铸铁的基础知识

1、2铁一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，以到达控制组 织和性能的目的。铁一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，从铁一碳平衡图上也可 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一碳平衡图的能力，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 决方法。2.

2、1铸铁的分类铸铁是一种以Fe、C、Si为根底的多元合金，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。在铸铁中参加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铸铁的分类类别组织断口工程 结构 件铸 铁灰铸铁基体+片状石墨灰口球墨铸铁基体+球状石墨灰口蠕墨铸铁基体+蠕虫状石墨+少量球状石 墨灰口可锻铸铁基体+团絮状石墨生坯：白口 退火后：灰口特种抗磨铸铁基体+渗碳体白口性能冷硬铸铁表层：基体+渗碳体表层：白口铸铁内

3、层：基体+石墨内层：灰口耐热铸铁基体+片状或球状石墨灰口耐腐蚀铸铁基体+片状或球状石墨灰口2.2铁一碳双重相图铁一碳双重相图的根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，不同成分的铁一 碳合金在不同温度时形成各类组织的图形为铁一碳合金相图。铸铁中的碳能以石墨或渗碳体两种独立相存在，因此铁一碳相图存在两重性，即铁一石墨C相图与铁一渗碳体F&C相图。在一定条件下，Fe FesC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 FesC 为亚稳定系相图见图16。图16 Fe C 石墨、Fe FqC双重

4、相图铸铁中的咼碳相只有两种：石墨与渗碳体，石墨 G为100%的碳，渗碳 体FC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FC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-FqC相图结晶，也可按Fe C相图结晶，因此，研究 铸铁时，必须研究铁一碳合金的双重相图。222铁一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 具有共晶成分的铸铁，称共晶铸铁；结晶过程结生男结晶产物图标初 析 阶 段液相线 以下析 出初生 相1BC

5、及BC线以下析出初生奥氏 体2CD线以下析出初生石墨3CD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1ECF线以下发生共晶转变，共 晶组织为共晶奥氏体+共晶渗碳体2ECF线以下发生共晶转变， 共晶组织为共晶奥氏体+共晶石墨典P贺氏陣+Fe-FcjC扶甜葛直林+扶胡丽胡*共析阶段共析线 以下发 生共析 转变1PSK线以下发生共析转变，奥氏体转变为珠光体渗碳体+铁素体2PSK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

6、勺成分是wC 4.26%； Fe-FesC系中，共晶点C的成分是w C4.30%。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勺成分为wC 0.69%; Fe-FC 系中，共析点S的成分为w C0.76%。在铁一碳相图中：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

7、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BCD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3BC或BC线以下皆析出初生 奥氏体，用A或丫表示4在CD线以下析出初生渗碳 体，用Fe3C表示5在CD线以下析出初生石墨， 用G表示Fc石期徒料线 /UA金J；固相线 共晶 线ECF与ECF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BCE区内为铁液+初生奥 氏体，在DCF区内为铁液+初生渗 碳体

8、，在DCF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ECF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/ r刪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%I /i / *碳在奥氏 体中的溶 解曲线ES与ES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ES线乙x曜祀兔氐侔中轴懈解卸燈苗口石册共析线PSK与 PSK线1合金冷却

9、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PSK线奥氏体转变为铁素体 +石墨，铁素体用a或F表示2共析转变按Fe-FesC进行，咼 温莱氏体奥氏体+渗碳体那么变 为低温莱氏体珠光体+渗碳体， 低温莱氏体的表示公式为Ld=P+FesCK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%223铁一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为铁一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

10、铸铁性能的影响也十分巨大，必须牢牢记住。表20即为铁一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结 晶 过 程亚共晶铸铁共晶铸铁过共晶铸铁Fe-CFe-Fe3CFe-CFe-Fe3CFe-CFe-Fe3C初 析 阶 段初生奥氏体初生奥氏体一一初生石墨初生渗碳体共晶阶段共晶奥氏体+共晶石墨共晶奥氏体+共晶渗碳 体共晶奥氏体+共晶石墨共晶奥氏体+共晶渗碳 体共晶奥氏体+ 共晶石墨共晶奥氏体+ 共晶渗碳体共析阶段共析铁素体+共析石墨珠光体共析铁素体+共析石墨珠光体共析铁素体+ 共析石墨珠光体表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-

