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第六章
合金元素在铸铁中的作用及合金铸铁
在铸铁中加入一定的合金元素可以改变铸铁的铸态或热
处理后的组织，
从
而改变其物理性能和化学性能。
我们把含有一定数量的合金元素，
从而具有特定
的物
理或化学性能的铸铁称为合金铸铁。
本章主要介绍合金铸铁中常见合金元素
在铸铁中的作用及合金铸铁的组织及性能特点。
第一节
铬在铸铁中的作用及铬系耐磨铸铁
一、铬对铁碳相图的影响及含铬碳化物
为了更好地了解铬在铸铁中的作用，首先介绍有关相图。图
6
—
1
是
Fe-Cr
二元相图。在
Fe-Cr
相图中，
γ
相区接近于环弧状，与
Fe-C
相图的
γ
相区相
比，其温度范围要小一些，而成分范围更大一些。在该相图中存在着
σ
相区，
这种相为脆性相。
图
6
—
1
Fe-Cr
二元相图
1──非平衡磁性转变线
2──平衡磁性转变线
图
6
—
2
为杰克逊
（
Jackson
）
用热分析法得到的
Fe-C-
Cr
三元相图的液相面
投影图。
6
—
2
Fe-C-Cr
三元合金的液相面图
该图表明，
Fe-C-Cr
合金凝固时
，随合金成分的不同，可以析出
α
、
γ
、
K
、
K
、
K
五种不同的相。在这五种相中，
α
和
γ
是固溶体相，
其余三个相为结
1
2
C
构不同的碳化物相，它们分别为：
K
1
＝
(Cr,Fe)
23
C
6
K
2
＝
(Cr,Fe)
7
C
3
K
C
＝
(Cr,Fe)
3
C
按照杰克逊所提出的相图，在准稳态时
Fe-Cr-C
三元合金有三个包共晶
反应和一个包共析反应，即
1449℃时，
L
＋
K
1
→α
＋
K
2
1292℃时，
L
＋
α→γ
＋
K
2
1184℃时，
L
＋
K
2
→γ
＋
K
C
795℃时，
γ
＋
K
2
→α
＋
K
C
这三种碳化物的晶体结构类型及其溶解碳和铬的能力见表
6
—
1
。
由
图
6
—
2
可以看出，铬对铁碳合金中碳化物的相结
构有重要影响。当铬含量很低
时，铁碳合金中的碳化物为
K
；铬含量较高时，碳化物主要为
K
；而只有
当铬含
C
2
量大于
60%
时，才可以在很窄的含碳量范围里析出
K
相。这些碳化物可以和
γ
1
相形成共晶体，如果合金是亚共晶成分，则凝固时先析出
γ
相
，当铁液成分达
到共晶成分时，析出
γ
相和碳化物共晶体；如果合金是过共晶成分，则先析出
碳化物，然后析出共晶体。
表
6
—
1
Fe-C-Cr
中碳化物结构类型及其溶解碳铬能力
碳化物类型
晶格结构
晶格常数
密度
(Cr,Fe)
C
斜方晶系
3
溶解
C
、
Cr
的能力
a=4.52
b=5.09
7.67
6.67%C,<20%Cr
c=6.74
(Cr,Fe)
C
面心立方晶系
c=10.64
6.97
5.6%C,<59.0%Cr
23
6
(Cr,Fe)
C<
/p>
六
方晶系
7
3
a=6.88
6.92
9%C,
与
α
相平衡时，
Cr=26.6
～
70%
b=4.54
通过
γ
三角区右边的斜线，可以大致估
算出获得全共晶组织时铸铁中
铬和碳含量的关系（见表
6
—
2
）。
表
6
—
2
铸铁中全共晶组织时
Cr
—
C
含量（
%
）
Cr
15
20
25
C
3.6
3.2
3.0
图
6
—
3
为
Fe-C-Cr
三元相图中含铬量分别为
5%
、
13%
和
25%
的等铬量垂直截
面图，从中我们可以了解到不同成分的
Fe-C-
Cr
合金冷却过程中组织转变。
6
—
3
Fe-C-Cr
三元相图等铬量垂直截面图
（点击放大）
(a)
含
Cr5%;
(b)
含
Cr13%;
(c)
含
Cr25%
K
1
─(Cr,Fe)
23
C
6
；
K
2
─(Cr,Fe)
7
C
3
；
K
C
─(Cr,Fe)
3
C
许多学者的研究表明，铬对
Fe-C
相图有
以下影响：
（
1
）减小
γ
相区，并使共析点左移，
γ
相中碳的最大溶解度降低，当铬量达
到
20%
时
γ
相区缩为一点，不再有单
独的
γ
相存在；
（
2
）使
δ
相的稳定温度降低；
（
3
）使
α
相的稳定温度升高；
（
4
）随着铬含量的提高，碳化
物由
(Fe,Cr)
C
型依次向
(Fe,Cr)
C
和
(Fe,Cr)
C
3
7
3
23
6
型转变。
由于铬对铁碳合金组织的上述影响，
使铬在耐磨铸铁中得到广泛应用。
二、含铬铸铁中的初生碳化物
T.
奥希德（
）用含碳量为
4.3%
的过共晶铸铁研究了不同铬含量
对铸
铁中初生碳化物的影响。结果表明，当含铬量为
2
～
5%
时，铸铁中初生碳化物为
(Fe,Cr)
C
型，试样由外表向中心逐层凝固。随
着铬含量的提高，试样体积凝固
3
特征增强，当铬含量为
20
～
30%
时，初
生碳化物为
(Fe,Cr)
C
型，
?
试样具有明显
7
3
的体积凝固特征。用扫描电镜观察初生碳化物的形貌，
(Fe
,Cr)
C
型碳化物为表
3
面带有沟槽的片状，而
(Fe,Cr)
C
型为相互交织的六角形杆状。在过共晶高铬铸
7
3
铁中，初生碳化物常常处于共晶晶区的中心。由此可以推断，在这种条件下，共
晶转变首先在初生碳化物周围开始进行。
三、含铬铸铁中的共晶组织
在莱氏体共晶中渗碳体是领先相，而对于高铬铸铁而言
，在
(Fe,Cr)
C
型碳
7
3
化物与奥氏体共晶中奥氏体是领先相。
高铬铸铁的共晶属于纤维状的小晶面
（碳
化物
）──非小晶面（奥氏体）共晶，其特征是奥氏体连成一片，在奥氏体或其
转变产物上分
布着硬而脆的纤维状碳化物
(Fe,Cr)
C
< br>，这些碳化物有许多是空心
7
3
纤维。高铬铸铁所具有的这种组织特征使其韧性有一定程度的提高。
共晶转变的温度区间对铸
铁的共晶组织形貌有影响。
当共晶转变温度区间较
小时，共晶晶
区的外形较平坦，碳化物尺寸较小，而且均匀。铬含量对高铬铸铁
共晶转变温度区间有影
响，图
6
—
4
为实测铬含量与共晶转变温度区间的关系。
从中可以看出，含铬
30%
时共晶转变区间最小，只有
20℃左右；含铬
15%
时，共
晶转变温度区间最大，大约为
65℃。
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