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第八章. 铸 铁. 了解铁碳合金的成分、组织、性能之间的关系； 熟悉铁碳合金相图的应用； 掌握含碳量对钢性能的影响。. 在铁碳相图中，碳的质量分数 WC>2.11% 的铁碳合金称为 铸铁 。 铸铁与钢的主要区别在于铸铁比钢含有较高的 碳和硅 ，并且 硫、磷杂质 含量较高 。 为了提高 铸铁的力学性能 或 获得某种特殊性能 ，加入 铬、钼、钒、铜、铝 等合金元素，从而形成 合金铸铁 。. 一、 铸铁的种类. 铸铁的种类很多，根据 碳 在铸铁中存在的形式 不同，铸铁可分为以下几种： （ 1 ） 白口铸铁 。 碳 主要以 游离碳化铁形式
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第八章 铸 铁
了解铁碳合金的成分、组织、性能之间的关系；了解铁碳合金的成分、组织、性能之间的关系； 熟悉铁碳合金相图的应用； 掌握含碳量对钢性能的影响。
在铁碳相图中，碳的质量分数WC>2.11%的铁碳合金称为铸铁。在铁碳相图中，碳的质量分数WC>2.11%的铁碳合金称为铸铁。 铸铁与钢的主要区别在于铸铁比钢含有较高的碳和硅，并且硫、磷杂质含量较高。 为了提高铸铁的力学性能或获得某种特殊性能，加入铬、钼、钒、铜、铝等合金元素，从而形成合金铸铁。
一、铸铁的种类 铸铁的种类很多，根据碳在铸铁中存在的形式 不同，铸铁可分为以下几种： （1）白口铸铁。碳主要以游离碳化铁形式 出现的铸铁，断口呈银白色。 （2）灰铸铁。碳主要以片状石墨形式析出 的铸铁，断口呈灰色。 （3）可锻铸铁。白口铸铁通过石墨化或氧 化脱碳退火处理，改变其金相组织或成分而获 得的有较高韧性的铸铁。
（4）球墨铸铁。铁液经过球化处理而不是 在凝固后经过热处理，使石墨大部分或全 部呈球状，有时少量为团絮状的铸铁。 （5）蠕墨铸铁。金相组织中石墨形态主要 为蠕虫状的铸铁。 （6）麻口铸铁。碳部分以游离碳化铁形式 析出，部分以石墨形式析出的铸铁，断口呈 灰白色相间。 ru 渗碳体是碳在铁碳合金中的主要存在形式，是亚稳定的金属化合物，在一定条件下，渗碳体可分解成石墨。
二、铸铁的石墨化及影响因素 在铸铁中的碳以石墨形式析出的过程称为石墨化。 在铁碳合金中，碳有两种存在形式： 一是渗碳体，碳的质量分数是6.69%； 二是自由状态的石墨，用符号G表示，碳的质量分数是100% 。
缓慢冷却时，从液体或奥氏体中直接析出石墨；快速冷却时，形成渗碳体。渗碳体在高温下进行长时间加热时，可分解为铁和石墨 (即Fe3C→3Fe＋G)，这说明渗碳体是一种亚稳定相，而石墨则是一种稳定相。 影响铸铁石墨化的因素较多，其中化学成 分和冷却速度是影响石墨化的主要因素。
石墨的晶体结构 自然界中的碳有两种形式：结晶形碳(石墨、金刚石)；无定形碳(焦炭、煤等)。 石墨为均一的六方晶体结构，由六个棱面和两个密排基面构成，晶体结构如图所示。
1.化学成分的影响 在化学成分中碳和硅是强烈促进石墨化的元素。 铸铁中碳和硅的质量分数越大就愈容易石墨化。
2.冷却速度的影响 若冷却速度较快，碳原子来不及充分扩散，石墨化难以充分进行，则容易产生白口铸铁组织；若冷却速度缓慢，碳原子有时间充分扩散，有利于石墨化过程充分进行，则容易获得灰铸铁组织。
第二节 常用铸铁 一、灰铸铁 （一）灰铸铁的化学成分、显微组织和性能 1.化学成分 灰铸铁的化学成分大致是： wc=2.5%～4.0%， wsi=1.0%～2.5%， wMn=0.5%～1.4%， ws≤0.15%， wp≤0.3%。
2.显微组织 由于化学成分和冷却条件的综合影响，灰铸铁的显微组织有三种类型： 铁素体(F)＋片状石墨(G)； 铁素体(F)+珠光体(P)＋片状石墨(G)； 珠光体(P)＋片状石墨(G)。 见图8-2