11、FesC亚稳定系结晶1T初生樂氏体4析出利相劇诂铁灌亚亚结晶* 共晶转覚！ |僕踣转变共 过程|1晶1铸氏辅岀二次石感*-析岀二状障碳弹ft铁体共析转先T【共析转变室温铁素体+石墨共晶石墨+次石墨+珠光体+莱氏体珠光体+共晶渗碳体组织共析石墨+二次渗碳体过 共 晶 铸 铁结晶过程室温组织共 晶 铸 铁结晶过程*f 血出初疝 | 初坐石昴劇余枝贰IcmrnSFI共甜奧氏体 共品石品F析出二次石歸共析找i 共析转愛，I1铁務棒共析右帚铁素体+石墨初生石墨+共晶石墨+ 二次石墨+共析石墨tt6iKK4J6SII共緡饕变 I 共晶石曷栽隔関氏悴析出二檢石趙十|；共析織pW5TRWT|n扶累暉狀析石空室

12、温铁素体+石墨共晶石墨+二次石墨+ 组织共析石墨铁菠伽叩C4.3O%液相纜t析岀初相 初生灌碳体剧余液固相握 共甜转璽 共品奧氏体共晶曲碳体尸祈岀二津碳体1扶析饯1珠光钵軼索体+濯羈悴莱氏体珠光体+共晶渗碳体+渗碳体 初生渗碳体+二次渗碳体Ml Wc4JF%I囲栩flI共伟转变 共晶澹碳体共晶虞氏体析出二次港碳体十共析线共析转变I携索体科專碳似莱氏体珠光体+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。

13、1.优良的流动性；2流动性的上下与温度、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1. 力学性能低:Rm 4.26%的铸铁，称为过共晶铸铁。2共晶度铸铁偏移共晶点的程度也可用铸铁的实际含碳量与共晶点的实际含碳量之比值来表示，这个比值称为共晶度，以 SC表示，其计算公式为：4+26T* 心 i)+呎卩)|式中:w C 铸铁中实际的含碳量质量分数，;w C铸铁共晶点的实际含碳量质量分数，它已包含了 w Si和 w P的折算；4.26%为铸铁共晶点在稳

14、定系时的 w C量，%;w Si 铸铁中实际的Si质量分数，;w P 铸铁中实际的P质量分数，。以共晶度SC的上下可判断铸铁偏离共晶点的程度，以此将铸铁分类：Sc=1，称共晶铸铁；Sc1，称过共晶铸铁；Sc1，称亚共晶铸铁。生产中常根据CE的上下、2的大小来推断铸铁力学性能的上下、铸造性能的好坏及石墨化能力的大小，因此，碳当量、共晶度是十分重要的参数。2.4 铁一碳相图与铸铁的性能241铁一碳相图与铸铁的力学性能生产中似乎很难将所熔制的铸铁与铁一碳相图联系起来，如果将各类铸铁按碳当量的上下列在铁一碳相图上，将会给我们什么样的启发呢？图17列出了 7种铸铁在相图上的位置，它们分别为可锻铸铁KTZ

15、470-04 ,灰铸铁 HT350、HT250、HT150、HT100,球墨铸铁 QT600-3,蠕墨铸铁 RuT400。它们的碳当量CE分别为 2.9%、3.3%、3.6%、4.0%、4.4%、4.6%和 4.7%。tlZ47D-Uor*oo-j00600SOO400JOO2002j02-53.Q Jd斗血MCX%)n4 44 4.7 a ft |i4.55.0100呎CE)】4 010 1 1 11500I4M皿1200i IW图17 7种铸铁在铁碳相图中的位置图通过7种铸铁在相图上的位置，可作出以下分析：1灰铸铁HT350、HT250、HTI50与可锻铸铁 KTZ470-04是亚共晶铸铁

16、，HTI00、球墨铸铁、蠕墨铸铁是过共晶铸铁。2 亚共晶灰铸铁中，碳当量最低、离共晶点最远的HT350的强度最高，HT250次之，HTI50最低，即灰铸铁的碳当量越低，离共晶点越远，强度越高。 由相图分析，原因有二：一是离共晶点远，碳当量低，说明铸铁中石墨减少， 降低了石墨对基体的削弱作用，使铸铁强度增加；二是离共晶点远，液相线与 固相线距离变大，析出的奥氏体粗大，数量增多，形成骨架，使铸铁强度增高。3过共晶铸铁HT100在7种铸铁中强度最低。由相图看出，该铸铁初析 阶段析出粗大的初生石墨，加上较高的碳当量与石墨数量，显著增大了石墨对 基体的割裂作用，从而导致强度极大地降低。4球墨铸铁QT60

