第2章 灰鑄鐵[學習分享]

1、第二章 普通灰鑄鐵第一節(jié) 鐵碳雙重相圖合金相圖是分析合金金相組織的有用工具。鑄鐵是以鐵元素為基的含有碳、硅、錳、磷、硫等元素的多元鐵合金，但其中對鑄鐵的金相組織起決定作用的主要是鐵、碳和硅，所以，除根據(jù)鐵碳相圖來分析鑄鐵的金相組織外，還必須研究鐵碳硅三元合金的相圖。一、鐵碳相圖的二重性從熱力學的觀點看，在一定的條件下，高溫時的滲碳體能自動分解成為奧氏體和石墨，這表明滲碳體的自由能較高，亦即在這個條件下一定成分的鑄鐵以奧氏體和石墨的狀態(tài)存在時具有較低的能量，是處于穩(wěn)定平衡的狀態(tài)，說明了奧氏體加滲碳體的組織，雖然亦是在某種條件下形成，在轉(zhuǎn)變過程中也是平衡的，但不是最穩(wěn)定的。從結(jié)晶動力學（晶核的形成

2、與長大過程）的觀點來看，以含C 4.3% 的共晶成分液體在低于共晶溫度的凝固為例：在液體中形成含C 6.67% 的滲碳體晶核要比形成含C 100% 的石墨核容易，而且滲碳體是間隙型的金屬間化合物，并不要求鐵原子從晶核中擴散出去。因此，在某些條件下，奧氏體加石墨的共晶轉(zhuǎn)變的進行還不如萊氏體共晶轉(zhuǎn)變那樣順利。至于共析轉(zhuǎn)變，也可以從熱力學、動力學兩方面去分析而得到和上面相似的結(jié)論。由此可見，從熱力學觀點上看，F(xiàn)eFe3C相圖只是介穩(wěn)定的，F(xiàn)eC（石墨）相圖才是穩(wěn)定的。從動力學觀點看，在一定條件下，按FeFe3C相圖轉(zhuǎn)變也是可能的，因此就出現(xiàn)了二重性。二、鐵碳雙重相圖及其分析對鑄鐵合金長期使用與研究的

3、結(jié)果，人們得到了如圖21所示的鐵碳合金雙重相圖，即FeFe3C介穩(wěn)定系相圖與FeC（石墨）穩(wěn)定系相圖，分別以實線和虛線表示。表21為圖中各臨界點的溫度及含碳量。圖 2-1 鐵碳相圖G石墨 Fe3C滲碳體表21 鐵碳相圖各臨界點的溫度、成分從這里看出，在穩(wěn)定平衡的FeC相圖中的共晶溫度和共析溫度都比介穩(wěn)定平衡的高一些。共晶溫度高出6，共析溫度高出9，這是容易理解的。如圖22的示意圖所示，共晶成分的液體的自由能和共晶萊氏體(奧氏體加滲碳體)的自由能都是隨著溫度的上升而減低的，這二條曲線的交點就是共晶溫度Tc。已知穩(wěn)定平衡的奧氏體加石墨兩相組織的自由能總是比萊氏體的低些，即這條曲線一定在萊氏體曲線的

4、下方，因而它和液體曲線的交點Tc(表示穩(wěn)定系的共晶溫度)就一定比Tc高些。關(guān)于共析轉(zhuǎn)變溫度問題，亦與共晶溫度的討論相似。圖22 鑄鐵中各種組成體的自由能隨溫度而變的示意圖由于共晶轉(zhuǎn)變和共析轉(zhuǎn)變都是恒溫轉(zhuǎn)變，所以穩(wěn)定平衡相圖中的共晶線ECF要和BC線交于C，與JE線交于E。顯然C和E的含碳量(分別為4.26%及2.10%)就要比C、E的(分別為4.30%及2.14%)低些;穩(wěn)定平衡共析線PSK要和GS線交于S，其含碳量(0.69%)要比S(0.760%)低些，和GP線交干P，其含碳量比P點(0.034%)略低，可以略而不計。因此，ECF、ES、PSK各線由于轉(zhuǎn)變溫度較高，含碳量較低，就分別落在E

