鑄鐵的基礎(chǔ)知識(shí)

1、2 鐵碳相圖及其應(yīng)用正是因?yàn)殍T鐵的組織與鑄鐵的力學(xué)性能、鑄造性能和使用性能，甚至切削加工性能等息息相關(guān)，我們就必須要掌握鑄鐵組織的形成規(guī)律，以達(dá)到控制組織和性能的目的。鐵碳平衡圖就是掌握凝固過(guò)程及其形成組織極好工具，從中可以了解鑄鐵的凝固規(guī)律，控制所獲得凝固組織的種類、形狀和多少。另外，生產(chǎn)中有多種因素會(huì)影響鑄鐵組織的形成，從鐵碳平衡圖上也可一目了然地分析出這些因素對(duì)組織的影響情況，從而可通過(guò)控制形成的組織類型和數(shù)量來(lái)控制鑄件的性能。所以，鑄造技術(shù)人員必須具備熟練應(yīng)用鐵碳平衡圖的能力，這樣才能在生產(chǎn)實(shí)踐中對(duì)鑄件產(chǎn)生的各類問(wèn)題進(jìn)行有理論依據(jù)的分析和找出有針對(duì)性的解決辦法。2.1 鑄鐵的分類鑄鐵是

2、一種以Fe、C、Si為基礎(chǔ)的多元合金，其中碳含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為2.0%4.0%。鑄鐵成分中除C、Si外，還有Mn、P、S，號(hào)稱五大元素。在鑄鐵中加入Al、Cr、Ni、Mn等合金元素，可滿足耐熱、抗磨、耐腐蝕等性能要求，所形成的合金鑄鐵又稱為特種鑄鐵。按使用性能，鑄鐵可被分為工程結(jié)構(gòu)件鑄鐵與特種性能鑄鐵兩大類（見(jiàn)表14）。表14 鑄鐵的分類類別組織斷口工程結(jié)構(gòu)件鑄鐵灰鑄鐵基體+片狀石墨灰口球墨鑄鐵基體+球狀石墨灰口蠕墨鑄鐵基體+蠕蟲狀石墨（+少量球狀石墨）灰口可鍛鑄鐵基體+團(tuán)絮狀石墨生坯：白口退火后：灰口特種性能鑄鐵抗磨鑄鐵基體+滲碳體白口冷硬鑄鐵表層：基體+滲碳體內(nèi)層：基體+石墨表層：白口內(nèi)層

3、：灰口耐熱鑄鐵基體+片狀或球狀石墨灰口耐腐蝕鑄鐵基體+片狀或球狀石墨灰口2.2 鐵碳雙重相圖2.2.1 鐵碳雙重相圖的基本概念表示合金狀態(tài)與溫度、成分之間關(guān)系的圖形稱為合金相圖，是研究合金結(jié)晶過(guò)程中組織形成與變化規(guī)律的工具。在極緩慢冷卻條件下，不同成分的鐵碳合金在不同溫度時(shí)形成各類組織的圖形為鐵碳合金相圖。鑄鐵中的碳能以石墨或滲碳體兩種獨(dú)立相存在，因此鐵碳相圖存在兩重性，即鐵石墨（C）相圖與鐵滲碳體（Fe3C）相圖。在一定條件下，F(xiàn)eFe3C系相圖可以向FeC系相圖轉(zhuǎn)化，所以FeC為穩(wěn)定系平衡相圖，F(xiàn)eFe3C為亞穩(wěn)定系相圖（見(jiàn)圖16）。圖16FeC（石墨）、FeFe3C雙重相圖鑄鐵中的高碳相

4、只有兩種：石墨與滲碳體，石墨（G）為100%的碳，滲碳體（Fe3C）含碳量?jī)H為6.67%。在生產(chǎn)中常用的三角試塊的尖端處為白口，此處碳以Fe3C出現(xiàn)；三角試塊厚的部位為灰口，此處碳以G形式出現(xiàn)。這說(shuō)明，同一成分的鑄鐵既可按FeFe3C相圖結(jié)晶，也可按 FeC相圖結(jié)晶，因此，研究鑄鐵時(shí)，必須研究鐵碳合金的雙重相圖。2.2.2 鐵碳相圖與鑄鐵的結(jié)晶鑄鐵在凝固過(guò)程中要經(jīng)過(guò)三個(gè)結(jié)晶階段，即析出初相、共晶轉(zhuǎn)變、共析轉(zhuǎn)變，在這三個(gè)階段中分別析出不同的組織，見(jiàn)表15。表15鑄鐵結(jié)晶的三個(gè)階段結(jié)晶過(guò)程結(jié)晶發(fā)生的臨界線結(jié)晶產(chǎn)物圖標(biāo)初析階段液相線以下析出初生相（1）BC及BC線以下析出初生奧氏體（2）CD線以下析

5、出初生石墨（3）CD線以下析出初生滲碳體共晶階段固相線以下發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變（1）ECF線以下發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，共晶組織為共晶奧氏體+共晶滲碳體（2）ECF線以下發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，共晶組織為共晶奧氏體+共晶石墨共析階段共析線以下發(fā)生共析轉(zhuǎn)變（1）PSK線以下發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w（滲碳體+鐵素體）（2）PSK線以下發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體+石墨在三個(gè)階段的結(jié)晶中要記住兩個(gè)臨界點(diǎn)：共晶點(diǎn)與共析點(diǎn)。共晶點(diǎn)的意義是：當(dāng)鐵液溫度到達(dá)共晶溫度、鐵液成分到達(dá)共晶成分時(shí)，鐵液就會(huì)發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變。Fe-C（石墨）系中，共晶點(diǎn)C的成分是w（C） 4.26%；Fe-Fe3C系中，共晶點(diǎn)C的成分是w（C） 4.3

