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：鑄鐵熔煉簡單，成本低廉，雖然強度、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，它們相當于鋼的組織。

7.1鑄鐵的特點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型為蠕蟲狀石墨;

Ⅳ型為聚集狀(團絮狀)石墨;

Ⅴ型為不規(guī)則或開裂狀石墨;

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

2、鑄鐵的性能特點

鑄鐵的性能取決于鑄鐵的組織和成分。因此，鑄鐵的機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。石墨機械性能很低，硬度僅為HB3～5，抗拉強度為20Mpa，延伸率接近零石墨珠光體鐵素體抗拉強度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，一是因為它的含碳量高，二是因為碳大部分以游離的石墨狀態(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，石墨的生長速度較慢，這就是石墨生長成片狀的內(nèi)在原因。石墨抗拉強度、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)圖科學實驗表明，F(xiàn)e3C是一個介穩(wěn)定的相，石墨是穩(wěn)定相。反映鐵-碳合金結(jié)晶過程和組織轉(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，通常把兩者疊加在一起，得到鐵－碳合金雙重狀態(tài)圖，見圖7-3。圖中虛線表示鐵-石墨系；實線表現(xiàn)鐵-滲碳體系；虛線與實線重合的線條以實線表示。

圖7-3鐵碳和金雙重狀態(tài)圖鑄鐵中碳原子的析出，并形成石墨的過程稱為石墨化過程。在極緩慢冷卻條件下，鑄鐵（2.5~4.0%）的石墨化過程可分為以下二個階段：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，從奧氏體中不斷的析出的GⅡ；在738℃時通過共析反應(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程進行不完全，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，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--石墨為團絮狀；（白口鑄鐵長時間石墨化退火）

蠕墨鑄鐵--石墨為蠕蟲狀。（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行的程度。為了獲得所需的組織就必須恰當?shù)乜刂畦T鐵的石墨化。實踐證明，鑄鐵的化學成分和結(jié)晶時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成分

AL、C、Si、Ti、Cu、Ni、P促進石墨化

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熱和高溫靜置的影響存在一個臨界溫度過高，則石墨形態(tài)變差，強度下降。1、化學成分的影響

①碳和硅的影響:硅和碳都是強烈促進石墨化的元素。硅促進石墨化的作用約相當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，間接地起到促進石墨化的作用③硫的影響：強烈阻礙石墨化的元素硫阻礙碳原子的擴散，是一個促進白口鑄鐵元素，不僅大大降低鑄鐵的機械性能，而且使鐵水的流動性降低，收縮率增大。因此，硫是一個有害元素，其含量應(yīng)控制在0.15%以下。

④磷的影響：

磷對石墨化的作用不明顯。當P含量大于0.2%后，就會出現(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、細小、均勻分布時，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，將降低鑄件的強度，增加鑄件的脆性。作為有害元素，通常灰口鑄鐵的含P量應(yīng)控制在0.2%以下。2.冷卻速度對鑄件石墨化的影響

鑄件的冷卻速度對石墨化過程也有明顯的影響。一般來說，鑄件冷卻速度越緩慢，越有利于碳原子的擴散，對石墨的形核和成長有利，即過冷度較小時，越有利于按照Fe-C系狀態(tài)圖進行結(jié)晶和轉(zhuǎn)變，即越有利于石墨化過程的充分進行。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）難以完全進行。圖7-11鑄鐵的共晶度與壁厚對組織的影響

鑄件冷卻速度是一個綜合的因素，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，以1級為最粗，8級為最細。石墨片越粗，其機械性能越差。為了獲得細片狀的石墨，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細化、G細而均勻，強度、塑韌性明顯提高。

2、灰鑄鐵的牌號

灰鑄鐵的牌號用“灰鐵”二字的漢語拼音的第一個大寫字母“HT”和一組數(shù)字來表示，HT100表示最低抗拉強度100MPa。（GB967－67）

分類牌號鑄件

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珠光體較細重荷機床床身孕育鑄鐵HT40015～30400 680索氏體細小齒輪、高壓泵殼3、灰鑄鐵的性能

1）、灰鑄鐵的組織對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。石墨的強度極低，在鑄鐵中相當于裂縫或空洞，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。

鐵素體的強度、硬度低，而塑性、韌性高。鐵素體基體灰鑄鐵機械強度低；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。珠光體具有高的強度、硬度和耐磨性。珠光體基體灰鑄鐵的強度、硬度和耐磨性均優(yōu)于鐵素體基體灰鑄鐵，而塑性、韌性相差無幾，所以珠光體基體灰鑄鐵獲得了廣泛的使用。實際生產(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、灰鑄鐵的機械性能

