铸铁的基础知识

2 铁—碳相图及其应用正是因为铸铁的组织与铸铁的力学性能、铸造性能和使用性能，甚至切削加工性能等息息相关，我们就必须要掌握铸铁组织的形成规律，以达到控制组织和性能的目的。

铁—碳平衡图就是掌握凝固过程及其形成组织极好工具，从中可以了解铸铁的凝固规律，控制所获得凝固组织的种类、形状和多少。

另外，生产中有多种因素会影响铸铁组织的形成，从铁—碳平衡图上也可一目了然地分析出这些因素对组织的影响情况，从而可通过控制形成的组织类型和数量来控制铸件的性能。

所以，铸造技术人员必须具备熟练应用铁—碳平衡图的能力，这样才能在生产实践中对铸件产生的各类问题进行有理论依据的分析和找出有针对性的解决办法。

2.1 铸铁的分类铸铁是一种以Fe、C、Si为基础的多元合金，其中碳含量（质量分数）为2.0%~4.0%。

铸铁成分中除C、Si外，还有Mn、P、S，号称五大元素。

在铸铁中加入Al、Cr、Ni、Mn等合金元素，可满足耐热、抗磨、耐腐蚀等性能要求，所形成的合金铸铁又称为特种铸铁。

按使用性能，铸铁可被分为工程结构件铸铁与特种性能铸铁两大类（见表14）。

表14 铸铁的分类2.2 铁—碳双重相图2.2.1 铁—碳双重相图的基本概念表示合金状态与温度、成分之间关系的图形称为合金相图，是研究合金结晶过程中组织形成与变化规律的工具。

在极缓慢冷却条件下，不同成分的铁—碳合金在不同温度时形成各类组织的图形为铁—碳合金相图。

铸铁中的碳能以石墨或渗碳体两种独立相存在，因此铁—碳相图存在两重性，即铁—石墨（C）相图与铁—渗碳体（Fe3C）相图。

在一定条件下，Fe—Fe3C 系相图可以向Fe—C系相图转化，所以Fe—C为稳定系平衡相图，Fe—Fe3C为亚稳定系相图（见图16）。

图16 Fe—C（石墨）、Fe—Fe3C双重相图铸铁中的高碳相只有两种：石墨与渗碳体，石墨（G）为100%的碳，渗碳体（Fe3C）含碳量仅为6.67%。

在生产中常用的三角试块的尖端处为白口，此处碳以Fe3C出现；三角试块厚的部位为灰口，此处碳以G形式出现。

这说明，同一成分的铸铁既可按Fe—Fe3C相图结晶，也可按Fe—C相图结晶，因此，研究铸铁时，必须研究铁—碳合金的双重相图。

2.2.2 铁—碳相图与铸铁的结晶铸铁在凝固过程中要经过三个结晶阶段，即析出初相、共晶转变、共析转变，在这三个阶段中分别析出不同的组织，见表15。

表15 铸铁结晶的三个阶段结晶过程结晶发生的临界线结晶产物图标初析阶段液相线以下析出初生相（1）BC及BC’线以下析出初生奥氏体（2）C’D’线以下析出初生石墨（3）CD线以下析出初生渗碳体共晶阶段固相线以下发生共晶转变（1）ECF线以下发生共晶转变，共晶组织为共晶奥氏体+共晶渗碳体（2）E’C’F’线以下发生共晶转变，共晶组织为共晶奥氏体+共晶石墨共析阶段共析线以下发生共析转变（1）PSK线以下发生共析转变，奥氏体转变为珠光体（渗碳体+铁素体）（2）P’S’K’线以下发生共析转变，奥氏体转变为铁素体+石墨在三个阶段的结晶中要记住两个临界点：共晶点与共析点。

