铸铁的基础知识

1、铸铁及其熔炼编辑词条铸铁是指碳的质量分数大于2.14%或者组织中具有共晶组织的铁碳合金。工业上所用的铸铁，实际上都不是简单的铁-碳二元合金，而是以铁、碳、硅为主要元素的多元合金。铸铁的成分范围大致为ω（C）=2.4%～4.0%，ω（Si）=0.6%～3.0%，ω（Mn）=0.2%～1.2%，ω（P）=0.04%～1.2%，ω（S）=0.04%～0.20%。有时还可加入各种合金元素，以便获得能满足各种性能要求的合金铸铁。铸铁是近代工业生产中应用最为广泛的一种铸造金属材料。在机械制造、冶金矿山、石油化工、交通运输和国防工业等各部门中，铸铁件约占整个机器重量的45%～90%。因此，掌握铸铁的基本理论和生产技术，对于发展铸造生产，充分发挥铸铁件在国民经济各部门中的作用，是很有意义的。相图是分析合金金相组织的有力工具。铸铁是以铁元素为基的含有碳、硅、锰、磷、硫等元素的多元铁合金，但其中对铸铁的金相组织起决定作用的主要是铁、碳和硅，因此铁-碳相图和铁-碳-硅三元合金相图是分析铸铁的成分与组织的关系以及组织形成过程的基础。2、铸铁的基础知识——铁-碳相图——铁—碳相图分析由于铸铁中的碳可能以渗碳体（Fe3C）或石墨两种独立的形式存在，因而铁、碳相图存在着Fe-G（石墨）和Fe-Fe3C两套体系，即铁-石墨系和铁-渗碳体系。从热力学观点看，石墨比渗碳体更稳定，因此，铁-石墨系也称为稳定系，而铁-渗碳体系称为亚稳定系。图2.1-1所示为铁碳合金双重相图，即Fe-G（石墨）稳定系相图和Fe-Fe3C亚稳定系相图，分别以虚线和实线表示。表2.1-1为相图中临界点的温度及含碳量。铁-碳相图中各临界点的温度及含碳量Fe-G（石墨）相图和Fe-Fe3C相图的主要不同处在于：1）稳定系的平衡共晶点C'的成分和温度与C点不同体（两相组成莱氏体）2）稳定平衡的共析点S，的成分和温度与S点不同从这里可看出，在Fe-C相图中稳定系的共晶温度和共析温度都比亚稳定系的高一些。共晶温度高出6℃，共析温度高出9℃。这是由于（见图2.1-2）共晶成分液体的自由能和共晶莱氏体（奥氏体加渗碳体）的自由能都是随着温度的上升而减低的，二条曲线的交点就是共晶温度Tc。已知稳定平衡的奥氏体加石墨两相组织的自由能总是比莱氏体的低些，即这条曲线一定在莱氏体曲线的下方，因而它和液体曲线的交点T'c（表示稳定系的共晶温度）就一定比Tc高一些。关于共析转变温度问题，也与共晶温度的讨论相似。由于共晶转变和共析转变都是恒温转变，所以稳定系相图中的共晶线E'C'F'要和BC线交于C'，与JE线交于E'。显然C'和E'的含碳量（ωC分别为4.26%及2.10%）就要比C、E的（ω（C）分别为4.30%及2.14%）低些；稳定系共析线P'S'K'要和GS线交于S'其含碳量（ω（C）=0.69%）要比S点（ω（C）=0.760%）低些，和GP线交于P'其含碳量比P点（ω（C）=0.034%）略低。因此，E'C'F'、E'S'、P'S'K'各线由于转变温度较高，含碳量较低，就分别落在ECF，ES和PSK的上方或左上方。石墨的熔点D'高达4000℃左右，所以C'D'线也在CD线的左上方。在共晶温度时和石墨平衡的奥氏体中的含碳量（相当于E'）比和渗碳体平衡的奥氏体中的含碳量（相当于E）也要低些。分别把这些线段画在Fe-Fe3C相图上，就构成了双重相图。铁-碳相图中各组成相的符号、名称及相关说明列于表2.1-2。铸铁中各组成体的自由能随温度变化的示意图铁-碳相图中的各组成相由于铁-碳双重相图的存在，在实际生产中，用相同化学成分的铁液，浇注不同壁厚的铸件时，或用冷却速度不同的铸型时，会得到含有石墨或含有渗碳体的铸件，这是由于冷却速度不同而导致共晶凝固温度的高、低不同所致。如在T'c以下，Tc以上凝固时，一般可得到奥氏体加石墨的结晶，如过冷至Tc以下温度凝固时，则有可能进行奥氏体加渗碳体的结晶。除冷却速度外，化学成分对铸铁组织的形成也会发生很大的影响，其中尤以硅（除碳以外）的影响最大。