工程材料与热加工技术 第6章

6.1.2 铸铁的石墨化
1．铸铁的石墨化
在铁碳合金中，碳主要有两种存在形式：一是渗碳体，其 碳的质量分数为6.69%；二是自由状态的石墨，用符号G表示， 其碳的质量分数为100%。渗碳体在高温下进行长时间加热时， 可分解为铁和石墨(即Fe3C→3Fe＋G)，这说明渗碳体是一种亚稳 定相，而石墨是一种稳定相。石墨的晶格类型为简单六方晶格， 如图6-1所示，层面的碳原子间距为1.42×10-10 m，两层面之间 的间距为3.40×10-10 m，其层面间距较大，结合力弱。因此，石 墨受力时容易沿层面间滑动，故其强度、塑性和韧性都很低， 接近于零，硬度只有3HBS，其结晶形态容易形成片状。
(2) 冷却速度的影响。冷却速度是影响石墨化过程的工艺因 素。冷却速度快，碳原子扩散不充分，石墨化难以充分进行， 铸铁容易产生白口铸铁组织；冷却速度慢，碳原子扩散充分， 有利于石墨化过程充分进行，铸铁容易获得灰口铸铁组织。冷 却速度受造型材料、铸造方法、铸件壁厚等因素的影响。例如， 薄壁铸件在成型过程中冷却速度快，容易产生白口铸铁组织； 厚壁铸件在成型过程中冷却速度慢，容易获得灰口铸铁组织。
(2) 麻口铸铁。碳部分以游离碳化物、部分以石墨形式出 现的铸铁，断口呈灰白相间，故称麻口铸铁。因其硬度高，脆 性大，工业中很少应用。
(3) 灰口铸铁。指碳主要以石墨形式出现的铸铁，断口呈 灰色，故称为灰口铸铁。根据石墨形态不同，灰口铸铁又分为 以下几类：
① 灰口铸铁：碳主要以片状石墨形式出现的铸铁。 ② 可锻铸铁：碳主要以团絮状石墨形式出现的铸铁。 ③ 球墨铸铁：碳主要以球状石墨形式出现的铸铁。 ④ 蠕墨铸铁：碳主要以蠕虫状石墨形式出现的铸铁。
第一阶段石墨化是指从液态中析出石墨，主要指共晶石墨 G晶，即L C′→(AE′ ＋G晶)。这个阶段石墨是在高温下析出的，原 子扩散能力强，容易析出。
中间阶段石墨化是指奥氏体冷却时析出的二次石墨GⅡ，即 AE→AS′ ＋GⅡ。
第二阶段石墨化是指共析转变奥氏体转变为铁素体和共析 石墨G析，即AS′→(FP′ ＋G析)。这个阶段由于温度较低，就需要 更长的时间，如果冷却快就会得到珠光体，即AS→
图6-4 铁素体灰口铸铁显微组织
3) 性能
灰口铸铁的性能主要取决于基体的性能和石墨的数量、形 状、大小及分布状况。当石墨的状态相同时，基体中的珠光体 越多，灰口铸铁的强度越高。石墨对灰口铸铁的性能起着决定 性作用，是导致灰铸铁抗拉强度低、塑性和韧性差的主要原因。 由于石墨本身的强度、硬度和塑性都很低，因此灰口铸铁中存 在的石墨就相当于在钢的基体上分布了大量的孔洞和裂缝，割 裂了基体组织的连续性，减小了基体的有效承载面积。当基体 组织相同时，灰口铸铁中片状石墨愈多，愈粗大，分布愈不均 匀，则其强度、塑性和韧性就愈低。值得注意的是，铸件在承 受压应力时，由于石墨的有害作用减小，故灰口铸铁的抗压强 度与钢相近。
石墨虽然降低了灰口铸铁的力学性能，但却使灰口铸铁获 得了许多钢所不及的优良性能，归纳起来有以下几个方面：
(1) 良好的铸造性能。灰口铸铁熔点较低、流动性好，铸 件在凝固过程中析出比容较大的石墨，减小了收缩率，故灰口 铸铁具有良好的铸造性能。
(2) 良好的减震性。由于石墨松软，能阻止震动的传播， 因此灰口铸铁具有良好的减震性。灰口铸铁的减震能力约是钢 的数倍，因此，灰口铸铁广泛用于制造机床床身、机器底座等。
(1) 化学成分的影响。化学成分是影响石墨化过程的主要 因素。碳和硅都是强烈促进石墨化的元素，铸铁中碳和硅的 质量分数越大，石墨化越容易；但铸铁中碳和硅的质量分数 过大会使石墨数量增多并粗化，从而导致铸铁力学性能下降。 磷也是促进石墨化的元素，但其作用较弱，磷在铸铁中会增 加铸铁的硬度和脆性，但能改善铸铁的铸造性能。硫是强烈 阻碍石墨化的元素，且会降低铸铁的铸造性能。锰也是阻碍 石墨化的元素，但其作用较弱，锰会减弱硫对石墨化的有害 作用。
P(FP ＋Fe3G析)。
石墨化过程进行的程度不同，铸铁将获得不同的组织。石 墨化完全进行，铸铁将获得铁素体(F)＋石墨(G)组织；如果第 二阶段石墨化受到阻碍，就将获得铁素体(F)－珠光体(P)＋石 墨(G)组织；第二阶段完全受阻，将得到珠光体(P)＋石墨(G)组 织。
2．影响铸铁石墨化的因素′
图6-3 化学成分和壁厚对石墨化的影响
6.2 常 用 铸 铁
6.2.1 灰口铸铁 1．灰口铸铁的化学成分、组织和性能 1) 化学成分 灰口铸铁的化学成分一般为： wC＝2.5%～4.0%，wSi＝
1.0%～2.5%，wMn＝0.5%～1.4%，wS≤0.15%，wP≤0.3%。
2) 组织
由于石墨化程度的不同，灰口铸铁的组织有三种类型： 铁素体(F)＋片状石墨(G)，铁素体(F)－珠光体(P)＋片状石墨 (G)，珠光体(P)＋片状石墨(G)。铁素体灰口铸铁的显微组织 见图6-4。
图6-1 石墨的晶体结构
当铸铁以极缓慢速度冷却时，碳以石墨析出，冷却速度快 时就会析出渗碳体，铸铁中石墨的形成称为铸铁的石墨化。铸 铁冷却析出石墨相图画在一起，就成为铁碳合金双重相图，如图6-2所示。
图6-2 铁碳合金双重相图
石墨化过程可以分为以下三个阶段：
(3) 较低的缺口敏感性。灰口铸铁中由于石墨的存在，就 相当于零件上存在很多小的缺口，因而使加工形成的缺口作用 降低，故灰口铸铁具有较低的缺口敏感性。
(4) 良好的切削加工性。灰口铸铁在进行切削加工时，石 墨起着减摩和断屑作用，刀具磨损小，故灰口铸铁切削加工性 能好。
第6章 铸 铁
6.1 铸铁的分类及石墨化 6.2 常用铸铁 知识窗——合金铸 自测习题
6.1 铸铁的分类及石墨化
6.1.1 铸铁的分类
铸铁的种类很多，根据铸铁中碳的存在形式不同，铸铁可 分为以下几种：
(1) 白口铸铁。指碳主要以游离碳化物形式出现的铸铁， 断口呈白色，故称为白口铸铁。因为白口铸铁硬度高，脆性大， 难切削，所以很少用来制造机械零件，工业中应用较少。