單元六

鑄鐵概述01

鑄鐵的石墨化過程及組織02鑄鐵的分類03灰口鑄鐵04本章內容本章內容球墨鑄鐵05

可鍛鑄鐵06蠕墨鑄鐵07合金鑄鐵08鑄鐵是一種應用范圍非常廣的金屬材料，具有較高的使用性能和性價比，其應用領域涉及機械制造、冶金、礦山及交通運輸?shù)裙I(yè)部門。本單元將重點介紹工業(yè)用鑄鐵的分類、編號、性能和應用。項目概述項目目標熟悉鑄鐵的分類；01了解鑄鐵的石墨化過程及影響因素；02鑄鐵是指含碳量在2.11％以上的鐵碳合金。工業(yè)上實際應用的鑄鐵是一種以鐵、碳、硅為基礎的多元合金，其一般含碳量為2％～4％。一般常用鑄鐵的成分范圍是：WC=2.5%～4.0%，WSi=1.0%～2.5%，WMn=0.5%～1.4%，WP≤0.3%，WS≤0.15%。為了提高鑄鐵的力學性能，有時在鑄鐵中添加少量的Cr、Ni、Mo等合金元素制成合金鑄鐵。鑄鐵是人類最早使用的金屬材料之一。與鋼相比，鑄鐵的抗拉強度、塑性和韌性比較差，不能進行壓力加工，但它生產工藝簡單、成本低廉并具有優(yōu)良的鑄造性能、可切削加工性能、耐磨性能及吸震性，到目前為止，它仍是一種被廣泛應用的金屬材料，如用于機械制造、冶金、礦山及交通運輸?shù)裙I(yè)部門。在鐵碳合金雙重相圖中，實線所示為亞穩(wěn)定的Fe-Fe3C相圖，虛線所示為穩(wěn)定的Fe-G相圖，虛線與實線重合的線用實線畫出。鑄鐵從高溫至低溫的整個冷卻過程中，碳可以分別按兩個相圖形成產物，即按Fe-Fe3C相圖形成滲碳體或按Fe-G相圖形成石墨。鑄鐵組織中石墨的形成過程稱為石墨化過程。碳含量為2.

5%～4.

0%

的鑄鐵石墨化過程可分為三個階段：（1）第一階段。包括冷卻到液相線時析出的一次石墨的過程（L

→LC′+GI）和在1154℃時通過共晶反應形成石墨的過程，即LC′→AE′+G

共晶。（2）第二階段。在1

154～738℃范圍內冷卻過程中自奧氏體中不斷析出二次石墨，即AE→AS+GII。（3）第三階段。在738℃時通過共析反應形成石墨：AS′→FP′+G

共析。

如果整個結晶過程遵循上述規(guī)律，那么鑄鐵的最終組織為鐵素體與石墨的混合物。但實際結晶過程中，由于高溫下原子的擴散能力強，所以第一階段和第二階段的石墨化過程較易進行，而第三階段的石墨化過程，因溫度較低，擴散能力減弱，加上鑄鐵的冷卻條件及化學成分的差別，往往不能完全進行，有可能部分或全部被抑制，從而得到鐵素體與滲碳體兩種相。由此可見，根據結晶條件的不同，鑄鐵組織往往是多種多樣的。鑄鐵組織與石墨化進行程度之間的關系見表6-1。表6-1鑄鐵組織與石墨化進行程度之間的關系名稱石墨化程度顯微組織第一階段第二階段灰鑄鐵完全石墨化完全石墨化鐵素體+石墨完全石墨化部分石墨化鐵素體+珠光體+石墨完全石墨化未石墨化珠光體+石墨麻口鑄鐵部分石墨化未石墨化萊氏體+珠光體+石墨白口鑄鐵未石墨化未石墨化萊氏體+珠光體+滲碳體鑄鐵石墨化過程中，其石墨化程度受許多因素影響，其中鑄鐵的化學成分和澆注時的冷卻速度是兩個主要的因素。一、按碳存在的形式分類（1）白口鑄鐵。在白口鑄鐵中，碳除少量溶入鐵素體外，絕大部分以滲碳體（Fe3C）的形式存在。其斷口呈銀白色，故稱白口鑄鐵。此類鑄鐵中含有大量萊氏體，硬而脆，切削加工較困難，主要用作煉鋼原料。（2）灰口鑄鐵。在灰口鑄鐵中，碳主要以石墨的形式存在，斷口呈灰色。此類鑄鐵是工業(yè)上應用最多最廣的鑄鐵。（3）麻口鑄鐵。其組織介于白口鑄鐵和灰口鑄鐵之間，即碳的一部分以石墨形式存在，另一部分以Fe3C

