第七章 铸 铁铸铁不是纯铁，也是以铁和碳为主的合金其化学成分一般为C2.0%~4.0%、Si1.0%~3.0%、Mn0.1%~1.0%、S0.02%~0.25%、P0.05%~1.5%为了提高铸铁的力学性能，有时在铸铁中添加少量的Cr、Ni、Cu、Mo等合金元素制成合金铸铁所以铸铁又和钢不同，而是一种以Fe、C、Si为主要成分的且在结晶过程中具有共晶转变的多元铁基合金由于存在共晶转变，因此铸铁的铸造性能优良，因而通常采用铸造方法生产成铸铁零件（简称铸件）使用，故这类铁碳合金称为铸铁铸铁是人类最早使用的金属材料之一到目前为止，铸铁仍是一种被广泛使用的金属材料例如，按质量统计，在机床中铸铁件约占60%~90%；在汽车、拖拉机中铸铁约占50%~70%高强度铸铁和特殊性能的合金铸铁还可代替部分昂贵的合金钢和有些有色金属材料铸铁之所以获得较广泛的应用，主要是由于它的生产工艺简单、成本低廉并具有优良的铸造性能、可切削加工性能、耐磨性能及吸震性等因此铸铁广泛地用于机械制造、冶金、矿山及交通运输等工业部门7.1 铸铁的结晶和石墨化一、铸铁的特点和分类1．铸铁的特点铸铁是指碳的质量分数大于2.11%（一般为2.5%~4%）的铁碳合金。
它是以铁、碳、硅、为主要组成元素，并比碳钢含有较多的硫、磷等杂质元素的多元合金此外，为了提高铸铁的力学性能或物理、化学性能，还可加入一定量的合金元素如锰、钼、铬、铝等化学元素 铸铁与钢的主要区别，一是铸铁的碳含量及硅含量高，并且碳多以石墨形式存在；二是铸铁中硫、磷杂质多2．铸铁的分类碳在铸铁中既可以化合状态的渗碳体（Fe3C）形式存在，也可以游离状态的石墨（G）形式存在据此可以把铸铁分为三类：（1）白口铸铁 碳除少量固溶于铁素体中外，其余的碳都以渗碳体（第二相）的形式存在于铸铁基体中，其断口呈银白色，故称白口铸铁在Fe-Fe3C相图中讲述的亚共晶白口铁、共晶白口铁、过共晶白口铁就属于这类铸铁由于这类铸铁中都存在共晶莱氏体组织，所以其性能硬而脆，很难切削加工，一般很少直接用来制造各种零件2）麻口铸铁 碳除少量固溶于铁素体中外，一部分以游离状态的石墨（G）形式存在，另一部分以化合状态的渗碳体（Fe3C）形式存在，在其断口上呈黑白相间的麻点，故称麻口铸铁这类铸铁也具有较大的硬脆性，故工业上也很少使用3）灰口铸铁 碳除少量固溶于铁素体中外，全部以游离状态的石墨（G）形式存在，其断口呈暗灰色，故称灰口铸铁。
由于灰口铸铁中的碳主要以石墨形式存在，使得灰口铸铁具有良好的切削加工性、减摩性、减振性等，而且熔炼的工艺与设备简单，成本低廉，所以在目前的工业生产中，灰口铸铁是最重要的工程材料之一若按重量百分比计算，在各类机械中，约占40%~70%，在机床和重型机械中，则可达60%~90%根据铸铁中石墨形态的不同，它又可分为以下四种：一是灰铸铁，即铸铁中石墨呈片状存在这类铸铁的力学性能虽然不高，但它的生产工艺简单、价格低廉，故工业上应用最广二是球墨铸铁，即铸铁中石墨呈球状存在它不仅力学性能比灰铸铁高，而且还可以通过热处理进一步提高其力学性能，所以它在生产中的应用日益广泛三是蠕墨铸铁，即铸铁中石墨呈蠕虫状存在，即其石墨形态介于片状与球状之间其力学性能也介于灰铸铁与球墨铸铁之间这种铸铁是七十年代发展起来的一种新型铸铁四是可锻铸铁，即铸铁中石墨呈团絮状存在其力学性能（特别是韧性和塑性）较灰铸铁高，并接近于球墨铸铁此外，依据铸铁的化学成分、结晶形态和组织性能不同，可分为常用铸铁和合金铸铁两类常用铸铁也称为普通铸铁或灰铸铁，合金铸铁也称为特殊性能铸铁二、铸铁的结晶1．Fe-Fe3C和Fe-C双重相图在铁碳合金中，碳可以三种形式存在：一种是以原子形式固溶于铁素体（F）中；另一种是以金属间化合物（Fe3C）的形式存在；还有一种是以游离态的单质石墨（G）存在。
