金属学与热处理 (续 石墨化进行的程度 铸铁名称 铸铁显微组织 阶段石墨化 第二阶段石墨化 完全进行 F+G球 球墨铸铁完全进行 部分进行 F+PG球 未进行 完全进行 F+G蠕虫 蠕墨铸铁完全进行 部分进行 F+P+G蠕虫 可锻铸铁完全进行 完全进行 FG团絮 4.影响石墨化的因素 铸铁的组织取决于石墨化进行的程度,为了获得所需的组织,就必须恰当地控制铸铁 的石墨化。实践证明,铸铁的化学成分和结晶时的冷却速度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 ①碳和硅的影响:硅和碳都是强烈促进石墨化的元素,在铸铁生产中,正确控制含碳、 硅量是获得所需组织和性能的重要措施之一。石墨来源于碳。随着含碳量的提高,铁液中 的含碳量和未溶解的石墨微粒增多,有利于石墨形核,从而促进了石墨化。但含碳量过高 会促使石墨数量增多而降低铸铁的力学性能。 硅与铁原子的结合力大于碳与铁原子之间的结合力。硅溶于铁液和铁的固溶体中,由 于削弱了铁和碳原子之间的结合力,而促使石墨化。硅还降低铸铁的共晶成分和共析成分 的含碳量,铸铁中加入硅可代替一部分碳,又不至于引起过多的石墨,硅促进石墨化的作 用约相当于三分之一碳的作用。 为了综合考虑碳和硅的影响,常用碳当量(Cε)和共晶度(Sc)表示。碳当量是将含硅量折 合成相当的碳量与实际含碳量之和,即 CE=c%+1/3s% 共晶度是指铸铁的含碳量与其共晶点含碳量的比值。在Fe-C-Si相图中,共晶度随含 硅量的变化而改变,即 Sc=vc%/(4.3%-1/3ws%) 共晶度表示铸铁的含碳量接近共晶点含碳量的程度,当SC=1时,铸铁为共晶组织 <1时,铸铁为亚共晶组织:Sc>1时,铸铁为过共晶组织。铸铁的共晶度越接近于1, 铸造性能越好。但随共晶度Sc值的増加,铸铁组织中的石墨数量増多,其抗拉强度、抗弯 强度、硬度皆呈线性下降趋势。 碳、硅含量与铸铁组织关系如图86所示。随着碳、硅含量的增加,铸铁的组织由白 口转变为珠光体甚至铁素体基体的灰铸铁。通常为了获得全部是珠光体的普通灰铸铁,其 碳、硅含量应该控制在26%~35%C,1.0%~2.5%Si的范围内,厚壁逐渐取下限,薄壁铸 件取上限
·164· 金属学与热处理 ·164· (续) 石墨化进行的程度 铸铁名称 第一阶段石墨化 第二阶段石墨化 铸铁显微组织 球墨铸铁 完全进行 完全进行 部分进行 未进行 F+G 球 F+P+G 球 P+G 球 蠕墨铸铁 完全进行 完全进行 部分进行 F+G 蠕虫 F+P+G 蠕虫 可锻铸铁 完全进行 完全进行 未进行 F+G 团絮 P+G 团絮 4. 影响石墨化的因素 铸铁的组织取决于石墨化进行的程度，为了获得所需的组织，就必须恰当地控制铸铁 的石墨化。实践证明，铸铁的化学成分和结晶时的冷却速度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 ① 碳和硅的影响：硅和碳都是强烈促进石墨化的元素，在铸铁生产中，正确控制含碳、 硅量是获得所需组织和性能的重要措施之一。石墨来源于碳。随着含碳量的提高，铁液中 的含碳量和未溶解的石墨微粒增多，有利于石墨形核，从而促进了石墨化。但含碳量过高 会促使石墨数量增多而降低铸铁的力学性能。 硅与铁原子的结合力大于碳与铁原子之间的结合力。硅溶于铁液和铁的固溶体中，由 于削弱了铁和碳原子之间的结合力，而促使石墨化。硅还降低铸铁的共晶成分和共析成分 的含碳量，铸铁中加入硅可代替一部分碳，又不至于引起过多的石墨，硅促进石墨化的作 用约相当于三分之一碳的作用。 为了综合考虑碳和硅的影响，常用碳当量(CE)和共晶度(SC)表示。