铁碳合金的显微组织及分析-铸铁

铁碳合金的显微组织及分析-铸铁 摘要：在铁碳二元系中，含碳量大于2%的合金称为铸铁。铸铁具有较低的熔点、优良的铸造性能，生产工艺简单，成本低廉，是工程中最常用的金属材料之一。根据碳在铸铁中存在状态及形式的不同，可得到不同类型的铸铁。 关键词：石墨化；灰口铸铁；球墨铸铁；展性铸铁；麻口铁 0引言 铸铁为含碳量在2%以上的铁碳合金。工业用铸铁一般含碳量为2%～4%。碳在铸铁中多以石墨形态存在，有时也以渗碳体形态存在。除碳外，铸铁中还含有1%～3%的硅，以及锰、磷、硫等元素。合金铸铁还含有镍、铬、钼、铝、铜、硼、钒等元素。碳、硅是影响铸铁显微组织和性能的主要元素。根据碳在铸铁中得存在形式的不同，可将铸铁分为白口铸铁、灰口铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、冷硬铸铁、蠕墨铸铁。 铸铁的生产工艺简单，成本低廉。因此在机械制造、冶金、国防工业等部门应用广泛。铸铁不仅可以用来制造强度和韧性要求都不高的一般部件，如机床机身、发动机气缸体等；还可以用来制造某些要求具备综合力学性能的重要零件如柴油机曲轴、汽车后桥等。 铸铁的组织视化学成分和冷却速度而异，当铸铁凝固的冷却速度足够大时，得到白口铸铁组织，随冷却速度减小，铸铁组织依次改变为麻口铸铁、珠光体灰口铸铁、珠光体铁素体灰口铸铁和铁素体灰口铸铁；球墨铸铁是在浇铸前向灰口铸铁加入少量球化剂获得球状石墨的铸铁。球墨铸铁具备优于灰铁的强度、范性和韧性；可锻铸铁又叫展性铸铁，由白口铸铁经过石墨化退火后制成，是一种强度韧性都较高的铸铁。 1、铸铁组织的形成--石墨化 在铁碳系中，碳还能够以稳定的石墨形式存在，这反映了铁与石墨之间的稳定平衡关系。描述这个平衡关系的图解就是铁-石墨相图，把铁-石墨相图叠加在亚稳的铁-渗碳体相图之上就得到所谓复线相图。相图中实线 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示铁-渗碳体相图，虚线表示铁-石墨相图，虚线跟实线重合时用实线表示。 按照铁碳相图可将铸铁的石墨化分为三个温度阶段。 第一阶段——从铸铁的液相中结晶出一次石墨（过共晶合金）和通过共晶反应结晶出共晶石墨。 中间阶段——奥氏体中直接析出二次石墨，或通过渗碳体在共晶温度和共析温度之间发生分解而形成石墨。 第二阶段——从铸铁的共析转变中析出石墨。或者通过渗碳体在共析温度附近及其以下温度发生分解形成石墨。 根据铸铁化学成分和凝固条件的不同，在铸铁组织中石墨呈现出不同的形状、大小和分布。 图1—铁碳复线相图 2、灰口铸铁 灰口铸铁中碳全部或部分以自由碳-片状石墨形式存在，断口呈现灰色。其显微组织根据石墨化程度的不同分为铁素体或珠光体或铁素体+珠光体灰口铸铁。而所有灰口铸铁组织的共同特征是，在这些铸铁的组织总有一个相当于钢的组织的金属基体，在这基体上分布着片状石墨。由于石墨片对钢基体产生割裂作用，破坏了钢基体的连续性、完整性，减少了钢基体的有效面积，使其抗拉强度低于钢、而塑性和韧性近于零，属于脆性材料。灰口铸铁不能承受加工变形，但是却具有优良的铸造性能，同时切削加工性能也很好。 （1）未经浸蚀的灰口铸铁 为了研究石墨的形状和分布，一般均先观察未经腐蚀的样品。由于片状石墨无反光能力，故试样未经腐蚀即可看出灰黑色。石墨性脆，在磨制时容易脱落，在显微镜下表现为空洞。未经腐蚀的基体在显微镜下呈现白亮色。 （2）铁素体基灰口铸铁 铸件结晶时共晶渗碳体发生分解，即进行第一阶段石墨化，然后又在随炉缓慢冷却过程中使二次渗碳体及共析渗碳体发生分解，即进行中间和第二阶段石墨化，石墨化的三个阶段在结晶时都得以充分进行。这样就可获得铁素体灰口铸铁。显微组织中长条粗大的为石墨片，围绕石墨片的基体组织是匀质的铁素体。 （3）珠光体基灰口铸铁 铸件结晶时共晶渗碳体发生分解，随后采用较快的冷却速度，第二阶段石墨化由于温度低来不及进行，只进行第一阶段和中间阶段的石墨化，最终获得珠光体基的灰口铸铁。