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，以达到控制组 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 决办法。2.

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)表14铸铁的分类类别组织断口工程灰铸铁基体+片状石墨灰口结构球墨铸铁基体+球状石墨灰口件铸蠕墨铸铁基体+蠕虫状石墨（+少量球状灰口铁石墨）可锻铸铁基体+团絮状石墨生坯：白口退火后：灰口抗磨铸铁基体+渗碳体白口特种冷硬铸铁表层：基体+渗碳体表层：白口性能内层：基

3、体+石墨内层：灰口铸铁耐热铸铁基体+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2.2.1 铁一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，是研究合金结组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（FqC）相图。在一定条件下，Fe FqC 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-FqC为 亚稳定系相图（见图16）。vrn1700HA

4、 O 086图16 Fe C （石墨）、Fe FeC双重相图£悒驻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（FqC）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FeC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。2.2.2 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结晶过程结晶发生的

5、临界线结晶产物图标初析液相线以下析(1)氏体BC及BC线以下析出初生奥H /析出初生石屋 1 :>加汹浦4/ L*人、f t-+<i氏阶出初生(2)C' D'线以下析出初生石墨¥ / / /f / /段相(3)CD线以下析出初生渗碳体共晶阶段周相线 以下发 生共晶 转父(1) ECF线以下发生共晶转变，共品组织为共晶奥氏体+共晶渗碳体、排船鹏氏焯、_恒/亘图 L_y良(2)变，=E' C' F'线以下发生共品转共晶组织为共晶奥氏体+共晶石/1Fc-ffijC <''/田给奥氏*一柒林港破悻r墨共共析线(1) P

6、SK线以下发生共析转变，奥氏体转变为珠光体(渗碳体 +铁素析阶以下发生共析体)A !l昧析恢事悴+其折后 闸*普上(2)P' S' K'线以下发生共析转/ */K/蛛&段转发变，二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-F0c系中，共晶点C的成分是w (C) 4.30%o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，

7、共析点S'的成分为w(C) 0.69%; Fe-FeC 系中，共析点S的成分为w (C) 0.76%o在铁一碳相图中：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。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BC'

8、 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或丫表小uFcVffJR1与、式清期规F1S石墨卜播相拽,、aS bBlK/(4)在CD线以下析出初生渗碳体，用Fe3c表示(5)在C' D'线以下析出初生石墨，用G表小周相线(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，此线以下为周 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

9、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+共晶渗碳体可称 为高温莱氏体Ld,用公式表示为Ld=A+Fe 3c行事Hat相维、/力/ 7 F/Fe4cj( WtllHif排晶统】共品点C (C')共品临界点，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% / 共罪会二/共品点/4；4.J%C碳在奥氏体中的溶解曲

10、线ES与E' S线碳在奥氏体中的含量随温度降低而减少，当温度卜降时，沿着此线析出二次渗碳体（按ES线）或析出二次石墨（按E' S线）、S破在奥氏体中的溶解除幄即1&事）'一族尼奥氏悴中的溶M曲慢什AF口f ）7s共析线PS。P' SK'线（1）合金冷却至此线时发生共析 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P' S' K'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-FeC进行，高 温莱氏体（奥氏体+渗碳体）则变 为低温莱氏体（珠光体+渗碳体）， 低温莱氏体的表示公

11、式为L' d=P+Fe3c/ *“5/ X'Fefe3c共新嫌共析点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%日H明折推的如2.2.3 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

12、铸铁过共晶铸铁Fe-CFe-Fe3CFe-CFe-F&CFe-CFe-F&C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+共品渗碳体共晶奥氏体+共晶石墨共晶奥氏体+共品渗碳体共晶奥氏体+共晶石墨共晶奥氏体+共品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精选文档类别按Fe-C （石墨）稳定系结晶按Fe-FqC亚稳定系结晶亚共晶铸铁结晶过程”析出二次石墨I 相胡氏体断出粉脚力铁虢室温组织铁素体+石墨（共晶石墨+二次石墨+共析石墨）铁催W(C)V4：6i)铁海小