共晶点的意义是：当铁液温度到达共晶温度、铁液成分到达共晶成分时，铁液就会发生共晶转变。

Fe-C（石墨）系中，共晶点C’的成分是w（C）4.26%；Fe-Fe3C系中，共晶点C的成分是w（C）4.30%。

共析点的意义是：当铸铁凝固冷却到共析温度、成分到达共析点成分时，将发生共析转变。

Fe-C（石墨）系中，共析点S’的成分为w（C）0.69%；Fe-Fe3C 系中，共析点S的成分为w（C）0.76%。

在铁—碳相图中：具有共晶成分的铸铁，称共晶铸铁；小于共晶成分的铸铁，称亚共晶铸铁；大于共晶成分的铸铁，称过共晶铸铁。

在铸铁的凝固过程中，要记住四条特性曲线，即液相线、固相线（共晶转变线）、碳在奥氏体中的溶解曲线和共析线。

在双重相图、两个临界点、四条特性曲线下，三个阶段结晶中所形成的铸铁组织不同，记住在不同条件下形成的各类组织是十分重要的。

表16为结晶过程中的两个临界点与四条特性曲线。

表16 铸铁结晶过程中的两个临界点和4条特性曲线名称曲线或临界点特性图标液相线BCD和BC’D’线（1）该线称为液相线，此线以上为液相区，用L表示（2）铁液冷却至此线时，开始结晶并析出初相（3）BC或B C’线以下皆析出初生奥氏体，用A或γ表示（4）在CD线以下析出初生渗碳体，用Fe3C表示（5）在C’D’线以下析出初生石墨，用G表示固相线（共晶线）ECF与E’C’F’线（1）该线称为固相线，合金冷却至此线后凝为固体，此线以下为固态区（2）液相线与固相线之间，液相与固相并存，为合金的结晶区，BCE或BC’E’区内为铁液+初生奥氏体，在DCF区内为铁液+初生渗碳体，在D’C’F’区内为铁液+初生石墨（3）该线也称为共晶转变线，铁液冷却至此线以下时发生共晶转变，铁液转变为共晶奥氏体+共晶渗碳体（按ECF线）或转变为共晶奥氏体+共晶石墨（按E’C’F’线）（4）共晶奥氏体+共晶渗碳体可称为高温莱氏体Ld，用公式表示为Ld=A+Fe3C共晶点C（C’）共晶临界点，其碳的质量分数是：C点为4.30%，C’点为4.26%，生产中常简化为4.30%碳在奥氏体中的溶解曲线ES与E’S’线碳在奥氏体中的含量随温度降低而减少，当温度下降时，沿着此线析出二次渗碳体（按ES线）或析出二次石墨（按E’S’线）共析线PSK与P’S’K’线（1）合金冷却至此线时发生共析转变，按PSK线奥氏体转变为珠光体（铁素体+渗碳体），用P来表示，按P’S’K’线奥氏体转变为铁素体＋石墨，铁素体用α或F表示（2）共析转变按Fe-Fe3C进行，高温莱氏体（奥氏体+渗碳体）则变为低温莱氏体（珠光体+渗碳体），低温莱氏体的表示公式为L’d=P+Fe3C共析点S（S’）共析临界点，其碳的质量分数是：S点为0.76%，S’点为0.69%2.2.3 铁—碳相图与铸铁组织表17为铸铁在初析、共晶、共析三个阶段中结晶时形成的组织，表18为铸铁的结晶过程与室温组织，表19为铁—碳双重相图中的铸铁组织。

在实际生产中，铸铁的组织远不止表19中的7个组成相，还会多出6个组成相，它们对铸铁性能的影响也十分巨大，必须牢牢记住。

表20即为铁—碳相图中不出现的铸铁的6个组成相。

表17 铸铁在初析、共晶、共析结晶时形成的组织表18 铸铁的结晶过程与室温组织类别按Fe-C（石墨）稳定系结晶按Fe-Fe3C亚稳定系结晶亚共晶铸铁结晶过程室温组织铁素体+石墨（共晶石墨+二次石墨+共析石墨）珠光体+莱氏体（珠光体+共晶渗碳体）+二次渗碳体过共晶铸铁结晶过程室温组织铁素体+石墨（初生石墨+共晶石墨+二次石墨+共析石墨）莱氏体（珠光体+共晶渗碳体）+渗碳体（初生渗碳体+二次渗碳体）共晶铸铁结晶过程室温组织铁素体+石墨（共晶石墨+二次石墨+共析石墨）莱氏体（珠光体+共晶渗碳体）+二次渗碳体表19 Fe-C（石墨）、Fe-Fe3C双重相图中的铸铁组织类别组织代号特征主要性能液相液溶体L1.存在液相线之上的铁液为液相，是碳与其他元素在铁中的无限液溶体。

