白口铸铁共晶组织的改性

为提高白口铸铁的韧性与耐磨寿命，除借助热处理改变基体组织及碳化物形态外，另一重要途径是控制凝固过程，改变共晶组织。

改善白口铸铁的共晶组织包括：

•细化共晶团；

•使共晶碳化物断续；

•改变碳化物的形态(板片→杆状→团球)。

细化共晶团的目的是通过细化共晶碳化物去改善白口铸铁的使用性能。对于可锻铸铁的生胚件，细化共晶团则是为了缩短石墨化退火时间，因为细小的共晶碳化物显著增加渗碳体/奥氏体界面，加速渗碳体分解进程。细化共晶团的方法是增多共晶团核心，所以，加大凝固时的冷却速度、调整化学成分、改变核心状态以及添加异质核心(即孕育处理)都是、使共晶团细化的措施。

破坏共晶碳化物的连续性是改善白口铸铁韧性的重要措施。普通白口铸铁莱氏体共晶团中的渗碳体连成一体并在初生奥氏体问形成网状分布，严重地降低白口铸铁的韧性。

改变白口铸铁中碳化物形态是提高韧性、强度的有效途径，因为板片状碳化物与灰铸铁中的粗片状石墨一样，性脆、无强度、尖角应力集中严重、裂纹易沿尖角快速扩展。

改善白口铸铁共晶组织的工艺措施有：

1．调整化学成分  大范围增加合金中某些组元成分可改变碳化物类型，导致形态改变。铬系白口铸铁中的含Cr量与碳化物类型关系十分密切，当含铬w(Cr)≥10%，w(Cr)/w(C)>4时，共晶碳化物由板片状Fe(Cr)₃C转变成杆条状Cr₇C₃。

在低铬门门铸铁中，钒可改变碳化物形态，当w(V)=4%时，出现明显碳化物断网效果；w(V)=6%，开始生成团球状碳化物；w(V)=8%时，绝大部分为圆球状碳化物。

钨在碳化物中的作用与铬类似，能改变碳化物的形貌和分布。w(W)<6%时，碳化物呈M₃C型，仍保持网状或断续网状。w(W)=13%～15%时，碳化物呈断续网状+孤立状碳化物，棚结构多是M₆C型阳w(W)=20%左右，碳化物属M₆C型，形貌呈紧密结构的孤立块状(棱形、多角形、杆形等)。

普通白口铸铁的共晶组织是莱氏体蜂房式结构，当w(Si)<0.5%，并在较大过冷的情况下，蜂房式网状碳化物逐渐被断续。然而，硅对高铬白口铸铁组织的影响却相反，随硅量适当增加，能增加碳化物网的断续程度，明显提高断裂韧度。因为硅的质量分数由0.4%增加到1.4%后，共晶碳化物的结晶取向发生改变，出现散射结构，从而使网断开。

实践证明，将铬的质量分数为11%～135%的白口铸铁的w(Si)提高到11%～22%，抗冲击疲劳剥落和抗冲击磨料磨损优于w(Cr)=15%的高铬白口铸铁。

低合金白口铸铁的碳化物形貌受碳量影响，控制低的碳量(w(C)=22%～26%)时，有利于碳化物在稀土复合变质处理后的球团化。

2．提高冷却速度随凝固速度增加，共晶团变小，碳化物同时得到细化，例如金属型铸造或表层堆焊都可生成极细的棒状M₇C₃。但是，由于凝固速度很难改变所析出的碳化物类型，因而难于改变其形态。

3．孕育处理根据合金类型与用途，白口铸铁孕育处理的目的有：提高铸铁的韧性、耐磨性；降低可锻铸铁的退火温度、缩短退火时间。

白口铸铁的孕育处理与灰铸铁不同，它是通过细化初生奥氏体，使枝晶间区域变小，达到细化共晶碳化物的目的。用于白口铸铁的孕育元素有：V、Ti、B、RE、Al。其中稀土RE与熔液中S、O形成的夹杂以及Al脱氧生成的Al₂O₃作为初生奥氏体的形核基底，增多核心，细化奥氏体枝晶。Ti与碳形成TiC作奥氏体优良的异质核心，增加奥氏体形核率。V、B的碳化物都利于奥氏体形核。

4．变质处理白口铸铁的变质是指向铁液中加入少量物质，以改变碳化物形状为目的所进行的处理。

与灰铸铁类似，白口铸铁的共晶结晶也属非小平面–小平面(金属–非金属)共晶，两种铸铁的非金属高碳相有相似的生长方式：石墨与渗碳体均为层状组织，有较强的各向异性及择优的生长取向。此外，两者在共晶体的生长过程中都超前于奥氏体，引导着共晶的进行。因而，灰铸铁使用的某些变质工艺与原理对白口铸铁可有所借鉴。例如：Mg、Ce稀土元素能提高灰铸铁过冷，使石墨由片状向球状转化的机制对于白口铸铁也存在这种相似，稀土变质剂同样可使M₃C碳化物改变形状，因为稀土金属对白口铸铁铁液也是表面活性元素，在固液界面前沿的熔体中富集，增加过冷，使奥氏体生长速度加快。当领先相由碳化物变为奥氏体后，有可能在碳化物前端相互搭桥，连成一体，使碳化物断续，将板状碳化物变成板条或杆状碳化物。另外，稀土元素在碳化物晶体上选择吸附，抑制M₃C晶体a向生长。

但是，由于M₃C在各原子层内是Fe–C强共价键结合，各层之间由弱的Fe–Fe金属键连接，原子问键的各向异性远比石墨强烈，a向的生长速度比c向快得多，使变质元素的上述作用不易发挥，导致普通白口铸铁的变质处理至今较难获得像灰铸铁那样成功的应用。然而，通过变质处理改变碳化物形状，提高白口铸铁的强韧性，是十分有意义的课题，不少学者一直不懈努力于这方面的研究。

高铬白口铸铁中的共晶碳化物M₇C₃的形状为断续的曲面板条(当过冷度大时呈细纤维杆状)，与普通白口铸铁莱氏体中连续板片的M₃C相比，韧性明显提高。但是，M₇C₃所固有的沿[0001]择优生长的特性很难改变长度方向比径向尺寸大的晶体形态特点，所以，材料的韧性仍然偏低。为此，M₇C₃团球化的研究一直受到关注。稀土金属对M₇C₃的生长过程有一定抑制作用，例如：加入少量铝和稀土，可使w(Cr)=4%的白口铸铁中的碳化物孤立；当w(Al)>8%，时可完全团球化，用含K，Na的变质剂对高Cr白口铸铁变质处理，M₇C₃能变成弥散分布的细颗粒，形成不规则的团块状。因为碱金属K、Na作为表面活性元素吸附在碳化物与奥氏体界面上促使成分过冷，有利于形成离异共晶。另外K、Na的强烈脱氧作用使铁液净化，碳化物在限制扩散条件下生长，从而降低共晶碳化物在[010]择优方向上的长大涑度。