1、 本章主要内容：本章主要内容： 第一节第一节 铸铁的结晶和石墨化铸铁的结晶和石墨化 第二节第二节 常用铸铁及其强化途径常用铸铁及其强化途径 第三节第三节 铸铁的热处理铸铁的热处理 Chapter 7 铸铸 铁铁 基本要求：基本要求：了解铸了解铸铁的结晶及其影响因铁的结晶及其影响因素，各类铸铁的石墨、素，各类铸铁的石墨、基体组织及其热处理基体组织及其热处理与性能之间的关系，与性能之间的关系，各类铸铁的牌号及用各类铸铁的牌号及用途。途。重点与难点：重点与难点：各类各类铸铁的石墨、热处理铸铁的石墨、热处理与组织性能之间的关与组织性能之间的关系。系。 Chapter 7 铸铁铸铁背景背景 铸铁是人类最
2、早使用的金属材料之铸铁是人类最早使用的金属材料之一。到目前为止，铸铁仍是一种被一。到目前为止，铸铁仍是一种被广泛使用的金属材料。例如，按质广泛使用的金属材料。例如，按质量统计，在机床中铸铁件约占量统计，在机床中铸铁件约占60%90%；在汽车、拖拉机中铸铁；在汽车、拖拉机中铸铁约占约占50%70%。 高强度铸铁和特殊性能的合金铸铁高强度铸铁和特殊性能的合金铸铁还可代替部分昂贵的合金钢和有些还可代替部分昂贵的合金钢和有些有色金属材料。有色金属材料。 Chapter 7 铸铁铸铁7.0 引言引言 铸铁之所以获得较广泛的应用，主要是由铸铁之所以获得较广泛的应用，主要是由于它的生产工艺简单、成本低廉并具
3、有优于它的生产工艺简单、成本低廉并具有优良的铸造性能、可切削加工性能、耐磨性良的铸造性能、可切削加工性能、耐磨性能及吸震性等。因此铸铁广泛地用于机械能及吸震性等。因此铸铁广泛地用于机械制造、冶金、矿山及交通运输等工业部门。制造、冶金、矿山及交通运输等工业部门。 Chapter 7 铸铁铸铁7.0 引言引言一、铸铁的特点和分类一、铸铁的特点和分类1铸铁的特点铸铁的特点铸铁不是纯铁，也是以铁和碳为主的合金。铸铁不是纯铁，也是以铁和碳为主的合金。 化学成分一般为化学成分一般为C2.0%4.0%、Si1.0%3.0%、Mn0.1%1.0%、S0.02%0.25%、P0.05%1.5%。 为了提高铸铁的
4、力学性能，有时在铸铁中添为了提高铸铁的力学性能，有时在铸铁中添加少量的加少量的Cr、Ni、Cu、Mo等合金元素制成等合金元素制成合金铸铁。合金铸铁。Chapter 7 铸铁铸铁7.1 铸铁的结晶和石墨化铸铁的结晶和石墨化7.1 铸铁的结晶和石墨化铸铁的结晶和石墨化 所以铸铁又和钢不同，而是一种以所以铸铁又和钢不同，而是一种以Fe、C、Si为主要成分的且在结晶过程中具有共晶为主要成分的且在结晶过程中具有共晶转变的多元铁基合金。由于存在共晶转变，转变的多元铁基合金。由于存在共晶转变，因此铸铁的铸造性能优良，因而通常采用因此铸铁的铸造性能优良，因而通常采用铸造方法生产成铸铁零件（简称铸件）使铸造方法
5、生产成铸铁零件（简称铸件）使用，故这类铁碳合金称为铸铁。用，故这类铁碳合金称为铸铁。 铸铁与钢的主要区别，一是铸铁的碳含量铸铁与钢的主要区别，一是铸铁的碳含量及硅含量高，并且碳多以石墨形式存在；及硅含量高，并且碳多以石墨形式存在；二是铸铁中硫、磷杂质多。二是铸铁中硫、磷杂质多。 7.1 铸铁的结晶和石墨化铸铁的结晶和石墨化Chapter 7 铸铁铸铁2铸铁的分类铸铁的分类根据碳在铸铁中的存在形式，可以把铸铁分为三类：根据碳在铸铁中的存在形式，可以把铸铁分为三类：（1）白口铸铁白口铸铁碳除少量固溶于铁素体中外，其碳除少量固溶于铁素体中外，其余的碳都以余的碳都以渗碳体渗碳体（第二相）的形式存在于铸
