铸铁的石墨化过程

5.5.1　铸铁的石墨化过程

1．Fe–Fe₃C和Fe–G（石墨）双重相图

铸铁中的碳除少量固溶于基体中外，主要以化合态的渗碳体（Fe₃C）和游离态的石墨（G）两种形式存在。石墨是碳的单质态之一，其强度、塑性和韧性都几乎为零。渗碳体是亚稳相，在一定条件下将发生分解：Fe₃C→3Fe+C，形成游离态石墨。因此，铁碳合金实际上存在两个相图，即Fe–Fe₃C相图和Fe–G相图，这两个相图几乎重合，只是E、C、S点的成分和温度稍有变化，如图5-31所示，图中虚线为Fe–G系相图。根据条件不同，铁碳合金可全部或部分按其中一种相图结晶。

2．铸铁的石墨化过程

铸铁中的石墨可以在结晶过程中直接析出，也可以由渗碳体加热时分解得到。铸铁中的碳原子析出形成石墨的过程称为石墨化。

铸铁的石墨化过程分为两个阶段，在P'S'K'线以上发生的石墨化称为第一阶段石墨化，包括结晶时一次石墨、二次石墨、共晶石墨的析出和加热时一次渗碳体、二次渗碳体及共晶渗碳体的分解；在P'S'K'线以下发生的石墨化称为第二阶段石墨化，包括冷却时共析石墨的析出和加热时共析渗碳体的分解。

图5-31　铁碳合金的双重相图

石墨化程度不同，所得到的铸铁类型和组织也不同，如表5-6所示。

表5-6　铸铁的石墨化程度与其组织之间的关系（以共晶铸铁为例）

3．影响石墨化的因素

研究表明，铸铁的化学成分和结晶时的冷却速度是影响石墨化的主要因素。

（1）化学成分的影响

铸铁中的碳和硅是强烈促进石墨化的元素，3%的硅相当于1%碳的作用。碳、硅含量过低，易出现白口组织，力学性能和铸造性能变差；碳、硅含量过高，会使石墨数量多且粗大，基体内铁素体量增多，降低铸件的性能和质量。因此，铸铁中的碳、硅含量一般控制在下列范围：2.5%～4.0%C，1.0%～3.0%Si。磷虽然可促进石墨化，但其含量高时易在晶界上形成硬而脆的磷共晶，降低铸铁的强度，只有耐磨铸铁中磷含量偏高（达0.3%以上）。此外，铝、铜、镍、钴等元素对石墨化也有促进作用，而硫、锰、铬、钨、钼、钒等元素则阻碍石墨化。

（2）冷却速度的影响

铸件冷却缓慢，有利于碳原子的充分扩散，结晶将按Fe-G相图进行，因而促进石墨化。而快冷时由于过冷度大，结晶将按Fe–Fe₃C相图进行，不利于石墨化。

图5-32为在一般砂型铸造条件下，铸件壁厚和碳硅含量对其组织的影响。

图5-32　铸件壁厚和碳硅含量对铸铁组织的影响