6、0%。共析點(diǎn)的意義是：當(dāng)鑄鐵凝固冷卻到共析溫度、成分到達(dá)共析點(diǎn)成分時(shí)，將發(fā)生共析轉(zhuǎn)變。Fe-C（石墨）系中，共析點(diǎn)S的成分為w（C） 0.69%；Fe-Fe3C系中，共析點(diǎn)S的成分為w（C） 0.76%。在鐵碳相圖中：具有共晶成分的鑄鐵，稱共晶鑄鐵；小于共晶成分的鑄鐵，稱亞共晶鑄鐵；大于共晶成分的鑄鐵，稱過(guò)共晶鑄鐵。在鑄鐵的凝固過(guò)程中，要記住四條特性曲線，即液相線、固相線（共晶轉(zhuǎn)變線）、碳在奧氏體中的溶解曲線和共析線。在雙重相圖、兩個(gè)臨界點(diǎn)、四條特性曲線下，三個(gè)階段結(jié)晶中所形成的鑄鐵組織不同，記住在不同條件下形成的各類組織是十分重要的。表16為結(jié)晶過(guò)程中的兩個(gè)臨界點(diǎn)與四條特性曲線。表16鑄鐵結(jié)

7、晶過(guò)程中的兩個(gè)臨界點(diǎn)和4條特性曲線名稱曲線或臨界點(diǎn)特性圖標(biāo)液相線BCD和BCD線（1）該線稱為液相線，此線以上為液相區(qū)，用L表示（2）鐵液冷卻至此線時(shí)，開始結(jié)晶并析出初相（3）BC或BC線以下皆析出初生奧氏體，用A或表示（4）在CD線以下析出初生滲碳體，用Fe3C表示（5）在CD線以下析出初生石墨，用G表示固相線（共晶線）ECF與ECF線（1）該線稱為固相線，合金冷卻至此線后凝為固體，此線以下為固態(tài)區(qū)（2）液相線與固相線之間，液相與固相并存，為合金的結(jié)晶區(qū)，BCE或BCE區(qū)內(nèi)為鐵液+初生奧氏體，在DCF區(qū)內(nèi)為鐵液+初生滲碳體，在DCF區(qū)內(nèi)為鐵液+初生石墨（3）該線也稱為共晶轉(zhuǎn)變線，鐵液冷卻至此

8、線以下時(shí)發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，鐵液轉(zhuǎn)變?yōu)楣簿W氏體+共晶滲碳體（按ECF線）或轉(zhuǎn)變?yōu)楣簿W氏體+共晶石墨（按ECF線）（4）共晶奧氏體+共晶滲碳體可稱為高溫萊氏體Ld，用公式表示為L(zhǎng)d=A+Fe3C共晶點(diǎn)C（C）共晶臨界點(diǎn)，其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是：C點(diǎn)為4.30%，C點(diǎn)為4.26%，生產(chǎn)中常簡(jiǎn)化為4.30%碳在奧氏體中的溶解曲線ES與ES線碳在奧氏體中的含量隨溫度降低而減少，當(dāng)溫度下降時(shí)，沿著此線析出二次滲碳體（按ES線）或析出二次石墨（按ES線）共析線PSK與PSK線（1）合金冷卻至此線時(shí)發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，按PSK線奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w（鐵素體+滲碳體），用P來(lái)表示，按PSK線奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體石墨，鐵素體用或

9、F表示（2）共析轉(zhuǎn)變按Fe-Fe3C進(jìn)行，高溫萊氏體（奧氏體+滲碳體）則變?yōu)榈蜏厝R氏體（珠光體+滲碳體），低溫萊氏體的表示公式為L(zhǎng)d=P+Fe3C共析點(diǎn)S（S）共析臨界點(diǎn)，其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是：S點(diǎn)為0.76%，S點(diǎn)為0.69%2.2.3 鐵碳相圖與鑄鐵組織表17為鑄鐵在初析、共晶、共析三個(gè)階段中結(jié)晶時(shí)形成的組織，表18為鑄鐵的結(jié)晶過(guò)程與室溫組織，表19為鐵碳雙重相圖中的鑄鐵組織。在實(shí)際生產(chǎn)中，鑄鐵的組織遠(yuǎn)不止表19中的7個(gè)組成相，還會(huì)多出6個(gè)組成相，它們對(duì)鑄鐵性能的影響也十分巨大，必須牢牢記住。表20即為鐵碳相圖中不出現(xiàn)的鑄鐵的6個(gè)組成相。表17鑄鐵在初析、共晶、共析結(jié)晶時(shí)形成的組織結(jié)晶過(guò)程亞共

10、晶鑄鐵共晶鑄鐵過(guò)共晶鑄鐵Fe-CFe-Fe3CFe-CFe-Fe3CFe-CFe-Fe3C初析階段初生奧氏體初生奧氏體初生石墨初生滲碳體共晶階段共晶奧氏體+共晶石墨共晶奧氏體+共晶滲碳體共晶奧氏體+共晶石墨共晶奧氏體+共晶滲碳體共晶奧氏體+共晶石墨共晶奧氏體+共晶滲碳體共析階段共析鐵素體+共析石墨珠光體共析鐵素體+共析石墨珠光體共析鐵素體+共析石墨珠光體表18鑄鐵的結(jié)晶過(guò)程與室溫組織類別按Fe-C（石墨）穩(wěn)定系結(jié)晶按Fe-Fe3C亞穩(wěn)定系結(jié)晶亞共晶鑄鐵結(jié)晶過(guò)程室溫組織鐵素體+石墨（共晶石墨+二次石墨+共析石墨）珠光體+萊氏體（珠光體+共晶滲碳體）+二次滲碳體過(guò)共晶鑄鐵結(jié)晶過(guò)程室溫組織鐵素體+石

11、墨（初生石墨+共晶石墨+二次石墨+共析石墨）萊氏體（珠光體+共晶滲碳體）+滲碳體（初生滲碳體+二次滲碳體）共晶鑄鐵結(jié)晶過(guò)程室溫組織鐵素體+石墨（共晶石墨+二次石墨+共析石墨）萊氏體（珠光體+共晶滲碳體）+二次滲碳體表19Fe-C（石墨）、Fe-Fe3C雙重相圖中的鑄鐵組織類別組織代號(hào)特征主要性能液相液溶體L1.存在液相線之上的鐵液為液相，是碳與其他元素在鐵中的無(wú)限液溶體。2.在液、固線之間也有液體，但成分隨溫度而變化。1.優(yōu)良的流動(dòng)性；2.流動(dòng)性的高低與溫度、成分有關(guān)。高碳相石墨G1.石墨是鑄鐵中以游離狀態(tài)存在的碳，含碳量近乎100。2.按化學(xué)成分與溫度不同，石墨有初析石墨、共晶石墨、二次石墨