因此，Fe-C-Si三元相图就显得非常重要。3、铸铁的基础知识——铁-碳相图——铁-碳-硅相图分析铸铁中硅的含量一般在ω（Si）=0.8%～3.5%的范围内变动（特殊铸铁除外）。为使用的方便，目前通常用一定含硅量的铁-碳-硅三元垂直截面图来分析铸铁中碳、硅含量对结晶过程和组织的影响。在铁—碳—硅三元合金中，高碳相也有可能以石墨和渗碳体两种形式出现，相应地就有铁-石墨-硅和铁-渗碳体-硅两种准二元相图。图2.1-3为不同硅含量的铁-石墨-硅准二元相图。对比Fe-G和Fe-G-Si准二元相图，硅的作用可归结为以下各点。1）共晶点和共析点含碳量随硅量的增加而减少。铁—石墨二元共晶合金含碳量ω（C）=4.26%，共析合金含碳量ω（C）=0.69%，在含硅量为ω（Si）=2.08%的三元系中，共晶和共析点含碳量则相应为ω（C）=3.65%及ω（C）=0.65%左右；在含硅量为ω（Si）=4.2%三元系中，则相应为ω（C）=3.15%及ω（C）=0.6%左右。E'点的含碳量也随着硅的增高而减少，也即碳在液体共晶合金以及奥氏体固溶体中的溶解度减少了。2）硅的加入使相图上出现了共晶和共析转变的三相共存区（共晶区：液相、奥氏体加石墨；共析区：奥氏体、铁素体加石墨）。这说明铁-碳-硅三元合金的共析和共晶转变不像铁-碳二元合金那样是在一个恒定的温度完成，而是在一个温度范围内进行，并且共析转变温度范围随着硅量的增加而扩大。3）共晶和共析温度都改变了。硅对稳定系和亚稳定系的共晶温度的影响是不同的。随着含硅量的增加，两个共晶温度的差别扩大，即含硅量越高，奥氏体加石墨的共晶温度高出奥氏体加渗碳体的共晶温度越多。由于硅的增高，共析转变的温度提高更多，因此有利于铁素体基体的获得。4）硅量的增加，还缩小了相图上的奥氏体区。硅量超过ω（Si）=10%以后，奥氏体区趋于消失，这对研究高硅耐酸铸铁的凝固过程及组织有参考意义。除硅外，其他合金元素也会对铁-碳相图上各临界点产生影响。表2.1-3定性地列举了一些常见元素在一般含量范围内对铁-碳双重相图上各临界点的影响趋势。根据各元素对共晶点实际碳量的影响（表2.1-3），将这些元素的量折算成碳量的增减，称之为碳当量，以CE表示。在一般的铸铁中，为简化计算，一般只考虑Si、P的影响，因而有：CE%=ω（C）%＋1/3ω（Si＋P）%将CE值和C'点碳量（ω（C）=4.26%）相比，即可判断某一成分的铸铁偏离共晶点的程度，如CE4.26%为过共晶成分，CE=4.26%为共晶成分，CE4.26%为亚共晶成分。铸铁偏离共晶点的程度还可用铸铁的实际含碳量和共晶点的实际含碳量的比值来表示，这个比值称为共晶度，以SC表示。SC=C铁/C'C=C铁/{4.26%-1/3ω（Si＋P）%}式中，C铁为铸铁实际含碳量（质量分数），%；C'C为稳定态共晶点的含碳量（质量分数），%。如SC1为过共晶、SC=1为共晶、SC1则为亚共晶成分铸铁。元素在一般含量范围内对铁-碳双重相图上各临界点的影响根据CE的高低、SC的大小还可间接地推断出铸铁铸造性能的好坏以及石墨化能力的大小，因此在实际生产中具有重要的意义。4、铸铁的基础知识——铸铁的凝固结晶过程编辑词条在高于液相线温度，铸铁以液体的形式存在，它具有良好的流动性和充型能力。铁液作为金属熔体在结构上具有一般金属熔体所具有的共同特点，即它是近程有序并伴随着温度、结构和浓度的起伏。铁液作为一种高碳多元铁碳合金熔液，其结构与碳的存在形态密切相关。而由于铁液中碳的存在形态对铸铁的凝固过程、组织和力学性能有决定性的影响。因此，了解铁液的结构以及碳在铁液中的结构形式就具有重要的意义。有研究表明，铁液并非单相熔体，而是在熔体中存在有未熔石墨、渗碳体和各种未熔固体质点的多相体。用离心分离的方法可以证明铁液中存在有碳原子集团，根据计算这些碳原子集团的平均尺寸约在1nm，见表2.1-5。