谈谈铸钢中的碳

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　　古往今来，铸造行业中不知有多少仁人志士为认识和控制“碳”奉献了毕生精力，采用各种最新的科技成果对此进行研究和探索。回顾他们所取得的成就，真可说是硕果累累。正因为如此，历史悠久的铸造行业才能不断吸收各种新技术而与时俱进，保持长盛不衰。

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　　铸钢中的碳

　　与铸铁相比，碳在铸钢中的形态是比较简单的，除一种特殊的“石墨钢”外，基本上都以碳化物的形态析出，而不以石墨的形态析出。石墨钢是含碳量相当高的过共析钢，经适当的热处理后，所含的碳一部分以石墨的形态析出，因而兼有铸钢和铸铁的性能。由于组织中含有游离石墨，是一种耐磨损的结构材料，曾用于制造曲轴、冲压模具等构件。近30年来，由于球墨铸铁和蠕墨铸铁生产工艺的进步和性能的改善，石墨钢的应用已经很少。|MechNet|欢迎登陆中国机械专家网www.MechNet.com.cn

　　铁-碳合金中的碳化物是碳化铁(Fe3C)，通常称为“渗碳体”，是具有复杂晶体结构的间隙化合物，硬度约950～1050HV。渗碳体的晶体结构如图4所示，碳原子构成正交晶格，三个坐标轴间的夹角都是90°，三个晶格常数a = 45. 235nm、b = 50. 888nm、c =67. 431nm。每个晶胞中有12个铁原子、4个碳原子。每个碳原子周围都有6个铁原子构成八面体，而每个铁原子又为两个碳原子所共有。各八面体的轴彼此间都倾斜某一角度。

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　　铸钢中除含碳以外，通常还含有其他合金元素和非故意加入的元素，因此，钢中除含有Fe3C外，会因成分不同而含有其他元素的碳化物，如Mn3C、Cr 3C、Cr 7C3、Cr 23 C6、Mo2C、MoC、WC、W2C、VC、V4C3、Ti C、NbC、Nb4C3、Zr C等；还可能形成各种复合碳化物，如Fe Mo2C6、Fe4 W2C、Fe21 W2C6、3C 4 Mo2 C、3C ( Ni，Co) 4C、( Mo，W) 2C纯铁的熔点为1538℃，固态铁有3种同素异晶体：从低温到910℃之间，为体心正立方晶格，称为α-铁；在910～1400℃之间，为面心正立方晶格，称为γ-铁；在1400℃以上，为体心正立方晶格，称为δ-铁。碳在体心正立方晶格型铁中的溶解度极为有限。在α-铁中的溶解度最多为0. 0218 % (质量分数)，这种含碳量很低的固溶体称为铁素体；在δ-铁中的溶解度最多为0. 09% (质量分数)，这种固溶体称为高温铁素体。

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　　在铁-碳合金中，碳在γ-铁中的固溶体称为奥氏体，其溶解度因温度而异。在共晶温度下，溶解度的最大值为2. 11 % (质量分数)，且通常以这一含碳量作为区分铸铁与铸钢的界限，含碳量在2. 11%以上的为铸铁，含量在此值以下的为铸钢。实际上，很少有含碳量低到接近此值的铸铁，也很少有高到接近此值的铸钢。只有过共析钢的组织中才可见到游离的渗碳体，而通常用于制造工程与结构用铸钢件的都是亚共析钢，因此，在铸钢组织中不可能有游离的二次渗碳体。铸造工作者的一项重要任务就是：通过优选化学成分并采用适当的热处理工艺以控制碳的形态，从而保证钢的性能。含碳的基体组织有以下3种形态。

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　　( 1)珠光体亚共析钢自奥氏体区冷却时，先自奥氏体中析出先共析铁素体，其中的含碳量随之提高，到奥氏体中的碳含量接近共析成分后就发生共析转变，通过铁原子和碳原子的扩散，形成珠光体组织。在奥氏体成分比较均匀的条件下，冷却分解得到的珠光体通常都呈片层状，是由铁素体片和渗碳体片交替相间组成的。通过适当的热处理，也可得到粒状珠光体。片层状珠光体，可按其片层间距分为三类：

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　　第一类：缓慢冷却，奥氏体在较高温度(700～650℃)下转变形成的粗珠光体，平均片层间距>0.3μm，通常称为珠光体。第二类：冷却较快，奥氏体在较低温度( 650～600℃)下转变形成的细珠光体，平均片层间距在0.1～0.3μm之间，在高倍光学显微镜下才能分辨其片层，也称为索氏体。第三类：快速冷却，奥氏体在更低的温度( 600～550℃)下转变、形成的超细珠光体，平均片层间距<0.1um，即使在高倍光学显微镜下也无法分辨其片层，只有用电子显微镜才能观察其片层的特征，也称为托氏体(屈氏体)。|MechNet|欢迎登陆中国机械专家网www.MechNet.com.cn

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　　上述三种都属于片层状珠光体组织，只有粗细之分，并无本质的区别，它们之间的界限也是相对的。片层间距减小，珠光体的抗拉强度和硬度明显提高，而伸长率则改变不多。

　　( 2)马氏体经奥氏体化的钢以很快的速率冷却到低温时，各种元素的扩散都极为困难，因而转变过程中不发生化学成分的局部变化。铁原子不扩散，只发生铁的晶格重构，碳原子也不可能通过扩散以渗碳体的形态析出。于是，就形成碳在铁素体中过饱和的固溶体，通称为马氏体，其主要特点是具有很高的硬度。

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　　( 3)贝氏体是介于扩散型的珠光体和非扩散型的马氏体之间的过渡型组织。形成贝氏体时，铁原子不扩散，只发生铁的晶格重构。由于转变温度略高，碳原子具有一定的扩散能力，形成碳化物沉淀析出。钢中的贝氏体可分为上贝氏体、下贝氏体和粒状贝氏体三种类型。

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