形式存在，斷口黑白相間構成麻點。此類鑄鐵具有較大的脆性，切削加工困難，工業(yè)上使用較少。二、按石墨形態(tài)分類（1）灰鑄鐵。石墨呈片狀，其力學性能較差，但生產工藝簡單，成本低廉，工業(yè)上應用最廣。（2）可鍛鑄鐵。石墨呈團絮狀，其力學性能好于灰鑄鐵，但生產工藝較復雜，成本高，故只用來制造一些重要的小型鑄件。（3）球墨鑄鐵。石墨呈球狀，其力學性能較好，生產工藝比可鍛鑄鐵簡單，故得到廣泛應用。（4）蠕墨鑄鐵。石墨呈短小的蠕蟲狀，其強度和塑性介于灰鑄鐵和球墨鑄鐵之間，但鑄造性、耐熱疲勞性比球墨鑄鐵好，因此可用來制造大型復雜的鑄件以及在較大溫度梯度下工作的鑄件。三、按化學成分分類（1）普通鑄鐵，即常規(guī)元素鑄鐵，如普通灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵。（2）合金鑄鐵，又稱特殊性能鑄鐵，即在普通灰鑄鐵或球墨鑄鐵中加入一定量的合金元素，如鉻、鎳、銅、釩、鉛等，使其具有一些特定的力學性能，如耐熱鑄鐵、耐磨鑄鐵、耐蝕鑄鐵等。一、灰鑄鐵的組織、性能和用途1.灰鑄鐵的組織

灰鑄鐵的組織可以看成是碳鋼的基體加片狀石墨。按基體組織的不同，灰鑄鐵分為三類：鐵素體基體灰鑄鐵、鐵素體-珠光體基體灰鑄鐵、珠光體基體灰鑄鐵，其顯微組織如圖6-3所示。一、灰鑄鐵的組織、性能和用途2.灰鑄鐵的性能和用途

灰鑄鐵具有優(yōu)良的鑄造性能?；诣T鐵的成分接近于共晶點，熔點低，液態(tài)下流動性好，結晶后分散縮孔少，偏析小，且石墨比容大，使鑄件凝固時收縮量減少。灰鑄鐵具有良好的減摩性和減震性。灰鑄鐵中的石墨本身具有潤滑作用，而且當它從鑄鐵表面掉落后，留下的孔隙具有吸附和儲存潤滑油的作用，且石墨組織松軟，能吸收振動能量?；诣T鐵具有較低的缺口敏感性和良好的切削加工性能?；诣T鐵中有石墨的存在，而石墨的本身就相當于很多很小的缺口，因此在對刀具起到潤滑減磨作用的同時也減弱了鑄鐵對外加缺口的敏感度?；诣T鐵中石墨呈片狀，而石墨的強度極低，并且片狀石墨的邊緣部分容易造成應力集中，因此，灰鑄鐵的抗拉強度、塑性、韌性及彈性模量均低于碳鋼。受基體組織的影響，灰鑄鐵的抗壓強度比抗拉強度高三、四倍，而接近于鋼，這是灰鑄鐵的明顯特性。二、灰鑄鐵的孕育處理