13、仃C43炉国液（析出初指IM生奥氏体铜汽帙液T国相体,1共鹊转共命奥氏体 热晶谭Of体多上析出二次措崔悻氏 作我折躅（共析转变）t珠光悻（帙素体+淮碟作）珠光体+莱氏体（珠光体+共晶渗碳体）十二次渗碳体过共晶铸铁结晶过程室温组织，一一 7折出初出二 1初生石墨剩余依水固相线，共晶转变）共的奥氏体 共热有星1析出二次石墨共析线I I挥析转变）I帙素体共析石品铁素体+石墨（初生石墨+共晶石墨+二次石墨+共析石墨）铁液（例0<430%）被相续| （析出析廊 |初生淮碳停利余帙而同相伐（共晶转变J |共晶奥氏体共帖淮硬体卜析出二淮碳体隔M1珠光体（帙素体/泮硬体1莱氏体（珠光体+共晶渗碳体）+渗

14、碳体（初生渗碳体十二次渗碳体）共结晶品过程铸铁铁液门（4 2blMI_ 固相坦I（共IM画 1共晶石暨共鼎奥氏体析出二次石果一1 共析跳 | L析转变）| 1帙索体共析石第铁液加<430%）I固一线I（一晶转变）I共晶港碳体共拈奥氏体析出二次渗碳悻二共折线（我析-mI珠光体（铁素体+活碳体）室温 铁素体+石墨（共晶石墨十二次石墨+莱氏体（珠光体+共晶渗碳体）十二次渗碳体组织共析石墨）表19 Fe-C （石墨）、Fe-FqC双重相图中的铸铁组织类别组织代号特征主要性能1.存在液相线之上的铁液为液相，是液碳与其他元素在铁中的无限液溶1.优良的流动性；液溶L体。2.流动性的高低与温度、成分有相

15、体2.在液、周线之间也有液体，但成分关。随温度而变化。1.石墨是铸铁中以游离状态存在的高碳,含碳量近乎100%。1.力学性能低:Rm<20 MPa,硬度石2.按化学成分与温度不同，石墨有初碳墨G析石墨、共晶石墨、二次石墨和共3 HBW,无塑性；相析石墨。2.减振好，耐磨性优良。3.石墨的形态后片状、球状、蠕虫状、团絮状。渗碳体Fe3c1 .铁和碳的化合物，碳的质量分数为 6.69%。2 .按化学成分与温度/、同，有初生渗 碳体、共晶渗碳体、二次渗碳体及 共析渗碳体。3 .渗碳体是不稳定的化合物，在一定 的温度条件卜可转变成铁素体 +石 墨，更图温度时乂可变为奥氏体+石 墨。1性能硬、脆：

16、硬度 8001 000HBW,塑性与韧性近为零；2.强度低：Rm为2050 MPa1.按Fe-FeC系共品转变的共晶组织，为渗碳体与奥氏体的共晶体，莱称为高温莱氏体。1.具后图的耐磨性;氏Ld2.冷却至共析温度以下，按 Fe-FeC2性硬、脆，冲击韧性低，易脆体转变，奥氏体转变为珠光体，形成裂。基珠光体+渗碳体，称为低温莱氏体。1.碳在rFe中的固溶体，面心立力晶体格，1 147c时最大的溶碳量是1.具有良好的塑性与强度，奥2.14%。Rm=400 800 MPa, A=40 % 氏A ( Y)2.为铸铁的高温组织，存在于72/150%。体147 C之间，只有Mn、Ni含量足够2.有f的硬度1

17、60200 HBWo时，才可能出现室温下的奥氏体铸铁。3.等温淬火时也会有约 30%的富碳奥氏体。珠光体P1 .铁索体与渗碳体组成的机械混合 体，碳的质量分数为0.76%。2 .是过冷奥氏体在共析转变时形成 的共析组织。3 .共析转发时的过冷度不同，nJ形成 片状珠光体、细片状珠光体 （索氏 体）、极细片状珠光体（托氏体），通过 热处理可获得粒状珠光体。1 .具有较高强度与硬度，Rm 二400800 MPa,硬度 175330 HBW。2 .塑性、韧性优于渗碳体，A=10% 25%。铁素体行）1.在在a-Fe中的固溶体，体心立方 品格。2.727 C时最大溶碳量（质量分数） 为 0.034%。

18、3.因生成条件不同，其形态有等轴晶 粒状、破碎状、牛眼状、网状和针 状。1 .具有良好的塑性与韧性，A=25 % 60%。2 .强度与硬度稍低，Rm =200400 MP?硬度 70150 HBWo表20铁、碳相图中不出现的铸铁中的 6个组成相名称铸铁中存在的原由特性奥氏体热处理时形成的组织1.加热至奥氏体化区域并保温，后在250400 C冷却并保温，使过冷奥氏体等温分解形成针状铁素体 +高碳奥氏体。2.该组织存在于等温淬火球墨铸铁中，该铸铁具有高强度，高硬度与韧性马氏体热处理时形成的组织1 .加热至奥氏体化区域并保温，后在 250 C以下冷却，进行 无扩散转变而形成马氏体组织，实质上是过饱和

