第7章鑄鐵鑄鐵是碳含量大于2.11％的鐵碳合金。鑄鐵是以鐵-碳-硅為主的多元鐵基合金。普通鑄鐵的化學(xué)成分一般為2～4％碳，1～3％硅，0.02～0.25％硫，0.05～1.0％磷。

鑄鐵的鑄造性能優(yōu)良，因而通常采用鑄造的方法制造成鑄件使用，故稱之為鑄鐵。

與鋼相比：鑄鐵熔煉簡(jiǎn)單，成本低廉，雖然強(qiáng)度、塑性、韌性較低，但具有良好的鑄造性能，很高的減磨、減震性能和切削加工性能，因此在機(jī)械制造業(yè)上得到了廣范的應(yīng)用。

鑄鐵中的碳主要是以石墨的形態(tài)存在，所以，鑄鐵的組織是由金屬基體和石墨所組成的。鑄鐵的金屬基體有珠光體、鐵素體、鐵素體＋珠光體，經(jīng)熱處理后有馬氏體、貝氏體等組織，它們相當(dāng)于鋼的組織。

7.1鑄鐵的特點(diǎn)和分類鑄鐵中石墨的形態(tài)可分為六種:

Ⅰ型為片狀石墨;

Ⅱ型為蟹狀石墨;

Ⅲ型為蠕蟲(chóng)狀石墨;

Ⅳ型為聚集狀(團(tuán)絮狀)石墨;

Ⅴ型為不規(guī)則或開(kāi)裂狀石墨;

Ⅵ型為球狀石墨?？傊?，鑄鐵的組織特點(diǎn)，是在鋼的基體上分布著不同形狀的石墨，見(jiàn)圖7-1。圖7-1鑄鐵中石墨的六種形態(tài)

2、鑄鐵的性能特點(diǎn)

鑄鐵的性能取決于鑄鐵的組織和成分。因此，鑄鐵的機(jī)械性能主要取決于鑄鐵基體組織以及石墨的數(shù)量、形狀、大小及分布特點(diǎn)。石墨機(jī)械性能很低，硬度僅為HB3～5，抗拉強(qiáng)度為20Mpa，延伸率接近零石墨珠光體鐵素體抗拉強(qiáng)度MPa20800～1000350～400

鑄鐵中的碳有以化合態(tài)的滲碳體Fe3C析出,也有以游離態(tài)的石墨析出。Fe3C

——

亞穩(wěn)定相G

——穩(wěn)定相鑄鐵之所以具有以上一系列優(yōu)良的性能，一是因?yàn)樗暮剂扛?，二是因?yàn)樘即蟛糠忠杂坞x的石墨狀態(tài)存在；成分——w(C)=2.5~4.0%，

w(Si)=1.0~3.0%

7.2鑄鐵的石墨化石墨是碳的一種結(jié)晶形態(tài)，含碳量為100%，簡(jiǎn)單六方晶格，如圖7-13所示)。底面中的原子間距較小

(0.142nm),故石墨沿著層面的生長(zhǎng)速度比較快；而層與層之間碳原子的距離比較大(0.340nm),原子面間的結(jié)合力弱，因此沿著垂直于層面，即C軸方向，石墨的生長(zhǎng)速度較慢，這就是石墨生長(zhǎng)成片狀的內(nèi)在原因。石墨抗拉強(qiáng)度、硬度極低，延伸率接近于零圖7-13石墨的晶體結(jié)構(gòu)，

一、Fe-Fe3C和Fe-C雙重狀態(tài)圖科學(xué)實(shí)驗(yàn)表明，F(xiàn)e3C是一個(gè)介穩(wěn)定的相，石墨是穩(wěn)定相。反映鐵-碳合金結(jié)晶過(guò)程和組織轉(zhuǎn)變規(guī)律的狀態(tài)圖有兩種：即Fe-Fe3C狀態(tài)圖(亦稱為鐵－碳合金亞穩(wěn)定系狀態(tài)圖)和Fe-C狀態(tài)圖(亦稱為鐵－碳合金穩(wěn)定系狀態(tài)圖)，研究鑄鐵時(shí)，通常把兩者疊加在一起，得到鐵－碳合金雙重狀態(tài)圖，見(jiàn)圖7-3。圖中虛線表示鐵-石墨系；實(shí)線表現(xiàn)鐵-滲碳體系；虛線與實(shí)線重合的線條以實(shí)線表示。

