铸铁的基础知识

2 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

工程结构件铸铁 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

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 性能铸铁 冷硬铸铁 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

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，Fe—Fe3C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—Fe3C为亚稳定系相图（见图16）。

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（Fe3C）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Fe—Fe3C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—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、共析转变，在这三个阶段中分别析出不同的组织，见表15。

图16 Fe—C（石墨）、Fe—Fe3C双重相图 表15 铸铁结晶的三个阶段

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）C’D’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）E’C’F’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）P’S’K’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-Fe3C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：

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’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γ表示

（4）在CD线以下析出初生渗碳表示C3Fe体，用

（5）在C’D’线以下析出初生石墨，用G表示

固相线

（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BC’E’区内为铁液+初生奥氏体，在DCF区内为铁液+初生渗碳体，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C3Ld=A+Fe 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’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E’S’线）

共析线 PSK与P’S’K’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α或F表示

进行，高C3Fe-Fe）共析转变按2（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C3d=P+Fe’L

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。

表17 铸铁在初析、共晶、共析结晶时形成的组织

结亚共晶铸铁 共晶铸铁 过共晶铸铁 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

亚共晶铸铁 结晶

过程

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 过共

晶铸

铁 结晶

过程

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）

共晶

铸铁 结晶过程

室温组织 铁素体+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）+二次渗碳体

双重相图中的铸铁组织C3Fe-Fe（石墨）、C-Fe 19表

类别 组织 代号 特征 主要性能

液

相 液

溶

体 L 1.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 G 1.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、蠕虫硬度，MPa <20mR：力学性能低1.3 HBW，无塑性；

2.减振好，耐磨性优良。 状、团絮状。

渗

碳

体 Fe3C 1.铁和碳的化合物，碳的质量分数为6.69％。

2.按化学成分与温度不同，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，在一定的温度条件下可转变成铁素体+石墨，更高温度时又可变为奥氏体+石墨。 1.性能硬、脆：硬度800～1 000

HBW，塑性与韧性近为零；

。aPM 50～20为mR强度低：2.

基

体 莱

氏

体 Ld 系共品转变的共晶组C3Fe-Fe按1.织，为渗碳体与奥氏体的共晶体，称为高温莱氏体。

C3Fe-Fe冷却至共析温度以下，按2.转变，奥氏体转变为珠光体，形成珠光体+渗碳体，称为低温莱氏体。 1.具有高的耐磨性；

2.性硬、脆，冲击韧性低，易脆裂。

奥

氏

体 A（γ） 1.碳在γ-Fe中的固溶体，面心立方晶格，1 147℃时最大的溶碳量是2.14％。

2.为铸铁的高温组织，存在于727～1 147 ℃之间，只有Mn、Ni含量足够时，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。 1.具有良好的塑性与强度，Rm=400～800 MPa，A=40％～50％。

2.有一定的硬度160～200

HBW。

珠

光

体 P 1.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.共析转变时的过冷度不同，可形成片状珠光体、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。 mR具有较高强度与硬度，1.=400～800 MPa，硬度175～330

HBW。

2.塑性、韧性优于渗碳体，A

=10％～25％。

铁

素

体 α(F) 1.碳在α—Fe中的固溶体，体心立方品格。

2.727 ℃时最大溶碳量（质量分数）为0.034％。

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％。

～=200 mR，强度与硬度稍低2.400 MPa，硬度70～150 HBW。

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1.加热至奥氏体化区域并保温，后在250～400 ℃冷却并保温，