2.在液、固线之间也有液体，但成分随温度而变化。

1.优良的流动性；2.流动性的高低与温度、成分有关。

高碳相石墨G1.石墨是铸铁中以游离状态存在的碳，含碳量近乎100％。

2.按化学成分与温度不同，石墨有初析石墨、共晶石墨、二次石墨和共析石墨。

3.石墨的形态有片状、球状、蠕虫状、1.力学性能低：R m<20 MPa，硬度3 HBW，无塑性；2.减振好，耐磨性优良。

表20 铁、碳相图中不出现的铸铁中的6个组成相2.3 铁—碳相图对铸铁生产的指导意义2.3.1 利用相图的双重性控制铸铁的结晶过程在熔炼孕育铸铁时，必须通过化学成分等措施将原铁液全部或部分按Fe—Fe3C系结晶，形成白口或麻口，然后通过孕育手段，使其按Fe—C（石墨）系结晶。

在共晶转变时变成奥氏体+石墨，不允许出现渗碳体；而可锻铸铁在共晶转变时必须控制铁液按Fe—Fe3C系结晶，即在共晶转变时，形成莱氏体，变成奥氏体+渗碳体，不允许出现石墨。

当需要珠光体基体的铸铁时，可以通过在铁液中加反石墨化元素如Cr、Sb、Sn、Cu等，使铸铁在共析转变时按Fe—Fe3C系结晶，形成珠光体基体。

如果要获得铁素体基体，则通过对铸铁中C、Ｓi含量的控制，使铸铁在共析转变时按Fe—C（石墨）系结晶，形成铁素体基体。

2.3.2 通过对三阶段结晶的控制，获得需要的组织与性能（1）在熔制高强度灰铸铁时，必须采用含C量较低的亚共晶铸铁，添加某些合金元素增加Si/C比及进行孕育处理，是为了：★在初析阶段析出更多粗大的奥氏体，有利于提高强度；★使共晶转变时变Fe—Fe3C系结晶为Fe—C（石墨）结晶，不出现渗碳体，以免影响力学性能与加工性能；★在共析转变时按Fe—Fe3Ｃ系进行，形成珠光体基体。

（2）在熔制可锻铸铁时，要选择比高强度灰铸铁更低的C、Si量，确保铁液结晶时全部为白口，不得有麻口和灰点，即铁液在共晶与共析转变时全部按Fe —Fe3C进行，在初析阶段析出初生奥氏体，在共晶阶段形成奥氏体+渗碳体，在共析阶段奥氏体全部变为珠光体，室温的组织是珠光体+渗碳体。

如果控制不好，有片状石墨存在，将严重影响退火时的石墨，可见控制铸铁按铁—碳双重相图中哪一系统结晶十分重要。

值得指出的是，可锻铸铁中也加孕育剂，但是加的是复合孕育剂，即Be、Te、Sb等元素在共晶转变时反石墨化，确保其白口；Al、B、Si、Ba、Sr、Ti等元素在退火时促进石墨化，缩短退火时间。

（3）熔制球墨铸铁和蠕墨铸铁时，它们的原铁液在共晶转变时都是按Fe —C（石墨）系结晶，铸态为灰口，因为它们的碳当量很高，白口倾向极小；但是其原铁液经过球化或蠕化处理以后，则按Fe—Fe3C系进行共晶转变，全部为白口，因为Mg、RE都是强烈反石墨化的元素，促使铁液按Fe—Fe3C系结晶。

对球化或蠕化后的铁液再进行孕育处理，则孕育后的球化铁液或蠕化铁液则按Fe—C（石墨）系结晶，全部变为灰口，因为孕育剂强烈促进石墨化，促使铁液按Fe—C（石墨）系进行结晶。

因此，将球化、蠕化的变质处理及而后的孕育处理与铁—碳双重相图相联系，则对残余Mg量为什么要低，对孕育要确保薄壁处不出现游离渗碳体这些问题，就有了更理性的认识；从而对生产中为什么要尽量减少球化剂以减小白口与缩松倾向，尽量采用瞬时孕育消除游离渗碳体等，有了更深刻的认识。

2.3.3 控制碳当量与共晶度，选择所需铸铁的种类（1）碳当量铸铁中存在多种合金元素，这些合金元素对共晶点碳量的增减是有影响的。

将各元素的量折算成碳量的增减，增减后的碳量称之为碳当量。

在生产实践中，碳当量计算时只考虑Si、P的影响，计算的方式是将Si、P折算成碳量，再加上铸铁的实际碳量，则为碳当量，用CE表示，其计算公式为：式中C、Si、P皆为铸铁中实际C、Si、P的质量分数（%）。