铸铁：石墨化过程及其影响因素

铸铁中的碳除极少量固溶于铁素体以外，大部分都以两种形式存在：一种是碳化物状态，如渗碳体（Fe3C）及合金铸铁中的其他碳化物；另一种是游离状态，即石墨（以C表示）。石墨是碳的一种结晶形态，碳的质量分数为100%。石墨的晶格类型为简单六方晶格，如图9.2所示，其基面中的原子结合力较强，而两基面之间的结合力较弱，故石墨的基面很容易滑动，其强度、硬度、塑性和韧性极低（石墨的抗拉强度Rm＜19.6MPa，硬度为3HBW），常呈片状形态存在。

图9.2　石墨的晶体结构

1.铸铁的石墨化过程

铸铁组织中石墨的形成过程称为石墨化过程。铸铁的石墨化可以有两种方式：一种是石墨直接从液态合金或奥氏体中析出；另一种是渗碳体在一定条件下分解出石墨，即Fe3C→3Fe+C（石墨）。石墨化过程是一个原子扩散过程。根据铁碳合金双重相图，如图9.3所示，在极缓慢冷却条件下，铸铁的石墨化过程可分为两个阶段：第一阶段，包括从过共晶的铁液中直接析出的初生（一次）石墨、在共晶转变过程中形成的共晶石墨以及奥氏体冷却析出的二次石墨，这一阶段的石墨化温度较高，碳原子容易扩散，故容易进行得充分；第二阶段，包括共析转变过程中形成的共析石墨，这一阶段的石墨化温度较低，扩散困难，往往进行得不是很充分，当冷速稍大时其石墨化只能部分进行，如果冷速再大些，则第二阶段石墨化便完全不能进行。

图9.3　铁碳合金双重相图

如果第一阶段石墨化充分进行，则随着第二阶段石墨化进行程度的不同，可获得的铸铁组织也不同。如果第二阶段石墨化进行得充分，则铸铁的组织将由铁素体基体和石墨组成；如果第二阶段石墨化部分进行，则将形成以铁素体+珠光体为基体，其上分布着石墨的组织；如果第二阶段石墨化完全被抑制而不能进行，则其组织将由珠光体基体和石墨组成。显然，当冷速过快，两个阶段的石墨化均被抑制而不能进行时，则会得到白口铸铁。若第一阶段石墨部分进行，则可得到麻口铸铁。

2.影响铸铁石墨化的因素(www.xing528.com)

铸铁的组织取决于石墨化过程进行的程度，而影响铸铁石墨化的主要因素是铸铁的化学成分和冷却速度。

（1）化学成分

碳和硅对铸铁的石墨化起着决定性作用，是强烈促进石墨化的元素。铸铁的碳、硅含量越高则石墨化进行得越充分，因为碳含量越高越易形成石墨晶核，而硅有促进石墨成核的作用。实践证明，硅的质量分数每增加1%，共晶点碳的质量分数相应下降0.3%。为了综合考虑碳和硅对铸铁的影响，常将硅量折合成相当的碳量，并把实际的碳含量与折合成的碳量之和称为碳当量。例如，铸铁中实际碳的质量分数为3.2%，硅的质量分数为1.8%，则其碳当量CE＝3.2%+（1/3）×1.8%＝3.8%。图9.4综合表示了碳和硅的含量（铸铁成分）和铸件壁厚对铸铁组织的影响。在实际生产中，在铸件壁厚一定的情况下，常通过调配碳和硅的含量来得到预期的组织。

图9.4　铸铁成分和铸件壁厚对铸铁组织的影响

硫是强烈阻碍石墨化的元素，并降低铁水的流动性，使铸铁的铸造性能恶化，其含量应尽可能降低。锰也是阻碍石墨化的元素，但它和硫有很强的亲和力，在铸铁中能与硫形成MnS，减弱硫对石墨化的有害作用。

（2）冷却速度

冷却速度对铸铁石墨化的影响也很大。冷却速度受造型材料、铸造方法和铸件壁厚等因素的影响。金属型铸造使铸件冷却快，而砂型铸造使铸件冷却较慢。铸件厚壁处使铸铁冷却较慢，易得到灰铸铁组织；而薄壁处使铸件冷却较快，易出现白口铸铁组织。这表明在化学成分相同的情况下，铸铁结晶时的冷却速度对其石墨化影响很大，冷却温度越慢，越有利于石墨化的进行，易得到灰铸铁；冷却速度加快，不利于石墨化，甚至使石墨化来不及进行，易得到白口铸铁。