第七章++铸铁.docx

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第七章++铸铁

第七章铸铁

铸铁是wC＞2.11%的铁碳合金。

它是以铁、碳、硅为主要组成元素，并比碳钢含有较多的锰、硫、磷等杂质元素的多元合金。

铸铁件生产工艺简单，成本低廉，并且具有优良的铸造性、切削加工性、耐磨性和减振性等。

因此，铸铁件广泛应用于机械制造、冶金、矿山及交通运输等部门。

第一节概述

一、铸铁的成分及性能特点

与碳钢相比，铸铁的化学成分中除了含有较高C、Si等元素外，而且含有较多的S、P等杂质，在特殊性能铸铁中，还含有一些合金元素。

这些元素含量的不同，将直接影响铸铁的组织和性能。

1、成分与组织特点

工业上常用铸铁的成分（质量分数）一般为含碳2.5%~4.0%、含硅1.0%~3.0%、含锰0.5%~1.4%、含磷0.01%~0.5%、含硫0.02%~0.2%。

为了提高铸铁的力学性能或某些物理、化学性能，还可以添加一定量的Cr、Ni、Cu、Mo等合金元素，得到合金铸铁。

铸铁中的碳主要是以石墨（G）形式存在的，所以铸铁的组织是由钢的基体和石墨组成的。

铸铁的基体有珠光体、铁素体、珠光体加铁素体三种，它们都是钢中的基体组织。

因此，铸铁的组织特点，可以看作是在钢的基体上分布着不同形态的石墨。

2、铸铁的性能特点

铸铁的力学性能主要取决于铸铁的基体组织及石墨的数量、形状、大小和分布。

石墨的硬度仅为3~5HBS，抗拉强度约为20MPa，伸长率接近于零，故分布于基体上的石墨可视为空洞或裂纹。

由于石墨的存在，减少了铸件的有效承载面积，且受力时石墨尖端处产生应力集中，大大降低了基体强度的利用率。

因此，铸铁的抗拉强度、塑性和韧性比碳钢低。

由于石墨的存在，使铸铁具有了一些碳钢所没有的性能，如良好的耐磨性、消振性、低的缺口敏感性以及优良的切削加工性能。

此外，铸铁的成分接近共晶成分，因此铸铁的熔点低，约为1200℃左右，液态铸铁流动性好，此外由于石墨结晶时体积膨胀，所以铸造收缩率低，其铸造性能优于钢。

二、铸铁的石墨化及其影响因素

1、铁碳合金双重相图

碳在铸件中存在的形式有渗碳体（Fe3C）和游离状态的石墨（G）两种。

渗碳体是由铁原子和碳原子所组成的金属化合物，它具有较复杂的晶格结构。

石墨的晶体结构为简单六方晶格，如图7-1所示。

晶体中碳原子呈层状排列，同一层上的原子间为共价键结合，原子间距为1.42Å，结合力强。

层与层之间为分子键，而间距为3.40Å，结合力较弱。

图7-1石墨的晶体结构

若将渗碳体加热到高温，则可分解为铁素体或奥氏体与石墨，即Fe3C→F（A）+G。

这表明石墨是稳定相，而渗碳体仅是介（亚）稳定相。

成分相同的铁液在冷却时，冷却速度越慢，析出石墨的可能性越大；冷却速度越快，析出渗碳体的可能性越大。

因此。

描述铁碳合金结晶过程的相图应有两个，即前述的Fe-Fe3C相图（它说明了介稳定相Fe3C的析出规律）和Fe-G相图（它说明了稳定相石墨的析出规律）。

为了便于比较和应用，习惯上把这两个相图合画在一起，称为铁碳合金双重相图。

图7-2铁碳合金双重相图

2、石墨化过程

（1）石墨化方式铸铁组织中石墨的形成过程称为石墨化（graphitization）过程。

铸铁的石墨化有以下两种方式：

①按照Fe-G相图，从液态和固态中直接析出石墨。

在生产中经常出现的石墨飘浮现象，就证明了石墨可从铁液中直接析出。

②按照Fe-Fe3C相图结晶出渗碳体，随后渗碳体在一定条件下分解出石墨。

在生产中，白口铸铁经高温退火后可获得可锻铸铁，就证实了石墨也可由渗碳体分解得到。

（2）石墨化过程现以过共晶合金的铁液为例，当它以极缓慢的速度冷却，并全部按Fe-G相图进行结晶时，则铸铁的石墨化过程可分为三个阶段：

第一阶段（液相—共晶阶段）：

从液体中直接析出石墨，包括过共晶液相沿着液相线C’D’冷却时析出的一次石墨GI，以及共晶转变时形成的共晶石墨G共晶，其反应式可写成：