铸铁的分类、组织和性能特征铁液中悬浮着的碳显微集团的尺寸对于在热力学上处于平衡状态的铁液而言，碳原子集团的存在是铁液中碳原子浓度起伏的结果。由于通常铁液中的碳含量约为ω（C）=2.0%～4.0%，但石墨中碳的含量ω（C）=100%而渗碳体（Fe3C）中碳的含量ω（C）=6.67%，从浓度起伏的观点考虑，铁液中形成Fe3C原子集团要比形成石墨原子集团容易得多。铁液的温度越高，石墨析出所要求的碳浓度越高，石墨越不容易存在，这种分析得到了实验的证实。对于激冷试样的显微分析发现，当铁液过热温度不大时，在共晶和过共晶铁液中有碳原子集团的富集，主要以Fe3C形式存在，同时有少量石墨呈短程有序存在。但随着铁液保温时间的延长或温度的升高，有利于Fe3C的生成。在铸造生产中铁液存在何种碳原子集团与所使用的炉料有很大关系，同时也会影响到凝固后铸铁的组织。如果炉料以白口铁为主，它们熔化后会留下未熔的Fe3C原子集团；如果炉料以石墨类铸铁为主，熔化后会留下未溶解的石墨原子集团。如果提高铁液温度或长时间保温，铁液趋向于热力学平衡状态，未溶解的Fe3C和石墨原子集团被溶解，铁液中由于浓度起伏出现新的原子集团，这些原子集团可能以Fe3C型占多数。因此，生产中使用白口铸铁炉料时铁液的石墨化能力较低，使用灰铸铁炉料时石墨化能力较高。提高熔炼温度以及铁液在高温下保温较长时间时，铁液的白口倾向增大。但在使用白口铸铁炉料生产石墨类铸铁时，提高熔炼温度将有利于未溶Fe3C原子集团的溶解，可减少由于炉料遗传性所造成的白口倾向。铸铁的凝固结晶包括初析和共晶凝固两个阶段，它是一个由液体向固体的转变过程，这一过程决定了高碳相的组织形态（如是片状石墨还是球状石墨），而随后的固态相变则决定了所获得铸铁的基体组织类型。铸铁按何种方式凝固，即结晶成灰口或白口组织取决于石墨和渗碳体两相相对的形核可能性及形核生长速率，这将取决于铁液的化学成分和结晶条件。由图2.1-1可见，稳定系（Fe-C）共晶凝固的平衡温度为1153℃，而亚稳定系（Fe-Fe3C体）共晶凝固的平衡温度为1147℃。如果共晶凝固在此温度区间进行，只有石墨共晶能够形核和生长。而在1147℃以下，石墨共晶和渗碳体共晶都能形核和生长，但渗碳体共晶的生长速率要比石墨共晶的生长速率高得多，因此通常会发生渗碳体共晶的凝固过程。5、铸铁的凝固结晶过程——灰铸铁的凝固结晶编辑词条灰铸铁的结晶过程应按照铁-碳相图的稳定系，即Fe-C相图来描述。灰铸铁的组织是由基体组织及片状石墨组成。灰铸铁的结晶过程包含初析相（石墨或奥氏体）相的析出和共晶凝固两个过程。（1）初析石墨的结晶石墨是在铸铁中以游离状态存在的碳，为六方晶格，其晶体结构见图2.1-4。石墨的晶体结构在石墨的晶体中，碳原子有两种连接方式：基面上碳原子之间由共价键连接，而基面与基面之间的原子则由极性键连接。由于这两种键的键能不同，前者约为后者的7倍，因此键的结合力也就不同。在共价键上碳原子之间的结合力要远大于极性键的结合力，这是导致石墨沿不同晶向生长速度不同的重要因素。当过共晶成分的铁液在冷却时按稳定系结晶时，初析石墨将从铁液中析出。石墨结晶的热力学驱动力是由过冷度造成的自由能变化，因此，初析石墨的析出是在过共晶铁液过冷至液相线C'D'以下时从铁液中析出的。初析石墨的形核通常依赖于铁液中未熔石墨质点或未熔杂质的质点，以减少形核能。石墨形核后，随着温度的下降，不断从铁液中获取碳原子而长大。初析石墨的生长从形核后开始至共晶结晶开始基本结束。在初析石墨的生长过程中，铁液中的碳原子从各方面以相等的几率扩散到石墨晶核上，因此石墨晶体的长大方式和形态完全受到石墨的晶体结构以及铁液与石墨之间的界面能所决定。从晶体生长的理论出发，石墨沿基面（a向）的生长是占优势的。因为在这一方向上原子间是以结合力较强的共价键结合，而在基面上则不同，为了沿c向生长，原子必须在基面上形成以极性键结合的一层新的原子层，这比起在a向的生长要困难的多。因此，初析石墨在铁液中常常长成分枝较少的粗大片状。图2.1-5为经深腐