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知识篇:铁-碳双重相图的作用及其认读

为什么要掌握铁-碳双重相图变化规律?

铁-碳双重相图的横坐标是成分、纵坐标是温度,可显示不同成分的铸铁在不同温度时所形成的组织,而这些组织是决定铸铁性能的关键。

换句话说,铁-碳双重相图能“动态”描述铸铁合金在熔炼与冷却过程中成分、温度、金相组织变化的规律,是掌握铸铁合金与熔炼理论的基础工具。看懂铁-碳双重相图,即能对铁液冶金质量问题知其然和所以然,就能从根本上找到解决实际问题的办法。

Fe-C(石墨)、Fe-Fe3C双重相图

要认读相图,首先要弄清5个概念

合金相图:表示合金状态与温度、成分之间关系的图形,称为合金相图,它是研究合金结晶过程中组织形成与变化的理论依据。 

铁-碳合金平衡相图:铁-碳合金平衡相图是在极缓慢冷却的条件下,不同成分的铁碳合金在不同温度下形成各类组织的图形。

铁-碳双重相图:铸铁中的碳能以石墨或渗碳体两种独立相存在,因此铁-碳合金相图存在两重性,即以Fe-C(石墨)形式存在,或以Fe-Fe3C形式存在,故称为铁-碳双重相图。

稳定系与亚稳定型铁碳相图:在一定的条件下,Fe-Fe3C系相图可以向Fe-C(石墨)转化,故称Fe-C(石墨)为稳定系相图(用虚线表示),Fe-Fe3C为亚稳定系相图(用实线表示)。

钢与铸铁:

①碳质量分数小于2.1%的铁碳合金为钢;

②碳质量分数大于2.1%的铁碳合金为铸铁;

③钢与铸铁最大的区别是铸铁中有石墨,研究钢的结晶用Fe-Fe3C体系相图,研究铸铁结晶,用Fe-C(石墨)及Fe-Fe3C双重相图。

影响组织形成的三个因素

冷却速度:铁-碳合金相图是在极缓慢冷却条件下形成的,但实际生产中的冷却速度是远大于合金相图中的冷却速度的,且生产中所用铸型材料不同,导致的冷却速度也不同,所形成的组织就会不同。因此生产中即使铁液成分完全相同,但对湿型、干型,或砂型、金属型,或厚大件、薄壁件等来说,所得组织大相径庭。冷却速度快的,按Fe-Fe3C系凝固;冷却速度慢的,按Fe-C(石墨)系凝固。

成分:成分不同,组织也不同。实际生产中出现的亚共晶铸铁、共晶铸铁、过共晶铸铁是3种不同成分的铸铁,各自形成的组织也不相同。即使同是亚共晶铸铁,若其碳当量、合金元素及微量干扰元素不同,形成的组织也不相同。

温度:不同温度下形成的组织完全不同。

在铁-碳合金相图中液相线温度、共晶转变温度、共析转变温度很重要。铸铁从高温冷却到这3个温度都要结晶,产生新的组织。在液相线温度下结晶的是初生组织(初生奥氏体,或初生石墨,或初生渗碳体);在共晶转变温度下形成共晶组织(共晶奥氏体+共晶石墨,或共晶奥氏体+共晶渗碳体);在共析温度下形成的共析组织(珠光体+渗碳体,或珠光体,或铁素体+石墨)。因此,在控制组织时,必须与这3个特征温度联系起来。

铁-碳双重相图是双重凝固系统

铸铁中的碳能以两种形式独立存在:一种是化合碳的形式——渗碳体(Fe3C);另一种是游离态的形式——石墨(C)。

这两种相可独立也可同时存在于铸铁中,这就是生产中为什么会出现白口铸铁、灰口铸铁、麻口铸铁的原因。再如,抗磨白口铸铁是表层白口、内层灰口的冷硬铸铁,可锻铸铁是毛坯为白口、热处理后为灰口的铸铁。这些都是碳能以两种形式存在的证明。生产中有效控制碳以哪一种形式存在,对获得铸铁性能至关重要。

稳定系相图与亚稳定系相图

因为Fe-Fe3C系在一定条件可向Fe-C(石墨)系转化,所以称Fe-Fe3C为亚稳定系相图,Fe-C(石墨)为稳定系相图。这个转化的概念在实际生产中具有重要的意义。

在20世纪20年代以前,铸铁的抗拉强度一般超不过200MPa。当时是用加废钢的手段来提高强度的,但废钢数量加到一定程度时,铁液的白口倾向增加,铁液按Fe-Fe3C系凝固,铸件中出现了渗碳体,反而阻碍了强度的提高。到1922年发明了密烘铸铁,在炉前加入孕育剂,使铁液全部按Fe-C(石墨)系结晶,消除了渗碳体,大幅度地提高了强度。

掌握铁-碳双重相图规律,在生产实践中按要求控制铁液结晶态系,是铸造工程技术人员必备技能之一。