6、铁（第二相）的形式存在于铸铁基体中，其断口呈银白色，故称白口铸铁。基体中，其断口呈银白色，故称白口铸铁。（2）麻口铸铁麻口铸铁碳除少量固溶于铁素体中外，一碳除少量固溶于铁素体中外，一部分以游离状态的部分以游离状态的石墨石墨（G）形式存在，另一部形式存在，另一部分以化合状态的分以化合状态的渗碳体渗碳体（Fe3C）形式存在，在其形式存在，在其断口上呈黑白相间的麻点，故称麻口铸铁。断口上呈黑白相间的麻点，故称麻口铸铁。（3）灰口铸铁灰口铸铁碳除少量固溶于铁素体中外，全碳除少量固溶于铁素体中外，全部以游离状态的部以游离状态的石墨石墨（G）形式存在，其断口呈形式存在，其断口呈暗灰色，故称灰口铸铁。暗灰色
7、，故称灰口铸铁。7.1 铸铁的结晶和石墨化铸铁的结晶和石墨化Chapter 7 铸铁铸铁 由于灰口铸铁中的碳主要以石墨形式存在，由于灰口铸铁中的碳主要以石墨形式存在，使得灰口铸铁具有良好的切削加工性、减摩使得灰口铸铁具有良好的切削加工性、减摩性、减振性等，而且熔炼的工艺与设备简单，性、减振性等，而且熔炼的工艺与设备简单，成本低廉，所以在目前的工业生产中，灰口成本低廉，所以在目前的工业生产中，灰口铸铁是最重要的工程材料之一。若按重量百铸铁是最重要的工程材料之一。若按重量百分比计算，在各类机械中，约占分比计算，在各类机械中，约占40%70%，在机床和重型机械中，则可达在机床和重型机械中，则可达60
8、%90%。 7.1 铸铁的结晶和石墨化铸铁的结晶和石墨化Chapter 7 铸铁铸铁根据铸铁中石墨形态的不同，灰口铸铁又可根据铸铁中石墨形态的不同，灰口铸铁又可分为：分为： 灰铸铁灰铸铁，即铸铁中石墨呈片状存在。，即铸铁中石墨呈片状存在。 球墨铸铁球墨铸铁，即铸铁中石墨呈球状存在。，即铸铁中石墨呈球状存在。 蠕墨铸铁蠕墨铸铁，即铸铁中石墨呈蠕虫状存在，即，即铸铁中石墨呈蠕虫状存在，即 其石墨形态介于片状与球状之间。其石墨形态介于片状与球状之间。 可锻铸铁可锻铸铁，即铸铁中石墨呈团絮状存在。，即铸铁中石墨呈团絮状存在。此外，依据铸铁的化学成分、结晶形态和组此外，依据铸铁的化学成分、结晶形态和组织
9、性能不同，分为织性能不同，分为常用铸铁常用铸铁和和合金铸铁合金铸铁两类。两类。常用铸铁也称为普通铸铁或灰铸铁，合金铸铁常用铸铁也称为普通铸铁或灰铸铁，合金铸铁也称为特殊性能铸铁。也称为特殊性能铸铁。 7.1 铸铁的结晶和石墨化铸铁的结晶和石墨化Chapter 7 铸铁铸铁二、铸铁的结晶二、铸铁的结晶1Fe-Fe3C和和Fe-C双重相图双重相图在铁碳合金中，碳可以三种形式存在：在铁碳合金中，碳可以三种形式存在： 一种是以原子形式固溶于铁素体（一种是以原子形式固溶于铁素体（F）中；中； 另一种是以金属间化合物（另一种是以金属间化合物（Fe3C）的形式存在；的形式存在； 还有一种是以游离态的单质石墨
10、（还有一种是以游离态的单质石墨（G）存在。存在。7.1 铸铁的结晶和石墨化铸铁的结晶和石墨化Chapter 7 铸铁铸铁7.1 铸铁的结晶和石墨化铸铁的结晶和石墨化Chapter 7 铸铁铸铁 石墨的晶格类型为简单六方晶格，如图石墨的晶格类型为简单六方晶格，如图7-1所示，原子呈层状排列，同一层的原子所示，原子呈层状排列，同一层的原子间距为间距为0.142nm，结合力较强；而层与层结合力较强；而层与层之间的面间距为之间的面间距为0.340nm，是依靠较弱的是依靠较弱的金属键结合，故石墨具有不太明显的金金属键结合，故石墨具有不太明显的金属性能（如导电性），而且由于层与层属性能（如导电性），而且由
11、于层与层间的结合力较弱，易滑动，故石墨的强间的结合力较弱，易滑动，故石墨的强度、塑性和韧性较低，硬度仅为度、塑性和韧性较低，硬度仅为35HBS。 7.1 铸铁的结晶和石墨化铸铁的结晶和石墨化Chapter 7 铸铁铸铁 由于渗碳体在长时间加热的条件下可以分由于渗碳体在长时间加热的条件下可以分解为铁（或铁素体）和石墨，即解为铁（或铁素体）和石墨，即Fe3C3Fe+C(G)。这表明石墨是稳定相，这表明石墨是稳定相，而渗碳体仅是介（亚）稳定相。也就是说，而渗碳体仅是介（亚）稳定相。也就是说，成分相同的铁液在冷却时，冷却速度愈慢，成分相同的铁液在冷却时，冷却速度愈慢，析出石墨的可能性愈大；冷却速度愈快
