第2章 灰铸铁

第二章普通灰铸铁第一节铁－碳双重相图合金相图是分析合金金相组织的有用工具。

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，所以，除根据铁－碳相图来分析铸铁的金相组织外，还必须研究铁－碳－硅三元合金的相图。

一、铁－碳相图的二重性从热力学的观点看，在一定的条件下，高温时的渗碳体能自动分解成为奥氏体和石墨，这表明渗碳体的自由能较高，亦即在这个条件下一定成分的铸铁以奥氏体和石墨的状态存在时具有较低的能量，是处于稳定平衡的状态，说明了奥氏体加渗碳体的组织，虽然亦是在某种条件下形成，在转变过程中也是平衡的，但不是最稳定的。

从结晶动力学（晶核的形成与长大过程）的观点来看，以含C 4.3% 的共晶成分液体在低于共晶温度的凝固为例：在液体中形成含C 6.67% 的渗碳体晶核要比形成含C 100% 的石墨核容易，而且渗碳体是间隙型的金属间化合物，并不要求铁原子从晶核中扩散出去。

因此，在某些条件下，奥氏体加石墨的共晶转变的进行还不如莱氏体共晶转变那样顺利。

至于共析转变，也可以从热力学、动力学两方面去分析而得到和上面相似的结论。

C相图只是介稳定的，Fe－C（石墨）由此可见，从热力学观点上看，Fe－Fe3C相图转变也是相图才是稳定的。

从动力学观点看，在一定条件下，按Fe－Fe3可能的，因此就出现了二重性。

二、铁－碳双重相图及其分析对铸铁合金长期使用与研究的结果，人们得到了如图2﹣1所示的铁碳合金C介稳定系相图与Fe－C（石墨）稳定系相图，分别以实双重相图，即Fe－Fe3线和虚线表示。

表2﹣1为图中各临界点的温度及含碳量。

图2-1 铁－碳相图G－石墨Fe3C－渗碳体表2﹣1 铁碳相图各临界点的温度、成分从这里看出，在稳定平衡的Fe－C相图中的共晶温度和共析温度都比介稳定平衡的高一些。

共晶温度高出6℃，共析温度高出9℃，这是容易理解的。

如图2﹣2的示意图所示，共晶成分的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，这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Tc¹(表示稳定系的共晶温度)就一定比Tc高些。

关于共析转变温度问题，亦与共晶温度的讨论相似。

图2﹣2 铸铁中各种组成体的自由能随温度而变的示意图由于共晶转变和共析转变都是恒温转变，所以稳定平衡相图中的共晶线E′C′F′要和BC线交于C′，与JE线交于E′。

显然C¹和E¹的含碳量(分别为4.26%及2.10%)就要比C、E的(分别为4.30%及2.14%)低些;稳定平衡共析线P′S′K′要和GS线交于S′，其含碳量(0.69%)要比S(0.760%)低些，和GP 线交干P′，其含碳量比P点(0.034%)略低，可以略而不计。

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′线亦在C相图上，就构成了双重相图。

CD线的左上方。

分别把这些线段画在Fe－Fe3在共晶温度时和石墨平衡的奥氏体中的合碳量(相当于E′)比和渗碳体平衡的奥氏体中的合碳量(相当于E) 亦要低些。

在铸造生产实际中，经常会碰到这样的问题：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，会得到灰口或白口断面的铸件，这和双重相图有何联系？简要地说，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Tc¹以下，Tc以上凝固时，一般可得灰口，如过冷至Tc以下凝固时，则有可能进行奥氏体加渗碳体的结晶(形成白口断而)。

这样就把双重相图和生产实际问题联系起来了。

另外，除冷却速度外．化学成分对铸铁组织的形成亦会发生很大的影响，其中尤以硅(除碳以外)的影响为最大，因此，必须要使用Fe-C-Si三元相图才能解释，但为简便计，常用三元相图的等硅切面图分析问题。

三、铁一碳一硅准二元相图铸铁中硅的含量一般在0.8%～3.5%的范围内变动(特殊铸铁除外)。

目前还是常用一定含硅量的铁一碳一硅三元垂直截而图来分析铸铁中碳、硅含量对结晶过程和组织的影响。

在铁一碳一硅三元合金中，高碳相亦有可能以石墨和渗碳体两种形式出现，相应地就有铁一石墨一硅和铁一渗碳体一硅两种准二元相图。

图2-3为不同硅量的铁一石墨一硅准二元相图。

对比Fe—G和Fe—G—Si 准二元相图，硅的作用有如下各点：1) 共晶点和共析点含碳量随硅量的增加而减少。

铁一石墨二元共晶合金含C4.26%，共析合金含C 0.69%，在三元系中含Si2.08%时，其共晶和共析点含碳量则相应为3.65％及0.65%左右；含Si4.2%时则相应为3.15%及0.6%左右。

E′点的合碳量也随着硅的增高而减少，亦就是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)。

这说明铁一碳一硅三元合金的共析和共晶转变，不象铁碳二元合金那样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)共晶和共析温度范围改变了，硅对稳定系和介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。

以上各点，对分析铸铁的凝固过程、组织形成以及制定热处理工艺，都有实际意义。

四、碳当量和共晶度的意义及表达式根据各元素对共晶点实际碳量的影响，将这些元素的量折算成碳量的增减，谓之碳当量，以CE表示，为简化计算，一般只考虑Si、P的影响，因而CE＝C 十1／3(Si十P)，将CE值和C′点碳量(4.26%)相比，即可判断某一成分的铸铁偏离共晶点的程度。

