1、182 铁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。2.1 铸铁的分类铸
2、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） 灰口工程结构件铸铁 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19冷硬铸铁
3、 表层：基体+渗碳体内层：基体+石墨 表层：白口内层：灰口耐热铸铁 基体+片状或球状石墨 灰口性能铸铁耐腐蚀铸铁 基体+片状或球状石墨 灰口2.2 铁碳双重相图2.2.1 铁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，不同成分的铁碳合金在不同温度时形成各类组织的图形为铁碳合金相图。铸铁中的碳能以石墨或渗碳体两种独立相存在，因此铁碳相图存在两重性，即铁石墨（C）相图与铁渗碳体（ Fe3C）相图。在一定条件下，FeFe3C 系相图可以向 FeC 系相图转化，所以 FeC 为稳定系平衡相图，FeFe3C 为
4、亚稳定系相图（见图 16） 。20图 16 FeC（石墨） 、FeFe 3C 双重相图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（Fe 3C）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 Fe3C 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 FeFe3C 相图结晶，也可按 FeC 相图结晶，因此，研究铸铁时，必须研究铁碳合金的双重相图。2.2.2 铁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21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
5、晶的三个阶段结晶过程结晶发生的临界线结晶产物 图标初析阶段液相线以下析出初生相（1）BC 及 BC线以下析出初生奥氏体（2）CD 线以下析出初生石墨（3）CD 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（1）ECF 线以下发生共晶转变，共晶组织为共晶奥氏体+共晶渗碳体（2）ECF线以下发生共晶转变，共晶组织为共晶奥氏体+共晶石墨共析阶段共析线以下发生共析转变（1）PSK 线以下发生共析转变，奥氏体转变为珠光体（渗碳体+铁素体）（2）PSK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
6、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-Fe 3C 系中，共晶点 C 的成分是 w（C ） 4.30%。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的成分为 w（C） 0.69%；Fe-Fe3C 系中，共析点 S 的成分为 w（C ） 0.76%。在铁碳相图中：22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
7、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（3）BC 或 BC线以下皆析出初生奥氏体，用 A 或 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 表示固相线（共晶线）ECF 与ECF线（1）该线称为固相线，合金冷
8、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，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23称为高温莱氏体 Ld，用公式表示为 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%碳在奥氏体中的溶解曲线ES 与 E
9、S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）共析线PSK 与PSK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 PSK线奥氏体转变为铁素体石墨，铁素体用 或 F表示（2）共析转变按 Fe-Fe3C 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式为 Ld=P+Fe3C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%2.2.3 铁碳相图与铸铁组织表 17 为铸铁在初析、共
10、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 即为铁碳相图中不出现的铸铁的 6 个组成相。24表 17 铸铁在初析、共晶、共析结晶时形成的组织亚共晶铸铁 共晶铸铁 过共晶铸铁结晶过程Fe-C Fe-Fe3C Fe-C Fe-Fe3C Fe-C Fe-Fe3C初析阶段初生奥氏体 初生奥氏体 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
11、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-Fe3C 亚稳定系结晶结晶过程亚共晶铸铁室温组织铁素体+ 石墨（共晶石墨+ 二次石墨+共析石墨）珠光体+莱氏体（珠光体 +共晶渗碳体）+二次渗碳体25结晶过程过共晶铸铁室温组织铁素体+石墨（初生石墨 +共晶石墨+二次石墨+ 共析石墨）莱氏体（珠光体+共晶渗碳体）+ 渗碳体（初生渗碳体+二次渗碳体）结晶过程共晶铸铁室温组织铁素体+ 石墨（共晶石墨+ 二次石墨+共析石墨）莱氏体
12、（珠光体+共晶渗碳体）+ 二次渗碳体表 19 Fe-C（石墨） 、Fe-Fe 3C 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。1.优良的流动性；2.流动性的高低与温度、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：R m1，称过共晶铸铁；Sc1，称亚共晶铸铁。生产中常根据 CE 的高低、S c 的大小来推断铸
13、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 铁碳相图与铸铁的性能2.4.1 铁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碳相图联系起来，如果将各类铸铁按碳当量的高低列在铁碳相图上，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31RuT400。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。图 17 7 种铸铁在铁碳相图中的位置图通过 7