碳当量是将含硅量折 合成相当的碳量与实际含碳量之和，即 CE=wC%+1/3wSi% 共晶度是指铸铁的含碳量与其共晶点含碳量的比值。在 Fe-C-Si 相图中，共晶度随含 硅量的变化而改变，即 SC = wC%/(4.3%-1/3wSi%) 共晶度表示铸铁的含碳量接近共晶点含碳量的程度，当 SC＝1 时，铸铁为共晶组织； SC＜1 时，铸铁为亚共晶组织；SC＞1 时，铸铁为过共晶组织。铸铁的共晶度越接近于 1， 铸造性能越好。但随共晶度 SC值的增加，铸铁组织中的石墨数量增多，其抗拉强度、抗弯 强度、硬度皆呈线性下降趋势。 碳、硅含量与铸铁组织关系如图 8.6 所示。随着碳、硅含量的增加，铸铁的组织由白 口转变为珠光体甚至铁素体基体的灰铸铁。通常为了获得全部是珠光体的普通灰铸铁，其 碳、硅含量应该控制在 2.6%～3.5%C，1.0%～2.5%Si 的范围内，厚壁逐渐取下限，薄壁铸 件取上限
第8章铸铁 ·165· % 2.0F I Ⅲ 图86碳、硅含量对铸铁组织的影响 一白口铸铁Ia马口铸铁Ⅱ一珠光体铸铁 Ib珠光体一铁素体铁Ⅲ-铁素体铁 ②锰的影响:锰是一个阻碍石墨化的元素。锰能溶于铁素体和渗碳体,起固定碳的作 用,从而阻碍石墨化。当铸铁中含锰量较低时,它主要是阻碍共析阶段的石墨化,有利于 获得珠光体基体铸铁。锰还能与硫结合生成MnS,消除硫的有害影响,所以是一个有益元 素。普通灰铸铁的含锰量一般在0.5%~14%范围内,若要获得铁素体基体,则取下限。若 要获得珠光体基体,则取上限。过高的含锰量易产生游离滲碳体,增加铸铁的脆性。 ③硫的影响:硫阻碍碳原子的扩散,是一个促进形成白口铸铁的元素,而且降低铁液 的流动性,恶化铸造性能,增加铸件缩松缺陷。因此,硫是一个有害元素,其含量应控制 在0.15%以下。 ④磷的影响:磷是一个促进石墨化不十分强烈的元素。磷在奧氏体和铁素体中的固溶 度很小,且随铸铁中含碳量的增加而减小。当含P量大于0.2%后,就会出现化合物FeP, 它常以二元磷共晶(α+FeP)或三元磷共晶(α+Fe3P+Fe3C)的形态存在。磷共晶的性质硬而 脆,在铸铁组织中呈孤立、细小、均匀分布时,可以提高铸铁件的耐磨性。反之,若以粗 大连续网状分布时,将降低铸件的强度,增加铸件的脆性。通常灰口铸铁的含P量应控制 在0.2%以下。 2)冷却速度的影响 铸件的冷却速度对石墨化过程也有明显的影响。一般来说,铸件冷却速度越缓慢,即 过冷度较小时,越有利于按照FeG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,铸件冷却速度快,就不利于石墨化的进行。在共析阶段,由于温度低,冷 却速度增大,原子扩散更加困难,所以在通常情况下,共析阶段的石墨化(即第二阶段的石 墨化)难以完全进行。铸件冷却速度是一个综合的因素,它与浇注温度、造型材料、铸造方 法和铸件壁厚都有关系。图8.7说明铸铁的含碳、硅量和冷却速度对铸铁组织的综合影响。 可以看出,对于一些壁厚不均匀的铸件要求获得均匀一致的组织是比较困难的(见图8.8)。 在铸铁的薄壁处,由于冷却速度较快,过冷度大,动力学条件有利于按照Fe-Fe3C亚稳系 转变成白口铸铁。为了获得组织均匀的铸件,往往通过孕育处理来防止白口或借助于热处 理来消除白口,以改善铸件性能。随着铸件壁厚的增加,石墨片的数量和尺寸都增大,铸 铁强度、硬度反而下降。这一现象称为壁厚敏感性。在实际生产中,一般是根据铸件的壁 厚(主要部位的壁厚),选择适当的化学成分(主要指碳、硅),以获得所需要的组织