12、和共析石墨。3.石墨的形態(tài)有片狀、球狀、蠕蟲狀、團(tuán)絮狀。1.力學(xué)性能低：Rm<20 MPa，硬度3 HBW，無(wú)塑性；2.減振好，耐磨性優(yōu)良。滲碳體Fe3C1.鐵和碳的化合物，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.69。2.按化學(xué)成分與溫度不同，有初生滲碳體、共晶滲碳體、二次滲碳體及共析滲碳體。3.滲碳體是不穩(wěn)定的化合物，在一定的溫度條件下可轉(zhuǎn)變成鐵素體+石墨，更高溫度時(shí)又可變?yōu)閵W氏體+石墨。1.性能硬、脆：硬度8001 000 HBW，塑性與韌性近為零；2.強(qiáng)度低：Rm為2050 MPa?；w萊氏體Ld1.按Fe-Fe3C系共品轉(zhuǎn)變的共晶組織，為滲碳體與奧氏體的共晶體，稱為高溫萊氏體。2.冷卻至共析溫度以下

13、，按Fe-Fe3C轉(zhuǎn)變，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，形成珠光體+滲碳體，稱為低溫萊氏體。1.具有高的耐磨性；2.性硬、脆，沖擊韌性低，易脆裂。奧氏體A（）1.碳在-Fe中的固溶體，面心立方晶格，1 147時(shí)最大的溶碳量是2.14。2.為鑄鐵的高溫組織，存在于7271 147 之間，只有Mn、Ni含量足夠時(shí)，才可能出現(xiàn)室溫下的奧氏體鑄鐵。3.等溫淬火時(shí)也會(huì)有約30的富碳奧氏體。1.具有良好的塑性與強(qiáng)度，Rm=400800 MPa，A=4050。2.有一定的硬度160200 HBW。珠光體P1.鐵索體與滲碳體組成的機(jī)械混合體，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.76。2.是過(guò)冷奧氏體在共析轉(zhuǎn)變時(shí)形成的共析組織。3.共析轉(zhuǎn)變

14、時(shí)的過(guò)冷度不同，可形成片狀珠光體、細(xì)片狀珠光體(索氏體)、極細(xì)片狀珠光體(托氏體)，通過(guò)熱處理可獲得粒狀珠光體。1.具有較高強(qiáng)度與硬度，Rm =400800 MPa，硬度175330 HBW。2.塑性、韌性優(yōu)于滲碳體，A =1025。鐵素體(F)1.碳在Fe中的固溶體，體心立方品格。2.727 時(shí)最大溶碳量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為0.034。3.因生成條件不同，其形態(tài)有等軸晶粒狀、破碎狀、牛眼狀、網(wǎng)狀和針狀。1.具有良好的塑性與韌性，A =2560。2.強(qiáng)度與硬度稍低，Rm =200400 MPa，硬度70150 HBW。表20鐵、碳相圖中不出現(xiàn)的鑄鐵中的6個(gè)組成相名稱鑄鐵中存在的原由特性?shī)W氏體熱處理時(shí)

15、形成的組織1.加熱至奧氏體化區(qū)域并保溫，后在250400 冷卻并保溫，使過(guò)冷奧氏體等溫分解形成針狀鐵素體+高碳奧氏體。2.該組織存在于等溫淬火球墨鑄鐵中,該鑄鐵具有高強(qiáng)度，高硬度與韌性馬氏體熱處理時(shí)形成的組織1.加熱至奧氏體化區(qū)域并保溫，后在250 以下冷卻，進(jìn)行無(wú)擴(kuò)散轉(zhuǎn)變而形成馬氏體組織，實(shí)質(zhì)上是過(guò)飽和-Fe固溶體，具有很高的硬度與耐磨性。2.馬氏體的塑性、韌性極低，可通過(guò)不同的回火獲得回火馬氏體、回火托氏體、回火索氏體，從而得到不同性能的鑄鐵。晶界共晶物硫共晶鑄鐵為多元素的鐵碳合金，鑄鐵中含有S1.當(dāng)鑄鐵中Mn較低時(shí)，S以FeS的形式形成Fe-FeS的二元硫共晶（熔點(diǎn)985 ），當(dāng)冷卻速度

16、大時(shí)，則形成Fe-Fe3C-FeS三元硫共晶（熔點(diǎn)975 ）。2.硫共晶在晶界上析出易產(chǎn)生熱裂并影響力學(xué)性能。磷共晶鑄鐵中含有P1.P以二元或三元磷共晶存在于晶界，能使鑄鐵韌性降低、脆性增加，二元磷共晶為Fe-Fe3P（熔點(diǎn)1 050 ），三元磷共晶為Fe-Fe3P-Fe3C（熔點(diǎn)953 ）。2.有利于提高耐磨性能碳化物鑄鐵中含有Mn、Cr、V、Ti、Mo等合金元素1.碳化物是碳與一種或多種合金元素形成的化合物，如（Fe，Mn）3C、（Fe，Mn，Cr）3C等。2.常分布于品界，影響力學(xué)性能，但在抗磨鑄鐵中則顯著提高耐磨性。非金屬夾雜物在鑄鐵熔煉時(shí)的冶金反應(yīng)中所形成的化合物1.非金屬夾雜物系指

