铸铁的分类与铸铁的石墨化

任务1　铸铁的分类与铸铁的石墨化

一、铸铁的分类

在铸铁中，碳通常以两种状态存在：一是有游离状的石墨；二是铁碳化合物渗碳体（Fe₃C）。根据这一特征，通常把铸铁分为以下几类。

1．白口铸铁

碳在铸铁中的分布除少量溶入铁素体外，绝大部分以渗碳体形式存在。因其断口呈银白色而得名，其性能硬而脆，很少直接用于制作机器零件，主要用于制造有耐磨损要求的机件，如轧辊、球磨机中的磨球，还可作为炼钢原料。

2．灰口铸铁

碳在铸铁中的分布全部或大部分以石墨形式析出，因其断口呈暗灰色而得名。按石墨形态不同，灰口铸铁又分为灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁和蠕墨铸铁。此类铸铁，尤其是灰铸铁在工业上应用很广，主要用于机械制造、冶金、石油化工、交通和国防等部门。

3．麻口铸铁

这种铸铁中碳部分以游离碳化物形式析出，部分以石墨形式析出，断口呈灰、白相间的颜色。此类铸铁的硬脆性较大，故工业上很少使用。

此外，为满足某些特殊性能要求，可以向铸铁中加入一种或多种合金元素（如铬、铜、铝、硼等）得到合金铸铁，如耐磨铸铁、耐热铸铁、耐腐蚀铸铁等。

二、铸铁的石墨化及其影响因素

1．铸铁的石墨化

影响铸铁组织和性能的关键是碳在铸铁中存在的形态、大小及分布。铸铁的发展，主要是围绕如何改变石墨的数量、大小、形状和分布这一核心问题进行的。

铸铁中碳形成石墨析出的过程称为铸铁的石墨化。一般认为石墨既可以由液体铁水中析出，也可以从奥氏体中析出，还可以由渗碳体分得。

实验表明，渗碳体是一个亚稳定相，石墨则是稳定相，因此，描述铁碳合金组织转变的相图实际上有两个：一个是Fe－Fe₃C系相图；另一个是Fe－C系相图。把二者叠合在一起，就得到一个铁碳合金重相图，如图7－1所示。图中实线表示Fe－Fe₃C系相图，部分实线再加上虚线表示Fe－C系相图。显然，按Fe－Fe₃C系相图进行结晶，会得到白口铸铁；按Fe－C系相图进行结晶，则析出和形成石墨，即发生石墨化过程。

图7－1　铁碳合金双重相图

按Fe－C系相图进行结晶，铸铁冷却时石墨化过程如下：从液体中析出一次石墨，由共晶反应生成共晶石墨；从奥氏体中析出二次石墨；从共析反应生成共析石墨。铸铁加热时的石墨化过程为亚稳定的渗碳体，在较高的温度下长时间加热时，会发生分解，产生石墨化，即

Fe₃C↑3Fe＋C

加热温度越高，分解速度相对就越快。

无论是冷却还是加热时的石墨化过程，凡是发生在P′S′K线以上，统称为第一阶段石墨化；凡是发生在P′S′K线及以下，统称为第二阶段石墨化。

2．影响石墨化的因素

（1）化学成分。碳、硅都是强烈促进石墨化的元素。磷、铜、铝、镍等元素也有一定的促进作用。锰、硫都是阻止石墨化的元素，但锰与硫化合成硫化锰，可以减弱硫的不利作用，所以允许含有适量的锰，而硫强烈促使铸铁白口化，使铸铁的机械性能和铁水的流动性较差。碳、硅的质量分数过低，铸铁易出现白口，力学性能和铸造性能都较差；碳、硅的质量分数过高，铸铁中石墨数量多且粗大，基体内铁素体增多，力学性能下降，因此要严格控制其质量分数。

（2）冷却速度。铸铁在结晶冷却的过程中，冷却速度越慢，碳原子扩散越充分，越有利于石墨化。当铸铁冷却速度较快时，原子扩散能力减弱，有利于按Fe－Fe₃C系相图进行结晶和转变，不利于石墨化的进行。同一成分的铸铁在铸造时，由于受造型材料和铸件设计形状、壁厚的影响，会造成冷却速度的不均匀性，从而导致铸件有的部位呈灰口，有的部位呈白口。在实际生产过程中，一般可通过调整铸铁的化学成分来加以控制。