19、a -Fe固溶体， 具有很高的硬度与耐磨性。2 .马氏体的塑性、韧性极低，可通过/、同的回火获得回火马 氏体、回火托氏体、回火索氏体，从而得到/、同性能的铸铁。晶界共晶物硫共晶铸铁为多元素的铁碳合金，铸铁中含有S1 .当铸铁中Mn较低时，S以FeS的形式形成Fe-FeS的二元硫共品（熔点985 C）,当冷却速度大时，则形成 Fe-FeC-FeS三元硫共品（熔点975 C）。2 .硫共晶在晶界上析出.易产生热裂并影响力学性能。磷共晶铸铁中含有P1 .P以二元或二元磷共晶存在于晶界，能使铸铁韧性降低、脆性增加，二元磷共晶为Fe-FeP （熔点1 050 C）,三元磷共晶为 Fe-FeP-Fe3c

20、（熔点 953 C）。2 .有利于提高耐磨性能碳化物铸铁中含有Mn、Cr、V、Ti、Mo 等合金元素1 .碳化物是碳与一种或多种合金元素形成的化合物，如（Fe,Mn） 3C、（Fe, Mn, Cr） 3c 等。2 .常分布于品界，影响力学性能，但在抗磨铸铁中则显著提局耐磨性。非金属夹杂物在铸铁熔炼时的冶金反应中所形成的化合物1 .非金属夹杂物系指除石墨、基体、碳化物、磷共品、硫共 品以外的组成物，按其成分有氧化物、硫化物、硅酸盐、氮 化物及由其组成的多元素的复合化合物。2 .多沿晶界分布，降低力学性能、疲劳强度及流动性。2.3 铁碳相图对铸铁生产的指导意义2.3.1 利用相图的双重性控制铸铁的

21、结晶过程在熔炼孕育铸铁时，必须通过化学成分等措施将原铁液全部或部分按FeFqC系结晶，形成白口或麻口，然后通过孕育手段，使其按Fe-C （石墨）系结晶。在共晶转变时变成奥氏体+石墨，不允许出现渗碳体；而可锻铸铁在共晶转变时必须控制铁液按Fe Fe3C 系结晶，即在共晶转变时，形成莱氏体，变成奥氏体 +渗碳体，不允许出现石墨。当需要珠光体基体的铸铁时， 可以通过在铁液中加反石墨化元素如Cr、 Sb、Sn、 Cu 等，使铸铁在共析转变时按Fe Fe3C 系结晶，形成珠光体基体。如果要获得铁素体基体，则通过对铸铁中C、Si含量的控制，使铸铁在共析转变时按Fe-C （石墨）系结晶，形成铁素体基体。2.

22、3.2 通过对三阶段结晶的控制，获得需要的组织与性能（ 1）在熔制高强度灰铸铁时，必须采用含C 量较低的亚共晶铸铁，添加某些合金元素增加 Si/C 比及进行孕育处理，是为了：在初析阶段析出更多粗大的奥氏体，有利于提高强度；使共晶转变时变Fe-FqC系结晶为Fe C （石墨）结晶，不出现渗碳体，以免影响力学性能与加工性能；在共析转变时按Fe- FqC系进行，形成珠光体基体。（2）在熔制可锻铸铁时，要选择比高强度灰铸铁更低的C、Si量，确保铁液结晶时全部为白口，不得有麻口和灰点，即铁液在共晶与共析转变时全部按Fe Fe3C 进行，在初析阶段析出初生奥氏体， 在共晶阶段形成奥氏体+渗碳体，在共析阶段

23、奥氏体全部变为珠光体， 室温的组织是珠光体+渗碳体。 如果控制不好，有片状石墨存在，将严重影响退火时的石墨，可见控制铸铁按铁碳双重相图中哪一系统结晶十分重要。值得指出的是，可锻铸铁中也加孕育剂，但是加的是复合孕育剂，即BeTe、Sb等元素在共晶转变时反石墨化，确保其白口； Al、B、Si、Ba、Sr、Ti等 元素在退火时促进石墨化，缩短退火时间。(3)熔制球墨铸铁和蠕墨铸铁时，它们的原铁液在共晶转变时都是按Fe一C (石墨)系结晶，铸态为灰口，因为它们的碳当量很高，白口倾向极小；但 是其原铁液经过球化或蠕化处理以后，则按 Fe FqC系进行共晶转变，全部为 白口，因为Mg、RE都是强烈反石墨化