3.性能 灰铸铁的性能主要决定于其基体组织的性能和石墨的数量、形状、大小及分布状况。基体组织主要影响灰铸铁的强度、硬度、耐磨性及塑性。若片状石墨愈多，愈粗大，分布愈不均匀，则灰铸铁的强度和塑性就愈低。
灰铸铁在承受压应力时，由于石墨不会 缩小有效承载面积和不产生缺口应力集中现 象，故灰铸铁的抗压强度与钢相近。
灰铸铁的基体组织对灰铸铁力学性能的影响是：当石墨存在的状态一定时，铁素体灰铸铁具有较高的塑性，但强度、硬度和耐磨性较低；灰铸铁的基体组织对灰铸铁力学性能的影响是：当石墨存在的状态一定时，铁素体灰铸铁具有较高的塑性，但强度、硬度和耐磨性较低； 珠光体灰铸铁的强度和耐磨性较高，但塑性较低； 铁素体－珠光体灰铸铁的力学性能则介于上述两类灰铸铁之间。
石墨除有割裂基体的不良作用外，也有它 有利的一面，归纳起来有以下几个方面： (1)优良的铸造性能-熔点低，流动性好。 (2)良好的吸震性-阻止晶粒震动能传递。 (3)较低的缺口敏感性-石墨存在。 (4)良好的切削加工性-石墨起减墨和断屑作用。 (5)良好的减磨性-本身的润滑作用。
（二）灰铸铁的孕育处理(变质处理) 孕育处理是在铁水浇注之前，往铁水中加入少量的孕育剂(如硅铁或硅钙合金)，使铁液内同时生成大量的、均匀分布的石墨晶核，改变铁液的结晶条件，使灰铸铁获得细晶粒的珠光体基体组织和细片状石墨组织。经过孕育处理的灰铸铁称为孕育铸铁，也称为变质铸铁。
（三）灰铸铁的牌号及用途 灰铸铁的牌号用“HT+数字”组成。其中“HT” 是“灰铁”两字汉语拼音的字首，其后的数字 表示灰铸铁的最低的抗拉强度，如HT100表 示灰铸铁，最低抗拉强度是100 Mpa。
表8-1 灰铸铁的牌号、力学性能及用途举例（GB/T9439-1988）
（四）灰铸铁的热处理 对于铸铁来说，热处理只能改变灰铸铁 的基体组织，而不能改变石墨的形状、大小 和分布情况。 见图8-3
1．去内应力退火(时效处理) 一些大型、复杂或加工精度较高的铸件（如床身、机架等）必须进行时效处理。铸件去内应力退火是将铸件缓慢加热到500℃～50℃，保温一定时间（2h～6h），利用塑性变形降低应力，然后随炉缓冷至 200℃ 以下出炉空冷，也称为人工时效。经过去内应力退火后，可消除铸件内部90%以上的内应力。
2．软化退火 铸铁件在其表面或某些薄壁处易出现白口组织，故需利用软化退火来消除白口组织，以改善其切削加工性能。
软化退火是将铸件缓慢加热到850℃～950℃，保持一定时间(一般为1h～3h)，使渗碳体分解(Fe3C 高温 A＋G)，然后随炉冷却至400℃～500℃出炉空冷。得到以铁素体或铁素体－珠光体为基体的灰铸铁。
3．正火 铸铁件正火是将铸件加热到850℃～920℃， 经1h～3h保温后，出炉空冷，得到以珠光体 为基体的灰铸铁。
4．表面淬火 表面淬火目的是提高铸件（如内燃机气缸套内壁、机床导轨表面等）表面硬度和耐磨性常用的表面淬火方法有：火焰加热表面淬火、 高频与中频感应表面淬火和电接触加热表面淬火等，如机床导轨表面采用电接触加热表面淬火后，其表面的耐磨性会显著提高，而且导轨变形小。
二、球墨铸铁 球墨铸铁是由普通灰铸铁熔化的铁液，经过球化处理得到的。球化处理的方法是在铁液出炉后，浇注前加入一定量的球化剂(稀土镁合金等)和等量的孕育剂，使石墨呈细小球状析出。
（一）球墨铸铁的化学成分、显微组织和性能（一）球墨铸铁的化学成分、显微组织和性能 1．化学成分 球墨铸铁的化学成分大致是： wc=3.6%～3.9%； wsi=2.0%～2.8%， wMn=0.6%～0.8%， ws＜0.04%， wp<0.1%， wMg=0.03%～0.05%。
2．显微组织 按球墨铸铁基体组织的不同，球墨铸铁的组 织可分为三种： 铁素体(F)＋球状石墨(G)； 铁素体(F)+珠光体(P)＋球状石墨(G)； 珠光体(P)＋球状石墨(G)。