石墨的晶格类型为简单六方晶格，如图7-1所示，原子呈层状排列，同一层的原子间距为0.142nm，结合力较强；而层与层之间的面间距为0.340nm，是依靠较弱的金属键结合，故石墨具有不太明显的金属性能（如导电性），而且由于层与层间的结合力较弱，易滑动，故石墨的强度、塑性和韧性较低，硬度仅为3~5HBS图7-1 石墨的晶体结构由于渗碳体在长时间加热的条件下可以分解为铁（或铁素体）和石墨，即Fe3C→3Fe+C(G)这表明石墨是稳定相，而渗碳体仅是介（亚）稳定相也就是说，成分相同的铁液在冷却时，冷却速度愈慢，析出石墨的可能性愈大；冷却速度愈快，析出渗碳体的可能性愈大因此反映铁碳合金的相图实际上应是两个，即亚稳定的Fe-Fe3C相图和稳定的Fe-C(G)相图Fe-Fe3C相图反映了亚稳定相Fe3C的析出规律，而 Fe-C(G)相图反映了稳定相C(G)的析出规律为了便于比较和应用，习惯上把这两个相图合画在一起，称为铁碳合金双重相图，如图7-2所示图中实线表示亚稳定的Fe-Fe3C相图，虚线表示稳定的Fe-C(G)相图，凡虚线与实线重合的线条都用实线表示由图可见，虚线均位于实线的上方（或左上方），这同样表明Fe-C(G)相图较Fe-Fe3C相图更稳定，也表明碳在奥氏体和铁素体中的溶解度较小。
2．铸铁的结晶图7.1-2 Fe-Fe3C和Fe-C双重状态图L-液态合金 γ-奥氏体 G-石墨 α、δ-铁素体 P-珠光体表7-1 普通灰口铸铁的结晶过程铸铁成分结 晶一次结晶二次结晶亚共晶初生奥氏体的析出、共晶转变碳自奥氏体中脱溶、共析转变等共 晶共晶转变过共晶初生石墨的结晶、共晶转变由Fe-C双重相图可见，亚共晶成分的灰口铸铁结晶时，首先析出的是初生奥氏体A，以后残留下的液相再经共晶转变变为固态对于过共晶成分的灰口铸铁结晶时，首先析出的初生石墨，以后残留下的液相经过共晶转变变为固态；而共晶成分的灰口铸铁直接发生共晶转变而成固态继续冷却时，碳还要发生自A中脱溶析出和以后的共析转变完成结晶过程，形成灰口铸铁的最终组织通常把初生A（或初生石墨）的析出和共晶转变称为铸铁的一次结晶；而把凝固后进行的碳自A中脱溶及共析转变称为二次结晶普通灰口铸铁的结晶过程如表7-1显然，一次结晶决定了铸铁的晶粒大小、石墨形状和分布，二次结晶决定了铸铁的基体组织因此，要控制铸铁的组织，就必须控制这两个结晶过程1）灰铸铁的一次结晶 灰口铸铁的一次结晶包括初生A或初生石墨的结晶和共晶转变初生A的结晶是形核和长大的过程。
对于亚共晶成分的铸铁，在一定的过冷度下奥氏体开始结晶时，铁水中的铁和碳都处于过饱和状态，因此在冷却速度最快的表面上生成了奥氏体晶核，进一步冷却速度，晶核长大由于冷却速度较大，晶核在各个方向的生长速度是不同的在棱角处散热快，生长就快，所以先形成主干，然后长出分枝，而后由分枝再分枝，逐步形成树枝状，即树枝晶（也称枝晶）最后再填充枝晶间的空隙，完全凝固后成为晶粒和晶界的组织A晶核生成的难易程度与铁水的过热度、纯度和过冷度有关过热度越大，铁水越纯洁，成核越困难，成核所需的过冷度也越大当过冷度增大时，生核率升高，所得晶粒就细小；外来质点也影响生核率，当铁水中有高熔点质点时，它们作为成核中心，故也可细化组织A树枝晶的大小、形状与铁水的冷却速度和化学成分有关冷却速度越大，树枝晶越小、越薄，数量也越多；化学成分越接近共晶成分，从结晶开始至结晶完毕的凝固温度范围就越小，树枝晶不易发展，因此就小而少对于过共晶成分的铸铁，初生相是石墨晶核，一方面，由于石墨晶体中层与层之间结合力较弱，在已经形成石墨的某一原子层面上所生长的另一新原子层，如果不够大的话，便有可能重新溶入铁液中，因此，沿垂直于层面方向，石墨生长速度较慢；相反，在每一个原子层面上边缘的碳原子，总还有一个共价键是没有结合的，只要铁液中有个别碳原子进入适当的位置，便能很牢固地结合上去，所以在沿垂直于柱面的方向上石墨的生长速度就较快。