24、的元素，促使铁液按 Fe-FqC系结晶。对球化或蠕化后的铁液再进行孕育处理，则孕育后的球化铁液或蠕化铁液 则按Fe-C (石墨)系结晶，全部变为灰口，因为孕育剂强烈促进石墨化，促使 铁液按Fe-C (石墨)系进行结晶。因此，将球化、蠕化的变质处理及而后的孕育处理与铁一碳双重相图相联 系，则对残余Mg量为什么要低，对孕育要确保薄壁处不出现游离渗碳体这些问 题，就有了更理性的认识；从而对生产中为什么要尽量减少球化剂以减小白口 与缩松倾向，尽量采用瞬时孕育消除游离渗碳体等，有了更深刻的认识。2.3.3 控制碳当量与共晶度，选择所需铸铁的种类(1)碳当量铸铁中存在多种合金元素，这些合金元素对共晶点碳量

25、的增减是有影响的。 将各元素的量折算成碳量的增减，增减后的碳量称之为碳当量。在生产实践中， 碳当量计算时只考虑Si、P的影响，计算的方式是将Si、P折算成碳量，再加上 铸铁的实际碳量，则为碳当量，用 CE表示，其计算公式为：w(C)+: | w(Si)+M(P) |式中C、Si、P皆为铸铁中实际C、Si、P的质量分数（）。将碳当量（CE）与铁一碳相图共晶点含碳量（4.26%）相比较，可判断该成 分的铸铁偏离共晶点的程度：CE=4.26%的铸铁，称为共晶铸铁；CE<4.26%的铸铁，称为亚共晶铸铁；CE>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

26、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 &表示，其计算公式为：*舁吧，式中："（C ' 4.26-1w （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 为铸铁共晶点在稳定系时的 w （C）量，（）;w （S）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的高低可判断铸铁偏离共晶点的程度，以此将铸铁分类：0=1,称共晶铸铁；Sc>1 ,称过共晶铸铁；&<1,称亚共晶铸铁。生产中常根据CE的

27、高低、SC的大小来推断铸铁力学性能的高低、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2.4.1 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高低列在铁一碳相图上，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KTZ470-04,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%。球悔住QI&#

28、171;00-J可胃幡蛾 KTZ470-IH修品傅铁2.0 工， 23.5 4A 43 5巾图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、HT150与可锻铸铁 KTZ470-04是亚共晶铸铁,HT100、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，HT150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

29、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QT600-3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

30、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碳相图实用价值的一个侧面。2.4.2 铁碳相图与铸铁的铸造性能（ 1）铁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。这三种铸铁在铁碳 相图上的位置如图 18所示。球鹏饰铁共晶铸铁低碳当量球100 - FIWK 1147c2,53.035凝固方式对铸件质量的影响铸铁的凝

31、固与-总1 瓢周牌H宏UffimS燃第，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特性1 .液相线与固相线重 合，无凝固区。在凝 周前沿，固相与液相 界面清楚。流动性极 好，即使在晶间由于 凝固收缩而形成的空 问，也易被液态金属 充填，铸件致密性好。2 .凝固由表面逐层凝对铸件质量的影响1凝固前沿平整，流动 性好，凝固收缩时易 得铁液补缩。3 .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

32、使铁液对 枝晶问、共晶团晶界 间剩余铁液的凝固收球墨铸铁（糊状凝固）周直至中心，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。缩进行补缩，故缩松、晶间裂纹及热裂等缺陷很少发生。整固中期2疑固后期1液、固线间距大，凝 周开始线与凝固终了 线相距甚远。2.凝固与结晶不是从 表面开始，而是在整 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，表面不 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

33、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。低碳当里亚共晶铸铁（中间凝固）秘因中期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 周倾向越大。3.凝固初期为层状凝 周，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，使品间补 更更加困难，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

34、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。流动性高低取决于两个因素：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。1246图20相同浇注温度下流动性和含1153 r200100I匚N1)19相同过热度下铸铁含碳

35、量图与流动性的关系4J5OD 1400 1300jooo3.茹斐由图可知，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： 亚共晶铸铁一一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