L→LC，+GILC，→AE，+G共晶

第二阶段（共晶—共析阶段）：

过饱和奥氏体沿着E’S’线冷却时析出的二次石墨GⅡ，其反应式可写成：

AE，→AS’+GⅡ

第三阶段（共析阶段）：

在共析转变阶段，由奥氏体转变为铁素体和共析石墨G共析，其反应式可写成：

AS，→FP，+G共析

3、影响石墨化的因素

影响铸铁石墨化的主要因素是化学成分和结晶过程中的冷却速度。

（1）化学成分的影响主要为碳、硅、锰、硫、磷的影响，具体影响如下：

①碳和硅碳和硅是强烈促进石墨化的元素，铸铁中碳和硅的含量愈高，便越容易石墨化。

这是因为随着含碳量的增加，液态铸铁中石墨晶核数增多，所以促进了石墨化。

硅与铁原子的结合力较强，硅溶于铁素体中，不仅会削弱铁、碳原子间的结合力，而且还会使共晶点的含碳量降低，共晶温度提高，这都有利于石墨的析出。

实践表明，铸铁中硅的质量分数每增加1%，共晶点碳的质量分数相应降低0.33%。

为了综合考虑碳和硅的影响，通常把含硅量折合成相当的含碳量，并把这个碳的总量称为碳当量wCE即：

用碳当量代替Fe-G相图的横坐标中含碳量，就可以近似地估算出铸铁在Fe-G相图上的实际位置。

因此调整铸铁的碳含量，是控制其组织与性能的基本措施之一。

由于共晶成分的铸铁具有最佳的铸造性能，因此在灰铸铁中，一般将其碳当量控制在4%左右。

②锰锰是阻止石墨化的元素。

但锰与硫能形成硫化锰，减弱了硫的有害作用，结果又间接地起着促进石墨化的作用，因此，铸铁中含锰量要适当。

③硫硫是强烈阻止石墨化的元素，硫不仅增强铁、碳原子的结合力，而且形成硫化物后，常以共晶体形式分布在晶界上，阻碍碳原子的扩散。

此外，硫还降低铁液的流动性和促使高温铸件开裂。

所以硫是有害元素，铸铁中含硫量愈低愈好。

④磷磷是微弱促进石墨化的元素，同时它能提高铁液的流动性，但形成的Fe3P常以共晶体形式分布在晶界上，增加铸铁的脆性，使铸铁在冷却过程中易于开裂，所以一般铸铁中磷含量也应严格控制。

（2）冷却速度的影响在实际生产中，往往存在同一铸件厚壁处为灰铸铁，而薄壁处却出现白口铸铁。

这种情况说明，在化学成分相同的情况下，铸铁结晶时，厚壁处由于冷却速度慢，有利于石墨化过程的进行，薄壁处由于冷却速度快，不利于石墨化过程的进行。

冷却速度对石墨化程度的影响，可用铁碳合金双重相图进行解释：

由于Fe-G相图较Fe-Fe3C相图更为稳定，因此成分相同的铁液在冷却时，冷却速度越缓慢，即过冷度较小时，越有利于按Fe-G相图结晶，析出稳定相石墨的可能性就愈大。

相反，冷却速度越快，即过冷度增大时，越有利于按Fe-Fe3C相图结晶，析出介稳定相渗碳体的可能性就越大。

根据上述影响石墨化的因素可知，当铁液的碳当量较高，结晶过程中的冷却速度较慢时，易于形成灰铸铁。

相反，则易形成白口铸铁。

生产中铸铁冷却速度可由铸件的壁厚来调态，图7-3综合了铸铁化学成分和冷却速度对铸铁组织的影响，可见，碳硅含量增加，壁厚增加易得到灰口组织，石墨化愈完全；反之，碳硅含量减少，壁厚愈小，愈易得到白口组织，石墨化过程越不易进行。

图7-3铸件壁厚（冷速）和化学成分对铸件组织的影响

三、铸铁的分类

1、按石墨化程度分类

根据铸铁在结晶过程中石墨化过程进行的程度可分为三类：

（1）白口铸铁它是第一、第二、三阶段的石墨化过程全部被抑制，而完全按照Fe-Fe3C相图进行结晶而得到的铸铁，其中的碳几乎全部以Fe3C形式存在，断口白亮，故称为白口铸铁。

此类铸铁组织中存在大量莱氏体，性能是硬而脆，切削加工较困难。

除少数用来制造不需加工的硬度高、耐磨零件外，主要用作炼钢原料。

（2）灰口铸铁它是第一、二阶段石墨化过程充分进行而得到的铸铁，其中碳主要以石墨形式存在，断口呈暗灰色，故称灰口铸铁，是工业上应用最多最广的铸铁。

（3）麻口铸铁它是第一阶段石墨化过程部分进行而得到的铸铁，其中一部分碳以石墨形式存在，另一部分以Fe3C形式存在，其组织介于白口铸铁和灰口铸铁之间，断口呈黑白相间构成麻点，故称为麻口铸铁。