①抗拉強度：

灰口鑄鐵的抗拉強度比同樣基體的鋼要低得多。一般說來，石墨數(shù)量越多，石墨“共晶團”越粗大，石墨片的長度越長，石墨的兩端越尖銳，則抗拉強度降低的數(shù)值越大?；诣T鐵的金屬基體中珠光體數(shù)量越多，珠光體中Fe3C片層越細密，則抗拉強度值越高。

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

②抗壓強度：

抗壓強度σbc約為抗拉強度σb的2.5-4.0倍?；诣T鐵的抗壓強度顯著地大于抗拉強度，這是灰鑄鐵的一種特性。因此，灰鑄鐵廣泛地被用作機床底座、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，對于缺口試樣，沖擊值為2～8J/cm2?；诣T鐵中碳、硅總量越低，石墨數(shù)量越少，石墨片愈細小，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。這是因為鑄鐵件中有石墨的存在，也就是說鑄件工作表面的石墨易脫落而成為滑動面的潤滑劑，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。抗拉強度越低，減振性越好。所以，灰鑄鐵適宜用作減振材料，用于機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低(約為1200℃)、流動性好、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?shù)臋C械性能且成本低廉等特點，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?；诣T鐵經(jīng)熱處理的強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。灰鑄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。防止機加工、使用時變形或開裂。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，提高強度、硬度、耐磨性和疲勞強度。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

——如HT100，HT-灰鐵，100-最小抗拉強度表示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，力學性能差，其它性能好。分類牌號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P較細片HT300S或T細片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細化、G細而均勻，強度、塑韌性明顯提高。熱處理水泵

葉輪

發(fā)動機飛輪去應(yīng)力退火

——500~550℃，防止機加工、使用時變形或開裂。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——

提高導軌表面、汽缸體內(nèi)壁等的耐磨性。M+C應(yīng)用

——

如，機床床身、導軌，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)生分解形成團絮狀石墨的一種高強度灰口鑄鐵。

由于團絮狀石墨對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度，特別是塑性（延伸率δ可達～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、化學成分對可鍛鑄鐵組織的影響可鍛鑄鐵的生產(chǎn)是由兩個相互矛盾的工藝過程所組成的。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、石墨化退火工藝對組織的影響可鍛鑄鐵石墨化是由白口鑄鐵經(jīng)長時間石墨化退火而制得的，在退火過程中主要是發(fā)生石墨化。如果白口組織在退火過程中第一階段和第二階段石墨化充分進行，則退火后得到鐵素體基體加團絮狀石墨的組織，稱為鐵素體可鍛鑄鐵。如果退火過程中經(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行，則退火后的組織為珠光體加團絮狀石墨的組織，稱為珠光體可鍛鑄鐵。二、可鍛鑄鐵的牌號、性能和用途

1、可鍛鑄鐵的牌號及其機械性能指標

我國可鍛鑄鐵的牌號用“可鐵”兩字漢語拼音的第一個大寫字母“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度（單位為MPa)和最低延伸率值(%)。2、可鍛鑄鐵的性能特點及用途可鍛鑄鐵中的石墨呈團絮狀分布，對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，金屬基體的強度、塑性及韌性可較大程度地發(fā)揮作用。故可鍛鑄鐵的機械性能比灰鑄鐵高，特別是塑性、韌性要高得多?？慑戣T鐵中的團絮狀石墨數(shù)量越少，外形越規(guī)則，分布越細小均勻，其機械性能越高。三、可鍛鑄鐵的退火

可鍛鑄鐵的退火工藝見圖7-15。圖7-15可鍛鑄鐵的退火工藝1、加熱過程當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，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℃的高溫長時間保溫過程中，共晶滲碳體分解為奧氏體加團絮狀石墨.此過程溫度越高，滲碳體分解速度越快，退火周期越短。但是，退火溫度過高，還引起石墨團和奧氏體晶粒粗化。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℃的過程中，從奧氏體中析出二次石墨。在此過程中冷卻速度不宜過快，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共析轉(zhuǎn)變溫度區(qū)的過程中，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、冷卻過程：經(jīng)過第二階段石墨化以后，鑄件的組織已轉(zhuǎn)變成為鐵素體加團絮狀石墨，在隨后的冷卻過程中將不發(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℃左右后打開爐門進行空冷。（４）可鍛鑄鐵——

白口鑄鐵經(jīng)長時間石墨化退火（900－960℃）而得牌號

——如KT300-6

，表示b≥300，≥6％。組織

——鋼基體+團絮狀G性能

——強度、塑韌性優(yōu)于HT，低于QT。分類牌

號壁厚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，除了具有更高的機械性能外，還具有生產(chǎn)工藝簡單，生產(chǎn)周期短且不受鑄件尺寸限制的特點。球墨鑄鐵還可以像鋼一樣進行各種熱處理以改善金屬基體組織，進一步提高機械性能。