17、除石墨、基體、碳化物、磷共晶、硫共晶以外的組成物，按其成分有氧化物、硫化物、硅酸鹽、氮化物及由其組成的多元素的復(fù)合化合物。2.多沿晶界分布，降低力學(xué)性能、疲勞強(qiáng)度及流動(dòng)性。2.3 鐵碳相圖對(duì)鑄鐵生產(chǎn)的指導(dǎo)意義2.3.1 利用相圖的雙重性控制鑄鐵的結(jié)晶過(guò)程在熔煉孕育鑄鐵時(shí)，必須通過(guò)化學(xué)成分等措施將原鐵液全部或部分按FeFe3C系結(jié)晶，形成白口或麻口，然后通過(guò)孕育手段，使其按FeC（石墨）系結(jié)晶。在共晶轉(zhuǎn)變時(shí)變成奧氏體+石墨，不允許出現(xiàn)滲碳體；而可鍛鑄鐵在共晶轉(zhuǎn)變時(shí)必須控制鐵液按FeFe3C系結(jié)晶，即在共晶轉(zhuǎn)變時(shí)，形成萊氏體，變成奧氏體+滲碳體，不允許出現(xiàn)石墨。當(dāng)需要珠光體基體的鑄鐵時(shí)，可以通過(guò)在

18、鐵液中加反石墨化元素如Cr、Sb、Sn、Cu等，使鑄鐵在共析轉(zhuǎn)變時(shí)按FeFe3C系結(jié)晶，形成珠光體基體。如果要獲得鐵素體基體，則通過(guò)對(duì)鑄鐵中C、i含量的控制，使鑄鐵在共析轉(zhuǎn)變時(shí)按FeC（石墨）系結(jié)晶，形成鐵素體基體。2.3.2 通過(guò)對(duì)三階段結(jié)晶的控制，獲得需要的組織與性能（1）在熔制高強(qiáng)度灰鑄鐵時(shí)，必須采用含C量較低的亞共晶鑄鐵，添加某些合金元素增加Si/C比及進(jìn)行孕育處理，是為了：在初析階段析出更多粗大的奧氏體，有利于提高強(qiáng)度；使共晶轉(zhuǎn)變時(shí)變FeFe3C系結(jié)晶為FeC（石墨）結(jié)晶，不出現(xiàn)滲碳體，以免影響力學(xué)性能與加工性能；在共析轉(zhuǎn)變時(shí)按FeFe3系進(jìn)行，形成珠光體基體。（2）在熔制可鍛鑄鐵時(shí)

19、，要選擇比高強(qiáng)度灰鑄鐵更低的C、Si量，確保鐵液結(jié)晶時(shí)全部為白口，不得有麻口和灰點(diǎn)，即鐵液在共晶與共析轉(zhuǎn)變時(shí)全部按FeFe3C進(jìn)行，在初析階段析出初生奧氏體，在共晶階段形成奧氏體+滲碳體，在共析階段奧氏體全部變?yōu)橹楣怏w，室溫的組織是珠光體+滲碳體。如果控制不好，有片狀石墨存在，將嚴(yán)重影響退火時(shí)的石墨，可見(jiàn)控制鑄鐵按鐵碳雙重相圖中哪一系統(tǒng)結(jié)晶十分重要。值得指出的是，可鍛鑄鐵中也加孕育劑，但是加的是復(fù)合孕育劑，即Be、Te、Sb等元素在共晶轉(zhuǎn)變時(shí)反石墨化，確保其白口；Al、B、Si、Ba、Sr、Ti等元素在退火時(shí)促進(jìn)石墨化，縮短退火時(shí)間。（3）熔制球墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵時(shí)，它們的原鐵液在共晶轉(zhuǎn)變時(shí)都是

20、按FeC（石墨）系結(jié)晶，鑄態(tài)為灰口，因?yàn)樗鼈兊奶籍?dāng)量很高，白口傾向極??；但是其原鐵液經(jīng)過(guò)球化或蠕化處理以后，則按FeFe3C系進(jìn)行共晶轉(zhuǎn)變，全部為白口，因?yàn)镸g、RE都是強(qiáng)烈反石墨化的元素，促使鐵液按FeFe3C系結(jié)晶。對(duì)球化或蠕化后的鐵液再進(jìn)行孕育處理，則孕育后的球化鐵液或蠕化鐵液則按FeC（石墨）系結(jié)晶，全部變?yōu)榛铱冢驗(yàn)樵杏齽?qiáng)烈促進(jìn)石墨化，促使鐵液按FeC（石墨）系進(jìn)行結(jié)晶。因此，將球化、蠕化的變質(zhì)處理及而后的孕育處理與鐵碳雙重相圖相聯(lián)系，則對(duì)殘余Mg量為什么要低，對(duì)孕育要確保薄壁處不出現(xiàn)游離滲碳體這些問(wèn)題，就有了更理性的認(rèn)識(shí)；從而對(duì)生產(chǎn)中為什么要盡量減少球化劑以減小白口與縮松傾向，盡

21、量采用瞬時(shí)孕育消除游離滲碳體等，有了更深刻的認(rèn)識(shí)。2.3.3控制碳當(dāng)量與共晶度，選擇所需鑄鐵的種類（1）碳當(dāng)量鑄鐵中存在多種合金元素，這些合金元素對(duì)共晶點(diǎn)碳量的增減是有影響的。將各元素的量折算成碳量的增減，增減后的碳量稱之為碳當(dāng)量。在生產(chǎn)實(shí)踐中，碳當(dāng)量計(jì)算時(shí)只考慮Si、P的影響，計(jì)算的方式是將Si、P折算成碳量，再加上鑄鐵的實(shí)際碳量，則為碳當(dāng)量，用CE表示，其計(jì)算公式為： 式中C、Si、P皆為鑄鐵中實(shí)際C、Si、P的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）。將碳當(dāng)量（CE）與鐵碳相圖共晶點(diǎn)含碳量（4.26%）相比較，可判斷該成分的鑄鐵偏離共晶點(diǎn)的程度：CE=4.26%的鑄鐵，稱為共晶鑄鐵；CE4.26%的鑄鐵，稱為亞共

