白口铸铁组织的形成

碳在铁水中的活度是影响铸铁凝固组织的重要因素。白口铸铁的碳当量较低。在碳活度度低的铁水中,碳原子活动能力差,在铁水中扩散速率低,移位量(特别是铁原子)很小,铁水结晶过冷度大于灰铸铁。与石墨的形成比较,石墨含碳量接近100%,形成石墨需要碳原子和铁原子做较大的迁移,特别是铁原子在结晶过程中的扩散速率和自扩散量是碳、铁原子进行点阵重组、形成新相的控制性因素。如果铁水碳活度低,铁原子的扩散运动受阻或进行缓慢以致不能为构成石墨晶体提供足够的空位,则铁、碳原子倾向于发生即位反应(化合)生成含碳量为6.67%渗碳体。

    碳在铁水中的活度很大程度上取决于化学成分。铁水中石墨化元素(例如硅)含量低或含有较多碳化物形成元素都会降低铁水的碳活度,为白口铸铁的生成创造条件。

    从热力学角度来看,形成渗碳体共晶比形成石墨共晶需要较高的相变驱动力,只有当铁水过冷到较低的温度,才能获得形成渗碳体所需的热力学驱动力。从动力学角度看,形成两种共晶时,在不同温度下的晶体生长速度是不同的。生长速度高的晶体是优先生成的相组分,只有当生长速度高于两条曲线交点时,渗碳体才能成为优势生长晶体。这个交点温度略低于渗碳体共晶转变温度。当铁水以较快速度冷却时,就能促使渗碳体在较低温度下形核和生长;实践证实,铁水冷却速度、铁水过冷度和渗碳体共晶生成倾向,几乎是成比例增加的。

    高冷速、高过冷度是促进铁水产生白口组织的重要条件。

    在非平衡条件下凝固时,亚共晶成分铁水在共晶转变前都已经存在一些先共晶奥氏体。近代研究发现,甚至共晶成分铁水和稍过共晶成分铁水中也可能存在先共晶奥氏体。先共晶奥氏体表面的晶体缺陷可以容纳一些由周围富碳铁液扩散而来的碳原子,这些晶体缺陷部位也可能成为渗碳体形核位置。先共晶渗碳体和共晶渗碳体可能在这些位置上依附奥氏体晶体生长。也就是说,先共晶渗碳体可能直接在先共晶奥氏体外的熔液中形核和生长。当铁水温度降低到低于渗碳体共晶转变开始温度时,渗碳体形核位置显著增加,渗碳体晶体将成批地在奥氏体表面析出。它将沿[010]晶向优先生长,大量生长使邻近晶体的熔液碳浓度降低,为共晶奥氏体的形成创造了条件。这说明在两相共生长的过程中,渗碳体晶体起作用,即共晶渗碳体共晶奥氏体生长,形成渗碳体共晶。

当数量的先共晶奧氏体,而且铁水过冷度较大(在更快冷速下进行共晶转变),则倾向于形成含有板条状渗碳体的共晶组织。

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                 2022年8月29日