12、，析出石墨的可能性愈大；冷却速度愈快，析出渗碳体的可能性愈大。因此反映铁碳析出渗碳体的可能性愈大。因此反映铁碳合金的相图实际上应是两个，即亚稳定的合金的相图实际上应是两个，即亚稳定的Fe-Fe3C相图和稳定的相图和稳定的Fe-C(G)相图。相图。 7.1 铸铁的结晶和石墨化铸铁的结晶和石墨化Chapter 7 铸铁铸铁7.1 铸铁的结晶和石墨化铸铁的结晶和石墨化Chapter 7 铸铁铸铁 亚共晶成分的灰口铸铁结晶时，首先析出亚共晶成分的灰口铸铁结晶时，首先析出的是初生奥氏体的是初生奥氏体A，以后残留下的液相再以后残留下的液相再经共晶转变变为固态。经共晶转变变为固态。 过共晶成分的灰口铸铁结晶
13、时，首先析出过共晶成分的灰口铸铁结晶时，首先析出的初生石墨，以后残留下的液相经过共晶的初生石墨，以后残留下的液相经过共晶转变变为固态；转变变为固态； 共晶成分的灰口铸铁直接发生共晶转变而共晶成分的灰口铸铁直接发生共晶转变而成固态。继续冷却时，碳还要发生自成固态。继续冷却时，碳还要发生自A中中脱溶析出和以后的共析转变完成结晶过程，脱溶析出和以后的共析转变完成结晶过程，形成灰口铸铁的最终组织。形成灰口铸铁的最终组织。 7.1 铸铁的结晶和石墨化铸铁的结晶和石墨化Chapter 7 铸铁铸铁7.1 铸铁的结晶和石墨化铸铁的结晶和石墨化Chapter 7 铸铁铸铁 一次结晶一次结晶通常把初生通常把初生
14、A（或初生石墨）或初生石墨）的析出和共晶转变称为铸铁的一次结晶，的析出和共晶转变称为铸铁的一次结晶，一次结晶决定了铸铁的晶粒大小、石墨形一次结晶决定了铸铁的晶粒大小、石墨形状和分布状和分布 ； 二次结晶二次结晶而把凝固后进行的碳自而把凝固后进行的碳自A中中脱溶及共析转变称为二次结晶，二次结晶脱溶及共析转变称为二次结晶，二次结晶决定了铸铁的基体组织。决定了铸铁的基体组织。 因此，要控制铸铁的组织，就必须控制这因此，要控制铸铁的组织，就必须控制这两个结晶过程。两个结晶过程。 7.1 铸铁的结晶和石墨化铸铁的结晶和石墨化Chapter 7 铸铁铸铁（1）灰铸铁的一次结晶）灰铸铁的一次结晶 灰口铸铁的
15、一次结晶包括初生灰口铸铁的一次结晶包括初生A或初生石或初生石墨的结晶和共晶转变。初生墨的结晶和共晶转变。初生A的结晶是形的结晶是形核和长大的过程。核和长大的过程。 对于亚共晶成分的铸铁对于亚共晶成分的铸铁，在一定的过冷，在一定的过冷度下度下奥氏体奥氏体开始结晶时，铁水中的铁和开始结晶时，铁水中的铁和碳都处于过饱和状态，因此在冷却速度碳都处于过饱和状态，因此在冷却速度最快的表面上生成了奥氏体晶核，进一最快的表面上生成了奥氏体晶核，进一步冷却速度，晶核长大。步冷却速度，晶核长大。7.1 铸铁的结晶和石墨化铸铁的结晶和石墨化Chapter 7 铸铁铸铁 结晶过程：结晶过程： 由于冷却速度较大，晶核在
16、各个方向的由于冷却速度较大，晶核在各个方向的生长速度是不同的。在棱角处散热快，生长速度是不同的。在棱角处散热快，生长就快，所以先形成主干，然后长出生长就快，所以先形成主干，然后长出分枝，而后由分枝再分枝，逐步形成树分枝，而后由分枝再分枝，逐步形成树枝状，即树枝晶（也称枝晶）。最后再枝状，即树枝晶（也称枝晶）。最后再填充枝晶间的空隙，完全凝固后成为晶填充枝晶间的空隙，完全凝固后成为晶粒和晶界的组织。粒和晶界的组织。7.1 铸铁的结晶和石墨化铸铁的结晶和石墨化Chapter 7 铸铁铸铁生核：生核：A晶核生成的难易程度与铁水的过晶核生成的难易程度与铁水的过热度、纯度和过冷度有关。热度、纯度和过冷度