22、晶鑄鐵；CE4.26%的鑄鐵，稱為過(guò)共晶鑄鐵。（2）共晶度鑄鐵偏移共晶點(diǎn)的程度也可用鑄鐵的實(shí)際含碳量與共晶點(diǎn)的實(shí)際含碳量之比值來(lái)表示，這個(gè)比值稱為共晶度，以Sc表示，其計(jì)算公式為：w（C）鑄鐵中實(shí)際的含碳量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），（）；w（C）鑄鐵共晶點(diǎn)的實(shí)際含碳量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），它已包含了w（Si）和w（P）的折算；4.26為鑄鐵共晶點(diǎn)在穩(wěn)定系時(shí)的w（C）量，（%）；w（Si）鑄鐵中實(shí)際的Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)，（）；w（P）鑄鐵中實(shí)際的P質(zhì)量分?jǐn)?shù)，（）。以共晶度Sc的高低可判斷鑄鐵偏離共晶點(diǎn)的程度，以此將鑄鐵分類：Sc=1，稱共晶鑄鐵；Sc>1，稱過(guò)共晶鑄鐵；Sc<1，稱亞共晶鑄鐵。生產(chǎn)中常根據(jù)CE

23、的高低、Sc的大小來(lái)推斷鑄鐵力學(xué)性能的高低、鑄造性能的好壞及石墨化能力的大小，因此，碳當(dāng)量、共晶度是十分重要的參數(shù)。2.4鐵碳相圖與鑄鐵的性能2.4.1 鐵碳相圖與鑄鐵的力學(xué)性能生產(chǎn)中似乎很難將所熔制的鑄鐵與鐵碳相圖聯(lián)系起來(lái)，如果將各類鑄鐵按碳當(dāng)量的高低列在鐵碳相圖上，將會(huì)給我們什么樣的啟發(fā)呢？圖17列出了7種鑄鐵在相圖上的位置，它們分別為可鍛鑄鐵KTZ470-04，灰鑄鐵HT350、HT250、HT150、HT100，球墨鑄鐵QT600-3，蠕墨鑄鐵RuT400。它們的碳當(dāng)量（CE）分別為2.9、3.3、3.6、4.0、4.4、4.6和4.7。圖177種鑄鐵在鐵碳相圖中的位置圖通過(guò)7種鑄鐵在

24、相圖上的位置，可作出以下分析：（1）灰鑄鐵HT350、HT250、HTl50與可鍛鑄鐵KTZ470-04是亞共晶鑄鐵，HTl00、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵是過(guò)共晶鑄鐵。（2）亞共晶灰鑄鐵中，碳當(dāng)量最低、離共晶點(diǎn)最遠(yuǎn)的HT350的強(qiáng)度最高，HT250次之，HTl50最低，即灰鑄鐵的碳當(dāng)量越低，離共晶點(diǎn)越遠(yuǎn)，強(qiáng)度越高。由相圖分析，原因有二：一是離共晶點(diǎn)遠(yuǎn)，碳當(dāng)量低，說(shuō)明鑄鐵中石墨減少，降低了石墨對(duì)基體的削弱作用，使鑄鐵強(qiáng)度增加；二是離共晶點(diǎn)遠(yuǎn)，液相線與固相線距離變大，析出的奧氏體粗大，數(shù)量增多，形成骨架，使鑄鐵強(qiáng)度增高。（3）過(guò)共晶鑄鐵HT100在7種鑄鐵中強(qiáng)度最低。由相圖看出，該鑄鐵初析階段析出粗大的

25、初生石墨，加上較高的碳當(dāng)量與石墨數(shù)量，顯著增大了石墨對(duì)基體的割裂作用，從而導(dǎo)致強(qiáng)度極大地降低。（4）球墨鑄鐵QT600-3與蠕墨鑄鐵RuT400在相圖上雖屬過(guò)共晶鑄鐵，但石墨呈球狀與蠕蟲狀，碳當(dāng)量雖高，但其強(qiáng)度不因碳當(dāng)量升高而下降，其強(qiáng)度還遠(yuǎn)高于灰鑄鐵。這說(shuō)明對(duì)鑄鐵力學(xué)性能的影響中，石墨形態(tài)是起決定性作用的，只有在片狀石墨下，碳當(dāng)量對(duì)力學(xué)性能才起主要作用。高碳當(dāng)量的球墨鑄鐵與蠕墨鑄鐵之所以有高強(qiáng)度，原因是因石墨的形態(tài)發(fā)生了變化，即由片狀變?yōu)榍驙罨蛉湎x狀，從而大幅度地降低了石墨對(duì)基體的割裂作用，說(shuō)明石墨形態(tài)對(duì)強(qiáng)度的作用遠(yuǎn)大于碳當(dāng)量，是第一位的。（5）可鍛鑄鐵的強(qiáng)度高于灰鑄鐵，除其碳當(dāng)量低于灰鑄鐵

26、外，主要是熱處理后石墨形態(tài)變?yōu)閳F(tuán)絮狀石墨的緣故，而后者的作用是主要的。從以上分析可看出鐵碳相圖實(shí)用價(jià)值的一個(gè)側(cè)面。2.4.2鐵碳相圖與鑄鐵的鑄造性能（1）鐵碳相圖與鑄鐵的凝固方式鑄鐵的凝固方式有層狀凝固、糊狀凝固和中間凝固三種，三種凝固方式的鑄鐵分別為共晶灰鑄鐵、球墨鑄鐵和低碳當(dāng)量的灰鑄鐵。這三種鑄鐵在鐵碳相圖上的位置如圖18所示。圖18三種凝固形式鑄鐵在鐵碳相圖上的位置（2）凝固方式對(duì)鑄件質(zhì)量的影響鑄鐵的凝固與一次結(jié)晶都是研究鑄鐵從液態(tài)到固態(tài)的變化狀況的，即研究液態(tài)到固態(tài)的熱交換、鑄件斷面上凝固層的變化、凝固方式和凝固時(shí)間等。一次結(jié)晶是研究液態(tài)到固態(tài)的晶體的形核長(zhǎng)大、各結(jié)晶組織形成規(guī)律等，表