為了提高灰鑄鐵的力學性能，生產上常對其進行孕育處理，即在澆鑄前向鐵液中加入少量的孕育劑，從而在鐵液中形成大量的、高度彌散的難熔質點，成為石墨的人工晶核，以形成細小、均勻分布的石墨，減小石墨片對基體組織的割裂作用而灰鑄鐵的強度、塑性得到提高。這種孕育處理的灰鑄鐵稱為孕育鑄鐵或變質鑄鐵。這類鑄鐵通常用來制造力學性能要求高、截面尺寸變化較大的大型鑄件，如重型機床床身、液壓件、齒輪等。三、灰鑄鐵的熱處理

熱處理只能改變灰鑄鐵的基體組織，不能改變石墨的形態(tài)和分布狀況，這對提高灰鑄鐵力學性能的效果不大，故通常只能用退火和表面處理對灰鑄鐵進行熱處理。對于形狀復雜和精度要求較高的鑄件以及某些大型鑄件，需要進行低溫退火處理，以消除鑄件的殘余內應力，穩(wěn)定其形狀和尺寸。退火工藝是：加熱速度為50～100℃/h，加熱溫度為500～600℃，保溫2～8h；冷卻速度為20～50℃/h，爐冷至150～200℃后出爐空冷。當鑄件白口或部分白口時，硬度高，切削加工性能較差，需要加熱至共析溫度以上進行退火，又稱高溫退火。退火工藝是：將鑄件加熱到850～900℃，保溫2～5h，然后隨爐冷卻至250～400℃，出爐空冷。要求耐磨的鑄件，如缸套、機床導軌等可進行表面強化處理。常進行火焰加熱或中、高頻感應加熱表面淬火處理。一、球墨鑄鐵的組織、性能和用途（a）鐵素體球墨鑄鐵（b）珠光體球墨鑄鐵（c）鐵素體-珠光體球墨鑄鐵圖6-4不同顯微組織的球墨鑄鐵球墨鑄鐵中的石墨呈球狀，對基體的削弱作用和造成的應力集中很小，故強度高，有良好的塑性和韌性，且鑄造性能好，生產簡便，成本低，所以在工業(yè)上應用越來越廣。球墨鑄鐵的組織由金屬基體和球狀石墨組成。球墨鑄鐵基體組織常用的有鐵素體球墨鑄鐵、鐵素體-珠光體球墨鑄鐵和珠光體球墨鑄鐵三種，如圖6-4

所示。一、球墨鑄鐵的組織、性能和用途球墨鑄鐵的力學性能超過灰鑄鐵，可與相應組織的鑄鋼相媲美。其疲勞強度接近于中碳鋼，小能量多沖擊抗力高于中碳鋼，屈服強度幾乎是鋼的一倍多。因此，對于承受靜載荷的零件，用球墨鑄鐵代替鑄鋼可以減輕機器重量。此外，球墨鑄鐵還保留有灰鑄鐵的一些優(yōu)點，如優(yōu)良的鑄造性、切削加工性和低的缺口敏感性，另外還可通過熱處理大大提高其性能。它的出現(xiàn)大大促進了“以鐵代鋼，以鑄代鍛”的技術革命。球墨鑄鐵的牌號、力學性能和用途見表6-3。牌號中的“QT”表示球墨鑄鐵，后面的兩組數(shù)字分別表示其最小抗拉強度和最小伸長率。表6-3球墨鑄鐵的牌號、力學性能和用途二、球墨鑄鐵的生產球墨鑄鐵的成分（質量分數(shù)）范圍是：C3.6%～4.0%，Si2.0%～2.8%，Mn0.6%～0.8%，P≤0.1%，S≤0.04%。球墨鑄鐵是20世紀50年代發(fā)展起來的一種高強度鑄鐵材料。它是在澆注前往灰鑄鐵成分的鐵水中加入少量球化劑和孕育劑，獲得具有球狀石墨的鑄鐵。鎂和稀土元素是作為球化劑加入的，加入方法一般采用沖入法，其加入量一般為鐵水質量的0.08%～0.15%。稀土鎂球化劑于20世紀60年代在我國率先研制成功并推廣應用，使球磨鑄鐵的鑄造性能和機械性能都得到很大的改善。孕育劑常采用0.5%～1.0%的“七·五”硅鐵或硅鈣合金，孕育方法分為一次處理和多次處理。三、球墨鑄鐵的熱處理退火