17、0-3与蠕墨铸铁RuT400在相图上虽属过共晶铸铁，但 石墨呈球状与蠕虫状，碳当量虽高，但其强度不因碳当量升高而下降，其强度 还远高于灰铸铁。这说明对铸铁力学性能的影响中，石墨形态是起决定性作用 的，只有在片状石墨下，碳当量对力学性能才起主要作用。高碳当量的球墨铸 铁与蠕墨铸铁之所以有高强度，原因是因石墨的形态发生了变化，即由片状变 为球状或蠕虫状，从而大幅度地降低了石墨对基体的割裂作用，说明石墨形态 对强度的作用远大于碳当量，是第一位的。5可锻铸铁的强度高于灰铸铁，除其碳当量低于灰铸铁外，主要是热处 理后石墨形态变为团絮状石墨的缘故，而后者的作用是主要的。从以上分析可看出铁一碳相图实用价值的

18、一个侧面。铁一碳相图与铸铁的铸造性能1铁一碳相图与铸铁的凝固方式铸铁的凝固方式有层状凝固、糊状凝固和中间凝固三种，三种凝固方式的 铸铁分别为共晶灰铸铁、球墨铸铁和低碳当量的灰铸铁。这三种铸铁在铁一碳铸铁的凝固与一次结晶都是研究铸铁从液态到固态的变化状况的，即研究 液态到固态的热交换、铸件断面上凝固层的变化、凝固方式和凝固时间等。一 次结晶是研究液态到固态的晶体的形核长大、各结晶组织形成规律等，表21为三种凝固方式对铸件质量的影响。表21铸铁三种凝固方式的特性及对铸铁质量的影响凝固形式共晶铸铁层 状 凝固凝固特性1. 液相线与固相线重 合，无凝固区。在凝 固前沿，固相与液相 界面清楚。流动性极

19、好，即使在晶间由于 凝固收缩而形成的空 间，也易被液态金属 充填，铸件致密性好。2. 凝固由外表逐层凝 固直至中心，故称逐 层凝固或层状凝固。3. 凝固特征是：在凝固 过程中，表层已凝固， 中心仍为液态。对铸件质量的影响1. 凝固前沿平整，流动 性好，凝固收缩时易 得铁液补缩。2. 逐层凝固使铸件很 快形成坚硬外壳，中 心铁液凝固时的石墨 化膨胀，促使铁液对 枝晶间、共晶团晶界 间剩余铁液的凝固收 缩进行补缩，故缩松、 晶间裂纹及热裂等缺 陷很少发生。凝周中期0既和00 G 讥沁讥球墨铸铁糊 状 凝固1. 液、固线间距大，凝 固开始线与凝固终了 线相距甚远。2. 凝固与结晶不是从 外表开始，而

20、是在整 个截面上几乎同时形 核与生长，形成液、 固同时存在的糊状混 合物。凝固特点是：内部液 体未凝固前，外表不 结壳，其形成坚硬外 壳的时间远大于灰铸 铁。1. 因凝固与结晶在整 个截面上几乎同时进 行，当形成结晶骨架 时，骨架间互不连接 的孤立的铁液或共晶 团之间的剩余铁液无 法补缩，易形成分散 性缩孔，即缩松。2. 凝固过程中，铸件外 部一直是一层软壳， 石墨化膨胀时，膨胀 力直接传至铸型，常 使型壁外移导致铸件 缩松。3. 晶间缩松导致的枝 晶间裂纹及热裂倾向 增大。低碳当量亚共晶铸铁中间凝固1该凝固界于层状凝 固与糊状凝固之间。2碳当量越低，液、固 线距离越大，糊状凝 固倾向越大。3

21、. 凝固初期为层状凝 固，因液、固线有较 大距离，故中心为糊 状凝固。1. 铸铁碳当量越低， 液、固线间距增大，奥氏体枝晶数量增 多、粗大，使晶间补 缩更加困难，缩松及 热裂倾向增大。2. 碳当量越低，石墨减 少、石墨化膨胀小， 抵消凝固收缩的作用 变小，从而使凝固收 缩相对增大，铸造应 力增加。由表21联系到生产中的问题，就能理解共晶成分的铸铁为什么流动性好， 球铁铸件的铸型为什么要椿紧、砂箱为什么结构刚性要好，高强度铸件为什么 要走高碳当量、高强度的途径，以及日本用户为什么不同意用无箱造型做球铁 件等问题。2铁一碳相图与铸铁的流动性铸铁的流动性是指铁液充满铸型的能力，通常用螺旋线长度来表示

