球墨铸铁加热过程中的组织变化

（一） 在共析转变温度范围以上（＞A） 加热

加热温度在AZC1以上时，球墨铸铁的组织中会发生一系列变化。首先是奥氏体的平衡含碳量增加。表8-2示出了奥氏体化温度与奥氏体含碳量的关系。

表8-2　奥氏体化温度和奥氏体含碳量关系

奥氏体的增碳需要石墨碳的溶解和扩散，因此奥氏体的含碳量也是随着时间的延续而逐步达到该温度下的平衡数量的。由此，提高加热速度和缩短保温时间，将使奥氏体的实际含碳量低于该温度下的平衡含碳量，得到低碳的奥氏体。如果加热速度很快，在达到某奥氏体化温度前球墨铸铁中尚保留着大量的原始组织，则原始组织的状况将会影响到奥氏体的实际含碳量。具有铁素体基体的球墨铸铁在以上随炉升温中，吸收不多的碳量即可能转变为含碳量较低（低于共析碳量）的奥氏体。珠光体基体的球墨铸铁，因其中碳的扩散距离较短，则容易转变为含碳较高的奥氏体。

奥氏体化温度、保温时间及加热速度，甚至原始组织的不同，都会影响到奥氏体的实际含碳量，使奥氏体的含碳量可以在一个很广阔的范围内变化。而奥氏体的含碳量对它在冷却时的转变过程和转变产物的性能有重要的影响。

图8-2　石墨化温度对游离渗碳体分解速度的影响

球墨铸铁在共析转变温度范围以上加热时，还可能发生游离渗碳体的石墨化。因有时球墨铸铁的铸态组织中常形成少量的游离渗碳体，而这部分游离渗碳体在低于共析温度和共析转变温度范围内的石墨化速度是十分有限的。只有在相当高的温度（一般大于880℃）时，游离渗碳体的石墨化进行得才比较迅速。这时，渗碳体分解为石墨和奥氏体。石墨的析出，通常是通过渗碳体的分解，碳向球状石墨的扩散及碳在球状石墨上的沉积来完成的。温度升高时，游离渗碳体的石墨化速度急剧加快，图8-2即反映了这种关系。此外，化学成分对于渗碳体的分解速度也有重要的影响。Si、C、Al等元素加速它的分解，而Mn、S、Mo、Cr等元素则阻碍它的分解。

高温加热还会导致磷共晶中的渗碳体分解，磷共晶的棱角会熔化，出现磷共晶钝化现象，乃至磷共晶熔化。

球墨铸铁在共析温度范围以上加热，伴随有奥氏体晶粒长大和成分均匀化。两者皆随温度升高而加剧，温度低于900℃，奥氏体晶粒尺寸变化不大，多在0．025～0．035mm范围内。温度超过900℃，奥氏体晶粒急剧长大到0．035～0．050mm。温度达到1050℃，奥氏体晶粒尺寸达到0．050～0．070mm，几乎比900℃以下大了1倍。

（二） 在共析转变温度范围内（A～A） 加热

在铁素体中形成的奥氏体，具有独特的生长方式。一般情况下，奥氏体首先在共晶团晶界处形成，而不在球状石墨周围形成。随着温度的升高，奥氏体数量不断增多，逐渐占据了共晶团晶界，然后向共晶团晶粒内生长。奥氏体晶粒一般呈杆状或棱片状，当它们沿着铁素体晶界长入共晶团内部时，便使原来互相衔接成片的铁素体晶粒分割开。随着温度的进一步升高，奥氏体数量继续增加，便形成围绕石墨分布的、有集聚倾向的“破碎铁素体”组织。在形成此种组织的温度进行长时间保温，分散的破碎铁素体不会集聚成为大块牛眼状铁素体。而牛眼状铁素体组织在此温度保温时，会迅速转变为破碎状。所以，在这种温度时，破碎铁素体与牛眼铁素体相比，是一种更为稳定的状态。(www.xing528.com)