17、有关。 过热度越大，铁水越纯洁，成核越困难，过热度越大，铁水越纯洁，成核越困难，成核所需的过冷度也越大。成核所需的过冷度也越大。 当过冷度增大时，生核率升高，所得晶当过冷度增大时，生核率升高，所得晶粒就细小；外来质点也影响生核率，当粒就细小；外来质点也影响生核率，当铁水中有高熔点质点时，它们作为成核铁水中有高熔点质点时，它们作为成核中心，故也可细化组织。中心，故也可细化组织。7.1 铸铁的结晶和石墨化铸铁的结晶和石墨化Chapter 7 铸铁铸铁长大：长大：A树枝晶的大小、形状与铁水的冷树枝晶的大小、形状与铁水的冷却速度和化学成分有关。却速度和化学成分有关。 冷却速度越大，树枝晶越小、越薄，数
18、冷却速度越大，树枝晶越小、越薄，数量也越多；量也越多； 化学成分越接近共晶成分，从结晶开始化学成分越接近共晶成分，从结晶开始至结晶完毕的凝固温度范围就越小，树至结晶完毕的凝固温度范围就越小，树枝晶不易发展，因此就小而少。枝晶不易发展，因此就小而少。 7.1 铸铁的结晶和石墨化铸铁的结晶和石墨化Chapter 7 铸铁铸铁 对于过共晶成分的铸铁对于过共晶成分的铸铁，初生相是，初生相是石墨石墨晶核。晶核。 一方面，由于石墨晶体中层与层之间结合力较弱，一方面，由于石墨晶体中层与层之间结合力较弱，在已经形成石墨的某一原子层面上所生长的另一在已经形成石墨的某一原子层面上所生长的另一新原子层，如果不够大的
19、话，便有可能重新溶入新原子层，如果不够大的话，便有可能重新溶入铁液中，因此，铁液中，因此，沿垂直于层面方向，石墨生长速沿垂直于层面方向，石墨生长速度较慢度较慢；相反，在每一个原子层面上边缘的碳原；相反，在每一个原子层面上边缘的碳原子，总还有一个共价键是没有结合的，只要铁液子，总还有一个共价键是没有结合的，只要铁液中有个别碳原子进入适当的位置，便能很牢固地中有个别碳原子进入适当的位置，便能很牢固地结合上去，所以在结合上去，所以在沿垂直于柱面的方向上石墨的沿垂直于柱面的方向上石墨的生长速度就较快生长速度就较快。 总之，石墨生长时，沿原子层基面方向快，沿垂总之，石墨生长时，沿原子层基面方向快，沿垂直
20、于基面方向上加厚慢，故最终形成片状石墨。直于基面方向上加厚慢，故最终形成片状石墨。 7.1 铸铁的结晶和石墨化铸铁的结晶和石墨化Chapter 7 铸铁铸铁 另一方面，石墨在成核和生长过程中会导另一方面，石墨在成核和生长过程中会导致其周围铁水的碳浓度降低，凝固点升高，致其周围铁水的碳浓度降低，凝固点升高，生成一层包围着石墨片的奥氏体（壳），生成一层包围着石墨片的奥氏体（壳），但奥氏体实际上很难把石墨完全包围，石但奥氏体实际上很难把石墨完全包围，石墨片端部仍直接与铁水接触。这样，墨片端部仍直接与铁水接触。这样，石墨石墨片向两侧加厚的生长必须依靠碳原子从铁片向两侧加厚的生长必须依靠碳原子从铁水中通
21、过奥氏体层扩散到石墨周围水中通过奥氏体层扩散到石墨周围，再结，再结合到石墨两侧面上；合到石墨两侧面上；7.1 铸铁的结晶和石墨化铸铁的结晶和石墨化Chapter 7 铸铁铸铁 与此同时，还必须使铁原子向奥氏体层与此同时，还必须使铁原子向奥氏体层外作反方向的扩散，显然这些扩散过程外作反方向的扩散，显然这些扩散过程是比较困难的，故是比较困难的，故石墨片向两侧方向的石墨片向两侧方向的生长是比较慢的生长是比较慢的。相反，由于石墨片的。相反，由于石墨片的端部与铁水直接接触，端部与铁水直接接触，碳原子的扩散和碳原子的扩散和铁原子的反向扩散比较容易进行铁原子的反向扩散比较容易进行，因此因此石墨片的生长过程呈
22、方向性，即加厚慢，石墨片的生长过程呈方向性，即加厚慢，沿平面方向生长快沿平面方向生长快，故最终生长成为片，故最终生长成为片状。状。7.1 铸铁的结晶和石墨化铸铁的结晶和石墨化Chapter 7 铸铁铸铁 共晶转变共晶转变是铸铁结晶中的一个重要环是铸铁结晶中的一个重要环节，共晶转变是铸铁区别于钢的一个节，共晶转变是铸铁区别于钢的一个显著标志。铸铁中的石墨特性主要由显著标志。铸铁中的石墨特性主要由共晶转变过程决定。共晶转变过程决定。 共晶成分的铁水从高温冷却时，当冷共晶成分的铁水从高温冷却时，当冷却至以下，却至以下，EF以上铁素体某一温度时，以上铁素体某一温度时，共晶产物是奥氏体共晶产物是奥氏体+
