球化过程

A．球化过程
球墨形成过程如图17所示，在这个图中，镁量在基铁中家入越来越多的量的镁，显示其白口值和组织的变化。

从A局域的点（1）开始，金属液白口值很小（通常小于3/32），组织主要是20等级的片壮石墨铸铁。

因为组分接近共晶分组（碳当量4.30%）,组织中有共晶团或过冷石墨,有时还可能出现菊花状石墨.
最初加入的镁起脱氧作用,降低金属液中的含量.这会使白口降低直到到达A 区域点（2）处，在这一点，组织将绝大多数为过冷石墨。

含硫量的减少会造成过冷，但不足以使石墨和亚稳碳化物形成。

随着镁的加入量继续增加，过冷变大，足以形成亚稳碳化物，白口值变大。

这一点点（3）处金属的组织由和过冷石墨及密实型片状石墨伴生的碳化物组成。

点（1）处金属液中存在片状石墨到这时已被消除。

在点（4）处的组织中碳化物和密实性片状石墨的比例比在点（3）处大，如过镁继续添加到点（5）。

组织中将全部是碳化物，不会析出任何类型石墨。

在球铁生产中，添加镁时也要添加硅，或者在到达点（4）处时加入硅作为核心。

添加的硅可阻止碳化物的形成，促进石墨生长作为求状。

当硅和镁一起添加时，它的石墨化作用比镁的白化促碳化物生成作用更强，金属液到达C 区域的点（6），这时的白口值和在点（1）是差不多，石墨全为球状。

在添加镁时如果到达点（5）有可能硅的石墨化作用不能完全抵消镁的白化作用。

这种情况下，组织到达点（7）处，白口值会大些，终组织中有一些碳化物存在。

B．球化过程中的波动
为了使石墨生长为球状，金属必须经历图17中所示的白口值和组织变化。

当硅（石墨化元素）和镁（促碳化物形成元素）同时加入时，有可能观察不到白口值的变化。

但是，要生产球状石墨，金属液中必须有足够的过冷抑制，一般片状石墨的析出代之引发奥氏体晶粒和亚稳碳化物的初始凝固。

另外，金属在硅的作用下的石墨化必须足以抑制压稳碳化物的形成,促进石墨球化.
过冷不彻底,或石墨化不彻底,会导致混合性组织,混乱度以金属在图17中到达的点的确切位置而定.利用这张表,可以看到许多可能的组织和白口值.
研究一下在球化前白口值已比点(1)处白口值大许多时的情况.这种金属极可能凝固为白口铁，加入一定量的镁会使金属进入稳定碳化物带。