圖7-3鐵碳和金雙重狀態(tài)圖鑄鐵中碳原子的析出，并形成石墨的過(guò)程稱為石墨化過(guò)程。在極緩慢冷卻條件下，鑄鐵（2.5~4.0%）的石墨化過(guò)程可分為以下二個(gè)階段：第一階段：從液態(tài)鑄鐵中直接結(jié)晶出一次石墨和通過(guò)共晶反應(yīng)形成G；（﹥1154℃和1148~1154℃）第二階段：在1154~738℃范圍內(nèi)冷卻時(shí)，從奧氏體中不斷的析出的GⅡ；在738℃時(shí)通過(guò)共析反應(yīng)而形成的G以及二次滲碳體、共析滲碳體在共析溫度附近及以下溫度分解而析出的石墨?；铱阼T鐵－即在第一、二階段石墨化過(guò)程中得到了充分的石墨化的鑄鐵，碳全部或大部分以游離狀態(tài)的石墨析出，凝固后斷口呈灰色，故稱為灰口鑄鐵。根據(jù)其第二階段石墨化程度的不同，可得到三種不同基體組織的灰口鑄鐵，即F、F+P、P等三種基體組織的灰口鑄鐵。應(yīng)用廣泛。白口鑄鐵--即二個(gè)階段的石墨化全部被抑制，碳除少量溶于鐵素體外，其余全部以化合物狀態(tài)的滲碳體析出,凝固后斷口呈白亮的顏色，故稱白口鑄鐵。白口鑄鐵的性質(zhì)硬而脆，所以，工業(yè)上應(yīng)用較少。麻口鑄鐵－即第一階段石墨化過(guò)程進(jìn)行不完全，碳既以化合狀態(tài)滲碳體析出，又以游離狀態(tài)石墨析出。凝固后斷口夾雜著白亮的滲碳體和暗灰色的石墨，呈黑白相間的麻點(diǎn)，故稱為麻口鑄鐵。硬脆，工業(yè)上很少用根據(jù)鑄鐵中的碳在結(jié)晶過(guò)程中的析出狀態(tài)以及凝固后斷口顏色的不同，狀態(tài)可分為三大類：（２）鑄鐵的組織和分類名

稱石

墨

化

程

度顯微組織基體灰口鑄鐵按Fe-G相圖結(jié)晶、轉(zhuǎn)變F

+G較高F+P+G中等P

+G麻口鑄鐵較低Le'+P+G白口鑄鐵按Fe-Fe3C相圖結(jié)晶、轉(zhuǎn)變Le'+P+Fe3C灰口鑄鐵的組織

——鋼基體+G根據(jù)鑄鐵中石墨的態(tài)又可分為：普通灰鑄鐵--石墨為片狀；(常被稱為灰口鑄鐵)

球墨鑄鐵--石墨為球狀；（純鎂或稀土鎂合金）

可鍛鑄鐵--石墨為團(tuán)絮狀；（白口鑄鐵長(zhǎng)時(shí)間石墨化退火）

蠕墨鑄鐵--石墨為蠕蟲(chóng)狀。（稀土硅鐵、稀土鎂態(tài)等）

三、影響鑄鐵石墨化的因素

鑄鐵的組織取決于石墨化進(jìn)行的程度。為了獲得所需的組織就必須恰當(dāng)?shù)乜刂畦T鐵的石墨化。實(shí)踐證明，鑄鐵的化學(xué)成分和結(jié)晶時(shí)的冷卻速度是影響石墨化和鑄鐵顯微組織的主要因素。影響石墨化的因素化學(xué)成分

AL、C、Si、Ti、Cu、Ni、P促進(jìn)石墨化

W、Mn、Mo、S、Cr、V、B阻止石墨化冷卻速度

冷速慢有利石墨化鑄鐵的過(guò)熱和高溫靜置的影響存在一個(gè)臨界溫度過(guò)高，則石墨形態(tài)變差，強(qiáng)度下降。1、化學(xué)成分的影響

①碳和硅的影響:硅和碳都是強(qiáng)烈促進(jìn)石墨化的元素。硅促進(jìn)石墨化的作用約相當(dāng)于三分之一碳的作用隨著碳、硅含量的增加組織由白口變?yōu)橹楣怏w甚至鐵素體基體灰口鑄鐵。（當(dāng)鑄件壁厚確定后，C、Si含量越高，石墨化程度越高）②錳的影響：錳是一個(gè)阻礙石墨化的元素。但Mn能與S結(jié)合生成MnS浮到渣中，消除硫的有害影響，間接地起到促進(jìn)石墨化的作用③硫的影響：強(qiáng)烈阻礙石墨化的元素硫阻礙碳原子的擴(kuò)散，是一個(gè)促進(jìn)白口鑄鐵元素，不僅大大降低鑄鐵的機(jī)械性能，而且使鐵水的流動(dòng)性降低，收縮率增大。因此，硫是一個(gè)有害元素，其含量應(yīng)控制在0.15%以下。

④磷的影響：

磷對(duì)石墨化的作用不明顯。當(dāng)P含量大于0.2%后，就會(huì)出現(xiàn)化合物Fe3P，它常以二元磷共晶(a+Fe3P)或三元磷共晶(a+Fe3P+Fe3C)的形態(tài)存在。磷共晶的性質(zhì)硬而脆，在鑄鐵組織中呈孤立、細(xì)小、均勻分布時(shí)，可以提高鑄鐵件的耐磨性。反之，若以粗大連續(xù)網(wǎng)狀分布時(shí)，將降低鑄件的強(qiáng)度，增加鑄件的脆性。作為有害元素，通?；铱阼T鐵的含P量應(yīng)控制在0.2%以下。2.冷卻速度對(duì)鑄件石墨化的影響