27、21為三種凝固方式對(duì)鑄件質(zhì)量的影響。表21鑄鐵三種凝固方式的特性及對(duì)鑄鐵質(zhì)量的影響凝固形式凝固特性對(duì)鑄件質(zhì)量的影響共晶鑄鐵（層狀凝固）1.液相線與固相線重合，無(wú)凝固區(qū)。在凝固前沿，固相與液相界面清楚。流動(dòng)性極好，即使在晶間由于凝固收縮而形成的空間，也易被液態(tài)金屬充填，鑄件致密性好。2.凝固由表面逐層凝固直至中心，故稱逐層凝固或?qū)訝钅獭?.凝固特征是：在凝固過(guò)程中，表層已凝固，中心仍為液態(tài)。1.凝固前沿平整，流動(dòng)性好，凝固收縮時(shí)易得鐵液補(bǔ)縮。2.逐層凝固使鑄件很快形成堅(jiān)硬外殼，中心鐵液凝固時(shí)的石墨化膨脹，促使鐵液對(duì)枝晶間、共晶團(tuán)晶界間剩余鐵液的凝固收縮進(jìn)行補(bǔ)縮，故縮松、晶間裂紋及熱裂等缺陷很少

28、發(fā)生。球墨鑄鐵（糊狀凝固）1.液、固線間距大，凝固開始線與凝固終了線相距甚遠(yuǎn)。2.凝固與結(jié)晶不是從表面開始，而是在整個(gè)截面上幾乎同時(shí)形核與生長(zhǎng)，形成液、固同時(shí)存在的糊狀混合物。凝固特點(diǎn)是：內(nèi)部液體未凝固前，表面不結(jié)殼，其形成堅(jiān)硬外殼的時(shí)間遠(yuǎn)大于灰鑄鐵。1.因凝固與結(jié)晶在整個(gè)截面上幾乎同時(shí)進(jìn)行，當(dāng)形成結(jié)晶骨架時(shí)，骨架間互不連接的孤立的鐵液或共晶團(tuán)之間的剩余鐵液無(wú)法補(bǔ)縮，易形成分散性縮孔，即縮松。2.凝固過(guò)程中，鑄件外部一直是一層軟殼，石墨化膨脹時(shí)，膨脹力直接傳至鑄型，常使型壁外移導(dǎo)致鑄件縮松。3.晶間縮松導(dǎo)致的枝晶間裂紋及熱裂傾向增大。低碳當(dāng)量亞共晶鑄鐵（中間凝固）1.該凝固界于層狀凝固與糊狀凝

29、固之間。2.碳當(dāng)量越低，液、固線距離越大，糊狀凝固傾向越大。3.凝固初期為層狀凝固，因液、固線有較大距離，故中心為糊狀凝固。1.鑄鐵碳當(dāng)量越低，液、固線間距增大，奧氏體枝晶數(shù)量增多、粗大，使晶間補(bǔ)縮更加困難，縮松及熱裂傾向增大。2.碳當(dāng)量越低，石墨減少、石墨化膨脹小，抵消凝固收縮的作用變小，從而使凝固收縮相對(duì)增大，鑄造應(yīng)力增加。由表21聯(lián)系到生產(chǎn)中的問(wèn)題，就能理解共晶成分的鑄鐵為什么流動(dòng)性好，球鐵鑄件的鑄型為什么要椿緊、砂箱為什么結(jié)構(gòu)剛性要好，高強(qiáng)度鑄件為什么要走高碳當(dāng)量、高強(qiáng)度的途徑，以及日本用戶為什么不同意用無(wú)箱造型做球鐵件等問(wèn)題。（2）鐵碳相圖與鑄鐵的流動(dòng)性鑄鐵的流動(dòng)性是指鐵液充滿鑄型的

30、能力，通常用螺旋線長(zhǎng)度來(lái)表示。流動(dòng)性高低取決于兩個(gè)因素：一是澆注溫度；二是鑄鐵的成分（即鑄鐵在鐵碳相圖上的位置）。澆注溫度高，流動(dòng)性好，其道理不必解釋，重要的是第二點(diǎn)，圖19、圖20表示在兩種情況下的鑄鐵流動(dòng)性。圖20 相同澆注溫度下流動(dòng)性和含碳量與鑄鐵流動(dòng)性的關(guān)系圖19相同過(guò)熱度下鑄鐵含碳量與流動(dòng)性的關(guān)系由圖可知，在同一過(guò)熱度下：亞共晶鑄鐵離共晶點(diǎn)越遠(yuǎn)，流動(dòng)性越差，原因是液、固線距離長(zhǎng)，初生奧氏體變粗大，阻礙了鐵液的流動(dòng)。過(guò)共晶鑄鐵隨著含C量的增高，液、固線距離增大，初生石墨阻礙了鐵液的流動(dòng)，導(dǎo)致了流動(dòng)性的下降。由圖還可知，在相同澆注溫度下：亞共晶鑄鐵遠(yuǎn)離共晶的鐵液不僅液、固線距離加大，且過(guò)

31、熱減小，故流動(dòng)性下降越甚，反之越好。過(guò)共晶鑄鐵含C量越高，離共晶點(diǎn)越遠(yuǎn)，不僅液、固線距離增大，且過(guò)熱度減小，因此流動(dòng)性下降。由上述分析可知，通過(guò)不同碳當(dāng)量的鑄鐵在鐵碳相圖上的位置看鑄鐵的流動(dòng)性，一目了然。所以，在選擇碳當(dāng)量對(duì)力學(xué)性能影響時(shí)，必須考慮對(duì)鑄造性能的影響，尤其是灰鑄鐵。（3）鐵碳相圖與鑄鐵的收縮及應(yīng)力鑄鐵的收縮分液態(tài)收縮、凝固收縮和固態(tài)收縮三個(gè)階段（如圖21所示）。液態(tài)收縮和凝固收縮，用體收縮表示；固態(tài)收縮，用線收縮表示。鑄鐵三個(gè)階段的收縮特性見(jiàn)表22。圖21鑄鐵收縮三階段示意圖表22鑄鐵三個(gè)階段的收縮特性類別收縮階段階段范圍影響收縮的因素對(duì)鑄件產(chǎn)生的后果體收縮液態(tài)收縮澆注至液相線1

