铸铁石墨化及组织转变的研究

1.铸铁的石墨化

铸铁中石墨的形成过程称为石墨化过程。铸铁的石墨化过程可以分为三个阶段。

1）液相至共晶结晶阶段：①从过共晶成分的液相中直接结晶出一次石墨和从共晶成分的液相中结晶出奥氏体加石墨；②由一次渗碳体和共晶渗碳体在高温退火时分解为奥氏体+石墨。

2）共晶至共析转变之间的阶段：①从奥氏体中直接析出二次石墨；②二次渗碳体在此温度区间内分解为奥氏体+石墨。

3）共析转变阶段：①共析转变时，奥氏体转变为铁素体+石墨；②共析渗碳体退火时分解为铁素体+石墨。

2.铸铁的组织转变

铸铁的铸态组织有三种：铁素体+石墨、铁素体+珠光体+石墨、珠光体+石墨。有时还会有少量的自由渗碳体。

原始组织的不同，铸铁在固态下加热时会发生不同的变化。铁碳合金双重相图见图6-2，虚线部分表示稳定态，实线表示亚稳定态。

图6-2 铁碳合金双重相图

（1）加热组织转变——石墨化退火基础知识

1）低于Ac₁下限温度加热组织转变。在接近Ac₁下限温度下长时间保温，共析渗碳体发生球化和石墨化，大部分共析渗碳体分解为铁素体和石墨，珠光体的数量减少。

铸态组织中共析渗碳体的球化与石墨化过程与铸铁的化学成分有关。硅是石墨化元素，它促进了石墨化过程的进行；而锰、磷、铬等是稳定碳化物的元素，它抑制了石墨化过程，有利于珠光体的球化。当硅的质量分数低于1%时，渗碳体的球化发生于石墨化之前；硅的质量分数大于1%时，球化与石墨化过程同时发生；当硅含量相当高时，渗碳体的石墨化比球化强烈。铸铁中适当提高锰含量（特别是硅含量较低时），这样将有利于获得粒状珠光体组织。

铸态具有铁素体+珠光体基体的球墨铸铁，其石墨化与温度的关系见表6-1。石墨化主要是在石墨周围，珠光体与铁素体交界处进行，随着石墨化过程的发展，铁素体区域扩大。当升温到780℃左右时，除在共晶团晶界处由于成分偏析硅含量偏低，锰、磷含量偏高留有珠光体区域外，其他区域全部分解为铁素体。但该偏析区域所残留的珠光体完全球化。

表6-1 石墨化与温度的关系

石墨化的速度还决定于渗碳体的形状，球状渗碳体进行石墨化比片状渗碳体稳定，石墨化速度缓慢。

当铸铁原始组织为预先经过正火处理的珠光体基体时，随炉升温过程中其组织的变化与铸态组织为珠光体+铁素体基体的有很大的区别，见表6-2。(www.xing528.com)

表6-2 正火态铸件石墨化与温度的关系

任何原始组织的铸铁要获得部分粒状珠光体，并不需要在冷却时稍低于Ar₁下限处进行极长时间的保温或进行所谓“周期循环退火”，从而简化了获得粒状珠光体基体的工艺过程。

2）在Ac₁下限～Ac₁上限区间加热组织转变。在临界温度区间内连续加热时，奥氏体的形成过程由以下四个主要环节所组成：①在共晶团晶界处形核；②形核沿晶界及铁素体晶粒内推移长大；③石墨的溶解，碳原子向奥氏体结晶前沿扩散，铁原子自扩散重构；④奥氏体成分的均匀化。

由于铸铁在凝固过程中，不可避免地会产生化学成分的偏析，在共晶团晶界处硅含量偏低，锰、磷含量偏高，而共晶团内部则相反。硅含量偏高，锰、磷含量偏低，使共晶团晶界处的临界温度大为降低，连续加热时此处铁素体向奥氏体转变显著提前，所以奥氏体晶核一般首先在晶界处形成，而不是在石墨周围生成。