a)铁素体基体球墨铸铁 b)铁素体-珠光体基体球墨铸铁 c)珠光体基体球墨铸铁 d)下贝氏体基体球墨铸铁
3.性能 球墨铸铁的力学性能与其基体组织的类型以及球状石墨的大小、形状及分布状况有关。石墨球的圆整度越好，球径越小，分布越均匀，则球墨铸铁的力学性能越好。
球墨铸铁的力学性能优于灰铸铁，具有较高的强度和良好的塑性与韧性，与钢相近，如屈服点比碳素结构钢高，疲劳强度接近中碳钢。同时，它还具有与灰铸铁相类似的优良性能。球墨铸铁的力学性能优于灰铸铁，具有较高的强度和良好的塑性与韧性，与钢相近，如屈服点比碳素结构钢高，疲劳强度接近中碳钢。同时，它还具有与灰铸铁相类似的优良性能。
但是，球墨铸铁的收缩率较大，流动性稍 差，对原材料及处理工艺要求较高。 球墨铸铁常用于制造汽车、拖拉机或柴油 机中、连杆、凸轮轴、齿轮，机床中的蜗 轮、蜗杆、主轴等。
（二）球墨铸铁的牌号及用途 球墨铸铁的牌号用“ＱT+数字—数字” 表示。“ＱT”是“球铁”两字汉语拼音的字首 ，两组数字分别代表球墨铸铁的最低抗拉 强度和最低伸长率。
表8-2 球墨铸铁的牌号、力学性能及用途（摘自GB/T 1348—1988）
（三）球墨铸铁的热处理 (1)退火。退火的主要目的是为了得到铁素体基体的球墨铸铁，提高其塑性和韧性，改善切削加工性能，消除内应力。 (2)正火。正火的目的是为了得到珠光体基体的球墨铸铁，提高其强度和耐磨性。
(3)调质。调质的目的是为了获得回火索氏 体基体的球墨铸铁，从而使铸件获得高的综合 力学性能，如柴油机连杆、曲轴等零件。 (4)贝氏体等温淬火。贝氏体等温淬火是为 了得到贝氏体基体的球墨铸铁，从而获得高强 度、高硬度和较高韧性的综合力学性能。适用 于形状复杂、易变形或易开裂的铸件，如齿轮 、凸轮轴等。
三、蠕墨铸铁 蠕墨铸铁是用高碳、低硫、低磷的铁液加入蠕化剂(稀土镁钛合金、稀土镁钙合金、稀土硅铁合金等)，经蠕化处理后获得的高强度铸铁。
（一）蠕墨铸铁的化学成分、显微组织和性能 1、化学成分 蠕墨铸铁的原铁液一般属于含高碳硅的 共晶合金或过共晶合金。
2．显微组织 蠕墨铸铁中的石墨呈短小的蠕虫状，其形 状介于片状石墨和球状石墨之间。 蠕墨铸铁的显微组织有三种类型： 铁素体(F)＋蠕虫状石墨(G)； 珠光体(P)－铁素体(F)＋蠕虫状石墨(G)； 珠光体(P)－蠕虫状石墨(G)。
3．性能 蠕虫状石墨对基体产生的应力集中与割裂现象明显减小，因此，蠕墨铸铁的力学性能优于基体组织相同的灰铸铁而低于球墨铸铁，而且蠕墨铸铁在铸造性能、导热性能等方面要比球墨铸铁好。
（二）蠕墨铸铁的牌号及用途 蠕墨铸铁的牌号用“RuT+数字”表示。 “RuT”是蠕铁两字汉语拼音的字首，其后 数字表示蠕墨铸铁的最低抗拉强度。
表8-3 蠕墨铸铁的牌号、力学性能及用途（摘自JB/T 4403—1999）
蠕墨铸铁常用于制造受热循环载荷、要求组织致密、强度较高、形状复杂的大型铸件，如机床的立柱、柴油机的气缸盖、缸套、排气管等。蠕墨铸铁常用于制造受热循环载荷、要求组织致密、强度较高、形状复杂的大型铸件，如机床的立柱、柴油机的气缸盖、缸套、排气管等。
四、可锻铸铁 可锻铸铁俗称玛钢、马铁。它是由一定化学成分的白口铸铁经可锻化退火，使渗碳体分解从而获得团絮状石墨的铸铁。
（一）可锻铸铁的化学成分、显微组织和性能（一）可锻铸铁的化学成分、显微组织和性能 1．化学成分 与灰铸铁相比，可锻铸铁中碳和硅的质量分数较低，以保证铸件获得白口组织。一般可锻铸铁中 wC=2.2%～2.8%， wSi=1.2%～1.8%。
2.显微组织 以铁素体为基体的黑心可锻铸铁，也称为铁素体可锻铸铁；以珠光体为基体的可锻铸铁。 3.性能 可锻铸铁的基体组织不同，其性能也不一 样，其中黑心可锻铸铁具有较高的塑性和韧性，而珠光体可锻铸铁则具有较高的强度、硬度和耐磨性。
b)铁素体基体可锻铸铁 a)珠光体基体可锻铸铁 图8-7 可锻铸铁的显微组织