第 8 章 铸铁 ·165· ·165· 图 8.6 碳、硅含量对铸铁组织的影响 I—白口铸铁 IIa—马口铸铁 II—珠光体铸铁 IIb—珠光体—铁素体铁 III—铁素体铁 ② 锰的影响：锰是一个阻碍石墨化的元素。锰能溶于铁素体和渗碳体，起固定碳的作 用，从而阻碍石墨化。当铸铁中含锰量较低时，它主要是阻碍共析阶段的石墨化，有利于 获得珠光体基体铸铁。锰还能与硫结合生成 MnS，消除硫的有害影响，所以是一个有益元 素。普通灰铸铁的含锰量一般在 0.5%～1.4%范围内，若要获得铁素体基体，则取下限。若 要获得珠光体基体，则取上限。过高的含锰量易产生游离渗碳体，增加铸铁的脆性。 ③ 硫的影响：硫阻碍碳原子的扩散，是一个促进形成白口铸铁的元素，而且降低铁液 的流动性，恶化铸造性能，增加铸件缩松缺陷。因此，硫是一个有害元素，其含量应控制 在 0.15%以下。 ④ 磷的影响：磷是一个促进石墨化不十分强烈的元素。磷在奥氏体和铁素体中的固溶 度很小，且随铸铁中含碳量的增加而减小。当含 P 量大于 0.2%后，就会出现化合物 Fe3P， 它常以二元磷共晶( α +Fe3P)或三元磷共晶( α +Fe3P+Fe3C)的形态存在。磷共晶的性质硬而 脆，在铸铁组织中呈孤立、细小、均匀分布时，可以提高铸铁件的耐磨性。反之，若以粗 大连续网状分布时，将降低铸件的强度，增加铸件的脆性。通常灰口铸铁的含 P 量应控制 在 0.2%以下。 2) 冷却速度的影响 铸件的冷却速度对石墨化过程也有明显的影响。一般来说，铸件冷却速度越缓慢，即 过冷度较小时，越有利于按照 Fe-G 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，铸件冷却速度快，就不利于石墨化的进行。在共析阶段，由于温度低，冷 却速度增大，原子扩散更加困难，所以在通常情况下，共析阶段的石墨化(即第二阶段的石 墨化)难以完全进行。铸件冷却速度是一个综合的因素，它与浇注温度、造型材料、铸造方 法和铸件壁厚都有关系。图 8.7 说明铸铁的含碳、硅量和冷却速度对铸铁组织的综合影响。 可以看出，对于一些壁厚不均匀的铸件要求获得均匀一致的组织是比较困难的(见图 8.8)。 在铸铁的薄壁处，由于冷却速度较快，过冷度大，动力学条件有利于按照 Fe-Fe3C 亚稳系 转变成白口铸铁。为了获得组织均匀的铸件，往往通过孕育处理来防止白口或借助于热处 理来消除白口，以改善铸件性能。随着铸件壁厚的增加，石墨片的数量和尺寸都增大，铸 铁强度、硬度反而下降。这一现象称为壁厚敏感性。在实际生产中，一般是根据铸件的壁 厚(主要部位的壁厚)，选择适当的化学成分(主要指碳、硅)，以获得所需要的组织
金属学与热处理 7.0 60 珠光体+铁素体灰铸铁 细晶 ≥5.0 铁 光体灰铸 70 铸件壁厚mm 图87碳硅含量和冷却速度对铸件组织的影响 图88壁厚不均匀的铸件的组织 82常用铸铁 铸铁中的石墨形态、尺寸以及分布状况对性能影响很大。铸铁中石墨状况主要受铸铁 的化学成分及工艺过程的影响。通常铸铁中石墨形态(片状或球状)在铸造后即形成,也可 将白口铸铁通过退火,让其中部分或全部的碳化物转化为团絮状形态的石墨 821灰铸铁 灰铸铁是价格最便宜、应用最广泛的一种铸铁,在各类铸铁的总产量中,灰铸铁占80% 1.灰铸铁的片状石墨形态 石墨的晶体结构为六方点阵和层状结晶,如图89(a)、(b)所示,是一个由低指数面包 围的小面晶体,由铁碳溶液中析出的石墨,其可能的长大方向为A和C,如图89(c)所示。 在铸铁凝固过程中,石墨无论以何种方式生长,其最终形貌首先取决于石墨所处溶体的热 力学条件。在不存在硫等表面活性元素以及其他杂质的情况下,石墨的正常生长形态应该 是球状的,其生长方向是沿着垂直于基面A方向进行的。