珠光体基灰口铸铁增加了铸件的强度和耐磨性。显微组织中的基体组织是珠光体，珠光体基体上分布细小均匀的石墨。 （4）铁素体+珠光体基灰口铸铁 铁素体+珠光体基灰口铸铁结晶时同铁素体灰口铸铁，第一阶段和中间阶段石墨化都得以充分进行，但第二阶段的石墨化只能部分进行。得到铁素体和珠光体基混合的基体。如图中显示，围绕石墨片是白色的铁素体，石墨片和铁素体是连通的。其余黑色的部分为珠光体。 （5）变质灰口铸铁 灰口铸铁的孕育处理是为了提高灰口铸铁的强度、硬度，使石墨片细化，增加石墨结晶核心，得到的显微组织为细密珠光体基体上分布有细小的石墨片，提高了抗拉强度和硬度。孕育铸铁适用于较高强度，高耐磨性和气密性铸件。 3、麻口铸铁 麻口铸铁，是介于白口铸铁和灰铸铁之间的一种铸铁，其断口呈灰白相间的麻点状。麻口铸铁中的碳既以渗碳体形式存在，又以石墨状态存在，断口来杂着白亮的游离渗碳体和暗灰色的石墨。铸铁凝固时增大冷却速度不仅导致第二阶段渗碳体并且中间阶段甚至第一阶段石墨化也未能或未能充分进行，则会得到含有二次渗碳体甚至莱氏体的麻口铁。麻口铸铁脆性大性能不好，故极少应用。 4、球墨铸铁 球墨铸铁是近三十多年来发展起来的一种优良的铸铁材料。球墨铸铁是在浇铸前向灰口铸铁加入少量球化剂获得球状石墨的铸铁。球状石墨通常是孤立地分布在基体中。球状石墨对基体的分割作用较轻，对应力集中的影响较小，能充分地发挥基体的强度、韧性和塑性。其整体的力学性能均高于灰口铸铁。 （1）铁素体基球墨铸铁 铁素体球墨铸铁的基体中铁素体体积含量在80%以上，具有较高的塑性。它由铸造加退火获得。退火过程中基体中的渗碳体分解出石墨，自奥氏体中析出石墨，这些石墨集聚于原球状石墨周围，基体全转换为铁素体。显微组织图中可以清晰地看到球状的石墨，围绕球状石墨的基体组织为铁素体。 （2）珠光体基球墨铸铁 珠光体球墨铸铁中珠光体体积含量在80%以上，具有较高的强度和疲劳强度，耐磨性比较好，并具有一定的范性和韧性。它可通过铸造加正火获得。正火的目的是将基体组织转换为细的珠光体组织。通过加热基体为铁素体及珠光体的球墨铸铁，使原铁素体及珠光体转换为奥氏体，并有部分球状石墨溶解于奥氏体，经保温后空冷奥氏体转变为细珠光体，因此铸件的强度提高。显微组织图以石墨和珠光体为背景，围绕球状石墨的是珠光体。 （3）铁素体+珠光体基球墨铸铁 铁素体＋珠光体球墨铸铁的结晶先经历球状石墨的形成，接着围绕着石墨球形成贫碳区，这时候奥氏体形核并生长、兼并和粗化，球化继续进行最后形成一圈封闭晕圈。这层闭晕圈为多晶态的铁素体，围绕在球状石墨周围的黑色基体组织为珠光体。 5展性铸铁 展性铸铁又叫可锻铸铁，是一种强度韧性都较高的铸铁，它是由白口铸铁经过石墨化退火后制成的。展性铸铁因石墨呈团絮状，团絮状石墨对金属基体的破坏比片状石墨的轻，而使塑性和韧性均优于灰口铸铁，它由含碳和硅不高的白口铸铁经石墨化退火而成。退火的目的在于使铸件中得渗碳体发生分解、形成团絮状石墨。采取不同的工艺得到铁素体基展性铸铁或珠光体基铸铁。 （1）铁素体基展性铸铁 在铸铁的冷却过程当中石墨从奥氏体中直接析出，退火速度稍慢，便可得到铁素体基展性铸铁。铁素体基展性铸铁石墨含量少，强度虽不怎么高，但韧性和塑性比较好。显微组织中可以看到团絮状石墨周围围绕的是铁素体。 （2）珠光体基展性铸铁 在铸铁的冷却过程当中石墨从奥氏体中直接析出，退火速度稍快，便可得到珠光体基展性铸铁。珠光体基展性铸铁虽然在韧性和塑性方面赶不上铁素体基展性铸铁，但是它的强度和硬度比较高，耐磨性好。显微组织中团絮状石墨周围围绕的是珠光体。 （3）铁素体+珠光体基展性铸铁 铁素体+珠光体基展性铸铁在晶界过程中纯的珠光体灰口铸铁发生铁素体分解，得到石墨片加渗碳片。显微组织中可以清晰地看到围绕团絮状石墨周围的是铁素体，外围是珠光体。 参考文献： （1） 宋维锡.金属学.冶金工业出版社.2011年8月 （2） 吴承建、陈国良、强文江.金属材料学.冶金工业出版社.2000年 （3） 孟利.材料科学基础实验指导书.北京科技大学材料科学与工程学院.2009.9