一、球墨鑄鐵的組織與化學成分：

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。這往往是由于化學成分和鐵水處理不當，改變了石墨的生長條件所致。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)團狀、團片狀、厚片狀、開花狀以及呈枝晶狀等分布形態(tài)。

一般來說，石墨的圓整度越好，球徑越小，分布越均勻，則球墨鑄鐵的機械性能亦越高。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)晶時生長為球狀的工藝操作稱為球化處理。目前，國外廣泛應(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)生時才能促使石墨生長成球狀。但是，Mg和RE等都是強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，在球化處理的同時必須進行孕育處理（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械性能。孕育處理所使用的孕育劑必須是含有強烈促進石墨化元素的物質(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、球墨鑄鐵和化學成分球墨鑄鐵的化學成分特點是：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成分見下表。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、性能及用途

1、球墨鑄鐵的牌號

我國球墨鑄鐵的牌號用“球鐵”二字的漢語拼音的第一個字母“QT”加兩組數(shù)字表示，第一組數(shù)字代表最低抗拉強度（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，它對金屬基體的破壞作用小?；w強度利用率可達70～90％。因此，球墨鑄鐵的機械性能主要取決于基體組織的性能。①抗拉強度：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度，而且其屈服強度(σ0.2)也超過任何一種鐵碳合金，比鋼還要高得多。球墨鑄鐵的屈強比(σ0.2/σb)為0.7-0.8，幾乎為鋼(0.35-0.50)的兩倍。在一般機械設(shè)計中，材料的許用應(yīng)力是根據(jù)材料的屈服強度來確定的，因此，對于承受靜負荷的零件，用球墨鑄鐵代替鑄鋼，可以減輕機器的重量。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)動機曲軸，當其沖擊值ak達8～15J/cm2時已能獲得良好的使用性能。當鐵素體球墨鑄鐵的延伸率達10～15％時，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疲勞強度：鑄鐵的疲勞強度在很大程度上取決于石墨的形狀。球狀的疲勞強度最高，團絮狀的次之，片狀的最低，且隨石墨數(shù)量增多，鑄鐵的疲勞強度降低。由圖可知，要求扭轉(zhuǎn)疲勞強度大的曲軸采用球墨鑄鐵是可行的。圖7-18疲勞強度和抗拉強度的關(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，而且其機械性能又主要取決于金屬基體，因此,象鋼一樣，通過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：通過改變加熱溫度來控制其基體組織，從而獲得不同的機械性能。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，都對應(yīng)著鐵素體和奧氏體平衡的相對量。

球墨鑄鐵雖然碳含量比鋼高得多，但通過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，既可以獲得相當于低碳鋼的機械性能，又可獲得相當于中、高碳鋼的機械性能。這是鋼的熱處理所達不到的。

石墨雖然在熱處理過程中也參加相變，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，凡是對鋼有效的熱處理工藝都適用于球墨鑄鐵。②退火對于形狀復雜、壁厚不均勻的鑄件，可進行去應(yīng)力退火。為了消除游離滲碳體，改善切削性能，可進行高溫石墨化退火。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，提高強度、硬度和耐磨性，同時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。

一般來說，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高，不僅會引起奧氏體晶粒粗化，而且還因奧氏體碳濃度過高，而在正火冷卻過程中促使二次滲碳體沿奧氏體晶界呈網(wǎng)狀析出，使機械性能降低。正火溫度對珠光體量和機械性能的影響如圖7-19所示。

圖7-19正火溫度對珠光體量和機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，韌性與一定的強度，即獲得較好的綜合機械性能。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，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，可以獲得高強度或超高強度，同時具有較高的塑性、韌性，因而具備良好的綜合機械性能和耐磨性。此外，還具有熱處理變形小的特點。

球墨鑄鐵等溫淬火工藝與鋼相似，即把鑄件加熱到臨界點Ac1以上30～50℃，經(jīng)一定時間保溫，使基體組織轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W成分均勻的奧氏體，然后將鑄件迅速淬入到保持在Ms點以上某一溫度（一般為300℃左右）熱浴中，等溫停留一定時間，使過冷奧氏體等溫轉(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，具有較好的綜合機械性能。它的機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)燃機車萬向軸等。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)加熱表面淬火對于某些球墨鑄鐵鑄件，如在動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械性能外，同時還要求工作表面具有較高的硬度和耐磨性以及疲勞強度。因此，對于這類球墨鑄鐵件往往都需要進行表面淬火，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。

球墨鑄鐵進行感應(yīng)加熱表面淬火時，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