23、石墨，且石墨相石墨，且石墨相G是领先相，呈片状，有时还有分叉，是领先相，呈片状，有时还有分叉，得到灰口铸铁；得到灰口铸铁； 7.1 铸铁的结晶和石墨化铸铁的结晶和石墨化Chapter 7 铸铁铸铁 当冷却到当冷却到EF以下以下时，则高碳相通时，则高碳相通常是渗碳体，得常是渗碳体，得到共晶白口铸铁。到共晶白口铸铁。由于过冷度较大由于过冷度较大时，铁原子扩散时，铁原子扩散比较困难，而渗比较困难，而渗碳体的结构与铁碳体的结构与铁比较接近，故易比较接近，故易于成核长大。于成核长大。 7.1 铸铁的结晶和石墨化铸铁的结晶和石墨化Chapter 7 铸铁铸铁 在共晶铸铁先形成石墨片后，共晶奥氏在共晶铸铁先
24、形成石墨片后，共晶奥氏体往往从石墨片的侧面析出，而不是从体往往从石墨片的侧面析出，而不是从石墨片的尖端析出。虽然石墨片尖端长石墨片的尖端析出。虽然石墨片尖端长大最快，其附近的铁水中铁原子浓度应大最快，其附近的铁水中铁原子浓度应该最大，但是由于奥氏体的（该最大，但是由于奥氏体的（111）晶面）晶面和石墨片的（和石墨片的（0001）晶面原子排列相似，）晶面原子排列相似，而且晶格常数相近，因此石墨片的侧面而且晶格常数相近，因此石墨片的侧面可以作为奥氏体结晶的基面，从而使奥可以作为奥氏体结晶的基面，从而使奥氏体易于从石墨片侧面析出。氏体易于从石墨片侧面析出。 7.1 铸铁的结晶和石墨化铸铁的结晶和石墨
25、化Chapter 7 铸铁铸铁 当过冷度较小时，奥氏体只部分地分布当过冷度较小时，奥氏体只部分地分布在石墨片上，石墨片自始自终与铁水相在石墨片上，石墨片自始自终与铁水相接触；接触； 当过冷度较大时，石墨核心来不及长大，当过冷度较大时，石墨核心来不及长大，呈薄片状，被奥氏体包围，在成长的奥呈薄片状，被奥氏体包围，在成长的奥氏体表面上铁水急剧富碳，产生新的石氏体表面上铁水急剧富碳，产生新的石墨核心，生成过冷石墨。墨核心，生成过冷石墨。 7.1 铸铁的结晶和石墨化铸铁的结晶和石墨化Chapter 7 铸铁铸铁（2）灰铸铁的二次结晶）灰铸铁的二次结晶 铸铁的二次结晶主要包括奥氏体中碳的脱溶铸铁的二次结
26、晶主要包括奥氏体中碳的脱溶和奥氏体的共析转变两个阶段。和奥氏体的共析转变两个阶段。 当铸铁共晶转变后，进一步冷却的奥氏体中当铸铁共晶转变后，进一步冷却的奥氏体中碳的溶解度将降低，多余的碳就会以脱溶的碳的溶解度将降低，多余的碳就会以脱溶的方式排出。方式排出。 如果铸铁共晶转变产物是奥氏体加石墨，脱如果铸铁共晶转变产物是奥氏体加石墨，脱溶的碳就会沉积在原有的石墨上使其长大。溶的碳就会沉积在原有的石墨上使其长大。 如果铸铁的共晶转变产物是奥氏体加渗碳体，如果铸铁的共晶转变产物是奥氏体加渗碳体，脱溶的碳则一般通过原来的共晶渗碳体长大脱溶的碳则一般通过原来的共晶渗碳体长大而析出。而析出。7.1 铸铁的结
27、晶和石墨化铸铁的结晶和石墨化Chapter 7 铸铁铸铁 由于二次高碳相一般依附于共晶高碳相由于二次高碳相一般依附于共晶高碳相上，因此它们一般不需要重新形核，也上，因此它们一般不需要重新形核，也不改变共晶高碳相的形貌。但有时二次不改变共晶高碳相的形貌。但有时二次渗碳体会在晶界上独立析出，沿晶界呈渗碳体会在晶界上独立析出，沿晶界呈网状分布。网状分布。 在脱溶转变过程中碳原子在奥氏体中的在脱溶转变过程中碳原子在奥氏体中的扩散是整个反应的限制性环节。扩散是整个反应的限制性环节。 7.1 铸铁的结晶和石墨化铸铁的结晶和石墨化Chapter 7 铸铁铸铁 当铸铁冷却到共析温度以下时，奥氏体发生当铸铁冷却