退火的目的是為了獲得鐵素體基體球墨鑄鐵。澆注后鑄件組織中常會出現(xiàn)不同數(shù)量的珠光體和滲碳體使切削加工變得較難進行，為了改善其加工性，同時消除鑄造應力需進行退火處理，使其中的滲碳體和珠光體得以分解。當鑄態(tài)組織為F+P+Fe3C+G（石墨）時，采用高溫退火，退火工藝是：將鑄件加熱到900～950℃，保溫2～5h后，隨爐緩冷至600℃出爐空冷。當鑄態(tài)組織為F+P+G時，只需采用低溫退火，退火工藝是：將鑄件加熱到720～760℃，保溫2～8h后，隨爐緩冷至600℃出爐空冷。球墨鑄鐵鑄造應力較大，差不多是灰口鑄鐵的1～2倍，對于那些不進行其他熱處理的球墨鑄鐵件，一般均應進行消除內應力的退火（常稱回火），即加熱至550～600℃，保溫3～4h出爐空冷。三、球墨鑄鐵的熱處理正火

正火的目的是為了獲得珠光體基體，以提高球墨鑄鐵強度、硬度和耐磨性，可分為高溫（完全奧氏體化）正火和低溫（不完全奧氏體化）正火。高溫正火工藝是：將鑄件加熱到880～920℃，保溫3h左右，然后空冷，得到P+G組織。低溫正火工藝是：將鑄件加熱到820～860℃，保溫一定時間，然后空冷，得到F+P+G組織。正火所獲得珠光體量的多少，主要取決于冷卻速度，增大冷卻速度將會增加珠光體量。因此，正火的冷卻方法除空冷外，還可采用風冷和噴霧冷卻等。由于正火冷卻速度較快，鑄件中常殘留一定的內應力，因此，正火后需進行一次回火。三、球墨鑄鐵的熱處理調質對于要求綜合力學性能較高的零件，如承受交變載荷的連桿、曲軸等，可采用調質處理，球墨鑄鐵調質處理的淬火溫度一般為860～900℃，以保證全部奧氏體化，為了避免冷卻時產生開裂，一般都采用油冷，淬火后組織為細片狀馬氏體和球形石墨。然后再進行高溫回火，回火溫度一般為550～600℃，保溫1～3h。等溫淬火對于一些綜合力學性能要求較高、形狀比較復雜、熱處理容易變形或開裂的零件，如齒輪、軸承套等，可采用等溫淬火，其工藝為：淬火加熱溫度840～900℃，保溫一定時間，在250～300℃鹽浴爐中等溫0.

5～1.

5h

后空冷，一般不再回火，最后得到下貝氏體加球狀石墨的組織。一、可鍛鑄鐵的組織、性能和用途可鍛鑄鐵是白口鑄鐵經石墨化退火而獲得的一種鑄鐵。由于鑄鐵中石墨呈團絮狀分布，對基體破壞作用減弱，因而較之灰鑄鐵具有較高的力學性能，尤其是具有較高的塑性δ=（2～12）%

