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）。

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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）。

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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

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变，在这三个阶段中分别析出不同的组织，见表15。

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：

21

（1）

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。

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BC’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Fe C 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

22）

，

（1）