36、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。收缩率(%)w(C)(%)一浇注温度 依-浦相线温度 U-固相成温度同态收缩凝固收缩 液态收缩图21铸铁收缩三阶段示意图表22铸铁三个阶段的收缩特性类别收缩阶段阶段范围影响收缩的因素对铸件产生的后果1.相同碳当量下，浇注温度越高，'液态收缩越人，1.浇注温度局，液态收缩体液态浇注见卜表。增大，易产生缩孔。收至液浇注温度/C1 3001

37、 4002.浇注温度局，液态收缩收缩液相线温度/C1 2501 250缩相线过热度/C501 50大，需补缩的铁液增多，体收缩()0.92.42.相同浇注温度卜亚共晶铸铁含碳量越高，液态增加铸铁成本。收缩越大。对于亚共晶灰铸件，每增加 w (C)量1%,液相线温JT下降 90 C;也即过热度增加90 C,液态收缩随之增加。下表为浇注温度为l400 C时，不同w (C)量铸铁的液态收缩。3 .高温出炉，低温浇注是 一个总的原则，在M、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 .浇注温度的确定需考 虑铸件碳当量的高低， 低碳当量浇温高，高碳 当量浇温低。w (C)

38、 (%)2.02.53.03.54.0:液态收缩(%)0.7P 1.52.43.54.7体收缩凝固收缩液相线至周相线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，因后石墨化而发生膨胀， 此膨胀可抵消部分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，故凝固收缩人于灰铸铁，但凝固收缩随w (C)量增加而减少的规律是 与灰铸铁相RJ的。卜表是白口铸铁与灰铸铁的硼 周收缩率(% )o1 .凝固收缩越大，其形成 的铸造应力也越大，热 裂倾|可也越大。2 .碳当量足够时，石墨化 膨胀能

39、充填品间铁液收 缩时形成的孔洞，这种“自补缩”是灰铸铁的 优点之一。3 .凡是能提司灰铸铁石 墨化能力的因素，皆可 减少凝固收缩与热裂倾 向，在所有减少收缩的 因素中，碳当量是最主 要的。高碳当量、高强w(C) (%)2.02.53.03.54.0:白口铸铁5.14.164.23.73.3灰铸铁4.32.81.40.1-1.53.实践证实：铸铁的CE<3.6%时，只有收缩；大于3.6%时，才出现膨胀。CE度铸铁是最佳选择。线固态周相l.固态收缩时的线收缩，随 w (C)、w (Si)量减少而增大，反之灰铸铁石墨化程度越大，固态收缩越小。卜表为壁厚40 mm灰铸件的线收缩。1.铸铁碳当量越

40、低，固态收缩越大，铸造应力越大。收线至w (C+Si) (%)5.35.14.94.74.5收缩线收收缩(%)0.951.101.151.251.302.铸造应力是造成铸件变形与裂纹的主要原因。缩室温2.冷却速度慢，共析转变时析出的石墨形成二次石墨膨胀，故铁素体基体铸铁的线收缩小于珠光体基体铸铁。由铁一碳相图可知：在同样浇注温度下，离共晶点越近，液态收缩越大， 易产生缩孔缺陷。这就是为什么要降低浇注温度的原因。铸铁离共晶点越远，凝固收缩越大，易产生缩松缺陷，原因是液、固线距 离大，补缩困难，石墨数量少，石墨化膨胀小，抵消凝固收缩作用小。这就是 为什么要提高碳当量及加强孕育促进石墨化的原因。铸铁

41、的收缩与铸造应力有着密切的关系，随着收缩的加大，铸造应力随之 加大。了解了这一点，就可以解释为什么不少企业用低碳当量高强度铸铁生产 的灰铸铁件产生缩松或缩裂、铸造应力大、尺寸精度稳定性差的原因了，这在 机床铸件上显得尤为突出。2.5由一碳相图与冷却速度上面讨论的铁一碳相图与铸铁力学性能、铸造性能的关系，实际上就是铸 铁成分(碳当量)即铸铁在铁一碳相图中的位置对铸铁性能的影响；但是，在 实际生产中，相同成分下的铸铁，由于冷却速度不同，得到的组织也不同，从 而对其力学性能也起着一定的影响作用。冷却速度影响铸铁共晶转变与共析转变的实质原因是：冷却速度快，按 Fe 一FqC进行；冷却速度慢，按 Fe-