28、到共析温度以下时，奥氏体发生共析转变，由于其产物可为铁素体加石墨，共析转变，由于其产物可为铁素体加石墨，也可为铁素体加渗碳体（珠光体）。也可为铁素体加渗碳体（珠光体）。因此共因此共析转变是决定铸铁基体组织的重要环节。析转变是决定铸铁基体组织的重要环节。 当铸铁缓慢地冷却通过共析转变温度区间当铸铁缓慢地冷却通过共析转变温度区间时，就会发生奥氏体向铁素体及石墨的转时，就会发生奥氏体向铁素体及石墨的转变。变。 当铸铁的石墨化倾向较小或冷却速度较快当铸铁的石墨化倾向较小或冷却速度较快时，往往发生珠光体转变。时，往往发生珠光体转变。7.1 铸铁的结晶和石墨化铸铁的结晶和石墨化Chapter 7 铸铁铸铁
29、 在大多数情形下，铸铁的共析转变在大多数情形下，铸铁的共析转变主要是珠光体转变，只有对高硅低主要是珠光体转变，只有对高硅低锰铸铁或出现球状石墨或团絮状石锰铸铁或出现球状石墨或团絮状石墨时，才发生奥氏体向铁素体和石墨时，才发生奥氏体向铁素体和石墨的转变。墨的转变。7.1 铸铁的结晶和石墨化铸铁的结晶和石墨化Chapter 7 铸铁铸铁三、铸铁的石墨化三、铸铁的石墨化1石墨化过程的热力学与动力学石墨化过程的热力学与动力学 热力学热力学7.1 铸铁的结晶和石墨化铸铁的结晶和石墨化Chapter 7 铸铁铸铁 将白口铸铁在将白口铸铁在900以上长期保温时，莱以上长期保温时，莱氏体中的渗碳体所以能够自动
30、分解成奥氏体中的渗碳体所以能够自动分解成奥氏体氏体+石墨的混合物，也是由于符合热力石墨的混合物，也是由于符合热力学条件，即在这种条件下渗碳体的自由学条件，即在这种条件下渗碳体的自由能值高于奥氏体能值高于奥氏体+石墨的自由能。石墨的自由能。动力学动力学生产实际表明，当共晶液生产实际表明，当共晶液体铁水冷速较快，合金冷体铁水冷速较快，合金冷却到却到Tc温度以下时，液体温度以下时，液体铁水将发生结晶出莱氏体铁水将发生结晶出莱氏体的共晶转变，而几乎不结的共晶转变，而几乎不结晶出奥氏体晶出奥氏体+石墨。石墨。7.1 铸铁的结晶和石墨化铸铁的结晶和石墨化Chapter 7 铸铁铸铁 这是因为由液体中析出和
31、形成石墨的过程也是通这是因为由液体中析出和形成石墨的过程也是通过石墨的成核和长大进行的。过石墨的成核和长大进行的。 石墨的形核需要很大的浓度起伏条件（石墨的形核需要很大的浓度起伏条件（C需从需从4.3%集中到集中到100%）；石墨的长大需要铁原子从）；石墨的长大需要铁原子从晶核处作反向长距离的扩散。晶核处作反向长距离的扩散。 渗碳体的形核则只能比石墨形核小得多的浓度起渗碳体的形核则只能比石墨形核小得多的浓度起伏条件，而且由于渗碳体是间隙型金属间化合物，伏条件，而且由于渗碳体是间隙型金属间化合物，碳原子只是在铁原子的间隙处存在，不需要铁原碳原子只是在铁原子的间隙处存在，不需要铁原子从晶核处作长距
32、离的迁移。子从晶核处作长距离的迁移。 因而从动力学条件来看，有利于渗碳体的形成。因而从动力学条件来看，有利于渗碳体的形成。7.1 铸铁的结晶和石墨化铸铁的结晶和石墨化Chapter 7 铸铁铸铁 由此看来，要从液体铁水中析出结晶处由此看来，要从液体铁水中析出结晶处奥氏体奥氏体+石墨共晶，就必须使液体不要过石墨共晶，就必须使液体不要过冷到冷到Tc温度以下。只有这样，原子的扩温度以下。只有这样，原子的扩散条件比较充分，铁水中的浓度起伏条散条件比较充分，铁水中的浓度起伏条件得以实现，才能使动力学条件较差的件得以实现，才能使动力学条件较差的奥氏体奥氏体+石墨的共晶转变获得充分的时间石墨的共晶转变获得充
33、分的时间形核和长大。形核和长大。 7.1 铸铁的结晶和石墨化铸铁的结晶和石墨化Chapter 7 铸铁铸铁2石墨化过程石墨化过程 灰口铸铁中的石墨是通过液态铁水进行结晶时的灰口铸铁中的石墨是通过液态铁水进行结晶时的石墨化过程获得的，一般可分为三个阶段：石墨化过程获得的，一般可分为三个阶段： （1）第一阶段石墨化：）第一阶段石墨化： 按照按照Fe-C(G)相图，它包括从铸铁的液相中直接相图，它包括从铸铁的液相中直接析出的一次石墨析出的一次石墨(GI)，即冷却到液相线时析出的即冷却到液相线时析出的一次石墨的过程一次石墨的过程(LLC+GI)，以及在以及在1154共共晶转变时形成的共晶石墨晶转变时形
