第六章铸铁

第六章铸铁

铸铁是含碳量大于2.11%并含有较多硅、锰、硫、磷等元素的多元铁基合金。铸铁是含碳量大于2.11%并含有较多硅、锰、硫、磷等元素的多元铁基合金。 • 铸铁具有许多优良的性能及生产简便、成本低廉等优点，因而是应用最广泛的材料之一。

6.1 铸铁的特点和分类

一、铸铁的特点 1 成分特点铸铁与碳钢相比较，有较高的碳和硅含量，还有较高的杂质元素硫和磷。 2 组织特点铸铁中的碳主要有如下两种分布形式：与Fe生成化合物，如Fe3C碳化物；以游离的石墨形式析出

铸铁中的碳主要是以石墨的形态存在，组织是由金属基体和石墨所组成的。 • 铸铁的金属基体有铁素体、铁素体＋珠光体、珠光体，经热处理后有马氏体、贝氏体等组织，它们相当于钢的组织。 • 铸铁中石墨的形态可分为四种：片状石墨、球状石墨、蠕虫状石墨、团絮状石墨。

3、性能特点 （1）机械性能低 • 铸铁的机械性能主要取决于铸铁基体组织以及石墨的数量、形状、大小及分布特点。 • 石墨的机械性能很低，硬度仅为HB3～5，抗拉强度为20MPa，延伸率接近零。 • 石墨减小铸铁件的有效承载截面积，同时石墨尖端易使铸件在承载时产生应力集中，形成脆性断裂。因此，铸铁的抗拉强度、塑性和韧性要比碳钢低。（2）良好的耐磨性、高的消振性、低的缺口敏感性、优良的切削加工性和铸造性能。

二、铸铁的分类 一、根据铸铁中的碳在结晶过程中的析出状态以及凝固后断口颜色的不同，可分为三大类： • 白口铸铁：碳除少量溶于铁素体外，其余全部以化合物状态的渗碳体析出，凝固后断口呈白亮的颜色； • 麻口铸铁：碳既以化合状态的渗碳体析出，又以游离状态的石墨析出，凝固后断口夹杂着白亮的渗碳体和暗灰色的石墨； • 灰口铸铁：碳全部或大部分以游离状态的石墨析出，凝固后断口呈灰色。

二、灰口铸铁按石墨的形状又可分为： 灰口铸铁－石墨为片状；球墨铸铁－石墨为球状；可锻铸铁－石墨为团絮状；蠕墨铸铁－石墨为蠕虫状。三、按化学成分分类普通铸铁合金铸铁

6.2铸铁的石墨化

一、Fe-Fe3C和Fe-C双重状态图 Fe3C是一个介稳定的相，石墨是稳定相。反映铁-碳合金结晶过程和组织转变规律的状态图有两种：即Fe-Fe3C状态图(亦称为铁－碳合金亚稳定系状态图)和Fe-C状态图(亦称为铁－碳合金稳定系状态图)，研究铸铁时，通常把两者叠加在一起，得到铁－碳合金双重状态图。

存在两个铁碳相图： Fe-Fe3C和Fe-G双重相图 L+G L+Fe3C

二、铸铁的石墨化过程 • 铸铁中石墨的形成过程称为石墨化过程。 1、热力学条件 • 按Fe-C系相图进行结晶，铸铁冷却时的石墨化过程应包括：从液体中析出一次石墨；由共晶反应生成共晶石墨；由奥氏体中析出二次石墨；由共析反应生成共析石墨。 • 铸铁加热时的石墨化过程：介稳定的渗碳体，当在比较高的温度下长时间加热时，会发生分解产生石墨化，即 Fe3C→3Fe+C • 第一阶段石墨化：无论是冷却时的石墨化过程或是加热时的石墨化过程，凡是发生在P′S′K′线温度以上的石墨化。 • 第二阶段石墨化：凡是发生在P′S′K′线温度以下的石墨化。