在这种部分奥氏化处理的球墨铸铁组织中，一般情况是，共晶团晶界处，铁素体量少，而在球状石墨周围，铁素体量多。增长保温时间并不能消除铁素体分布的这种不均匀状态。

在共析转变温度范围内形成破碎状铁素体的这种现象，和球墨铸铁一次结晶组织中Si、Mn、P等元素的偏析及碳的扩散特点有密切的关系。共晶团晶界的硅量偏低，Mn、P量偏高，在共晶团中心部位靠近球状石墨处则相反，硅量偏高，Mn、P量偏低。

因此，共晶团晶界的临界温度偏低，内部则偏高。这样，在加热过程中，共晶团晶界的铁素体首先达到共析转变温度，因而，奥氏体就从晶界处开始形成。另一方面，铁素体转变成奥氏体时所需要补充的碳来自石墨，因而，碳从石墨向奥氏体晶粒的扩散是奥氏体继续生长的必要条件之一。而碳的扩散沿着铁素体晶界进行较为容易，所以奥氏体的生长就首先沿着铁素体晶界向石墨的方向发展。当大量奥氏体晶粒形成后，单靠沿铁素体晶界扩散过来的碳，已不能满足奥氏体生长的需要。这时，奥氏体得到从铁素体晶粒内部扩散过来的碳的补充，便以杆状或棱片状长入铁素体晶粒内部，造成了破碎状铁素体组织的特征。

由于元素的偏析所造成的共晶团内部临界温度偏高的现象，不但影响了奥氏体的生长特点，同时，还使在同样的加热温度时，共晶团内部向奥氏体转变的完全程度落后于共晶团晶界处的转变，即共晶团内部靠近球状石墨处有着较多的平衡的铁素体量。化学成分的偏析愈严重，此种组织不均匀的现象就愈显著。而化学成分的偏析，在共析转变温度范围内保温时，是很不容易消除的，所以增长保温时间并不能减轻组织的不均匀性。只有减轻一次结晶时的偏析，细化一次结晶组织，高温扩散退火等，才能使组织趋于均匀。

（三） 在共析转变温度范围以下（＜A） 加热

在此温度范围内，发生共析渗碳体的粒状化和石墨化，即片状珠光体→粒状珠光体和共析渗碳体→铁素体+石墨。

共析渗碳体由片状转变成粒状，因而表面积减少，表面能降低，从而降低了系统自由能，所以这个过程能自发进行。随着加热温度升高，珠光体的粒化过程加速。另外，珠光体中的渗碳体是不稳定的，在有足够高的温度和时间时，则要分解成铁素体和石墨。在共析渗碳体的石墨化过程中，加热温度和保温时间对共析渗碳体的分解，起着十分重要的作用。当加热温度越接近ASC1点，则这个过程就进行得越剧烈。保温时间越长，则石墨化进行就越充分。这时由共析渗碳体分解而成的二次石墨，向原有的石墨表面扩散、聚集，形成包围原有石墨周围的外壳。

影响共析渗碳体分解的因素除温度和保温时间外，化学成分也有十分重要的作用。

当含硅量增加时，可缩短保温时间。但硅使球墨铸铁的共析转变温度升高。因此，当含硅量增加时，共析渗碳体分解要求的保温温度也要相应提高。

锰阻碍共析渗碳体分解，并且其阻碍作用随着含锰量的增加而增加。因此，生产铁素体球墨铸铁时，其含锰量不大于0．3%；对于铸态铁素体球墨铸铁，其含锰量要不大于0．2%。

磷阻碍共析渗碳体分解。当铸态组织中有磷共晶组织时，在其周围的珠光体很难在渗碳体分解过程中进行彻底分解。

球墨铸铁通常含硅量大于2%，共析渗碳体石墨化要比其粒化过程进行得更为强烈。因此，要使球墨铸铁具有粒状珠光体组织，就要降低含硅量，并提高含锰量[w（Mn）=1．0%～1．5%]，且要配合适当的加热制度。