鑄件的冷卻速度對(duì)石墨化過(guò)程也有明顯的影響。一般來(lái)說(shuō)，鑄件冷卻速度越緩慢，越有利于碳原子的擴(kuò)散，對(duì)石墨的形核和成長(zhǎng)有利，即過(guò)冷度較小時(shí)，越有利于按照Fe-C系狀態(tài)圖進(jìn)行結(jié)晶和轉(zhuǎn)變，即越有利于石墨化過(guò)程的充分進(jìn)行。反之，鑄件快冷，則阻止石墨化。在共析階段，由于溫度低，冷卻速度增大，原子擴(kuò)散更加困難，所以在通常情況下，共析階段的石墨化（即第二階段的石墨化）難以完全進(jìn)行。圖7-11鑄鐵的共晶度與壁厚對(duì)組織的影響

鑄件冷卻速度是一個(gè)綜合的因素，它與澆注溫度、造型材料、鑄造工藝和鑄件壁厚都有關(guān)系。其中鑄件壁厚是影響鑄件冷卻速度的主要因素。圖7-11為鑄鐵的共晶度和鑄件壁厚對(duì)鑄鐵組織的影響。（１）灰鑄鐵（２）球墨鑄鐵（３）蠕墨鑄鐵（４）可鍛鑄鐵

根據(jù)鑄鐵中石墨結(jié)晶形態(tài)的不同，將鑄鐵分為

7.3灰鑄鐵

灰鑄鐵（或稱灰口鑄鐵）是石墨呈片狀分布的鑄鐵，它是應(yīng)用最廣的一類鑄鐵。在各類鑄鐵的總產(chǎn)量中，灰鑄鐵所占的比重最大，約占80％以上。

1、灰鑄鐵的組織

灰鑄鐵的組織是由片狀石墨和金屬基體所組成的。金屬基體依照共析階段石墨化進(jìn)行的程度不同可分為鐵素體，鐵素體＋珠光體和珠光體三種。相應(yīng)地便有三種不同基體組織的灰鑄鐵，它們的顯微組織如圖所示。

珠光體灰口鑄鐵鐵素體灰口鑄鐵鐵素體＋珠光體灰口鑄鐵圖7-12不同基體的灰口鑄鐵

灰鑄鐵件的機(jī)械性能與石墨片的分布、類型、大小有關(guān)?；诣T鐵片狀石墨的大小分為8級(jí)，以1級(jí)為最粗，8級(jí)為最細(xì)。石墨片越粗，其機(jī)械性能越差。為了獲得細(xì)片狀的石墨，通常采用孕育處理。稱為孕育鑄鐵。

澆注前在鐵水中加Si-Fe，Si-Ca等孕育劑，使P細(xì)化、G細(xì)而均勻，強(qiáng)度、塑韌性明顯提高。

2、灰鑄鐵的牌號(hào)

灰鑄鐵的牌號(hào)用“灰鐵”二字的漢語(yǔ)拼音的第一個(gè)大寫字母“HT”和一組數(shù)字來(lái)表示，HT100表示最低抗拉強(qiáng)度100MPa。（GB967－67）

分類牌號(hào)鑄件

尺寸σb(MPa)σbb(MPa)基體石墨應(yīng)用普通灰鑄鐵HT100任意100260鐵素體粗片機(jī)床座 普通灰鑄鐵HT20015～30200 400珠光體中等汽缸、飛輪孕育鑄鐵HT30015～30300 540珠光體較細(xì)重荷機(jī)床床身孕育鑄鐵HT40015～30400 680索氏體細(xì)小齒輪、高壓泵殼3、灰鑄鐵的性能

1）、灰鑄鐵的組織對(duì)性能的影響灰鑄鐵的組織由金屬基體和片狀石墨組成。其性能取決于金屬基體和片狀石墨的數(shù)量、大小和分布。石墨的強(qiáng)度極低，在鑄鐵中相當(dāng)于裂縫或空洞，減少鑄鐵基體的有效承載面積，片狀石墨端部易引起應(yīng)力集中，因此，灰鑄鐵的抗拉強(qiáng)度、塑性、韌性和反彈性都低于碳素鑄鋼，特別是塑性、韌性幾乎等于零。

但灰鑄鐵中石墨的存在具有比鑄鋼優(yōu)良的減振性，小的缺口敏感性和高的耐磨性。

灰鑄鐵的金屬基體組織分為3種。

鐵素體的強(qiáng)度、硬度低，而塑性、韌性高。鐵素體基體灰鑄鐵機(jī)械強(qiáng)度低；而塑性、韌性由于石墨片割裂金屬基體，致使延伸率和沖擊韌性均很低。珠光體具有高的強(qiáng)度、硬度和耐磨性。珠光體基體灰鑄鐵的強(qiáng)度、硬度和耐磨性均優(yōu)于鐵素體基體灰鑄鐵，而塑性、韌性相差無(wú)幾，所以珠光體基體灰鑄鐵獲得了廣泛的使用。實(shí)際生產(chǎn)中，獲得百分之百珠光體基體組織的灰鑄鐵是比較困難的。故通常在灰鑄鐵鑄態(tài)的基體組織都是珠光體加鐵素體組織。