2、动力学条件 • 共晶成分铸铁的液相碳含量为4.3%，渗碳体的碳含量为6.67%，而石墨的碳含量接近于100％，液相与渗碳体的碳浓度差较小。 • 从晶体结构的相似程度来分析，渗碳体的晶体结构比石墨更相近于液相。因而，液相结晶时有利于渗碳体晶核的形成。 • 石墨形核和长大时，不仅需要碳原子通过扩散而集中，还要求铁原子从石墨长大的前沿作相反方向扩散，故石墨较难长大。 • 而渗碳体的结晶长大过程，主要依赖于碳原子的扩散，并不要求铁原子作长距离的迁移，所以长大速度快。 • 可见，从结晶的形核和长大过程的动力学条件来看都是有利于渗碳体的形成。当结晶冷却速度(过冷度)增大时，动力学条件的影响表现得更为强烈。

三、影响铸铁石墨化的因素 1、化学成分的影响 ① 碳和硅 • 碳和硅都是强烈促进石墨化的元素。 • 石墨来源于碳，随着碳含量的提高，铁水中的碳浓度和未溶解的石墨微粒增多，有利于石墨形核，从而促进了石墨化。 • 硅与铁原子的结合力大于碳与铁原子之间的结合力。硅溶于铁水和铁的固溶体中，由于削弱了铁和碳原子之间的结合力，而促使石墨化。 • 硅还降低铸铁共晶成分的碳浓度，铸铁中加入硅可代替一部分碳，硅促进石墨化的作用约相当于碳的三分之一。

碳、硅含量对铸铁石墨化的影响 C 麻口铸铁共晶白口铸铁灰口铸铁 Si • 碳、硅含量过低，易出现白口组织，力学性能和铸造性能变差。 • 碳、硅含量过高,会使石墨数量多且粗大，基体内铁素体量增多，降低铸件的性能.

WC + Wsi (%) WC+Wsi/(%) 铸件壁厚和碳硅含量对铸铁组织的影响

为了综合考虑碳和硅的影响，常用碳当量(CE)和共晶度(SC)表示。 • 碳当量是将硅含量折合成相当的碳量与实际碳含量之和，即：CE=C%+1/3Si% • 共晶度是指铸铁的碳含量与其共晶点碳含量的比值。在Fe-C-Si状态图中，共晶度随硅含量的变化而改变，即：Sc = C%/(4.3%-1/3Si%) • 当Sc＝1时，铸铁为共晶组织；Sc<1时，铸铁为亚共晶组织；Sc>1时，铸铁为过共晶组织。铸铁的共晶度越接近于1，铸造性能越好。

② 锰 • 锰是一个阻碍石墨化的元素。 • 锰能溶于铁素体和渗碳体，起固定碳的作用，从而阻碍石墨化。 • Mn能与S结合生成MnS，消除硫的有害影响。 ③ 硫 • 硫是一个阻碍石墨化的元素。 • S阻碍碳原子的扩散，而且降低铁水的流动性，增加铸件缺陷，恶化铸造性能。因此，硫是一个有害元素，其含量应控制在0.15%以下。

④ 磷 • 磷是一个促进石墨化不十分强烈的元素。通常灰口铸铁的含P量应控制在0.2%以下。 • 磷在奥氏体和铁素体中的固溶度很小，且随铸铁中碳含量的增加而减小。 • 当P含量大于0.2%后，就会出现化合物Fe3P，它常以二元磷共晶(α+Fe3P)或三元磷共晶(α+Fe3P+Fe3C)的形态存在。磷共晶的性质硬而脆，在铸铁组织中呈孤立、细小、均匀分布时，可以提高铸铁件的耐磨性。反之，若以粗大连续网状分布时，将降低铸件的强度，增加铸件的脆性。

2、冷却速度对铸件石墨化的影响 • 一般来说，铸件冷却速度越缓慢，即过冷度较小时，越有利于按照Fe-C系状态图进行结晶和转变，即越有利于石墨化过程的充分进行。反之，铸件冷却速度快，就不利于石墨化的进行。 • 铸件冷却速度是一个综合的因素，它与浇注温度、造型材料、铸造方法和铸件壁厚都有关系。其中铸件壁厚是影响铸件冷却速度的主要因素。