32、.相同碳當(dāng)量下，澆注溫度越高，液態(tài)收縮越大，見(jiàn)下表。澆注溫度/1 3001 400液相線溫度/1 2501 250過(guò)熱度/501 50體收縮（%）0.92.42.相同澆注溫度下，亞共晶鑄鐵含碳量越高，液態(tài)收縮越大。對(duì)于亞共晶灰鑄件，每增加w（C）量1，液相線溫度下降90 ；也即過(guò)熱度增加90 ，液態(tài)收縮隨之增加。下表為澆注溫度為l 400 時(shí)，不同w（C）量鑄鐵的液態(tài)收縮。w（C）(%)2.02.53.03.54.0液態(tài)收縮（%）0.71.52.43.54.71.澆注溫度高，液態(tài)收縮增大，易產(chǎn)生縮孔。2.澆注溫度高，液態(tài)收縮大，需補(bǔ)縮的鐵液增多，增加鑄鐵成本。3.高溫出爐，低溫澆注是一個(gè)總的原

33、則，在不產(chǎn)生氣孔、夾雜的條件下，降低澆注溫度、減少收縮，可提高鑄件成品率。4.澆注溫度的確定需考慮鑄件碳當(dāng)量的高低，低碳當(dāng)量澆溫高，高碳當(dāng)量澆溫低。體收縮凝固收縮液相線至固相線1.鑄鐵的凝固收縮是指鑄鐵由液相凝固至固相的收縮，但鑄鐵凝固時(shí)，因有石墨化而發(fā)生膨脹，此膨脹可抵消部分或全部甚至超過(guò)全部凝固收縮量。凝固時(shí)每析出石墨1，鑄鐵體積增加2，故隨著w（C）量的增加，凝固收縮是減小的。2.白口鑄鐵無(wú)石墨化過(guò)程，故凝固收縮大于灰鑄鐵，但凝固收縮隨w（C）量增加而減少的規(guī)律是與灰鑄鐵相同的。下表是白口鑄鐵與灰鑄鐵的凝固收縮率()。w（C）(%)2.02.53.03.54.0白口鑄鐵5.14.164.

34、23.73.3灰鑄鐵4.32.81.40.1-1.53.實(shí)踐證實(shí)：鑄鐵的CE<3.6時(shí)，只有收縮；CE大于3.6時(shí)，才出現(xiàn)膨脹。1.凝固收縮越大，其形成的鑄造應(yīng)力也越大，熱裂傾向也越大。2.碳當(dāng)量足夠時(shí)，石墨化膨脹能充填晶間鐵液收縮時(shí)形成的孔洞，這種“自補(bǔ)縮”是灰鑄鐵的優(yōu)點(diǎn)之一。3.凡是能提高灰鑄鐵石墨化能力的因素，皆可減少凝固收縮與熱裂傾向，在所有減少收縮的因素中，碳當(dāng)量是最主要的。高碳當(dāng)量、高強(qiáng)度鑄鐵是最佳選擇。線收縮固態(tài)收縮固相線至室溫l.固態(tài)收縮時(shí)的線收縮，隨w（C）、w（Si）量減少而增大，反之灰鑄鐵石墨化程度越大，固態(tài)收縮越小。下表為壁厚40 mm灰鑄件的線收縮。w（C+Si

35、）（%）5.35.14.94.74.5線收收縮（%）0.951.101.151.251.302.冷卻速度慢，共析轉(zhuǎn)變時(shí)析出的石墨形成二次石墨膨脹，故鐵素體基體鑄鐵的線收縮小于珠光體基體鑄鐵。1.鑄鐵碳當(dāng)量越低，固態(tài)收縮越大，鑄造應(yīng)力越大。2.鑄造應(yīng)力是造成鑄件變形與裂紋的主要原因。由鐵碳相圖可知：在同樣澆注溫度下，離共晶點(diǎn)越近，液態(tài)收縮越大，易產(chǎn)生縮孔缺陷。這就是為什么要降低澆注溫度的原因。鑄鐵離共晶點(diǎn)越遠(yuǎn)，凝固收縮越大，易產(chǎn)生縮松缺陷，原因是液、固線距離大，補(bǔ)縮困難，石墨數(shù)量少，石墨化膨脹小，抵消凝固收縮作用小。這就是為什么要提高碳當(dāng)量及加強(qiáng)孕育促進(jìn)石墨化的原因。鑄鐵的收縮與鑄造應(yīng)力有著密切

36、的關(guān)系，隨著收縮的加大，鑄造應(yīng)力隨之加大。了解了這一點(diǎn)，就可以解釋為什么不少企業(yè)用低碳當(dāng)量高強(qiáng)度鑄鐵生產(chǎn)的灰鑄鐵件產(chǎn)生縮松或縮裂、鑄造應(yīng)力大、尺寸精度穩(wěn)定性差的原因了，這在機(jī)床鑄件上顯得尤為突出。2.5鐵碳相圖與冷卻速度上面討論的鐵碳相圖與鑄鐵力學(xué)性能、鑄造性能的關(guān)系，實(shí)際上就是鑄鐵成分（碳當(dāng)量）即鑄鐵在鐵碳相圖中的位置對(duì)鑄鐵性能的影響；但是，在實(shí)際生產(chǎn)中，相同成分下的鑄鐵，由于冷卻速度不同，得到的組織也不同，從而對(duì)其力學(xué)性能也起著一定的影響作用。冷卻速度影響鑄鐵共晶轉(zhuǎn)變與共析轉(zhuǎn)變的實(shí)質(zhì)原因是：冷卻速度快，按FeFe3C進(jìn)行；冷卻速度慢，按FeC進(jìn)行。2.5.1 過(guò)冷度與冷卻速度鑄鐵在凝固結(jié)晶