2、灰鑄鐵的機(jī)械性能

①抗拉強(qiáng)度：

灰口鑄鐵的抗拉強(qiáng)度比同樣基體的鋼要低得多。一般說(shuō)來(lái)，石墨數(shù)量越多，石墨“共晶團(tuán)”越粗大，石墨片的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，石墨的兩端越尖銳，則抗拉強(qiáng)度降低的數(shù)值越大。灰鑄鐵的金屬基體中珠光體數(shù)量越多，珠光體中Fe3C片層越細(xì)密，則抗拉強(qiáng)度值越高。

灰鑄鐵經(jīng)孕育處理，細(xì)化組織，可提高抗拉強(qiáng)度。隨著共晶度SC的增加，試棒直徑（相當(dāng)于壁厚）增加，鑄鐵的石墨數(shù)量和石墨化傾向加大，抗拉強(qiáng)度就隨之下降。

②抗壓強(qiáng)度：

抗壓強(qiáng)度σbc約為抗拉強(qiáng)度σb的2.5-4.0倍?；诣T鐵的抗壓強(qiáng)度顯著地大于抗拉強(qiáng)度，這是灰鑄鐵的一種特性。因此，灰鑄鐵廣泛地被用作機(jī)床底座、床身和支柱等耐壓零件。③硬度：鑄鐵的硬度隨其成分和組織的變化而變化，一般在HB130～270范圍內(nèi)變化。

隨著共晶度增加，石墨增加，鑄鐵的硬度降低。④沖擊韌性：鑄鐵是一種脆性材料，沖擊韌性很差，對(duì)于缺口試樣，沖擊值為2～8J/cm2。灰鑄鐵中碳、硅總量越低，石墨數(shù)量越少，石墨片愈細(xì)小，沖擊韌性值越高；反之，沖擊韌性值越低。⑤耐磨性：鑄鐵的耐磨性比鋼好。這是因?yàn)殍T鐵件中有石墨的存在，也就是說(shuō)鑄件工作表面的石墨易脫落而成為滑動(dòng)面的潤(rùn)滑劑，從而能起減磨作用。此外，石墨脫落后所形成的顯微孔洞能貯存潤(rùn)滑油，而且顯微孔洞還是磨耗后所產(chǎn)生的微小磨粒的收容所。所以鑄鐵的耐磨性比鋼好。

⑥減振性：物體吸收振動(dòng)能的能力稱為減振性?；诣T鐵的減振性比鋼約大6～10倍。抗拉強(qiáng)度越低，減振性越好。所以，灰鑄鐵適宜用作減振材料，用于機(jī)床床身有利于提高被加工零件的精度。

3、灰鑄鐵的鑄造性能灰鑄鐵具有熔點(diǎn)低(約為1200℃)、流動(dòng)性好、鑄造收縮率小(一般從鐵水注入鑄型凝固冷卻至室溫其收縮率約為0.5-1％)、鑄件內(nèi)應(yīng)力小、易于鑄造成型并有適當(dāng)?shù)臋C(jī)械性能且成本低廉等特點(diǎn)，故灰鑄鐵獲得廣泛應(yīng)用。4、灰鑄鐵的熱處理

熱處理只能改變灰鑄鐵的基體組織，不能改善石墨的形狀和分布。灰鑄鐵經(jīng)熱處理的強(qiáng)化效果不如鋼和球墨鑄鐵那樣顯著。到目前為止，灰鑄鐵熱處理的目的主要局限于消除內(nèi)應(yīng)力和改變鑄件硬度兩方面?；诣T鐵的熱處理主要是退火、正火和表面熱處理。1）、消除內(nèi)應(yīng)力退火消除內(nèi)應(yīng)力退火，通常是將鑄件以60～100℃/h的速度緩慢加熱到彈－塑性轉(zhuǎn)變溫度區(qū)（350～450℃）以上，經(jīng)適當(dāng)保溫，使鑄件各部位和表里溫度均勻，殘余應(yīng)力在此加熱溫度下得到松弛和穩(wěn)定化。然后以20～40℃/h的冷卻速度緩冷至200℃左右出爐空冷。防止機(jī)加工、使用時(shí)變形或開(kāi)裂。2）、高溫退火——850~900℃,表面、薄壁處冷速快，易產(chǎn)生白口組織。

硬度↓,切削加工性↑Cm→G,——F+C；r+C

3）、表面淬火表面淬火的目的：改變鑄件表層的基體組織，提高強(qiáng)度、硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度。表面淬火的工藝：采用高、中頻淬火法，把鑄件表面快速加熱到900～1000℃高溫，然后進(jìn)行噴水冷卻。結(jié)果表面層獲得一層淬硬層，其組織為馬氏體＋石墨。（１）灰鑄鐵一、灰鑄鐵鑄鐵組織中的石墨呈片狀牌號(hào)

——如HT100，HT-灰鐵，100-最小抗拉強(qiáng)度表示b≥100MPa（直徑＝30mm）。組織

——鋼基體（F、F+P

、P）

+片狀G性能

——與其它鑄鐵相比，力學(xué)性能差，其它性能好。分類牌號(hào)顯微組織基體粗片普通灰鑄鐵HT100F+少量P粗片HT150F+P較粗片HT200P中等片孕育鑄鐵HT250細(xì)P較細(xì)片HT300S或T細(xì)片HT350HT400F+P基體+片狀G×500F基體+片狀GP基體+片狀G孕育鑄鐵