6.3灰口铸铁

一、灰铸铁的化学成分及显微组织 1、灰铸铁的化学成分主要化学元素有C、Si、Mn、P、S等，其中C、Si、Mn是调节组织的元素，P是控制使用的元素，S是应该限制的元素。灰铸铁的化学成分范围一般为：wC=2.7%~3.6%，wSi=1.0%~2.5%，wMn=0.5%~1.3%，wP≤0.3%，wS≤0.15%。

2、灰铸铁的显微组织 显微组织由片状石墨和金属基体组成，石墨镶嵌在金属基体内。金属基体依照共析阶段石墨化进行的程度不同可分为铁素体，铁素体＋珠光体和珠光体三种。在同一层晶面上碳原子间距比较小(0.142nm), 故石墨沿着层面的生长速度比较快；而层与层之间碳原子的距离比较大 (0.340nm),原子间的作用力比较弱，因此沿着垂直于层面，即C轴方向，石墨的生长速度较慢，这就是石墨生长成片状的内在原因。图76-1 石墨的晶体结构

从灰铸铁金相照片中看到的片状石墨，实际上是一个立体的多枝石墨团。由于石墨各分枝都长成翘曲的薄片，在金相磨片上所看到的仅是这种多枝石墨团的某一截面，因此呈孤立的长短不等的片状（或细条状）石墨。从灰铸铁金相照片中看到的片状石墨，实际上是一个立体的多枝石墨团。由于石墨各分枝都长成翘曲的薄片，在金相磨片上所看到的仅是这种多枝石墨团的某一截面，因此呈孤立的长短不等的片状（或细条状）石墨。图6-2 片状石墨的立体模型

图6-3 灰口铸铁的显微组织 （a）铁素体灰铸铁（b）铁素体+珠光体灰铸铁（c）珠光体灰铸铁

二、灰铸铁的牌号、性能和应用 1、灰铸铁的牌号灰铸铁的牌号以“灰铁”的汉语拼音字头“HT”为标志符号，后面三位数字表示直径为30mm单铸试棒测得的最低抗拉强度值（MPa）。表7-2为灰铸铁的牌号、基体组织、力学性能和用途举例。

2、灰铸铁的性能和应用 ① 抗拉强度 • 灰口铸铁的抗拉强度比同样基体的钢要低得多。一般说来，石墨数量越多，石墨“共晶团”越粗大，石墨片的长度越长，石墨的两端越尖锐，则抗拉强度降低的数值越大。 • 由于石墨的强度极低，在铸铁中相当于裂缝或空洞，减少铸铁基体的有效承载面积，片状石墨端部易引起应力集中。 • 随着共晶度SC的增加，试棒直径（相当于壁厚）增加，铸铁的石墨数量和石墨化倾向加大，抗拉强度就随之下降。

② 抗压强度 抗压强度约为抗拉强度的2.5-4.0倍。灰铸铁的抗压强度显著地大于抗拉强度，这是灰铸铁的一种特性。因此，灰铸铁广泛地被用作机床底座、床身和支柱等耐压零件。 ③ 硬度灰铸铁的硬度随其成分和组织的变化而变化，一般在HB130～270范围内变化，随着共晶度增加，铸铁的硬度降低。

④ 冲击韧性 铸铁是一种脆性材料，冲击韧性很差，对于缺口试样，冲击值为2～8J/cm2。灰铸铁中碳、硅总量越低，石墨数量越少，石墨片愈细小，冲击韧性值越高；反之，冲击韧性值越低。 ⑤ 耐磨性 • 铸铁的耐磨性比钢好。这是因为铸铁件中有石墨的存在，也就是说铸件工作表面的石墨易脱落而成为滑动面的润滑剂，从而能起减磨作用。 • 此外，石墨脱落后所形成的显微孔洞能贮存润滑油，而且显微孔洞还是磨耗后所产生的微小磨粒的收容所。所以铸铁的耐磨性比钢好。

⑥ 减振性 物体吸收振动能的能力称为减振性。灰铸铁的减振性比钢约大6～10倍。 • 抗拉强度越低，减振性越好。所以，灰铸铁适宜用作减振材料，用于机床床身有利于提高被加工零件的精度。 ⑦铸造性能灰口铸铁具有熔点低(约为1200℃)、流动性好、铸造收缩率小(一般从铁水注入铸型凝固冷却至室温其收缩率约为0.5-1％)、铸件内应力小、易于铸造成型等特点。