总之，石墨在生长时，沿原子层基面方向生长快，沿垂直于基面方向上加厚慢，故最终形成片状石墨另一方面，石墨在成核和生长过程中会导致其周围铁水的碳浓度降低，凝固点升高，生成一层包围着石墨片的奥氏体（壳），但奥氏体实际上很难把石墨完全包围，石墨片端部仍直接与铁水接触这样，石墨片向两侧加厚的生长必须依靠碳原子从铁水中通过奥氏体层扩散到石墨周围，再结合到石墨两侧面上；与此同时，还必须使铁原子向奥氏体层外作反方向的扩散，显然这些扩散过程是比较困难的，故石墨片向两侧方向的生长是比较慢的相反，由于石墨片的端部与铁水直接接触，碳原子的扩散和铁原子的反向扩散比较容易进行，因此石墨片的生长过程呈方向性，即加厚慢，沿平面方向生长快，故最终生长成为片状这些组织上的变化会影响铸铁的性能，如孕育铸铁就是利用外来核心细化组织而获得的，从而使铸铁的强度和耐磨性提高共晶转变是铸铁结晶中的一个重要环节，共晶转变是铸铁区别于钢的一个显著标志铸铁中的石墨特性主要由共晶转变过程决定共晶成分的铁水从高温冷却时，当冷却至以下，EF以上铁素体某一温度时，共晶产物是奥氏体+石墨，且石墨相G是领先相，呈片状，有时还有分叉，得到灰口铸铁；当冷却到EF以下时，则高碳相通常是渗碳体，得到共晶白口铸铁。
由于过冷度较大时，铁原子扩散比较困难，而渗碳体的结构与铁比较接近，故易于成核长大在共晶铸铁先形成石墨片后，共晶奥氏体往往从石墨片的侧面析出，而不是从石墨片的尖端析出虽然石墨片尖端长大最快，其附近的铁水中铁原子浓度应该最大，但是由于奥氏体的（111）晶面和石墨片的（0001）晶面原子排列相似，而且晶格常数相近，因此石墨片的侧面可以作为奥氏体结晶的基面，从而使奥氏体易于从石墨片侧面析出当过冷度较小时，奥氏体只部分地分布在石墨片上，石墨片自始自终与铁水相接触；当过冷度较大时，石墨核心来不及长大，呈薄片状，被奥氏体包围，在成长的奥氏体表面上铁水急剧富碳，产生新的石墨核心，生成过冷石墨奥氏体从石墨片侧面析出以后，铁水中存在着液相/石墨和液相/奥氏体界面，由于前者界面上的碳浓度较高，因而产生了铁、碳原子的扩散转移这两种原子的扩散过程互相制约、互相依赖，促进了奥氏体和石墨的成长由于后者石墨片的尖端长大最快，因此促进了石墨尖端伸入铁水中，直接从铁水中取得碳原子，故其共晶转变速度很快石墨片和奥氏体结合在一起形成共晶团，逐步长大而形成多面体总之，灰铸铁的一次结晶过程可归纳为初生奥氏体或初生石墨的析出与共晶转变两个过程。
2）灰铸铁的二次结晶 铸铁的二次结晶主要包括奥氏体中碳的脱溶和奥氏体的共析转变两个阶段当铸铁共晶转变后，进一步冷却的奥氏体中碳的溶解度将降低，多余的碳就会以脱溶的方式排出如果铸铁共晶转变产物是奥氏体加石墨，脱溶的碳就会沉积在原有的石墨上使其长大如果铸铁的共晶转变产物是奥氏体加渗碳体，脱溶的碳则一般通过原来的共晶渗碳体长大而析出由于二次高碳相一般依附于共晶高碳相上，因此它们一般不需要重新形核，也不改变共晶高碳相的形貌但有时二次渗碳体会在晶界上独立析出，沿晶界呈网状分布在脱溶转变过程中碳原子在奥氏体中的扩散是整个反应的限制性环节当铸铁冷却到共析温度以下时，奥氏体发生共析转变，由于其产物可为铁素体加石墨，也可为铁素体加渗碳体（珠光体）因此共析转变是决定铸铁基体组织的重要环节当铸铁缓慢地冷却通过共析转变温度区间时，就会发生奥氏体向铁素体及石墨的转变析出的石墨沉积在原有的石墨上，而铁素体则在晶界上形核这是因为在固态下重新形核是十分困难的，原有的石墨是其析出的最好衬底而晶界处晶格畸变较大，晶格缺陷较多，有利于铁素体晶核的形成析出的铁素体在初期呈条块状，随着石墨的析出，石墨周围的铁素体不断增多和长大，并逐渐连接起来。