当快速加热至临界温度区间内时，奥氏体的形成则与铸铁的原始组织有关。如果铸铁的原始组织为珠光体基体时（快速加热过程来不及分解），由于相界面的增加，奥氏体晶核可迅速而大量的产生，所需的碳可从渗碳体溶解处获得，不需要石墨远距离扩散供给。这样有利于大量初生晶核的巩固（获得临界尺寸）而长大，并使所形成的奥氏体晶粒细化，加快了转变速度。

片状珠光体转变成奥氏体的速度大于粒状珠光体。珠光体的弥散度越大，转变的速度也就越大。

铁素体转变成奥氏体时所需的碳来自石墨，因此碳原子的扩散首先沿着晶界进行，然后扩大到铁素体晶粒内，从而造成了奥氏体围绕石墨呈放射状生长。

在共析临界温度区间内，随着加热温度的升高，奥氏体（淬火后为马氏体）含量增加，冷却后铸铁的硬度也急剧地相应提高。

加热到Ac₁上限以上温度时，铁素体完全转变为奥氏体，一次渗碳体分解为奥氏体和石墨，部分石墨溶入奥氏体，使奥氏体中的碳达到饱和。

3）高于Ac₁上限温度加热组织转变。加热温度超过Ac₁上限时，基体组织进行完全奥氏体化转变：①珠光体+石墨→奥氏体+石墨；②铁素体+石墨→奥氏体+石墨。这两个转变过程，前者进行较快，后者较慢。这是由于硅的存在，使碳溶解重新向铁素体的扩散速度变慢，同时碳达到奥氏体结晶前沿需要作远距离扩散的缘故。

当加热温度进一步升高时，石墨表层的一部分碳将溶入奥氏体中，使奥氏体碳含量增加。不同温度下奥氏体碳含量沿稳定系相图碳的极限溶解度线E′S′变化。加热温度的升高，同时引起奥氏体晶粒的长大和石墨的聚集。

如果铸铁的原始组织中存在着自由渗碳体，则它在临界温度以上加热时将发生分解：渗碳体→奥氏体+石墨，即高温石墨化。随着加热温度的升高，石墨化过程加速。分解出来的碳原子，将沉积在附近的石墨上。

（2）过冷奥氏体冷却——改变基体组织热处理的基础知识

1）连续冷却时组织转变。加热到Ac₁上限温度以上，获得奥氏体和石墨组织的铸铁，在随后连续冷却，且冷却速度缓慢时，奥氏体中的碳不断以石墨形式析出（称为二次石墨），而沿着（稳定系）三元相图中的E′S′线减少。加热温度较高时，奥氏体碳含量也高，当冷却速度相当大时，过饱和奥氏体就会按亚稳定态Fe-Fe₃C相图ES转变，沿着奥氏体晶界析出渗碳体（称为二次渗碳体）。

在Ar₁下限～Ar₁上限区间连续冷却时，形成共析成分的奥氏体+铁素体+石墨。缓冷到Ar₁下限以下，从奥氏体中直接析出铁素体和石墨。快速冷却时，奥氏体转变为珠光体或部分转变为珠光体，其余部分转变为铁素体+石墨，最后的组织是珠光体+石墨或珠光体+铁素体+石墨。

2）过冷奥氏体等温转变。铸铁的过冷奥氏体等温转变与钢相似，在不同温度下进行等温分解可分为三个温度区域。①自奥氏体化温度快冷至高温转变区（Ar₁至550℃左右），在这个温度区间，奥氏体发生扩散分解，形成珠光体组织；②从奥氏体化温度快冷至中温转变区（500℃左右至Ms点），该区间过冷奥氏体的等温转变产物为贝氏体；③低温转变区（Ms点以下），此区间过冷奥氏体转变为马氏体，不发生扩散。