14、 种铸铁在相图上的位置，可作出以下分析：（1）灰铸铁 HT350、HT250、HTl50 与可锻铸铁 KTZ470-04 是亚共晶铸铁，HTl00 、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， HTl50 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。32（3）过共晶铸铁 HT100 在 7 种铸铁中强度
15、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。（
16、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。图 18 三种凝固形式铸铁在铁碳相图上的位置33（2）凝固方式对铸件质量的影响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
17、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 凝固特性 对铸件质量的影响共晶铸铁（层状凝固）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.凝固由表面逐层凝固直至中心，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。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
18、、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。34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
19、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.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
20、无箱造型做球铁件等问题。（2）铁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35铁碳相图上的位置） 。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。由图可知，在同一过热度下：亚共晶铸铁离共晶点越远，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
21、过热减小，故流动性下降越甚，反之越好。过共晶铸铁含 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，必须考虑对铸造图 19 相同过热度下铸铁含碳量与流动性的关系图 20 相同浇注温度下流动性和含碳量与铸铁流动性的关系36性能的影响，尤其是灰铸铁。（3）铁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。图 21 铸
22、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 对铸件产生的后果体收缩液态收缩浇注至液相线1.相同碳当量下，浇注温度越高，液态收缩越大，见下表。浇注温度/ 1 300 1 400液相线温度/ 1 250 1 250过热度/ 50 1 50体收缩（%） 0.9 2.42.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 ；也即过热度增加 90 ，液态收缩随之增加。下表为浇注温度为 l 400 时，不同 w（C）量铸铁的液态收缩。1.浇注温度高，液态收缩增大，易产生缩孔。2.浇注温度高，液态收缩
23、大，需补缩的铁液增多，增加铸铁成本。3.高温出炉，低温浇注是一个总的原则，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.浇注温度的确定需考37w（C）(%) 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0液态收缩（%）0.7 1.5 2.4 3.5 4.7虑铸件碳当量的高低，低碳当量浇温高，高碳当量浇温低。体收缩凝固收缩液相线至固相线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，因有石墨化而发生膨胀，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
24、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。下表是白口铸铁与灰铸铁的凝固收缩率() 。w（ C）(%)2.0 2.5 3.0 3.5 4.0白口铸铁 5.1 4.16 4.2 3.7 3.3灰铸铁 4.3 2.8 1.4 0.1 -1.53.实践证实：铸铁的 CE3.6时，只有收缩；CE 大于 3.6时，才出现膨胀。1.凝固收缩越大，其形成的铸造应力也越大，热裂倾向也越大。2.碳当量足够时，石墨化膨胀能充填晶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.凡是能提高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
25、量是最主要的。高碳当量、高强度铸铁是最佳选择。线收缩固态收缩固相线至室温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。下表为壁厚 40 mm 灰铸件的线收缩。w（C+Si）（%）5.3 5.1 4.9 4.7 4.5线收收缩（%）0.95 1.10 1.15 1.25 1.302.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。1.铸铁碳当量越低，固态收缩越大，铸造应力越大。2.铸造应力是造成铸件变形与裂纹的主要原因。由铁碳相图可知：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
26、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38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 铁碳相图与冷却速度上面讨论的铁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）即铸铁在铁碳相图中的位置对铸铁性能的影响；但是，在
27、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FeFe3C 进行；冷却速度慢，按 FeC 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。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/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