5、CF，ES和PSK的上方或左上方。石墨的熔點D高達4000左右，所以CD線亦在CD線的左上方。分別把這些線段畫在FeFe3C相圖上，就構(gòu)成了雙重相圖。在共晶溫度時和石墨平衡的奧氏體中的合碳量(相當于E)比和滲碳體平衡的奧氏體中的合碳量(相當于E) 亦要低些。在鑄造生產(chǎn)實際中，經(jīng)常會碰到這樣的問題：用相同化學成分的鐵液，澆注不同壁厚的鑄件時，或用冷卻速度不同的鑄型時，會得到灰口或白口斷面的鑄件，這和雙重相圖有何聯(lián)系？簡要地說，這是由于冷卻速度不同而導(dǎo)致共晶凝固溫度的高、低不同所致，如在Tc以下，Tc以上凝固時，一般可得灰口，如過冷至Tc以下凝固時，則有可能進行奧氏體加滲碳體的結(jié)晶(形成白口斷而)

6、。這樣就把雙重相圖和生產(chǎn)實際問題聯(lián)系起來了。另外，除冷卻速度外化學成分對鑄鐵組織的形成亦會發(fā)生很大的影響，其中尤以硅(除碳以外)的影響為最大，因此，必須要使用Fe-C-Si三元相圖才能解釋，但為簡便計，常用三元相圖的等硅切面圖分析問題。三、鐵一碳一硅準二元相圖鑄鐵中硅的含量一般在0.8%3.5%的范圍內(nèi)變動(特殊鑄鐵除外)。目前還是常用一定含硅量的鐵一碳一硅三元垂直截而圖來分析鑄鐵中碳、硅含量對結(jié)晶過程和組織的影響。在鐵一碳一硅三元合金中，高碳相亦有可能以石墨和滲碳體兩種形式出現(xiàn)，相應(yīng)地就有鐵一石墨一硅和鐵一滲碳體一硅兩種準二元相圖。圖2-3為不同硅量的鐵一石墨一硅準二元相圖。對比FeG和Fe

7、GSi準二元相圖，硅的作用有如下各點：1) 共晶點和共析點含碳量隨硅量的增加而減少。鐵一石墨二元共晶合金含C4.26%，共析合金含C 0.69%，在三元系中含Si2.08%時，其共晶和共析點含碳量則相應(yīng)為3.65及0.65%左右；含Si4.2%時則相應(yīng)為3.15%及0.6%左右。E點的合碳量也隨著硅的增高而減少，亦就是碳在液體共晶合金以及奧氏體固溶體中的溶解度減少了。2) 硅的加入使相圖上出現(xiàn)了共晶和共析轉(zhuǎn)變的三相共存區(qū)(共晶區(qū)：液相、奧氏體加石墨；共析區(qū)：奧氏體、鐵素體加石墨)。這說明鐵一碳一硅三元合金的共析和共晶轉(zhuǎn)變，不象鐵碳二元合金那樣在一個恒定的溫度完成，而是在一個溫度范圍內(nèi)進行，并且

8、共析轉(zhuǎn)變溫度范圍隨著硅量的增加而擴大。 3)共晶和共析溫度范圍改變了，硅對穩(wěn)定系和介穩(wěn)定系的共晶溫度的影響是不同的。隨著含硅量的增加，兩個共晶溫度的差別擴大，即含硅量越高，奧氏體加石墨的共晶溫度高出奧氏體加滲碳體的共晶溫度越多。由于硅的增高，共析轉(zhuǎn)變的溫度提高更多，因此，有利于鐵素體基體的獲得。 4)硅量的增加，還縮小了相圖上的奧氏體區(qū)。硅量超過10%以后，奧氏體區(qū)趨于消失。這對研究高硅耐酸鑄鐵的凝固過程及組織有參考意義。以上各點，對分析鑄鐵的凝固過程、組織形成以及制定熱處理工藝，都有實際意義。四、碳當量和共晶度的意義及表達式根據(jù)各元素對共晶點實際碳量的影響，將這些元素的量折算成碳量的增減，謂