但是,当铁液中存在硫和其他表 面活性元素时,铁液与石墨的界面能在石墨的两个晶面上都减小,但在棱面上减小的较大, 结果使棱面界面低于基面界面能,石墨沿棱面的方向C生长成片状石墨 基面上碳原子间靠共价键结合,其结合力为419×105~5×105J/mol,结合力强;而基面 层与层之间则靠分子键结合,结合力只有419×103~8.35×10J/mol,结合力较弱,故石墨 的强度很低。由铁液中析出的石墨易形成片状,主要取决于石墨的晶体结构。基面上密排 的碳原子间键力已经饱和,而侧面上碳原子密度小,原子键力未饱和,容易吸收碳原子, 因而石墨沿侧向生长快,这也是石墨生长成片状的原因。铸铁中石墨的生长方式和最终形 貌还受到碳原子的扩散这一动力学因素的限制。在石墨的生长过程中,石墨两侧被奥氏体 包围,碳原子向石墨两侧的扩散受到严重阻碍,而石墨端部直接与铁液接触,能够不断地 得到碳原子的堆砌,生长很快,最终形成片状石墨 由于铸铁的碳当量一般都在共晶点附近,因此石墨往往并非孤立的长大成片状石墨 单晶体,而是作为共晶体的一部分与共晶奥氏体一起长大,呈现花瓣状的空间立体形态(见 图8.10)。在金相显微镜下,花瓣状的石墨呈细条状,每一细条石墨就是花瓣状石墨多晶集
·166· 金属学与热处理 ·166· 图 8.7 碳硅含量和冷却速度对铸件组织的影响 图 8.8 壁厚不均匀的铸件的组织 8.2 常 用 铸 铁 铸铁中的石墨形态、尺寸以及分布状况对性能影响很大。铸铁中石墨状况主要受铸铁 的化学成分及工艺过程的影响。通常铸铁中石墨形态(片状或球状)在铸造后即形成，也可 将白口铸铁通过退火，让其中部分或全部的碳化物转化为团絮状形态的石墨。 8.2.1 灰铸铁 灰铸铁是价格最便宜、应用最广泛的一种铸铁，在各类铸铁的总产量中，灰铸铁占 80% 以上。 1. 灰铸铁的片状石墨形态 石墨的晶体结构为六方点阵和层状结晶，如图 8.9(a)、(b)所示，是一个由低指数面包 围的小面晶体，由铁碳溶液中析出的石墨，其可能的长大方向为 A 和 C，如图 8.9(c)所示。 在铸铁凝固过程中，石墨无论以何种方式生长，其最终形貌首先取决于石墨所处溶体的热 力学条件。在不存在硫等表面活性元素以及其他杂质的情况下，石墨的正常生长形态应该 是球状的，其生长方向是沿着垂直于基面 A 方向进行的。但是，当铁液中存在硫和其他表 面活性元素时，铁液与石墨的界面能在石墨的两个晶面上都减小，但在棱面上减小的较大， 结果使棱面界面低于基面界面能，石墨沿棱面的方向 C 生长成片状石墨。 基面上碳原子间靠共价键结合，其结合力为 4.19×105 ～5×105 J/mol，结合力强；而基面 层与层之间则靠分子键结合，结合力只有 4.19×103 ～8.35×103 J/mol，结合力较弱，故石墨 的强度很低。由铁液中析出的石墨易形成片状，主要取决于石墨的晶体结构。基面上密排 的碳原子间键力已经饱和，而侧面上碳原子密度小，原子键力未饱和，容易吸收碳原子， 因而石墨沿侧向生长快，这也是石墨生长成片状的原因。铸铁中石墨的生长方式和最终形 貌还受到碳原子的扩散这一动力学因素的限制。在石墨的生长过程中，石墨两侧被奥氏体 包围，碳原子向石墨两侧的扩散受到严重阻碍，而石墨端部直接与铁液接触，能够不断地 得到碳原子的堆砌，生长很快，最终形成片状石墨。 由于铸铁的碳当量一般都在共晶点附近，因此石墨往往并非孤立的长大成片状石墨 单晶体，而是作为共晶体的一部分与共晶奥氏体一起长大，呈现花瓣状的空间立体形态(见 图 8.10)。在金相显微镜下，花瓣状的石墨呈细条状，每一细条石墨就是花瓣状石墨多晶集