如CE＞4.26%为过共晶成分，CE＝4.26%为共晶成分，CE＜4.26%为亚共晶成分。

铸铁偏离共晶点的程度还可用铸铁的实际合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。

式中C铁——铸铁实际含碳量(%)；C¹c一一稳定态共晶点的含碳量(%);Si、P ——铸铁中硅、磷含量(%)如Sc＞l为过共晶、Sc＝1为共晶、Sc <1为亚共晶成分铸铁。

根据CE的高低、Sc的大小还能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，因此是一个较重要的参数。

第二节灰铸铁的结晶过程一铸铁的一次结晶过程铸铁从液态转变成固态的一次结晶过程，包括初析和共晶凝固两个阶段。

具体的内容有：初析石墨或初析奥氏体的形成及其形貌；共晶凝固，共晶团以及共晶后期组织的形成；碳化物的形成及其特征。

（一）初析石墨的结晶当过共晶成分的铁液冷却时，先遇到液相线，在一定的过冷下便会析出初析石墨的晶核，并在铁液中逐渐长大。

由于结晶时的温度较高，成长的时间较长，又是在铁液中自由地长大，因而常常长成分枝较少的粗大片状。

（二）初析奥氏体的结晶初析奥氏体树枝晶对铸铁的组织及力学性能有间接或直接的影响，它在灰铸铁中的作用与钢筋在钢筋混凝土中的作用一样，能起到骨架的加固作用，并能阻止裂纹的扩展。

当凝固在平衡条件下进行时，只有当化学成分为亚共晶时才会析出初析奥氏体。

其实在非平衡条件下，铸铁中存在一个共生生长区，而且偏向石墨的一方，因而在实际情况下，往往共晶成分，甚至过共晶成分的铸铁在凝固过程中亦会析出初析奥氏体。

通常用连续液淬的方法研究初析奥氏体枝晶的凝固过程，观察在液淬温度下所得到的金相组织，即可窥其全貌（图2－3）。

图中初析奥氏体已转变成马氏体，尚未凝固的液体经液淬后直接转变成细小的莱氏体。

可把过程描述如下：在液相线温度以上，铁液处于全液态，当液体冷却倒液相线温度以下时，奥氏体枝晶便开始析出并长大（图2－3a）,当进入共晶阶段后液体中开始形成共晶团（图2－3b）,此时初析奥氏体还会继续长大，数量也有增加。

从图2－3可见，初析奥氏体枝晶和共晶团的生长实际上有一个重叠的生长温度区间。

图2－3 普通灰铸铁的液淬组织CE＝4.1%，冷速20℃/min，4%硝酸酒精侵蚀a)1180℃液淬，初生奥氏体生长的初期；b) 1145℃液淬，初生奥氏体继续长大，共晶团长大到一定程度，说明已进入共晶阶段（三）共晶凝固过程根据化学成分及冷却条件的不同，有两种共晶转变方式：稳定系及亚稳定系共晶转变，前者成灰口断面铸铁，后者形成奥氏体加渗碳体组织，即白口铸铁。

当然还可能有混合型的，断面呈麻口。

当铁液温度降低到略低于稳定系共晶平衡温度，即具有一定程度的过冷后，初析奥氏体间熔体的含碳量就达到饱和程度，如果此时能形成石墨晶核并长大，则出现了石墨/熔体的界面，由于石墨含碳高，因而界面上碳低，这就为共晶奥氏体的析出创造了条件，奥氏体的析出反过来又促进了共晶石墨的继续生长，因此出现了从熔体中同时析出奥氏体和石墨的格局。

至此，铸铁便进入了共晶凝固阶段。

在实际铸造生产中，由于在不平衡条件下凝固，即使是共晶成分，甚至过共晶成分，都或多或少地会出现一些初析奥氏体，因此铸铁的共晶凝固常在有初析树枝状奥氏体晶体存在的状态下进行。

因此共晶凝固的场所及方式便是大家很关心的问题。

现已证实，共晶体不是在初析树枝晶上以延续的方式在结晶前沿行核并长大，而是在初析奥氏体晶体附近的枝晶间、具有共晶成分的液体中单独由石墨形核开始。

在结晶前沿，石墨和奥氏体两相与熔体接触的界面并不呈光滑形式，石墨片的端部始终凸出在外，伸向熔体之中，保持着领先向熔体内生长和分枝的态势。

以每个石墨核心为中心所形成的这样一个石墨——奥氏体两相共生生长的共晶晶粒称为共晶团。

凝固结束时，共晶团之间或共晶团和初析奥氏体枝晶相互衔接形成整体。

其实，在凝固后期常会出现不同的情况，如在普通成分的灰铸铁中，在各共晶团之间常聚集着较多的低熔点夹杂物。

如铸铁中存在偏析倾向较高的合金元素时，随着凝固过程的进行，残液中的合金元素含量会越来越高，至凝固结束前，在各共晶团之间或几簇共晶团之间的正偏析元素含量，有可能增高至足以在局部区域形成弥散度很高的晶间碳化物或局部的硬化组织。

至共晶凝固结束时，各个共晶团内的奥氏体和初析奥氏体和初析奥氏体枝晶构成连续的金属基体，每个共晶团内的石墨构成连续的分枝立体形状，分布于金属基体之中。

一些晶间夹杂物或硬化相则分散分布于共晶团或共晶集团之间。