42、 C进行。2.5.1 过冷度与冷却速度铸铁在凝固结晶时，其结晶的温度总是低于相图上的结晶温度，铸铁的实 际结晶温度与相图上结晶温度的差值被称为过冷度，其单位是C。冷却速度是指铸型散热能力的大小，散热速度快，则铁液在单位时间内温 度下降快。冷却速度的单位是C /min。因此，过冷度与冷却速度不是一个概念，但却有一定关系。即冷却速度越 大，过冷度也越大。生产中指的过冷度是绝对过冷度，不可与相对过冷度混淆。表23为不同铸型材料的冷却速度，表 24为冷却速度与过冷度的关系。表23不同铸型材料的冷却速度试棒直径/mm平均冷却速度/ C - min-1预热型(250300 C)干砂型湿砂型金属型309.1

43、12.020.5353000.51.21.72.3表24冷却速度与共晶过冷度的关系冷却速度/ C - min-1165697158319383共晶过冷度/ C820273644462.5.2 铸铁的冷却曲线图22为亚共晶灰铸铁的冷却曲线。图中Tgl为初生奥氏体析出的温度；Ten为共晶开始成核温度；Teu为共晶开始成长温度；Ter为共晶凝固最高温度，称共 晶平台；ATkTen Teu,为绝对过冷度； 丁2二丁"一Teu,为相对过冷度；Ts为 凝固结束温度。MC)(%)时间P施图22亚共晶灰铸铁的冷却曲线2.5.3 冷却速度对铸铁共晶转变的影响表25显示了过冷度从小到大时，铸铁共晶组织发

44、生变化的过程表25过冷度对铸铁共晶组织的影响类别特征冷却曲线共晶组织灰口铸铁1 .过冷度不大，过冷 度 T在Fe-F&C共 晶线tEM之上。2 .teu、ter、tes 皆在 Fe-C（H墨）与 Fe-FeC 两共晶线之间，结晶 过程全部在两共品 线之间完成，组织为 灰口。奥氏体+石墨在此范围内，随着过冷度增力口，石墨逐渐由A型一B型 一D、E型转化，同时，石墨 化作用减弱，石墨数量减少， 石墨细化，共品团数量增加。，川 Ft-FeXMM蚱m-灰铸铁冷却曲线tEGFe-C （石墨）共日日线tEMFe-FeC共日日线tes凝固终了温度麻口铸铁1 .过冷度较大，过冷度AT降到Fe-FeC

45、线下，共晶初期结晶 为白口组织（莱氏 体），随后升至 Fe-FC共晶 线以上结晶，结晶后 期为灰口组织。见图（a）所 示。2 .麻口另一种情况是 先期在两晶线之间 结晶，结晶为灰口组 织；而结晶后期在沁"门口融因'标出0（化武时闽一时M-（a）（b）麻口铸铁冷却曲线1 .奥氏体+渗碳体+石墨2 .奥氏体+石墨+碳化物Fe-FeC共晶线以下 进行，即结晶终了在 tEM之下，形成碳化 物。故结晶后期为白口组织，如图（b）白口铸铁在更大的过冷度卜，结晶全部在 Fe-FeC 共晶线tEM以下进行， 冷却曲线中的teu、ter、 tes皆在Fe-F&C的共 晶线tEM之下，共晶

46、 组织全部为白口的 莱氏体组织。.| II时间一白口铸铁冷却曲线莱氏体（奥氏体+渗碳体）由表25可知，过冷度是影响铸铁组织的主要因数。过冷度越小，越不易出现渗碳体。在生产中，未孕育的球化、蠕化及高强度灰铸铁铁液的白口倾向非常大，采用孕育处理的方法来降低其过冷度，使其在共晶转变时按Fe-C （石墨）系结晶，即不产生渗碳体。过冷度越大，越易产生白口组织，因此，在生产中，常采用快速冷却和加入反石墨化元素等方法，增大过冷度，使其在共晶转变时，按Fe- FqC系结晶， 不出现石墨而全部为莱氏体组织，以此来生产白口铸铁、轧辐、冷硬铸铁等。有的企业还用孕育前后的过冷度比来控制铸铁质量。2.5.4 冷却速度对共析转变的影响随着冷却速度的加大，共析转变的组织发生如下变化：铁素体-珠光体+铁素体一珠光体一细片状珠光体，使强度和硬度随着基体组织的变化而相应提高冷却速度对组织的影响在生产中有着重要的指导意义，表26为影响铸件冷