同样，添加硅也会促进石墨化，因为原始金属液需要更强的石墨化能力。

结果使终组织中碳化物的比例很大。

另外，存在的过冷也很危险，因为白口值做为尺度控制。

这意味着加镁量小，到达4处时，过冷不足，已经没有终组织中密实型石墨和碳化物伴生。

这里有一个主要的点要认识，碳化物的生成只能通过添加镁来进行，而不能通过其他不合适的化学方法，如加入比理想组分碳当量低的亚共晶组分来进行。

如果碳化物是由合适的过冷产生的，组织中会有亚稳碳化物，添加合适量的硅后组织会变为球状石墨。

亚稳碳化物也可以经退火而变成球状石墨；
反之，稳定碳化物会形成可锻铸铁中的絮状石墨。

前白口值过高的铸铁不能依图17所示过程被球化良好。

这时最好在加镁前先石墨化。

研究一下组分过于过共晶时的情况。

这时添加镁可以形成过冷，但是添加硅石墨化时，由于组分利于石墨化，析出的碳不能以亚稳碳化物形式存在，凝固直至到达合适的时间才行。

结果是凝固早期球化形成，而后球化破碎。

同
时，表面球化漂浮的倾向性使得碳易于漂浮。

在理想情况下，基体金属液应该是近共晶成分，白口值较低，组织若未经加镁球化应该是过冷石墨占主体。

这种金属液中添加的镁马上会促进亚稳碳化物形成，而后，在许多点处都会形成球状石墨。

图18中所示的是球化前过冷度大，最终组织中无游离碳化物的情况。

这里描述的特殊情况中，基液中通过先过热再冷却熔池来提高过冷度。

基液中添加一定量的镁-硅合金，球化组织状况有很大提高。

金属离离图17中的点（2）处情况越接近，经过图17所示的过程后球化效果越好。

C．TRAMP元素的作用
如果不考虑铸铁中那些被称做“tramp”或“deleterious”元素的作用，就无法彻底进行石墨球化生产。

通常这些元素是嵌、砷、钛。

它们作为deleterious 存在，能抑制球状石墨的形成。

迄今为止，人们认识到只有某些条件下它们才能起deleterious作用。

可能这些所谓的Tramp元素在熔融金属中存在时起核心作用，阻止形成完全球化所需的过冷度。

第一种元素是硫，它在液态金属中以硫化锰颗粒的形式存在。

因此，只有硫含量降低到0.02%以下时添加镁才能形成过冷。

另一方面，如果锰量太少，硫以可熔的硫化铁的形式存在时，可能产生严重过冷，添加硫会形成稳定碳化物。

图19所示为在低锰金属液中添加锰生产球铁后将该球铁退火的情况。

铯，它本身就是球化剂，可以中和金属液组分中可能存在的铅等有害元素。

另一方面，如果金属液格外纯净，不含Tramp元素时，铯可以作为deleterious，促进形成稳定碳化物，形成球化不良的石墨球。

还有一种元素平时研究的不够，但在铸铁中普遍存在，它可能以氧化物或硅酸盐形式存在。

在高纯净度配料和极慢速冷却的条件下，铅颗粒抑制良好球化所需的过冷。

所以，铅在某些情况下是一种有害的Tramp原素。

铅通常被看作是一种有害的Tramp元素。

但在某些情况下，它也促进球化。

如图20所示，先添加铝时球化不良，后添加铅后球化情况明显改善。

金属液中除了促进白口所需以外的过多的锰会促进生成稳定碳化物，也会使石墨球化不良，因此，也是一种有害的Tramp元素。

根据这些元素在金属液中可能形成的夹杂就以固体颗粒存在的话，它们就可能作为不必要的核心阻止初始过冷及随后的石墨生长。

高熔点的夹杂最可能起这种作用，通过研究不同元素的氧化物，可以得出一些线索，如表1所示。

有理由设想含低熔点氧化物的夹杂本身的熔点也低。

在此基础上，铅、镁、铯和钛的氧化物很高的熔点，在金属液中会以固体形式存在，因此，它们可能影响过冷工艺，另一方面，铅、铋、砷、和的氧化物熔点低，通过高熔点氧化物复合，可以消除后者在过冷中的不利影响。

比如，已经证明铅和铋的存在能显著改善球化状况。

另一方面，如果没有低熔点氧化物的存在，金属液中的铅和钛会严重影响球墨的形成。

高纯度配料中的铯也对球化有不利影响。

在非高纯度配料中，铯起有益作用。

经过这番讨论冶金学家应能大致了解金属中的杂质元素。

有了这些知识有助于加入适当的杂质元素来得到较好的球化效果。

一般准则是，高熔点的氧化物元素用等量的低熔点氧化物来平衡。

更进一步的准则是，将所有的杂质（痕量）元素的作用一块儿考虑，也就是说考虑同类元素的共同作用，比如钛和铅共同起作用，砷和铅共同起作用。

D．冷速的影响
冷速在球铁中的影响和在灰铁中的影响基本一样。

冷速提高容易提高过冷，所以石墨容易球化,厚大端面铸件中冷速极慢，很难得到球化所需的过冷。

缓慢冷却过程中这些元素被分离的倾向性变大。

因为球铁是在近共晶组分时产生的，冷速对金属白口值的影响比它对亚共晶组分的灰铁的白口值影响要小。

基液中加镁前的白口值应尽量小，以避免加镁时形成的稳定碳化物。

另外，较小的前白口值使金属中固有石墨化能力，这种能力使金属再加镁时或加镁后由硅而导致的石墨化形成的球状石墨颗粒较小，金属机械性能较高。

同样，球铁中的较低的后白口值也有利于促进细小球墨的形成。

加镁形成的白口值是过冷的量度，所以，缓慢冷却的厚大断面需添加的镁量要多，需更大过冷度。

薄而小的断面冷速极快，不需太大过冷，添加镁量要小些。

因为有时并不能分别测量和控制加镁形成的过冷，通常的准则是断面小于1英尺的铸件中含镁量应在0。

02%到0。

03%之间；断面尺寸1英尺到4英尺时，含镁0。

03%到0。

04%；大于4英尺的断面含镁量应为0。

05%。

这只适用于镁单独作过冷介质时的情况。

金属中存在钙和铯时，它门也可看作是和镁同等形成过冷。

E．基体组织
在灰铁中，基体通常是珠光体，因为大量镁的存在（0。

40%到1。

10%）是一种很强的促珠光体形成元素。

通常经过退火热处理可以得到理想的铁素体组织。

在过共晶组分中，尤其是缓慢冷却的厚大断面铸件中，会出现一些游离铁素体，但是通常不会高于基体组织的15%到20%。

在球铁中情况很不同，根据过程控制的不同，可以得到全部珠光体，全部铁素体或两种组织任何任意比例的基体组织。

为了了解其中的机理，可以参见图1，球铁通常是近共晶组分，初始凝固时有奥氏体晶粒存在。

这种奥氏体晶粒中有饱和的碳和石墨，随着温度的下降继续生长。

奥氏体组分（指碳）一直变化，直至到达共析点。

在共晶点温度时，奥氏体转变为铁素体，因为铁素体中含碳两极低，转变过程中中多余的碳的珠光体形式析出。

在球铁中，奥氏体晶粒中存在的石墨对以后的石墨析出起核心作用，所以在共晶温度时，奥氏体中的碳未饱和，尤其在球墨周围碳以沉淀为球墨的碳。

结果，继续冷却时金属液中碳量太少无法形成珠光体。

所以，珠墨周围出现游离铁素体，根据珠墨数量、冷速和组分的不同，铁素体。