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鑄鋼中的碳
來源:
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作者:prof19c77
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發布時間: 2017-11-07
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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，歷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。
與鑄鐵相比，碳在鑄鋼中的形態是比較簡單的，除一種特殊的“石墨鋼”外，基本上都以碳化物的形態析出，而不以石墨的形態析出。石墨鋼是含碳量相當高的過共析鋼，經適當的熱處理后，所含的碳一部分以石墨的形態析出，因而兼有鑄鋼和鑄鐵的性能。由于組織中含有游離石墨，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產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”，是具有復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，三個坐標軸間的夾角都是90°，三個晶格常數a = 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、Cr 3C、Cr 7C3、Cr 23 C6、Mo2C、MoC、WC、W2C、VC、V4C3、Ti C、NbC、Nb4C3、Zr C等；還可能形成各種復合碳化物，如Fe Mo2C6、Fe4 W2C、Fe21 W2C6、3C 4 Mo2 C、3C ( Ni，Co) 4C、( Mo，W) 2C純鐵的熔點為1538℃，固態鐵有3種同素異晶體：從低溫到910℃之間，為體心正立方晶格，稱為α-鐵；在910～1400℃之間，為面心正立方晶格，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。只有過共析鋼的組織中才可見到游離的滲碳體，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游離的二次滲碳體。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適當的熱處理工藝以控制碳的形態，從而保證鋼的性能。含碳的基體組織有以下3種形態。
珠光體
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，其中的含碳量隨之提高，到奧氏體中的碳含量接近共析成分后就發生共析轉變，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。通過適當的熱處理，也可得到粒狀珠光體。
馬氏體
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，只發生鐵的晶格重構，碳原子也不可能通過擴散以滲碳體的形態析出。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。
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，只發生鐵的晶格重構。由于轉變溫度略高，碳原子具有一定的擴散能力，形成碳化物沉淀析出。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。