铸铁石墨化及其影响因素分析

铸铁中碳以石墨形式析出的过程称为石墨化。铸铁的石墨化不充分，易产生白口组织；石墨化太充分，则形成粗大的石墨，致使力学性能下降。

1.铸铁的石墨化过程

铁碳合金实际上存在两个相图，即Fe-Fe3C 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。为了便于比较和应用，习惯上把这两个相图合画在一起，称为铁碳合金的双重相图，如图6-3 所示，图中的虚线即为Fe-G 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。

铸铁的石墨化过程分为三个阶段:

第一阶段石墨化: 铸铁液体结晶出一次石墨(过共晶铸铁)和在1 154 ℃ (E′C′F′线)通过共晶反应形成共晶石墨。还有一部分通过一次渗碳体、共晶渗碳体在高温分解形成石墨。

第二阶段石墨化: 在1 154 ℃～738 ℃内奥氏体沿E′S′线析出二次石墨或者通过二次渗碳体分解而析出石墨。

第三阶段石墨化: 在738 ℃ (P′S′K′线)通过共析反应析出共析石墨或者由共析渗碳体分解形成石墨。

图6-3　铁碳合金双重相图

石墨化程度不同，所得到的铸铁类型和组织也不相同，如表6-1 所示。

表6-1　石墨化程度与铸铁类型

(www.xing528.com)

2.影响石墨化的因素

影响石墨化的主要因素是铸铁的化学成分和冷却速度。

(1)化学成分的影响

碳和硅是强烈促进石墨化的元素，对铸铁的石墨化起决定性的作用。它们的含量越高，析出的石墨就越多、越粗大。为避免出现粗大的石墨或出现硬而脆的白口组织，通常把铸铁中的碳含量控制在2.7% ～3.9%，硅含量控制在1% ～3%。实践表明，在铸铁中每增加1.0%的硅，能使其碳含量相应降低0.3%，为了综合考虑碳和硅的影响，通常把铸铁中的含硅量折合成相当的含碳量，并把这个碳的总量称为碳当量CE，即CE%≈C%＋0.3Si%。

调整铸铁的碳当量是控制铸铁组织和性能的主要措施。若把碳当量控制在4%左右，则铸铁具有较好的流动性。尽量使碳当量小于4.6%，防止产生粗大的石墨，保证铸铁力学性能。

磷也是促进铸铁石墨化的元素，但其作用较弱。磷能提高铁水的流动性，改善铸铁的铸造性能。但磷的含量超过0.3%时，将增加铸铁的脆性并降低强度，一般磷含量控制在0.3%以下。

硫是强烈阻碍铸铁石墨化的元素，易使碳以渗碳体形式存在，促使铸铁出现白口，还会降低铸铁的力学性能和流动性。因此，硫是有害元素，应严格控制其含量，一般在0.15%以下。

锰是阻碍铸铁石墨化的元素，但锰和硫化合会生成硫化锰，可以减弱硫对铸铁石墨化的阻碍作用，间接起着促进其石墨化的作用，一般铸铁中的锰含量为0.5%～1.4%。

(2)冷却速度的影响

图6-4　化学成分、冷却速度与铸件壁厚对铸铁组织的影响

铸件的冷却速度越慢，越有利于石墨化过程的进行。反之，当铸件冷却速度较快时，则不利于石墨化过程的进行，碳可能以渗碳体的形式存在。实际生产中影响冷却速度的主要因素是造型材料、铸造方法和铸件壁厚。如用金属型铸造，冷却快，铸件易得到渗碳体； 如用砂型铸造，冷却慢，铸件易形成石墨。另外，铸件的壁越厚，则冷却速度越慢，越容易进行石墨化； 而薄壁件易得到渗碳体。图6-4 所示为化学成分、冷却速度与铸件壁厚对铸铁组织的影响。