34、成的共晶石墨(G共晶共晶) 的过程，即的过程，即LCAE+G共晶共晶。 按照按照Fe-Fe3C相图，它包括一次渗碳体相图，它包括一次渗碳体(Fe3CI)和和共晶渗碳体共晶渗碳体(Fe3C共晶共晶)在高温下分解而析出石墨的在高温下分解而析出石墨的过程。过程。 7.1 铸铁的结晶和石墨化铸铁的结晶和石墨化Chapter 7 铸铁铸铁（2）第二阶段石墨化）第二阶段石墨化 按照按照Fe-C(G)相图，过饱和状态的奥氏体，相图，过饱和状态的奥氏体，随着温度的降低，在随着温度的降低，在1154738沿着沿着线冷却时析出的二次石墨线冷却时析出的二次石墨(GII) 的过程，的过程，即即AEAS+GII。 按照
35、按照Fe-Fe3C相图，二次渗碳体相图，二次渗碳体(Fe3CII)分分解而析出石墨的过程。解而析出石墨的过程。 7.1 铸铁的结晶和石墨化铸铁的结晶和石墨化Chapter 7 铸铁铸铁（3）第三阶段石墨化）第三阶段石墨化 按照按照Fe-C(G)相图，在相图，在738共析转变时形成共析转变时形成的共析石墨的共析石墨(G共析共析) 的过程，即的过程，即A SF P+G共析共析。 按照按照Fe-Fe3C相图，共析渗碳体相图，共析渗碳体(Fe3C共析共析)分解分解而析出石墨的过程。而析出石墨的过程。 由于石墨化过程是碳原子扩散的过程，由于石墨化过程是碳原子扩散的过程，所以石墨化的温度愈低，原子扩散愈困
36、难，所以石墨化的温度愈低，原子扩散愈困难，因而愈不易石墨化过程的进行。显然，由于因而愈不易石墨化过程的进行。显然，由于石墨化程度的不同，将获得不同基体的铸铁石墨化程度的不同，将获得不同基体的铸铁组织。组织。 7.1 铸铁的结晶和石墨化铸铁的结晶和石墨化Chapter 7 铸铁铸铁 在生产实际中，由于化学成分、冷却速度及孕育在生产实际中，由于化学成分、冷却速度及孕育处理、铁水过热、铁水净化等状况的不同，处理、铁水过热、铁水净化等状况的不同，Fe-C合金自液态进行结晶时，合金自液态进行结晶时， 可能完全按可能完全按Fe-Fe3C系状态图进行结晶，系状态图进行结晶， 也可能完全按也可能完全按Fe-C
37、(G)系状态图进行结晶，系状态图进行结晶， 还可能只是某些部分或在有些温度范围内按还可能只是某些部分或在有些温度范围内按Fe- C(G)系状态图进行结晶，另外一些部分或另外系状态图进行结晶，另外一些部分或另外一些温度范围按一些温度范围按Fe-Fe3C系状态图进行结晶。系状态图进行结晶。 按按Fe- C(G)系状态图进行结晶转变，就是进行了系状态图进行结晶转变，就是进行了石墨化过程；按石墨化过程；按Fe-Fe3C系状态图进行结晶转变系状态图进行结晶转变就是未进行石墨化过程，或称石墨化过程被抑制。就是未进行石墨化过程，或称石墨化过程被抑制。 7.1 铸铁的结晶和石墨化铸铁的结晶和石墨化Chapte
38、r 7 铸铁铸铁 必须指出的是，蠕墨铸铁和球墨铸铁的必须指出的是，蠕墨铸铁和球墨铸铁的石墨化过程与灰口铸铁的石墨化过程类石墨化过程与灰口铸铁的石墨化过程类似，所不同的只是石墨的形态不同而已。似，所不同的只是石墨的形态不同而已。而可锻铸铁的石墨化则是由白口铁中的而可锻铸铁的石墨化则是由白口铁中的Fe3C在高温下的分解而得到的。在高温下的分解而得到的。 7.1 铸铁的结晶和石墨化铸铁的结晶和石墨化Chapter 7 铸铁铸铁3影响铸铁石墨化的因素影响铸铁石墨化的因素 铸铁的组织取决于石墨化进行的程度，为了获得铸铁的组织取决于石墨化进行的程度，为了获得所需要的组织，关键在于控制石墨化进行的程度。所需
