铸钢件的冒口设计原则，使铸件实现顺序凝固，在最后凝固的热节部位设置大冒口的工艺方案不是很合适的。

    由于在很高的温度下即有石墨球析出，并发生共晶转变，液－固两相共存的时间很长，铁液凝固过程中同时发生液态收缩和凝固收缩。因此，要像铸钢件那样，通过浇注系统和冒口比较充分地补充液态收缩也是不太可能的。

2、共晶转变过程中石墨的析出导致体积膨胀 

     在共晶温度附近，奥氏体的密度约为7.3g/cm3，石墨的密度约为2.15g/cm3。铸件凝固过程中，石墨的析出会导致系统的体积膨胀，大约每析出1%（质量分数）的石墨可产生3.4%的体积膨胀。

    妥善地利用铸铁中的石墨化膨胀，可以有效地补偿凝固过程中的体积收缩，在一定的条件下，可以不用冒口生产健全的铸件。

    应该着重提出的是：灰铸铁和球墨铸铁都在共晶转变过程中析出石墨、发生体积膨胀，但是，由于两种铸铁中石墨形态和长大的机制不同，石墨化膨胀对铸铁铸造性能的影响也很不一样。

    灰铸铁共晶团中的片状石墨，与铁液直接接触的尖端优先长大，石墨长大所发生的体积膨胀大部分作用于石墨尖端接触的铁液，有利于迫使其填充奥氏体枝间的空隙，从而使铸件更为致密。 

    球墨铸铁中的石墨，是在奥氏体外壳包围的条件下长大的，石墨球长大所发生的体积膨胀主要是通过奥氏体外壳作用在相邻的共晶团上，有可能将其挤开，使共晶团之间的空隙扩大，也易于通过共晶团作用在铸型的型壁上，导致型壁运动。

3、铸件凝固过程中石墨化膨胀易使铸型发生型壁运动

    球墨铸铁以糊状凝固方式凝固，铸件开始凝固时，铸型－金属界面处的铸件外表面层就比灰铸铁薄得多，而且增长很慢，即使经过了较长的时间，表层仍然是强度低、刚度差的薄壳。内部发生石墨化膨胀时，这种外壳不足以耐受膨胀力的作用下，就可能向外移动。如果铸型的刚度差，就会发生型壁运动而使型腔胀大。结果，不仅影响铸件的尺寸精度，而且石墨化膨胀以后的收缩得不到补充，就会在铸件内部产生缩孔、缩松之类的缺陷。

4、共晶奥氏体中的碳含量高于灰铸铁

    据美国R. W.Heine的研究报告，球墨铸铁共晶凝固过程中，奥氏体中的碳含量高于灰铸铁中奥氏体的碳含量。

    灰铸铁共晶凝固时，共晶团中的石墨片既与奥氏体接触，也与碳含量高的铁液直接接触，铁液中的碳，除通过奥氏体向石墨扩散外，也直接向石墨片扩散，因而铁液－奥氏体界面处奥氏体中的碳含量较低，约为1.55%左右。

    球墨铸铁共晶凝固时，共晶团中的石墨球只与奥氏体壳接触，不与铁液接触，石墨球长大时，铁液中的碳都通过奥氏体壳向石墨球扩散，因而，铁液－奥氏体界面处奥氏体中的碳含量较高，可达到2.15%左右。

    球墨铸铁共晶凝固时，奥氏体中的碳含量可能较高，在碳含量、硅含量相同的条件下，如保持同样的冷却速率，则析出的石墨量较少，因而，共晶凝固时的体积收缩会略大于灰铸铁。这也是球墨铸铁件较易产生缩孔、缩松缺陷的原因之一。凝固过程中保持较低的冷却速率，是有利于石墨充分析出的因素。

    在能使石墨化充分的条件下，共晶奥氏体中的碳含量（即碳在奥氏体中的最大固溶度）与铸铁中的硅含量有关，一般可按下式计算：

碳在奥氏体中的最大固溶度CＥ=2.045－0.178 Si

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