22、。流动性上下取决于两个因素：一是浇注温度；二是铸铁的成分即铸铁在 铁一碳相图上的位置。浇注温度高，流动性好，其道理不必解释，重要的是第 二点，图19、图20表示在两种情况下的铸铁流动性。124砒Qi购槻注狙度/过册慣J I图20相同浇注温度下流动性和含由图可知，在同一过热度下：亚共晶铸铁一一离共晶点越远，流动性越差，原因是液、固线距离长，初 生奥氏体变粗大，阻碍了铁液的流动。过共晶铸铁一一随着含 C量的增高，液、固线距离增大，初生石墨阻碍了 铁液的流动，导致了流动性的下降。由图还可知，在相同浇注温度下：亚共晶铸铁远离共晶的铁液不仅液、固线距离加大，且过热减小，故 流动性下降越甚，反之越好。过共

23、晶铸铁一一含C量越高，离共晶点越远，不仅液、固线距离增大，且 过热度减小，因此流动性下降。由上述分析可知，通过不同碳当量的铸铁在铁一碳相图上的位置看铸铁的 流动性，一目了然。所以，在选择碳当量对力学性能影响时，必须考虑对铸造 性能的影响，尤其是灰铸铁。(3) 铁一碳相图与铸铁的收缩及应力铸铁的收缩分液态收缩、凝固收缩和固态收缩三个阶段如图21所示液态收缩和凝固收缩，用体收缩表示；固态收缩，用线收缩表示。铸铁三个阶 段的收缩特性见表22。P就頤4? / X/11J1收缩率wCM%冬浇注艦度 倫-液相线溫度凝固收缩图21铸铁收缩三阶段示意图表22铸铁三个阶段的收缩特性收 缩 阶 段阶 段 范 围影

24、响收缩的因素对铸件产生的后果液态收缩浇注 至液 相线浇注温度/C1 3001 400液相线温度/ C1 2501 250过热度/C501 50体收缩% 10.92.41相同碳当量下，浇注温度越高，液态收缩越大, 见下表。2.相同浇注温度下，亚共晶铸铁含碳量越高，液态 收缩越大。对于亚共晶灰铸件，每增加 w C量1 %，液相线温度下降 90 C；也即过热度增加400 C时，不同w C量铸,铁的液态收缩。w (C) (%)2.02.53.03.54.0液态收缩%0.71.52.43.54.790 C，液态收缩随之增加。下表为浇注温度为I1浇注温度高，液态收缩 增大，易产生缩孔。2浇注温度高，液态收

25、缩 大，需补缩的铁液增多， 增加铸铁本钱。3高温出炉，低温浇注是 一个总的原那么，在不产 生气孔、夹杂的条件下， 降低浇注温度、减少收 缩，可提高铸件成品率。4浇注温度确实定需考 虑铸件碳当量的上下， 低碳当量浇温高，高碳 当量浇温低。液相 凝固线至收缩固相1铸铁的凝固收缩是指铸铁由液相凝固至固相的 收缩，但铸铁凝固时，因有石墨化而发生膨胀， 此膨胀可抵消局部或全部甚至超过全部凝固收缩 量。凝固时每析出石墨1 %,铸铁体积增加2%, 故随着w (C)量的增加，凝固收缩是减小的。2.白口铸铁无石墨化过程，故凝固收缩大于灰铸 铁，但凝固收缩随w (C)量增加而减少的规律是 与灰铸铁相同的。下表是白

26、口铸铁与灰铸铁的凝 固收缩率(% )。w(C) (%)2.02.53.03.54.0白口铸铁:5.1：4.16r 4.2 :3.7:3.3 灰铸铁4.32.81.40.1-1.53实践证实：铸铁的CE 500珠光体+来氏体，为白口铸铁注：铸铁的化学成分质量分数为 C 3.4%, Si 2.5%, Mo 0.4% , P 0.4%, S 0.1%表28冷却速度对共晶团数的影响试棒直径/mm冷却速度/Cmin-1直径70 mm图片中共晶团数量放大40倍41501130771422168181526624256冷却速度与铸件的热处理铸铁热处理的原理就是根据冷却速度对铸铁共析组织的影响来进行的，即 将已定型的铸态组织的铸铁通过加热到奥氏体温度区，然后用不同的冷却速度 通过共析转变区，以此改变