39、要的组织，关键在于控制石墨化进行的程度。实践证明，铸铁的化学成分和结晶时的冷却程度实践证明，铸铁的化学成分和结晶时的冷却程度是影响石墨化和铸铁显微组织的主要因素。是影响石墨化和铸铁显微组织的主要因素。（1）化学成分的影响）化学成分的影响 C和和Si的影响的影响C和和Si都是强烈促进石墨化元素；都是强烈促进石墨化元素； P和和S的影响的影响P和和S是一个促进石墨化的元素；是一个促进石墨化的元素； Mn的影响的影响金属元素能溶于铁素体和渗碳体中，金属元素能溶于铁素体和渗碳体中，增加增加Fe与与C的结合力，扩大奥氏体固溶区域，降的结合力，扩大奥氏体固溶区域，降低共析温度，因此低共析温度，因此Mn是一
40、个阻碍石墨化的元素。是一个阻碍石墨化的元素。 7.1 铸铁的结晶和石墨化铸铁的结晶和石墨化Chapter 7 铸铁铸铁图图7-5 试样直径为试样直径为30mm的铸铁双曲线组织图的铸铁双曲线组织图 7.1 铸铁的结晶和石墨化铸铁的结晶和石墨化Chapter 7 铸铁铸铁（2）冷却速度的影响）冷却速度的影响 铸件的冷却速度对石墨化过程也有明显影响。铸件的冷却速度对石墨化过程也有明显影响。一般说来，铸件冷却速度越缓慢，越有利于一般说来，铸件冷却速度越缓慢，越有利于按照按照FeC系状态图进行结晶和转变，即越系状态图进行结晶和转变，即越有利于石墨化过程的充分进行；反之，当铸有利于石墨化过程的充分进行；反
41、之，当铸件冷却速度较快时，由于原子扩散能力减弱，件冷却速度较快时，由于原子扩散能力减弱，则有利于按照系状态图进行结晶和转变，即则有利于按照系状态图进行结晶和转变，即不利于石墨化的进行。尤其在共析阶段的石不利于石墨化的进行。尤其在共析阶段的石墨化，由于温度较低，冷却速度增大，原子墨化，由于温度较低，冷却速度增大，原子扩散更加困难，所以在通常情况下，共析阶扩散更加困难，所以在通常情况下，共析阶段的石墨化难以完全进行。段的石墨化难以完全进行。 7.1 铸铁的结晶和石墨化铸铁的结晶和石墨化Chapter 7 铸铁铸铁（3）铸铁的过热和高温静置时间的影响）铸铁的过热和高温静置时间的影响 在一定温度范围内
42、，提高铁液的过热温度，在一定温度范围内，提高铁液的过热温度，延长高温静置时间都会导致铸铁中的石墨组织延长高温静置时间都会导致铸铁中的石墨组织的细化，使铸铁强度提高；如果再进一步提高的细化，使铸铁强度提高；如果再进一步提高过热度，则由于铸铁的成核能力下降，因而使过热度，则由于铸铁的成核能力下降，因而使石墨形态变差，甚至出现自由渗碳体，从而使石墨形态变差，甚至出现自由渗碳体，从而使铸铁强度反而下降。所以说浇注时存在一个铸铁强度反而下降。所以说浇注时存在一个“临界温度临界温度”。这个温度的高低主要取决于铁。这个温度的高低主要取决于铁液的化学成分及铸件的冷却速度。一般认为普液的化学成分及铸件的冷却速度
43、。一般认为普通灰铸铁的临界温度约在通灰铸铁的临界温度约在15001550左右，故左右，故而总是希望出铁温度高些。而总是希望出铁温度高些。 7.1 铸铁的结晶和石墨化铸铁的结晶和石墨化Chapter 7 铸铁铸铁 综上所述，影响铸铁石墨化过程或铸铁组综上所述，影响铸铁石墨化过程或铸铁组织的最基本因素还是化学成分的影响。但织的最基本因素还是化学成分的影响。但是在化学成分一定的条件下，仍可以在一是在化学成分一定的条件下，仍可以在一定程度上通过改变铸型材料的冷却速度和定程度上通过改变铸型材料的冷却速度和浇注温度等因素来控制组件的组织。尤其浇注温度等因素来控制组件的组织。尤其是在大量连续生产的条件下，力求铁液的是在大量连续生产的条件下，力求铁液的化学成分单一，就必须从其它方面入手，化学成分单一，就必须从其它方面入手，以期同一成分的铁液浇出不同牌号（类型）以期同一成分的铁液浇出不同牌号（类型）的铸铁。的铸铁。 7.1 铸铁的结晶和石墨化铸铁的结晶和石墨化Chapter 7 铸铁铸铁