⑧切削加工性能 由于石墨使切削加工时易于形成断削，故灰口铸铁的切削加工性能优于钢。

3、基体组织对灰口铸铁机械性能的影响 • 铁素体的强度、硬度低，塑性、韧性高。而铁素体基体灰口铸铁由于石墨片割裂金属基体，致使强度、硬度、塑性和冲击韧性均很低。 • 珠光体具有高的强度、硬度和耐磨性，故珠光体基体灰口铸铁的强度、硬度和耐磨性均优于铁素体基体灰口铸铁，而塑性、韧性相差无几，所以珠光体基体灰口铸铁获得了广泛的使用。 • 灰口铸铁的金属基体中珠光体数量越多，珠光体中Fe3C片层越细密，则抗拉强度值越高。 • 在实际生产中，获得百分之百珠光体基体组织的灰口铸铁是比较困难的，通常灰口铸铁的基体组织都是珠光体加铁素体组织。

三、铸铁的石墨细化强化—孕育处理 • 孕育处理就是在铸铁浇注前向铁液中加入一种物质（孕育剂）促进外来晶核的形成或激发自身晶核的产生，使晶核数目大量增加的一种处理工艺。 • 经孕育处理后的铸铁的组织为细珠光体基体加上细小均匀分布的片状石墨，这种铸铁又称为孕育铸铁。 • 生产上常用的孕育剂为硅铁（含75％的硅）和硅钙合金，硅铁的粒度一般为3～10mm。

孕育剂的加入方法最常用的是冲入法，即将孕育剂均匀撒入铁槽的铁液流中，冲入铁液包，经充分搅拌后扒渣即可浇注。 • 在孕育处理时，孕育剂或它们的氧化物（如、等）在铁液中形成大量的高度弥散的难熔质点，悬浮在铁液中而成为大量的石墨结晶核心，从而使石墨细化并均匀分布。 • 孕育铸铁的抗拉强度可达300～400MPa、硬度可达HB170～270。孕育铸铁主要用于动载荷较小，而静载强度要求较高的重要零件，例如汽缸、曲轴、凸轮和机床铸件等，尤其是断面比较厚大的铸件更为合适。

汽缸套 灰铸铁件活塞环 • 2、热处理 • 热处理只改变基体组织，不改变石墨形态。 • 灰铸铁强度只有碳钢的30~50%，热处理强化效果不大。 • 灰铸铁常用的热处理有： • ① 消除内应力退火(又称人工时效) • ② 消除白口组织退火 • ③ 表面淬火

6.4 球墨铸铁

一、球墨铸铁的化学成分及显微组织 1、球墨铸铁的化学成分与灰铸铁相比，其特点是碳和硅的含量高，锰含量较低，磷、硫含量低，并含有一定量的稀土与镁。球墨铸铁的化学成分范围一般为：wC=3.6%~4.0%，wSi=2.0%~2.8%，wMn=0.6%~0.8%，wP≤0.1%，wS≤0.04%，wRE残≤0.03％～0.05%。

2、球墨铸铁的显微组织 • 显微组织由球状石墨和钢基体两部分组成。根据化学成分和冷却速度的不同，基体组织在铸态下可以是铁素体、铁素体加珠光体、珠光体； • 如果将铸件进行调质或等温淬火，则基体组织可转变为回火索氏体或下贝氏体组织。 • 球墨铸铁的显微组织如图6-4。

图6-4 球墨铸铁的显微组织 （a）铁素体球墨铸铁（b）铁素体+珠光体球墨铸铁（c）珠光体球墨铸铁

在光学显微镜下所观察到的石墨外观接近于圆形。在光学显微镜下所观察到的石墨外观接近于圆形。在扫描电子显微镜下，观察到球状石墨的立体形态呈现为一个多面体，并且在表面上存在着许多小的包状物（图7-5）。球形石墨的内部结构具有辐射状和年轮层状的特征，即球墨中心有一个核心，从核心开始呈现辐射状向四面发展。最终构成由许多角锥体组成的多晶体。每一个角锥体皆由垂直于半径方向、相互平行的石墨层面堆积而成。图6-5 SEM观察的球状石墨的形态