9、之碳當量，以CE表示，為簡化計算，一般只考慮Si、P的影響，因而CEC十13(Si十P)，將CE值和C點碳量(4.26%)相比，即可判斷某一成分的鑄鐵偏離共晶點的程度。如CE4.26%為過共晶成分，CE4.26%為共晶成分，CE4.26%為亞共晶成分。鑄鐵偏離共晶點的程度還可用鑄鐵的實際合碳量和共晶點的實際含碳量的比值來表示，這個比值稱為共晶度，以Sc表示。式中 C鐵鑄鐵實際含碳量(%)； Cc 一一穩(wěn)定態(tài)共晶點的含碳量(%); Si、P 鑄鐵中硅、磷含量(%)如Scl為過共晶、Sc1為共晶、Sc 1。三、提高灰鑄鐵性能的主要途徑 為提高灰鑄鐵的性能，常采用：合理選定化學成分、孕育處理、微量或

10、低合金化。根據(jù)要求，各種措施還可同時采用。（一）合理選定化學成分提高硅碳比。對于灰鑄鐵來說，碳當量增高，性能降低。在碳當量較低時，適當提高硅碳比，強度性能會有所提高，切削性能有較大改善，但縮松、滲漏傾向可能會提高。（二）孕育處理把孕育劑加入鐵液中，以改變鐵液的冶金狀態(tài)，從而改善鑄鐵的組織和性能，而這種改變往往難以用化學成分的細微變化來解釋。（三）低合金化向一定成分的普通灰鑄鐵中加入少量合金元素，是提高灰鑄鐵力學性能的另一個有力手段。四 孕育鑄鐵的生產(chǎn)技術(shù)1 孕育的目的l 促進石墨化，減少白口傾向；l 改善斷面均勻性；l 控制石墨形態(tài)，減少過冷石墨，獲得細小的A型石墨；l 增加共晶團數(shù)量；l 改

11、善力學性能和其他性能；2鑄鐵的強度范圍：HT200以上牌號均需要孕育處理；3 孕育鑄鐵的原鐵水化學成分要求：孕育前應(yīng)具有一定過冷傾向，組織應(yīng)為馬口組織，孕育后鑄件凝固時完全進入灰口區(qū)。因此，原鐵水的含碳量2.8-3.2，含硅量取1.5%。如果原鐵水的碳當量過高，孕育后石墨粗大，降低力學性能。如果碳當量太低，鑄造性能不好。含錳量較高0.8-1.2%。4 孕育劑及孕育處理方法(1)常用的孕育劑名稱性能特點使用范圍備注硅鐵孕育速效，1.5min內(nèi)達到峰值，810min衰退；減少過冷和白口傾向，增加共晶團數(shù)，有利于形成A型石墨；強度可以提高1020Mpa。大量適用于HT200以上的牌號，價格便宜鋇硅鐵

12、比硅鐵有更強的增加共晶團數(shù)和改善斷面均勻性的能力；抗衰退能力強，孕育效果可達到20min。各種牌號的灰鑄鐵，尤其是大型壁厚件及澆注時間長的條件；價格貴，比硅鐵高出2535鍶硅鐵減小白口能力比硅鐵高出3050，斷面均勻性和抗衰退能力比硅鐵好，特別是，在減少白口的同時，不增加共晶團數(shù)，有利于減少縮松；易溶解，夾渣少。適用于薄壁件，尤其是不希望有高的共晶團數(shù)，對縮松滲漏有要求的鑄件。價格高(2)孕育方法包內(nèi)沖入法將孕育劑加入包內(nèi)，然后沖入鐵液。其特點是工藝簡單，但是孕育劑易氧化，孕育劑易漂浮，吸收率低，孕育劑容易與夾渣裹在一起，使孕育劑渣化，衰退嚴重。出鐵槽孕育出鐵時，用手工或孕育劑料斗，將孕育劑加

13、在出鐵槽鐵水流中。其特點是較包內(nèi)孕育孕育劑的氧化減輕，用量相對減少，澆注前鐵液停留時間長，孕育衰退。澆杯孕育把孕育劑放在澆杯內(nèi)，鐵液倒入澆杯，孕育劑溶解后進入鑄型。其特點是孕育衰退減輕，孕育劑用量少；但是，增加了造型工作量，孕育劑顆粒易漂浮。 硅鐵棒孕育澆注時，通過鐵液流對包嘴處的硅鐵棒沖刷來達到孕育。其特點是衰退少，孕育劑用量大大減少，但是硅鐵棒制作麻煩，孕育劑用量不易控制，對較注工藝要求高。大塊浮硅孕育將大塊孕育劑放在包內(nèi)，沖入鐵液使孕育塊邊熔邊浮，出鐵完畢時，鐵液表面仍有1415的硅鐵塊，或包內(nèi)沖入后，在鐵液表面再撒一層硅鐵粒。其特點是鐵液表面富硅，澆注時與低硅鐵液一同進入鑄型，衰退少，

