Fe-C-Si凝固相图的建立

Fe-C-Si凝固相图的建立

原因

由于实际铸铁件的化学成分杂质多、熔液核心状态复杂、冷却速度快等原因，它们的结晶条件与建立在热力学计算基础上的平衡相图或在特定环境（冷却速度缓慢到0.5～2.5℃/min、使用纯净原料、真空下熔炼）下测定的平衡Fe-C相图的条件有很大差别。这种差别，促使铸铁在凝固时容易在不平衡条件下从稳定的Fe-C（石墨）系转变到介稳定的Fe-F₃C系结晶，故平衡相图不宜用于实际铸铁件的凝固分析。

Heine为了能切合实际地分析铸铁的凝固组织，在接近实际状况的炉料、熔炼工艺及冷却条件下浇注试样，借助热分析测试出的冷却曲线建立起铁-碳（或碳当量）相图，然后以此图为依据确定温度-成分-组织的关系。由于相图仅考虑液-固转变区的关系，故称凝固相图。鉴于冷却曲线是在更实际的境环下测试的，所以，凝固相图不是平衡状态下的相图，而是考虑到各种实际条件之后，对铸铁各凝固组织（奥氏体、石墨、碳化物、共晶体）的形成温度、成分界定的描述。

图1是Fe-C-Si稳定系与介稳定系凝固相图。

条件

建立此相图的条件是：热分析的样杯尺寸应满足铁液从1300℃下降到1000℃时约为4～6min，在工频炉中熔化，炉料使用生铁、废钢及硅铁，过热到1500~1540℃保温。测试介稳定系凝固的冷却曲线时在铁液中加入w(Te)=0.005%~0.02%。

图1  Fe-C-Si凝固相图

a）稳定系   b）介稳定系

Fe-C-Si铸铁凝固相图上的奥氏体液相线、石墨液相线、碳化物液相线、共晶温度、共晶成分的界线均可依熔化工艺、熔液处理、冷却速度的改变而移动。

1  奥氏体液相线温度t_AL，碳当量、过热温度、保温时间、炉料、熔化过程的氧化气氛，甚至炉型、炉渣以及炉衬种类，都是熔化工艺中能引起凝固相图t_AL线移动的因素。随铁液氧化程度提高，t_AL温度呈逐渐升高趋势，见图2所示。

碳当量CE=w（c+1/4Si=P/2）（%）

图2  铁液氧化程度与t_AL的关系

（线簇上数字表示氧化程度，高数值代表强氧化）

在氧化气氛下熔化并过热到1450℃以上长时间保温（此时相当于图中的线条12），t_AL的回归方程式为

t_AL(℃)=1594.4-102.2[w(c)+0.25w(Si)+0.5w(P)]

如果在还原气氛下熔化，过热温度低于1450℃，只作短时间保温（相当于图中的线条6），t_AL显著降低，回归方程为

t_AL(℃)=1450-92.06[w(c)+0.25w(Si)+0.5w(P)]

浇注前，对铁液的孕育、球化处理，同样引起t_AL发生变化。加Mg,Ce对铁液进行球化处理后，t_AL计算式为

t_AL(℃)=1569-97.3[w(c)+0.25w(Si)+0.5w(Mg)-1.25w(Ce)]

2  共晶温度t_E使奥氏体液相线温度上移的因素（过热、长时间保温或氧化熔炼）都使铁-石墨共晶体向更高CE值变化。提高Mg,Ce球墨铸铁的共晶碳当量从4.40%提高到4.45%。降低奥氏体液相线温度的熔化工艺，大多数提高奥氏体石墨共晶温度，并同时降低它的CE值。而降低共品温度的因素都使共晶体所含的CE值提高，最后将碳当量移到碳化物共晶体的数值。

快速冷却会明显降低共晶温度，而慢冷却能提高形成奥氏体-石墨共晶温度的倾向。

对熔液进行孕育、球化、甚至为促使白口凝固而添加的微量元素Bi,Te都会对共晶温度t_E造成明显影响，见图3所示。这不是微量Bi引起相图改变所造成，而是由于凝固从灰口向白口转变的结果。

图3  微量Bi对共晶温度t_E的影响

（添加w（Bi）=0.01%）