该铸铁性能硬而脆、切削加工困难，故工业上使用也较少。

2、按灰口铸铁中石墨形态分类

根据灰口铸铁中石墨存在的形态不同，可将铸铁分为以下四种。

（1）灰铸铁：

铸铁组织中的石墨呈片状。

这类铸铁力学性能较差，但生产工艺简单，价格低廉，工业上应用最广。

（2）可锻铸铁：

铸铁中的石墨呈团絮状。

其力学性能好于灰铸铁，但生产工艺较复杂，成本高，故只用来制造一些重要的小型铸件。

（3）球墨铸铁：

铸铁组织中的石墨呈球状。

此类铸铁生产工艺比可锻铸铁简单，且力学性能较好，故得到广泛应用。

（4）蠕墨铸铁：

铸铁组织中的石墨呈短小的蠕虫状。

蠕墨铸铁的强度和塑性介于灰铸铁和球墨铸铁之间。

此外，它的铸造性、耐热疲劳性比球墨铸铁好，因此可用来制造大型复杂的铸件，以及在较大温度梯度下工作的铸件。

第二节灰铸铁

一、普通灰铸铁的成分与组织

1、灰铸铁的化学成分

铸铁中碳、硅、锰是调节组织的元素，磷是控制使用的元素，硫是应限制的元素。

目前生产中，灰铸铁的化学成分范围一般为：

wC=2.5%~4.0%，wSi=1.0%~3.0%，wMn=0.5%~1.3%，wP≤0.3%，wS≤0.15%。

2、灰铸铁的组织

灰铸铁是第一阶段和第二阶段石墨化过程都能充分进行时形成的铸铁，它的显微组织特征是片状石墨分布在各种基体组织上。

由于第三阶段石墨化程度的不同，可以获得三种不同基体组织的灰铸铁。

a）铁索体灰铸铁b）珠光体灰铸铁c）铁索体+珠光体灰铸铁

图7-4灰铸铁的显微组织

3、灰铸铁的性能特点

（1）力学性能：

灰铸铁的抗拉强度、塑性、韧性和弹性模量远比相应基体的钢低。

石墨片的数量愈多，尺寸愈粗大，分布愈不均匀，对基体的割裂作用和应力集中现象愈严重，则铸铁的强度、塑性与韧性就愈低。

由于灰铸铁的抗压强度σbc、硬度与耐磨性主要取决于基体，石墨的存在对其影响不大，故灰铸铁的抗压强度一般是其抗拉强度的3~4倍。

同时，珠光体基体比其它两种基体的灰铸铁具有较高的强度、硬度与耐磨性。

（2）其它性能石墨虽然会降低铸铁的抗拉强度、塑性和韧性，但也正是由于石墨的存在，使铸铁具有一系列其它优良性能。

①铸造性能良好由于灰铸铁的碳当量接近共晶成分，故与钢相比，不仅熔点低，流动性好，而且铸铁在凝固过程中要析出比容较大的石墨，部分地补偿了基体的收缩，从而减小了灰铸铁的收缩率，所以灰铸铁能浇铸形状复杂与壁薄的铸件。

②减摩性好减摩性是指减少对偶件被磨损的性能。

灰铸铁中石墨本身具有润滑作用，而且当它从铸铁表面掉落后，所遗留下的孔隙具有吸附和储存润滑油的能力，使摩擦面上的油膜易于保持而具有良好的减摩性。

所以承受摩擦的机床导轨、汽缸体等零件可用灰铸铁制造。

③减振性强铸铁在受震动时，石墨能阻止震动的传播，起缓冲作用，并把震动能量转变为热能，灰铸铁减振能力约比钢大10倍，故常用作承受压力和震动的机床底座、机架、机床床身和箱体等零件，

④切削加工性良好由于石墨割裂了基体的连续性，使铸铁切削时容易断屑和排屑，且石墨对刀具具有一定润滑作用，故可使刀具磨损减少。

⑤缺口敏感性小钢常因表面有缺口（如油孔、键槽、刀痕等）造成应力集中，使力学性能显著降低，故钢的缺口敏感性大。

灰铸铁中石墨本身已使金属基体形成了大量缺口，致使外加缺口的作用相对减弱，所以灰铸铁具有小的缺口敏感性。

由于灰铸铁具有以上一系列的优良性能，而且价廉，易于获得，故在目前工业生产中，它仍然是应用最广泛的金属材料之一。

二、灰铸铁的孕育处理

灰铸铁组织中石墨片比较粗大，因而它的力学性能较低。

为了提高灰铸铁的力学性能，生产上常进行孕育处理。

孕育处理（inoculation）就是在浇注前往铁液中加入少量孕育剂，改变铁液的结晶条件，从而获得细珠光体基体加上细小均匀分布的片状石墨组织的工艺过程。

降低碳硅成分和经过孕育处理后的铸铁称为孕育铸铁。

生产中常先熔炼出含碳（2.7%~3.3%）、硅（1%~2%）均较低的铁水，然后向出炉