14、操作簡單，減少硅鐵的破碎。但是硅鐵塊度要和鐵液溫度、鐵水包的容量相匹配；孕育劑消耗量大。如圖所示孕育絲孕育把孕育劑放在空芯金屬管內(nèi)，采用喂絲機精確給料，均勻送入澆口杯。其特點是孕育劑用量少（0.08以下），無孕育衰退，孕育劑加入量準確。但是，孕育絲成本高，要求喂絲系統(tǒng)控制可靠。鐵液流孕育利用重力或氣動或振動把孕育劑加入到正在澆注的鐵液流中。其特點是孕育劑用量可減少到0.1%以下，無衰退，這種方法一般用于生產(chǎn)線的澆注機上。 型內(nèi)孕育把孕育塊放在澆注系統(tǒng)內(nèi)，鐵液進入型腔時杯孕育。其特點是孕育均勻，無衰退，孕育劑用量可減少至0.05-0.1%。要求孕育塊均勻連續(xù)熔化，容易產(chǎn)生渣孔。 4 孕育效果的評

15、價（1）常規(guī)方法：觀察三角試片的白口寬度。一般尺寸為2550150mm，參考數(shù)據(jù)牌號原鐵水白口寬度mm孕育后白口寬度mm二者之比HT250410261.5:1HT300810492:1HT35012245102.5:1HT40016286123:1注意：l 浸水冷卻時要注意采用間斷浸水；l 孕育前的白口寬度小于鑄件的主要壁厚；l 孕育后的白口寬度大于鑄件最小壁厚的12；l 孕育后白口寬度過大，需要補加孕育劑；l 孕育后白口寬度過小，需要穩(wěn)定珠光體的元素；（2）觀察共晶團數(shù)：利用金相顯微鏡觀察，多用于實驗室研究。（3）測量過冷度：利用熱分析方法測定。（詳細論述其原理及應(yīng)用注意事項） 5 生產(chǎn)孕育

16、鑄鐵的注意事項：l 孕育劑使用前要烘干，防止吸潮；或者孕育劑不能放在潮濕地方，防止粉化；l 禁止使用純硅做孕育劑；純硅孕育效果非常差，必須含有少量的鋁、鈣等元素；但是孕育劑中的含鋁量不能太高，否則易產(chǎn)生皮下氣孔。l 孕育處理要講究方法；l 出鐵溫度要大于1450；l 孕育劑粒度不宜過粗或過細；與處理的鐵水量和溫度有關(guān)，一般小于0.5噸，粒度取13mm；瞬時孕育時，粒度0.22mm；粉狀孕育劑不能用；l 注意孕育劑種類的選用；如表所示；l 孕育后防止衰退，在15min以內(nèi)澆注完畢；第二章 普通灰鑄鐵第一節(jié) 鐵碳雙重相圖1一、鐵碳相圖的二重性1二、鐵碳雙重相圖及其分析1三、鐵一碳一硅準二元相圖4四

17、、碳當量和共晶度的意義及表達式4第二節(jié) 灰鑄鐵的結(jié)晶過程5一 鑄鐵的一次結(jié)晶過程5（一）初析石墨的結(jié)晶5（二）初析奧氏體的結(jié)晶5（三）共晶凝固過程6（四）片狀石墨的種類7二、二次結(jié)晶8（一）奧氏體中碳的脫溶8（二）共析轉(zhuǎn)變9（三）貝氏體的形成9（四）馬氏體的形成9第三節(jié) 灰鑄鐵金相組織和力學性能特點9一 灰鑄鐵的金相組織特點9二 灰鑄鐵的性能特點10（一）強度性能較差10（二）硬度特點10（三）較低的缺口敏感性10（四）良好的減震性10（五）良好的減摩性10第四節(jié) 工藝因素對鑄鐵組織和性能的影響10一 冷卻速度的影響11二、化學成分的影響11（一）各元素在鑄鐵中存在得狀態(tài)11（二）常見元素對鐵碳相圖上共晶溫度的影響12（三）化學成分對石墨的影響12（四）各元素對金屬基體的影響13（