二、球墨铸铁的牌号、性能和应用 1、球墨铸铁的牌号用“球铁”二字的汉语拼音的第一个字母 “QT”加两组数字表示，第一组数字代表最低抗拉强度（单位为MPa）；第二组数字代表最低延伸率(%)，如QT400-18。 • 表7-3为球墨铸铁的牌号、基体组织、性能和用途。

2、球墨铸铁的性能及用途 ① 抗拉强度、屈服强度 • 球墨铸铁与其它铸铁相比，不仅具有高的抗拉强度，而且其屈服强度也高。 • 球墨铸铁的屈强比(σ0.2/σb)为0.7-0.8，远高于碳钢的0.50左右。 • 在一般机械设计中，材料的许用应力是根据材料的屈服强度来确定的，因此，对于承受静负荷的零件，用球墨铸铁代替铸钢，可以减轻机器的重量。

② 塑性与韧性 • 球墨铸铁因组织中有石墨存在，且呈球状，故其塑性与韧性虽低于钢，但却高于其它各类铸铁。 • 用球墨铸铁制造发动机曲轴，当其冲击值ak达8～15J/cm2时已能获得良好的使用性能。 • 当铁素体球墨铸铁的延伸率达10～15％时，可用于零下30～375℃温度范围内，代替25铸钢制造中压阀门。 • 球墨铸铁在一定范围内可以代替铸钢，制造塑性和韧性要求较高的铸件。

③ 疲劳强度 铸铁的疲劳强度在很大程度上取决于石墨的形状。球状的疲劳强度最高，团絮状的次之，片状的最低，且随石墨数量增多，铸铁的疲劳强度降低。 ④用途 • 球墨铸铁以可以代替部分锻钢、铸钢、某些合金钢及可锻铸铁等，用来制造一些受力复杂，强度、韧性和耐磨性要求较高的零件； • 如具有高强度与高耐磨性的球墨铸铁常用来制造拖拉机或柴油机中的曲轴、连杆、凸轮轴、各种齿轮、机床的主轴、蜗杆、蜗轮、轧钢机的轧辊、大齿轮及大型水压机的工作钢、缸套、活塞等； • 具有高韧性和一定塑性的铁素体球墨铸铁常用来制造受压阀门、机器底座、汽车的后桥壳等。

三、球墨铸铁的球化处理与孕育处理 1、球化处理 • 球墨铸铁生产中，铁水在临浇铸前加入一定量的球化剂，以促使石墨结晶时生长为球状的工艺操作称为球化处理。 • 国外广泛应用的球化剂是镁系列球化剂，如纯镁、硅铁－镁、铜－镁等，也有用稀土硅钙和稀土元素铈、镧、钇等作球化剂。 • 国内最常用的球化剂有镁、稀土－硅铁合金和稀土－硅铁－镁合金三种。

2、孕育处理 • 球化处理只能在铁水中有石墨核心产生时才能促使石墨生长成球状。但是，通常所使用的球化剂都是强烈阻碍石墨化的元素，球化处理后铁水的白口倾向显著增大，难以产生石墨核心。 • 在球化处理的同时必须进行孕育处理（亦称为石墨化处理），以促使石墨生核，生成球径小、数量多、园整度好、分布均匀的球状石墨，从而改善球墨铸铁的机械性能。 • 孕育处理所使用的孕育剂必须是含有强烈促进石墨化元素的物质，其中应用最多的是含75％Si的硅铁。

6.5 蠕墨铸铁

一、蠕墨铸铁的化学成分及显微组织 1、蠕墨铸铁的化学成分 • 化学成分要求与球墨铸铁相似，即要求高碳、高硅、低硫、低磷，并含有一定量的稀土与镁。 • 蠕墨铸铁的成分范围一般为：wC=3.5%~3.9%，wSi=2.1%~2.8%，wMn=0.6%~0.8%，wP≤0.1%，wS≤0.1%。 • 在上述成分的铁液中加入适量的蠕化剂进行蠕化处理和孕育剂进行孕育处理。

第六章 铸 铁