古往今來，鑄造行業(yè)中不知有多少仁人志士為認(rèn)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?；仡櫵麄兯〉玫某删?，真可說是碩果累累。正因為如此，歷史悠久的鑄造行業(yè)才能不斷吸收各種新技術(shù)而與時俱進，保持長盛不衰。

　　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(fù)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(tài)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(zhì)量分?jǐn)?shù))，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(zhì)量分?jǐn)?shù))，這種固溶體稱為高溫鐵素體。

　　鑄鋼中的碳與鑄鐵相比，碳在鑄鋼中的形態(tài)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(tài)析出，而不以石墨的形態(tài)析出。石墨鋼是含碳量相當(dāng)高的過共析鋼，經(jīng)適當(dāng)?shù)臒崽幚砗螅奶家徊糠忠允男螒B(tài)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(jié)構(gòu)材料，曾用于制造曲軸、沖壓模具等構(gòu)件。近30年來，由于球墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵生產(chǎn)工藝的進步和性能的改善，石墨鋼的應(yīng)用已經(jīng)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(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的間隙化合物，硬度約950～1050HV。滲碳體的晶體結(jié)構(gòu)如圖4所示，碳原子構(gòu)成正交晶格，三個坐標(biāo)軸間的夾角都是90°，三個晶格常數(shù)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(gòu)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。

　　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(zhì)量分?jǐn)?shù))，且通常以這一含碳量作為區(qū)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(jié)構(gòu)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(wù)就是：通過優(yōu)選化學(xué)成分并采用適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に囈钥刂铺嫉男螒B(tài)，從而保證鋼的性能。含碳的基體組織有以下3種形態(tài)。

　　( 1)珠光體亞共析鋼自奧氏體區(qū)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(fā)生共析轉(zhuǎn)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(dāng)?shù)臒崽幚?，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(zhuǎn)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(zhuǎn)變形成的細(xì)珠光體，平均片層間距在0.1～0.3μm之間，在高倍光學(xué)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(zhuǎn)變、形成的超細(xì)珠光體，平均片層間距<0.1um，即使在高倍光學(xué)顯微鏡下也無法分辨其片層，只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，只有粗細(xì)之分，并無本質(zhì)的區(qū)別，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(jīng)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(zhuǎn)變過程中不發(fā)生化學(xué)成分的局部變化。鐵原子不擴散，只發(fā)生鐵的晶格重構(gòu)，碳原子也不可能通過擴散以滲碳體的形態(tài)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，只發(fā)生鐵的晶格重構(gòu)。由于轉(zhuǎn)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。

　　同鑄件的不同部位增碳量也是不同的。它和模樣材料、內(nèi)澆道位置、澆注速度的大小等有關(guān)。鑄鋼件的增碳使得鑄件機加工性能變差，給焊接、熱處理帶來不利影響，甚至鑄件廢品。目前在我國還沒有很好的方法完全解決該種缺陷，這也是眾多鑄造廠家不敢上消失?；蛏狭讼Ｉa(chǎn)線卻不能批量生產(chǎn)的一個原因。

　　產(chǎn)生的原因在澆注過程中，模樣在高溫鋼液的作用下發(fā)生熱解，部分熱解產(chǎn)物排除型外，另一部分熱解產(chǎn)物聚積在涂層和鋼液間或模樣與鋼液的間隙中。碳在液態(tài)、液-固和固相線以下的鋼液中的擴散系數(shù)分別為(6～8)×10-9m2/s?？梢娮杂商荚阡撘汉湍探缑嫔系臄U散活力遠(yuǎn)大于在充型和冷凝過程中的擴散系數(shù)，存在著碳向鋼液中的對流傳質(zhì)和擴散傳質(zhì)，最終造成鑄鋼件增碳。

　　影響鑄鋼件增碳的因素較多，根據(jù)不同情況采取不同的工藝措施減少增碳。

　　1)模樣采用EPMMA、STMMA或低密度的EPS，以減少熱解產(chǎn)物的含碳量。

　　2)提高澆注速度，盡可能與模樣的氣化速度相平衡，減少熱解產(chǎn)物與鋼液的接觸時間。

　　3)增加涂層的透氣性與熱解產(chǎn)物的潤濕能力，使熱解產(chǎn)物盡可能多的排出型外。

　　4)選擇合適的真空度，高真空度可加速熱解產(chǎn)物的排出，但真空度過高易造成附壁效應(yīng)和嚴(yán)重湍流，使鑄鋼件增碳加劇。

　　5)用底注式澆注系統(tǒng)，從薄壁處引入內(nèi)交道，有利于熱解產(chǎn)物積聚在冒口內(nèi)，降低鑄鋼件的增碳。

　　6)料中加入氧化成分，可減少鑄件的表面增碳。

　　7)用含有氧化劑的泡沫塑料模，國外利用該辦法已解缺了鑄鋼件增碳問題。

　　8)用真空消失模和熔模相結(jié)合的鑄造方法，可以生產(chǎn)出不增碳的鑄鋼件。

　　總結(jié)：鑄鋼中的碳與鑄鐵相比，碳在鑄鋼中的形態(tài)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(tài)析出，而不以石墨的形態(tài)析出。　影響鑄鋼件增碳的因素較多，根據(jù)不同情況采取不同的工藝措施減少增碳。