——澆注前在鐵水中加Si-Fe，Si-Ca等孕育劑，

使P細(xì)化、G細(xì)而均勻，強(qiáng)度、塑韌性明顯提高。熱處理水泵

葉輪

發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪去應(yīng)力退火

——500~550℃，防止機(jī)加工、使用時(shí)變形或開(kāi)裂。高溫退火

——850~900℃,表面、薄壁等白口處Cm→G,硬度↓,切削加工性↑F+C；r+C表面淬火——

提高導(dǎo)軌表面、汽缸體內(nèi)壁等的耐磨性。M+C應(yīng)用

——

如，機(jī)床床身、導(dǎo)軌，汽缸體。7.4可鍛鑄鐵

可鍛鑄鐵是先將鐵水澆鑄成白口鑄鐵，然后經(jīng)石墨化退火，使游離滲碳體發(fā)生分解形成團(tuán)絮狀石墨的一種高強(qiáng)度灰口鑄鐵。

由于團(tuán)絮狀石墨對(duì)鑄鐵金屬基體的割裂和引起的應(yīng)力集中作用比灰鑄鐵小得多，因此，可鍛鑄鐵具有較高的強(qiáng)度，特別是塑性（延伸率δ可達(dá)～12%)比灰鑄鐵高得多，有一定的塑性變形能力，因而得名可鍛鑄鐵（或展性鑄鐵，又稱為馬鐵）。一、可鍛鑄鐵的組織1、化學(xué)成分對(duì)可鍛鑄鐵組織的影響可鍛鑄鐵的生產(chǎn)是由兩個(gè)相互矛盾的工藝過(guò)程所組成的。為了保證鑄件澆鑄后獲得純白口組織,其成分中碳、硅含量不能太高，否則，澆鑄后將得不到純白口組織，而稱為麻口甚至灰口組織。但是，可鍛鑄鐵的碳、硅含量亦不能太低，否則要延長(zhǎng)石墨化退火周期，使生產(chǎn)率降低。常用可鍛鑄鐵的大致化學(xué)成分范圍如下：2.4-2.7%C,1.4-1.8%Si,0.5-0.7Mn,<0.08%P,<0.25%S,<0.06%Cr。2、石墨化退火工藝對(duì)組織的影響可鍛鑄鐵石墨化是由白口鑄鐵經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間石墨化退火而制得的，在退火過(guò)程中主要是發(fā)生石墨化。如果白口組織在退火過(guò)程中第一階段和第二階段石墨化充分進(jìn)行，則退火后得到鐵素體基體加團(tuán)絮狀石墨的組織，稱為鐵素體可鍛鑄鐵。如果退火過(guò)程中經(jīng)第一階段和中間階段石墨化后，以較快冷卻速度冷卻，使第二階段石墨化未能進(jìn)行，則退火后的組織為珠光體加團(tuán)絮狀石墨的組織，稱為珠光體可鍛鑄鐵。二、可鍛鑄鐵的牌號(hào)、性能和用途

1、可鍛鑄鐵的牌號(hào)及其機(jī)械性能指標(biāo)

我國(guó)可鍛鑄鐵的牌號(hào)用“可鐵”兩字漢語(yǔ)拼音的第一個(gè)大寫字母“KT”表示，若其后加拼音“Z”，則表示珠光體可鍛鑄鐵，隨后兩組數(shù)字分別表示最低抗拉強(qiáng)度（單位為MPa)和最低延伸率值(%)。2、可鍛鑄鐵的性能特點(diǎn)及用途可鍛鑄鐵中的石墨呈團(tuán)絮狀分布，對(duì)金屬基體的割裂和破壞較小，石墨尖端引起的應(yīng)力集中小，金屬基體的強(qiáng)度、塑性及韌性可較大程度地發(fā)揮作用。故可鍛鑄鐵的機(jī)械性能比灰鑄鐵高，特別是塑性、韌性要高得多?？慑戣T鐵中的團(tuán)絮狀石墨數(shù)量越少，外形越規(guī)則，分布越細(xì)小均勻，其機(jī)械性能越高。三、可鍛鑄鐵的退火

可鍛鑄鐵的退火工藝見(jiàn)圖7-15。圖7-15可鍛鑄鐵的退火工藝1、加熱過(guò)程當(dāng)原始組織為珠光體加共晶滲碳體的白口鑄鐵件緩慢加熱到900～1000℃時(shí)，其原始組織便轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體加共晶滲碳體。2、第一階段石墨化

第一階段石墨化是發(fā)生在900～1000℃的高溫長(zhǎng)時(shí)間保溫過(guò)程中，共晶滲碳體分解為奧氏體加團(tuán)絮狀石墨.此過(guò)程溫度越高，滲碳體分解速度越快，退火周期越短。但是，退火溫度過(guò)高，還引起石墨團(tuán)和奧氏體晶粒粗化。故第一階段石墨化溫度一般應(yīng)控制在900～1000℃，最高不超過(guò)1050℃。3、中間階段石墨化：

