铸铁的基础知识资料

1、铸铁及其熔炼

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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 3 (C) =2.4% 〜4.0% , 3(Si) =0.6% 〜3.0% , co ( Mn ) =0.

2% 〜1.2% , o (P) =0.04% 〜1.2% , o (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。

由于铸铁中的碳可能以渗碳体( Fe s C)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-Fe 3C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-Fe 3C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。

D 0.5 1,0 J,5 2,0 25 3.0 3.5 4,0 4,5

5,0

7C （CX?O ）

图2.bl 铁-碳合金双重相图

G —Y 亍脛；Fe^C —渗碳休

铁-碳相图中各临界点的温度及含碳量

1800 1700 1600 1536 丈

1500

A

1400 1392\' BOO H^：MC>0.86% J 点:以C 戸0」

A PL

^JD.53

21

100%

I525C C

1200

E2.

^*16.699

"G

1000

y-Fe^C

800 700 P-0.034 S0 76

727 C

600

3

分和温度与C点不同

]1-47

AJHC） =4.30%） ------------------ y L（u（O =2.14%）+ 渗碳体（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

以/（C） =0.76%）上一“ +渗碳体（两相组成珠光体）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 C,

共析温度高出9 C。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T c。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T c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（s c分别为4.26% 及2.10% ）就要比C、E的（3（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（3（C）=0.69% ）要比S点（3（C）=0.760% ）低些，和GP线交于P'其含碳量比P点（3（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 C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-Fe 3C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。

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，T c以上凝固时，一般可得到奥

氏体加石墨的结晶，如过冷至T c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。

铸铁中硅的含量一般在

3 (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。在铁一碳一硅三元合金中，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

一石墨二元共晶合金含碳量

3 ( C ) =4.2

6%，共析合金含碳量 3 (C ) =0.69% ，在含硅量为 3 (Si ) =2.08% 的三元系中，共晶 和共析点含碳量则相应为

3 (C ) =3.65% 及3 ( C ) =0.65% 左右；在含硅量为 3 (Si )

=4.2% 三元系中，则相应为 3 ( C ) =3.15% 及3 ( 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3 (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%3

(C ) % + 1/3 3 (Si + P ) % 将 CE 值和 C'点碳量(3 (C ) =4.26% )相

比，即可判断某一成分的铸铁偏离共晶点的程度，女口 CE>4.26% 为过共晶成分，CE=4.2 6%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 S C 表示。S C =C 铁/

C'C =C 铁/{4.26%-

1/3 3 (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S C >1为过共晶、S C =1为共晶、S C

<1则为亚共晶成分铸铁。|

3、铸铁的基础知识 碳-硅相图分析

铁-碳相图 ----- 铁-