37、時(shí)，其結(jié)晶的溫度總是低于相圖上的結(jié)晶溫度，鑄鐵的實(shí)際結(jié)晶溫度與相圖上結(jié)晶溫度的差值被稱為過(guò)冷度，其單位是。冷卻速度是指鑄型散熱能力的大小，散熱速度快，則鐵液在單位時(shí)間內(nèi)溫度下降快。冷卻速度的單位是/min。因此，過(guò)冷度與冷卻速度不是一個(gè)概念，但卻有一定關(guān)系。即冷卻速度越大，過(guò)冷度也越大。生產(chǎn)中指的過(guò)冷度是絕對(duì)過(guò)冷度，不可與相對(duì)過(guò)冷度混淆。表23為不同鑄型材料的冷卻速度，表24為冷卻速度與過(guò)冷度的關(guān)系。表23不同鑄型材料的冷卻速度試棒直徑/mm平均冷卻速度/·min-1預(yù)熱型（250300 ）干砂型濕砂型金屬型309.112.020.5353000.51.21.72.3表24冷卻速度與

38、共晶過(guò)冷度的關(guān)系冷卻速度/·min-1165697158319383共晶過(guò)冷度/820273644462.5.2 鑄鐵的冷卻曲線圖22為亞共晶灰鑄鐵的冷卻曲線。圖中TGL為初生奧氏體析出的溫度；Ten為共晶開始成核溫度；Teu為共晶開始成長(zhǎng)溫度；Ter為共晶凝固最高溫度，稱共晶平臺(tái)；T1=Ten Teu，為絕對(duì)過(guò)冷度；T2=TenTeu，為相對(duì)過(guò)冷度；Ts為凝固結(jié)束溫度。圖22亞共晶灰鑄鐵的冷卻曲線2.5.3 冷卻速度對(duì)鑄鐵共晶轉(zhuǎn)變的影響表25顯示了過(guò)冷度從小到大時(shí)，鑄鐵共晶組織發(fā)生變化的過(guò)程。表25過(guò)冷度對(duì)鑄鐵共晶組織的影響類別特征冷卻曲線共晶組織灰口鑄鐵l.過(guò)冷度不大，過(guò)冷度T在

39、Fe-Fe3C共晶線tEM之上。2.teu、ter、tes皆在Fe-C(石墨)與Fe-Fe3C兩共晶線之間，結(jié)晶過(guò)程全部在兩共晶線之間完成，組織為灰口?；诣T鐵冷卻曲線tEGFe-C（石墨）共晶線tEMFe-Fe3C共晶線tes凝固終了溫度奧氏體+石墨在此范圍內(nèi)，隨著過(guò)冷度增加，石墨逐漸由A型B型D、E型轉(zhuǎn)化，同時(shí)，石墨化作用減弱，石墨數(shù)量減少，石墨細(xì)化，共品團(tuán)數(shù)量增加。麻口鑄鐵1.過(guò)冷度較大，過(guò)冷度T降到Fe-Fe3C線下，共晶初期結(jié)晶為白口組織(萊氏體)，隨后升至Fe-Fe3C共晶線以上結(jié)晶，結(jié)晶后期為灰口組織。見(jiàn)圖（a）所示。2.麻口另一種情況是先期在兩晶線之間結(jié)晶，結(jié)晶為灰口組織；而結(jié)晶

40、后期在Fe-Fe3C共晶線以下進(jìn)行，即結(jié)晶終了在tEM之下，形成碳化物。故結(jié)晶后期為白口組織，如圖（b）（a） （b）麻口鑄鐵冷卻曲線1.奧氏體+滲碳體+石墨2.奧氏體+石墨+碳化物白口鑄鐵在更大的過(guò)冷度下，結(jié)晶全部在Fe-Fe3C共晶線tEM以下進(jìn)行，冷卻曲線中的teu、ter、tes皆在Fe-Fe3C的共晶線tEM之下，共晶組織全部為白口的萊氏體組織。白口鑄鐵冷卻曲線萊氏體（奧氏體+滲碳體）由表25可知，過(guò)冷度是影響鑄鐵組織的主要因數(shù)。過(guò)冷度越小，越不易出現(xiàn)滲碳體。在生產(chǎn)中，未孕育的球化、蠕化及高強(qiáng)度灰鑄鐵鐵液的白口傾向非常大，采用孕育處理的方法來(lái)降低其過(guò)冷度，使其在共晶轉(zhuǎn)變時(shí)按FeC（石

41、墨）系結(jié)晶，即不產(chǎn)生滲碳體。過(guò)冷度越大，越易產(chǎn)生白口組織，因此，在生產(chǎn)中，常采用快速冷卻和加入反石墨化元素等方法，增大過(guò)冷度，使其在共晶轉(zhuǎn)變時(shí)，按FeFe3C系結(jié)晶，不出現(xiàn)石墨而全部為萊氏體組織，以此來(lái)生產(chǎn)白口鑄鐵、軋輥、冷硬鑄鐵等。有的企業(yè)還用孕育前后的過(guò)冷度比來(lái)控制鑄鐵質(zhì)量。2.5.4 冷卻速度對(duì)共析轉(zhuǎn)變的影響隨著冷卻速度的加大，共析轉(zhuǎn)變的組織發(fā)生如下變化：鐵素體珠光體+鐵素體珠光體細(xì)片狀珠光體，使強(qiáng)度和硬度隨著基體組織的變化而相應(yīng)提高。冷卻速度對(duì)組織的影響在生產(chǎn)中有著重要的指導(dǎo)意義，表26為影響鑄件冷卻速度的因素對(duì)鑄鐵組織與性能的影響，表27為某灰鑄鐵在不同冷卻速度下所形成的鑄鐵組織。另外，隨著冷卻速度的加大，共晶團(tuán)數(shù)隨之增加，見(jiàn)表28。表26影響鑄件冷卻速度的因素對(duì)鑄鐵組織與性能的影響影響因素對(duì)鑄鐵組織與性能的影響情況鑄件壁厚與冷卻速度鑄件壁厚與冷卻速度息息相關(guān)。壁厚減小，冷卻速度增加，則石墨細(xì)小、珠光體增加，強(qiáng)度、硬度升高；壁厚過(guò)薄，冷卻速度加劇，