發(fā)生在第一階段石墨化以后，自高溫隨爐冷卻到750～720℃的過(guò)程中，從奧氏體中析出二次石墨。在此過(guò)程中冷卻速度不宜過(guò)快，以避免析出二次滲碳體，一般以40～50℃/h為宜。4、第二階段石墨化：發(fā)生在750～720℃，以3～5℃/h的冷卻速度緩慢冷卻通過(guò)共析轉(zhuǎn)變溫度區(qū)的過(guò)程中，奧氏體直接轉(zhuǎn)變成鐵素體加石墨。最終得到鐵素體可鍛鑄鐵。

5、冷卻過(guò)程：經(jīng)過(guò)第二階段石墨化以后，鑄件的組織已轉(zhuǎn)變成為鐵素體加團(tuán)絮狀石墨，在隨后的冷卻過(guò)程中將不發(fā)生相變。為了避免退火后產(chǎn)生脆性，通常應(yīng)在退火冷卻到650℃左右后打開(kāi)爐門進(jìn)行空冷。（４）可鍛鑄鐵——

白口鑄鐵經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間石墨化退火（900－960℃）而得牌號(hào)

——如KT300-6

，表示b≥300，≥6％。組織

——鋼基體+團(tuán)絮狀G性能

——強(qiáng)度、塑韌性優(yōu)于HT，低于QT。分類牌

號(hào)壁厚mmbMPa%硬度HBF基體KT300-6>123006120~163KT330-8>123308120~163KT350-10>1235010120~163KT370-12>1237012120~163P基體KT450-54505152~219KTZ500-45004179~241KTZ600-36003201~269KTZ700-27002240~270*試棒直徑16mmF+P基×500F基×500F基×100應(yīng)用——

管接頭、低壓閥門等。7.5球墨鑄鐵石墨呈球狀分布的灰口鑄鐵稱為球墨鑄鐵。

球墨鑄鐵和灰鑄鐵相似，也是由液態(tài)石墨化而獲得的一種鑄鐵。

球狀石墨對(duì)金屬基體的損壞及應(yīng)力集中等均比片狀石墨的灰鑄鐵小得多。因此，具有比灰鑄鐵高得多的強(qiáng)度、塑性和韌性，并保持有耐磨、減振、缺口不敏感等灰口鑄鐵的特性。

球墨鑄鐵和可鍛鑄鐵相比較，除了具有更高的機(jī)械性能外，還具有生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)周期短且不受鑄件尺寸限制的特點(diǎn)。球墨鑄鐵還可以像鋼一樣進(jìn)行各種熱處理以改善金屬基體組織，進(jìn)一步提高機(jī)械性能。

一、球墨鑄鐵的組織與化學(xué)成分：

1、球墨鑄鐵的組織

球墨鑄鐵的組織是由球狀石墨與金屬基體所組成的。

球墨鑄鐵中的石墨球通常是孤立地分布在金屬基體中的。

但是，所觀察到的石墨并非都是呈球狀的。這往往是由于化學(xué)成分和鐵水處理不當(dāng)，改變了石墨的生長(zhǎng)條件所致。在這種情況下，球墨鑄鐵中的石墨除了呈球狀外，還可能出現(xiàn)團(tuán)狀、團(tuán)片狀、厚片狀、開(kāi)花狀以及呈枝晶狀等分布形態(tài)。

一般來(lái)說(shuō)，石墨的圓整度越好，球徑越小，分布越均勻，則球墨鑄鐵的機(jī)械性能亦越高。球墨鑄鐵的金屬基體組織與許多因素有關(guān)。除了化學(xué)成分的影響外，還與鐵水處理和鐵水的凝固條件以及熱處理有關(guān)。球墨鑄鐵經(jīng)正火或退火后的基體組織有珠光體、珠光體加鐵素體和鐵素體，分別稱為珠光體球墨鑄鐵、珠光體加鐵素體球墨鑄鐵和鐵素體球墨鑄鐵。如圖所示圖7-16珠光體球墨鑄鐵、珠光體加鐵素體球墨鑄鐵和鐵素體球墨鑄鐵2、球墨鑄鐵的球化處理與孕育處理

球化處理：在澆鑄前向鐵水加入一定量的球化劑，以促使石墨結(jié)晶時(shí)生長(zhǎng)為球狀的工藝操作稱為球化處理。目前，國(guó)外廣泛應(yīng)用的球化劑是鎂系列球化劑，如純鎂、硅鐵－鎂、銅－鎂等，也有用稀土硅鈣和稀土元素鈰、鑭、釔等作球化劑。國(guó)內(nèi)最常用的球化劑有鎂、稀土－硅鐵合金和稀土－硅－鐵－鎂合金三種。

