鑄鐵和鑄鋼中的碳

碳還有一種非常奇妙的特點，即不溶于大多數的酸性或堿性溶液，而在熔融的液态鐵中卻有相當高的溶解度；同時，在常溫下的固态鐵中，碳的固溶度又很小。因此，鐵液凝固、冷卻時，溶于其中的碳将因具體條件不同而以不同的形态析出：可以是質地柔軟的石墨；也可以是硬度很高的碳化物。鋼、鐵中的石墨和碳化物又都可以有多種不同的形态及不同的數量。這樣，“碳”就可以使鑄鐵和鑄鋼的性能幹變萬化，說它非常奇妙一點也不過分。

影響碳自鐵液和固态鐵中析出的因素很多，如碳的含量、其他合金元素含量、冷卻條件、各種特殊的鐵液處理的方法和鑄件的熱處理方式等。鑄造工作者的一項重要任務，就是在各方面創造适當的條件，控制碳的析出，使鑄鐵或鑄鋼具有所要求的性能。

古往今來，鑄造行業中不知有多少仁人志士為認識和控制“碳”奉獻了畢生精力，采用各種最新的科技成果對此進行研究和探索。回顧他們所取得的成就，真可說是碩果累累。正因為如此，曆史悠久的鑄造行業才能不斷吸收各種新技術而與時俱進，保持長盛不衰。

鑄鋼

1.鑄鋼中的碳

與鑄鐵相比，碳在鑄鋼中的形态是比較簡單的，除一種特殊的“石墨鋼”外，基本上都以碳化物的形态析出，而不以石墨的形态析出。

石墨鋼是含碳量相當高的過共析鋼，經适當的熱處理後，所含的碳一部分以石墨的形态析出，因而兼有鑄鋼和鑄鐵的性能。由于組織中含有遊離石墨，是一種耐磨損的結構材料，曾用于制造曲軸、沖壓模具等構件。近30年來，由于球墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵生産工藝的進步和性能的改善，石墨鋼的應用已經很少。

鐵-碳合金中的碳化物是碳化鐵(Fe3C)，通常稱為“滲碳體”，是具有複雜晶體結構的間隙化合物，硬度約950～1050HV。滲碳體的晶體結構如圖4所示，碳原子構成正交晶格，三個坐标軸間的夾角都是90º，三個晶格常數α=45.235nm、b=50.888nm、c＝67.431nm。每個晶胞中有12個鐵原子、4個碳原子。每個碳原子周圍都有6個鐵原子構成八面體，而每個鐵原子又為兩個碳原子所共有。各八面體的軸彼此間都傾斜某一角度。

鑄鋼中除含碳以外，通常還含有其他合金元素和非故意加入的元素，因此，鋼中除含有Fe3C外，會因成分不同而含有其他元素的碳化物，如Mn3C、Cr3C、Cr7C3、Cr23C6、Mo2C、MoC、WC、W2C、VC、V4C3、TiC、NbC、Nb4C3、ZrC等；還可能形成各種複合碳化物，如FeMo2C6、Fe4W2C、Fe21W2C6、(Fe，Mn)3C、(Fe，Cr)3C、Fe4Mo2 C、(Fe，Mo)3C、(Ni，Co)4C、(Mo，W)2C等。

純鐵的熔點為1538℃，固态鐵有3種同素異晶體：從低溫到910℃之間，為體心正立方品格，稱為α-鐵；在910～1400℃之間，為面心正立方品格，稱為γ-鐵；在1400℃以上，為體心正立方晶格，稱為δ-鐵。

碳在體心正立方晶格型鐵中的溶解度極為有限。在α-鐵中的溶解度最多為0.0218％(質量分數)，這種含碳量很低的固溶體稱為鐵素體；在δ-鐵中的溶解度最多為0.09％(質量分數)，這種固溶體稱為高溫鐵素體。

在鐵-碳合金中，碳在γ-鐵中的固溶體稱為奧氏體，其溶解度因溫度而異。在共晶溫度下，溶解度的最大值為2.11％(質量分數)，且通常以這一含碳量作為區分鑄鐵與鑄鋼的界限，含碳量在2.11％以上的為鑄鐵，含量在此值以下的為鑄鋼。實際上，很少有含碳量低到接近此值的鑄鐵，也很少有高到接近此值的鑄鋼。

隻有過共析鋼的組織中才可見到遊離的滲碳體，而通常用于制造工程與結構用鑄鋼件的都是亞共析鋼，因此，在鑄鋼組織中不可能有遊離的二次滲碳體。鑄造工作者的一項重要任務就是：通過優選化學成分并采用适當的熱處理工藝以控制碳的形态，從而保證鋼的性能。含碳的基體組織有以下3種形态。

(1)珠光體　亞共析鋼自奧氏體區冷卻時，先自奧氏體中析出先共析鐵素體，其中的含碳量随之提高，到奧氏體中的碳含量接近共析成分後就發生共析轉變，通過鐵原子和碳原子的擴散，形成珠光體組織。

在奧氏體成分比較均勻的條件下，冷卻分解得到的珠光體通常都呈片層狀，是由鐵素體片和滲碳體片交替相間組成的。通過适當的熱處理，也可得到粒狀珠光體。片層狀珠光體，可按其片層間距分為三類：

第一類：緩慢冷卻，奧氏體在較高溫度(700～650℃)下轉變形成的粗珠光體，平均片層間距＞0.3μm，通常稱為珠光體。

第二類：冷卻較快，奧氏體在較低溫度(650～600℃)下轉變形成的細珠光體，平均片層間距在0.1～0.3μm之間，在高倍光學顯微鏡下才能分辨其片層，也稱為索氏體。

第三類：快速冷卻，奧氏體在更低的溫度(600～550℃)下轉變、形成的超細珠光體，平均片層間距＜0.1μm，即使在高倍光學顯微鏡下也無法分辨其片層，隻有用電子顯微鏡才能觀察其片層的特征，也稱為托氏體(屈氏體)。

上述三種都屬于片層狀珠光體組織，隻有粗細之分，并無本質的區别，它們之間的界限也是相對的。片層間距減小，珠光體的抗拉強度和硬度明顯提高，而伸長率則改變不多。

(2)馬氏體　經奧氏體化的鋼以很快的速率冷卻到低溫時，各種元素的擴散都極為困難，因而轉變過程中不發生化學成分的局部變化。鐵原子不擴散，隻發生鐵的晶格重構，碳原子也不可能通過擴散以滲碳體的形态析出。于是，就形成碳在鐵素體中過飽和的固溶體，通稱為馬氏體，其主要特點是具有很高的硬度。

(3)貝氏體　是介于擴散型的珠光體和非擴散型的馬氏體之間的過渡型組織。形成貝氏體時，鐵原子不擴散，隻發生鐵的晶格重構。由于轉變溫度略高，碳原子具有一定的擴散能力，形成碳化物沉澱析出。

鋼中的貝氏體可分為上貝氏體、下貝氏體和粒狀貝氏體三種類型。

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