和韌性αKU

≤30J

/

cm2，故此稱為可鍛鑄鐵。但是需要指出的是可鍛鑄鐵不能通過鍛造的方法制造零件?？慑戣T鐵的組織由金屬基體和團絮狀石墨組成。根據基體組織的不同，可鍛鑄鐵可分為鐵素體（黑心）可鍛鑄鐵和珠光體可鍛鑄鐵，見圖6-5。（a）鐵素體可鍛鑄鐵 （b）珠光體可鍛鑄鐵圖6-5不同顯微組織的可鍛鑄鐵二、可鍛鑄鐵的生產可鍛鑄鐵的生產分為兩步：第一步是澆注成純白口鑄鐵。如果鑄鐵沒有完全白口化而出現(xiàn)了片狀石墨，則在隨后的退火過程中，會因為從滲碳體中分解出的石墨沿片狀石墨析出而得不到團絮狀石墨。所以為了獲得純白口鑄件，要嚴格控制可鍛鑄鐵的化學成分，C2.4%～2.8%，Si0.8%～1.6%，Mn0.4%～1.2%，P≤0.1%，S≤0.2%，其中主要是限定碳與硅的含量。二、可鍛鑄鐵的生產第二步是將白口鑄鐵進行石墨化退火。將白口鑄件加熱至900～980℃，保溫15h左右，使組織中的滲碳體發(fā)生分解，得到奧氏體和團絮狀石墨。在隨后的緩冷過程中，從奧氏體中析出二次石墨，并沿著團絮狀石墨表面長大；當冷卻至750～720℃共析溫度時，奧氏體發(fā)生轉變生成鐵素體，最終得到鐵素體基體+團絮狀石墨可鍛鑄鐵。獲得珠光體可鍛鑄鐵的方法是將白口鑄鐵在900～980℃保溫后，隨爐冷卻至820℃左右，再出爐空冷。也可以把鐵素體可鍛鑄鐵重新加熱至共析轉變溫度以上，保溫一段時間，再以較快的冷卻速度通過共析轉變溫度范圍，最終將得到珠光體基體+團絮狀石墨可鍛鑄鐵。一、蠕墨鑄鐵中的組織和性能

蠕墨鑄鐵中的石墨為短小的蠕蟲狀，形態(tài)彎曲，端部圓鈍，長寬比小。一般將長寬比為3～10的石墨稱為蠕蟲狀石墨，它是介于球狀石墨和片狀石墨之間的一種石墨形態(tài)。石墨的形態(tài)決定了蠕墨鑄鐵的力學性能介于相同基體組織的灰鑄鐵和球墨鑄鐵之間，蠕墨鑄鐵的強度利用率較高，，比球墨鑄鐵和鋼都高。其鑄造性能、減振性能和導熱性能與灰鑄鐵相近，蠕墨鑄鐵的耐磨性比灰鑄鐵高2倍以上。按照基體組織的不同，蠕墨鑄鐵可分為鐵素體蠕墨鑄鐵、珠光體蠕墨鑄鐵以及鐵素體-珠光體蠕墨鑄鐵。二、蠕墨鑄鐵的生產

蠕墨鑄鐵是從20世紀60年代迅速發(fā)展起來的一種高強鑄鐵材料，通過對鐵液的蠕化處理獲得的，即澆注前向鐵液中加入蠕化劑，促使石墨呈蠕蟲狀析出，這種處理方法稱為蠕化處理?？捎孟⊥凉梃F做蠕化劑，也可用鎂和鈦鋁組成的復合蠕化劑，其中鎂和稀土元素為石墨球化元素，鈦、鋁等為反球化元素。為了消除鎂和稀土元素的白口化影響，通常要用75%硅鐵進行孕育處理。

在普通鑄鐵的基礎上加入一定量的合金元素，制成的特殊性能的鑄鐵叫作合金鑄鐵，又叫特殊性能鑄鐵。合金鑄鐵與合金鋼比較，熔煉簡便，成本低廉，基本上能滿足特殊性能的要求，但機械性能較低，脆性較大。常見的合金鑄鐵有耐磨鑄鐵、耐熱鑄鐵和耐蝕鑄鐵。一、耐磨鑄鐵

耐磨鑄鐵分為減摩鑄鐵和抗磨白口鑄鐵兩類。前者用于潤滑條件下工作的零件，例如機床導軌、汽缸及軸承等；后者用于無潤滑、干摩擦的零件，例如軋輥、犁鏵、拋丸機葉片、球磨機襯板和磨球等。二、耐熱鑄鐵

耐熱鑄鐵具有良好的耐熱性能，根據合金元素的種類，可分為硅系、鋁系、鉻系和鋁-硅系等。耐熱鑄鐵可以代替耐熱鋼制造加熱爐底板、爐子傳送鏈構件、滲碳罐、煙道擋板、換熱器等。二、耐蝕鑄鐵