孕育處理：球化處理只能在鐵水中有石墨核心產(chǎn)生時(shí)才能促使石墨生長(zhǎng)成球狀。但是，Mg和RE等都是強(qiáng)烈阻礙石墨化的元素，球化處理后鐵水的白口傾向顯著增大，難以產(chǎn)生石墨核心。因此，在球化處理的同時(shí)必須進(jìn)行孕育處理（亦稱為石墨化處理），以促使石墨生核片生成球徑小、數(shù)量多、圓整度好、分布均勻的球狀石墨，從而改善球墨鑄鐵的機(jī)械性能。孕育處理所使用的孕育劑必須是含有強(qiáng)烈促進(jìn)石墨化元素的物質(zhì)，其中應(yīng)用最多的是含75％Si的硅鐵。（Si鐵、Si-Ca合金和Al等）3、球墨鑄鐵和化學(xué)成分球墨鑄鐵的化學(xué)成分特點(diǎn)是：碳、硅含量較高，錳含量較低，硫、磷含量低。球墨鑄鐵與灰鑄鐵的化學(xué)成分見(jiàn)下表。WCWSiWMnWPWS球鐵3.5-3.92.0-2.10.3-0.8<0.08<0.03灰鐵2.9-3.51.4-2.10.6-1.00.1-0.150.1-0.12

二、球墨鑄鐵的牌號(hào)、性能及用途

1、球墨鑄鐵的牌號(hào)

我國(guó)球墨鑄鐵的牌號(hào)用“球鐵”二字的漢語(yǔ)拼音的第一個(gè)字母“QT”加兩組數(shù)字表示，第一組數(shù)字代表最低抗拉強(qiáng)度（單位為MPa×10）；第二組數(shù)字代表最低延伸率(%)。例如：QT40-17(F);QT50-5(F+G);QT80-2(P+S回);QT120-1(B下或T回或M回)2.球墨鑄鐵的性能及用途球墨鑄鐵中的石墨呈球狀，它對(duì)金屬基體的破壞作用小?；w強(qiáng)度利用率可達(dá)70～90％。因此，球墨鑄鐵的機(jī)械性能主要取決于基體組織的性能。①抗拉強(qiáng)度：不同基體組織的球墨鑄鐵的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖7-17所示。可以看出，球墨鑄鐵基體組織的硬度越高，其抗拉強(qiáng)度越高，而延伸率越低。圖7-17不同基體組織的球墨鑄鐵的應(yīng)力-應(yīng)變曲線球墨鑄鐵與其它鑄鐵相比，不僅具有高的抗拉強(qiáng)度，而且其屈服強(qiáng)度(σ0.2)也超過(guò)任何一種鐵碳合金，比鋼還要高得多。球墨鑄鐵的屈強(qiáng)比(σ0.2/σb)為0.7-0.8，幾乎為鋼(0.35-0.50)的兩倍。在一般機(jī)械設(shè)計(jì)中，材料的許用應(yīng)力是根據(jù)材料的屈服強(qiáng)度來(lái)確定的，因此，對(duì)于承受靜負(fù)荷的零件，用球墨鑄鐵代替鑄鋼，可以減輕機(jī)器的重量。②塑性與韌性：球墨鑄鐵因組織中有石墨存在，且呈球狀，故其塑性與韌性雖低于鋼，但卻高于其它各類鑄鐵。用球墨鑄鐵制造發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸，當(dāng)其沖擊值ak達(dá)8～15J/cm2時(shí)已能獲得良好的使用性能。當(dāng)鐵素體球墨鑄鐵的延伸率達(dá)10～15％時(shí)，可用于-30～375℃溫度范圍內(nèi)，代替25鑄鋼制造中壓閥門。球墨鑄鐵在一定范圍內(nèi)可以代替鑄鋼，制造塑性和韌性要求較高的鑄件。③疲勞強(qiáng)度：鑄鐵的疲勞強(qiáng)度在很大程度上取決于石墨的形狀。球狀的疲勞強(qiáng)度最高，團(tuán)絮狀的次之，片狀的最低，且隨石墨數(shù)量增多，鑄鐵的疲勞強(qiáng)度降低。由圖可知，要求扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度大的曲軸采用球墨鑄鐵是可行的。圖7-18疲勞強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的關(guān)系。3、球墨鑄鐵的熱處理

球墨鑄鐵的組織可以看作是鋼的組織加球狀石墨所組成，而且其機(jī)械性能又主要取決于金屬基體，因此,象鋼一樣，通過(guò)熱處理可以改變其基體組織，從而顯著地改善球墨鑄鐵的性能。①球墨鑄鐵熱處理特點(diǎn)：通過(guò)改變加熱溫度來(lái)控制其基體組織，從而獲得不同的機(jī)械性能。球墨鑄鐵是以鐵－碳－硅為主的多元鐵基合金，共析轉(zhuǎn)變是發(fā)生在一個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)，在此溫度區(qū)間內(nèi)，可以存在鐵素體，奧氏體和石墨的三相穩(wěn)定平衡，亦可以存在鐵素體、奧氏體和滲碳體的三相介穩(wěn)定平衡。在此共析溫度區(qū)間內(nèi)的不同溫度，都對(duì)應(yīng)著鐵素體和奧氏體平衡的相對(duì)量。

球墨鑄鐵雖然碳含量比鋼高得多，但通過(guò)熱處理控制其不同的石墨化程度，不僅可以獲得類似于低碳鋼的鐵素體基體；類似于中碳鋼的鐵素體＋珠光體基體；甚至高碳鋼的珠光體基體組織，因此，球墨鑄鐵熱處理后，既可以獲得相當(dāng)于低碳鋼的機(jī)械性能，又可獲得相當(dāng)于中、高碳鋼的機(jī)械性能。這是鋼的熱處理所達(dá)不到的。