28、 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平均冷却速度/min -1试棒直径/mm 预热型（250300 ） 干砂型 湿砂型 金属型30 9.1 12.0 20.5 35300 0.5 1.2 1.7 2.339表 24 冷却速度与共晶过冷度的关系冷却速度/min -116 56 97 158 319 383共晶过冷度/8 20 27 36 44 462.5.2 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；T eu 为共晶开始成长温度；T er 为共晶凝固最高温度
29、，称共晶平台；T 1=Ten T eu，为绝对过冷度；T 2=TenT eu，为相对过冷度；Ts 为凝固结束温度。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，铸铁共晶组织发生变化的过程。40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l.过冷度不大，过冷度T 在 Fe-Fe3C 共晶线 tEM 之上。2.teu、t er、t es 皆在Fe-C(石墨 )与 Fe-Fe3C 两共晶线之间，结晶过程全部在两共晶线之间完成，组织为灰口。灰铸铁冷却曲线tEGFe-C（石墨）共晶线tEMFe-Fe3C 共晶线te
30、s凝固终了温度奥氏体+石墨在此范围内，随着过冷度增加，石墨逐渐由 A 型B 型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。麻口铸铁1.过冷度较大，过冷度T 降到 Fe-Fe3C线下，共晶初期结晶为白口组织(莱氏体)，随后升至 Fe-Fe3C 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 Fe-Fe3C 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）（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 +碳化物白口铸铁在更
31、大的过冷度下，结晶全部在 Fe-Fe3C共晶线 tEM 以下进行，冷却曲线中的teu、t er、t es 皆在 Fe-Fe3C 的共晶线 tEM之下，共晶组织全部为白口的莱氏体组织。 白口铸铁冷却曲线莱氏体（奥氏体+渗碳体）41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 FeC（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 FeFe3C 系
32、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、轧辊、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+铁素体珠光体细片状珠光体，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 为影响铸件冷却速度的因素对铸铁组织与性能的影响，表 27 为某灰铸铁在不同冷却速度下所形成的铸铁组织。另外，随着冷却速度的加大，共晶团数随之增加，见表28。表 26 影响铸件冷却速度的因素对铸铁组织与性能的影响影响因素 对铸铁组织与性能的影响情况铸件壁厚与
33、冷却速度铸件壁厚与冷却速度息息相关。壁厚减小，冷却速度增加，则石墨细小、珠光体增加，强度、硬度升高；壁厚过薄，冷却速度加剧，则过薄处出现渗碳体，强度下降，难加工；壁厚厚大，冷却速度很慢，则石墨粗大、铁素体增加，强度、硬度下降。浇注温度浇温高，对铸型预热好，冷速减慢，过冷度减少，石墨粗大，铁素体增多，强度下降，故浇温不可过高，厚大件的浇温更应严格控制。铸型材料 铸型材料不同，造成冷却速度的差异，可用化学成分与孕育42方法来进行调整。如对冷速快的，可提高碳当量，加强孕育；冷速慢的，可适当降低碳当量或加入合金。此外，还可在铸件厚壁处采取加冷铁，在铸型中加通水管，在面砂中加铬铁矿砂等措施，以控制铸件的
34、冷却速度。表 27 不同冷却速度下的铸铁组织冷却速度/min -1 铸铁组织200 粗片状石墨，珠光体 +铁素体200300 细片状石墨，珠光体基体300500 D 型石墨+珠光体基体500 珠光体+莱氏体，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/min -1 直径 70 mm 图片中共晶团数量（放大 40 倍）41 50 1130 77 1422 168 1815 266 242.5.6 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
35、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，以此改变铸铁的基体组织。表 29 为在热处理中，冷却速度对铸铁组织与性能的影响。表 29 热处理中不同冷却速度对铸铁组织与性能的影响热处理名称 铸态组织 对热处理的 要求 加热温度/ 冷却方式 热处理后组织与性能退火 基体为珠光 体 +铁素体 基体为铁素 体加热至奥氏体区800960 炉冷，缓慢通过共析区组织为铁素体，铸铁的塑性与韧性提高正火基体为铁素体+少量珠光体基体为珠光体加热至奥氏体区880960 空冷或雾冷，快速经过共析区组织为珠光体，铸铁的强度、硬度、43耐磨性提高淬火 基体为珠光
36、体 +铁素体 基体为马氏 体加热至奥氏体区880960 直接放至 230 以下淬火液中冷却组织为马氏体，铸铁具有高硬度、高耐磨性等温淬火 球墨铸铁基体为珠光体基体为贝氏体+部分富碳奥氏体850940 直接放至240400淬火液中冷却并保温组织为贝氏体，强度、硬度大幅度提高，并有较好的韧性可锻铸铁退火白口组织珠光体+渗碳体基体为铁素体 880960 炉泠，缓慢通过共析区组织为铁素体，具有较高的韧性和塑性可锻铸铁正火白口组织珠光体+渗碳体基体为珠光体 880960 空冷或雾冷，快速通过共析区组织为珠光体，具有较高的强度、硬度、耐磨性2.6 铁碳相图与孕育从相图的双重性看，孕育的主要作用是改变了铸铁
37、在共晶转变的结晶方式，变铁液按 FeFe3C 系进行的共晶转变为按 FeC（石墨）系进行的共晶转变，从而改变了铸铁的组织，见表 30。从共晶过冷度看，孕育的作用主要是降低了共晶的过冷度，从而使铸铁的共晶转变按 FeC（石墨）系进行，见表 31。表 30 孕育处理对共晶转变与组织形成的影响类别 孕育前 孕育后孕育铸铁球墨铸铁蠕墨铸铁皆按 Fe-Fe3C 系进行共晶转变，形成的组织为奥氏体+渗碳体皆按 Fe-C（石墨）系进行共晶转变，形成的组织为奥氏体+石墨表 31 孕育前后冷却曲线的对比类别 孕育前的冷却曲线 孕育后的冷却曲线孕育铸铁球墨铸铁44蠕墨铸铁 共晶转变按 Fe-Fe3C 进行 共晶转变按 Fe-C（石墨）进行