石墨雖然在熱處理過(guò)程中也參加相變，但熱處理不能改變石墨的形狀和分布。因此，石墨的形狀對(duì)熱處理效果有決定性作用。球墨鑄鐵中因石墨呈球狀，故熱處理效果非常好。因此，凡是對(duì)鋼有效的熱處理工藝都適用于球墨鑄鐵。②退火對(duì)于形狀復(fù)雜、壁厚不均勻的鑄件，可進(jìn)行去應(yīng)力退火。為了消除游離滲碳體，改善切削性能，可進(jìn)行高溫石墨化退火。為了提高塑性，獲得單一的鐵素體基體，可進(jìn)行低溫石墨化退火。③正火高溫正火：球墨鑄鐵高溫正火的目的是增加基體組織中的珠光體量，提高強(qiáng)度、硬度和耐磨性，同時(shí)還可以消除游離滲碳體。球墨鑄鐵高溫正火是把鑄件加熱到Ac1以上50～70℃，保溫1～3h，使原始基體組織完全奧氏體化后出爐空冷（風(fēng)冷或噴霧冷卻）。高溫正火后的基體組織為珠光體或珠光體加少量牛眼狀鐵素體。

一般來(lái)說(shuō)，高溫正火溫度越高，奧氏體碳濃度越高，正火后可以增加球墨鑄鐵基體的珠光體含量。但是，若高溫正火加熱溫度過(guò)高，不僅會(huì)引起奧氏體晶粒粗化，而且還因奧氏體碳濃度過(guò)高，而在正火冷卻過(guò)程中促使二次滲碳體沿奧氏體晶界呈網(wǎng)狀析出，使機(jī)械性能降低。正火溫度對(duì)珠光體量和機(jī)械性能的影響如圖7-19所示。

圖7-19正火溫度對(duì)珠光體量和機(jī)械性能的影響低溫正火：球墨鑄鐵低溫正火的目的是獲得較高的塑性，韌性與一定的強(qiáng)度，即獲得較好的綜合機(jī)械性能。低溫正火是把鑄件加熱到共析轉(zhuǎn)變溫度Ac1區(qū)間，在此溫度保溫1～3小時(shí)，使球墨鑄鐵的組織處于奧氏體、鐵素體和球狀石墨三相平衡區(qū)，并獲得一定比例的奧氏體與鐵素體數(shù)量（即部分奧氏體化），然后出爐空冷。低溫正火加熱溫度越接近于共析轉(zhuǎn)變溫度Ac1上限，則基體組織轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的數(shù)量越多，鐵素體量越少。④等溫淬火

等溫淬火是目前發(fā)揮球墨鑄鐵材料潛力最有效的一種熱處理方法。

球墨鑄鐵等溫淬火后，可以獲得高強(qiáng)度或超高強(qiáng)度，同時(shí)具有較高的塑性、韌性，因而具備良好的綜合機(jī)械性能和耐磨性。此外，還具有熱處理變形小的特點(diǎn)。

球墨鑄鐵等溫淬火工藝與鋼相似，即把鑄件加熱到臨界點(diǎn)Ac1以上30～50℃，經(jīng)一定時(shí)間保溫，使基體組織轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)成分均勻的奧氏體，然后將鑄件迅速淬入到保持在Ms點(diǎn)以上某一溫度（一般為300℃左右）熱浴中，等溫停留一定時(shí)間，使過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變成下貝氏體組織，然后取出空冷，球墨鑄鐵等溫淬火工藝曲線如圖所示。圖7-20球墨鑄鐵等溫淬火工藝

⑤調(diào)質(zhì)處理球墨鑄鐵象鋼一樣，經(jīng)淬火加高溫回火，即調(diào)質(zhì)處理后，具有較好的綜合機(jī)械性能。它的機(jī)械性能比正火后的高，而熱處理工藝及設(shè)備則比等溫淬火簡(jiǎn)單，且被切削加工性比較好。故球墨鑄鐵經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，可代替部分鑄鋼和鍛鋼制造一些重要的結(jié)構(gòu)零件，如連桿、曲軸以及內(nèi)燃機(jī)車萬(wàn)向軸等。球墨鑄鐵的調(diào)質(zhì)處理工藝與鋼相類似，在Ac1以上30～50℃加熱、保溫，淬入油中冷卻，然后在550～600℃高溫回火。⑥感應(yīng)加熱表面淬火對(duì)于某些球墨鑄鐵鑄件，如在動(dòng)載荷與摩擦條件下工作的齒輪、曲軸、凸輪軸以及主軸等，它們除要求具有良好的綜合機(jī)械性能外，同時(shí)還要求工作表面具有較高的硬度和耐磨性以及疲勞強(qiáng)度。因此，對(duì)于這類球墨鑄鐵件往往都需要進(jìn)行表面淬火，如火焰加熱表面淬火，中頻或高頻感應(yīng)加熱表面淬火等，其中，應(yīng)用較多的是感應(yīng)加熱表面淬火。

球墨鑄鐵進(jìn)行感應(yīng)加熱表面淬火時(shí)，把鑄件表面層快速加熱到900～1000℃，轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體加球狀石墨，然后噴