工程材料學(xué)鑄鐵的組織與性能

1、工程材料學(xué) 鑄鐵的組織與性能實(shí)驗(yàn)一 鑄鐵的組織與性能一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 、觀察灰口鑄鐵中不同類型石墨的形貌及基體組織。2 、觀察灰口鑄鐵中磷共晶的形態(tài)及分布。二、實(shí)驗(yàn)原理 鑄鐵是含碳量大于 2.14%或組織中具共晶的鐵碳合金。工業(yè)上所用的鑄鐵，實(shí) 際上都不是簡(jiǎn)單的鐵碳二元合金，而是以鐵、碳、硅為主要元素的多元合金。鑄鐵中的碳可以以滲碳體的形式存在，也可以石墨的形式存在。根據(jù)碳在鑄鐵 中的存在形態(tài)的不同，通常可將鑄鐵分為白口鐵、灰口鑄鐵和麻口鑄鐵。而根據(jù)鑄 鐵中石墨的形態(tài)不同，又可分為普通灰口鑄鐵，蠕蟲狀石墨鑄鐵，球墨鑄鐵以及可 鍛鑄鐵。鑄鐵中的金屬基體一般都是由珠光體。鐵素體或珠光體 +鐵素體組成

2、。 基體上與共析鋼或亞共析鋼的基體組織相同。灰口鑄鐵的金相特點(diǎn)，是在鋼的基礎(chǔ)上分布著片狀石墨，其組織是根據(jù)石墨片 的大小、長(zhǎng)度、分布及基體的類型不同有很大的差異，這主要決定于化學(xué)成份和鑄 造條件而定。（一）灰口鑄鐵1 、灰口鑄鐵的石墨類型灰口鑄鐵中石墨的大小、數(shù)量和分布對(duì)機(jī)械性能有很大的影響。為了便于比較，對(duì)鑄鐵中石墨進(jìn)行了分類評(píng)級(jí)，我國(guó)按石墨的形成原因和分布特征，將其分為A、B、C、D E和F六種類型。A 型石墨：石墨片的尺寸和分布都比較均勻，且無方向性。這種石墨是碳當(dāng)量 為共晶成份或接近共晶成分的鐵水在共晶溫度范圍內(nèi)從鐵水中和奧氏體同時(shí)析出的， 其生成條件是具有較小的過冷度，這樣才能造成均

3、勻生核和長(zhǎng)大，使各處的結(jié)晶和 生長(zhǎng)速度相差不大，最后得到大小和分布均勻的 A 型石墨（見圖 1）。B 型石墨：點(diǎn)狀石墨被卷曲的片狀石墨所包圍，無方向性，具有菊花形態(tài)。稱 為菊花狀石墨（見圖 2）。這類石墨的特點(diǎn)是由于過冷度較大，首先從液相中析出 細(xì)小的樹枝狀?yuàn)W氏體，接著在樹枝的間隙中產(chǎn)生奧氏體與石墨共晶，這時(shí)的石墨片 分枝多而密，形成菊花中心的點(diǎn)狀石墨。但是，因?yàn)椴皇窃诜浅?qiáng)烈的過冷條件下 結(jié)晶，在初晶產(chǎn)物放出結(jié)晶潛熱的條件下減慢了包圍著初晶產(chǎn)物外層的鐵水的結(jié)晶 速度，而且又只能由沿著初生產(chǎn)物向外呈放射狀的方向通過液體金屬進(jìn)行散熱。所 以外層石墨生長(zhǎng)成為較粗大的曲片形，大致呈放射狀分布，直至遇

4、到鄰近的共晶團(tuán) 為止。這類石墨常在碳、硅含量較高，過冷度較大的亞共晶灰鑄鐵中出現(xiàn)，B型石墨由于呈聚集分布，因而使鑄鐵的強(qiáng)度有所降低。C 型石墨：是由大片狀的初生石墨與較細(xì)小的共晶石墨所組成。石墨大小相差 很大，但分布比較均勻，無方向性（見圖 3）。這種類型的石墨主要出現(xiàn)在過共晶 程度較大，冷卻速度較慢的厚壁鑄件中，由于緩慢冷卻，共晶結(jié)晶前形成的初生石 墨在鐵水中能充分長(zhǎng)大，形成粗片狀石墨。隨著初生石墨的析出，鐵水的含碳量逐 漸降低，在共晶溫度下，具有共晶成分的鐵水發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變而析出共晶石墨，結(jié)果 形成粗片狀的初生石墨和細(xì)小的共晶石墨片混雜分布的形式。粗大石墨片的存在， 使鑄鐵的機(jī)械性能顯著降低

5、。D 型石墨：點(diǎn)狀與小片狀的石墨無方向性的分布（見圖 4 ）。它是在較大過冷 條件下生成的共晶石墨。這類石墨往往出現(xiàn)在碳、硅含量較低，過冷度較大的亞共 晶灰口鑄鐵中。結(jié)晶時(shí)，首先形成樹枝狀的奧氏體，由于過冷度較大，分布于枝晶 間隙中的剩余鐵水發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變時(shí)，幾乎同時(shí)生成大量的石墨核心，這些石墨核心 只能作微小的生長(zhǎng)，產(chǎn)生多而密的分枝，所以在顯微鏡下，石墨呈點(diǎn)。片狀分布在 奧氏體的樹枝間隙中，除了低碳和強(qiáng)烈過冷外，鐵水過熱也是D 型石墨生成的條件因?yàn)檫^熱會(huì)使石墨生成的核心減少，石墨結(jié)晶困難，需要有較大的過冷度。這類石 墨由于密集分布，也使機(jī)械性能有所下降。E 型石墨：在初生奧氏體的晶間分布著有方

6、向性的短片石墨，其特征和成因與D型石墨基本相同，只是E型石墨的分布具有明顯的方向性（見圖 5）。 在實(shí)際生產(chǎn)中，D型和E型石墨通常不作嚴(yán)格區(qū)分，分稱 D E型石墨，也稱過冷 石墨或枝晶石墨。E型石墨因分布的方向性較強(qiáng)，它對(duì)機(jī)械性能的影響也較D型石 墨大一些。F 型石墨：其特點(diǎn)是星狀（或蜘蛛狀）與短片狀石墨混合均勻分布（見圖 6）， F 型石墨是過共晶鐵水在較大過冷度的條件下形成的。大塊的為初生石墨， 片狀石墨在其上生長(zhǎng)。（二）灰口鑄鐵的基體組織 實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用的灰口鑄鐵主要是以珠光體為基體的，隨著基體中珠光體含量 的增加和細(xì)化，鑄鐵的強(qiáng)度、硬度和耐磨性提高。珠光體的細(xì)化程度與奧氏體的成 分、晶

7、粒度、分解溫度有關(guān)，灰口鑄鐵中珠光體類型組織的形成過程與鋼相似，不 再重述?；铱阼T鐵的基體組織為鐵素體、鐵素體+珠光體、珠光體組織（見圖1圖1圖2A型石墨B型石墨100X100X圖3C型石墨100X圖 4D 型石墨100X圖 5E 型石墨100X圖 6F 型石墨100X磷共晶：鑄鐵經(jīng)常含有較多的磷，它在奧氏體或體素體中溶解度很?。辉诠盘?純鐵中的溶解 12%，而含碳 3.5%的鑄鐵中只能溶解 0.3%。再加上結(jié)晶偏析的結(jié)果。 雖然含磷量比上述數(shù)值小，也總有磷共晶出現(xiàn)。鑄鐵中含有0.1%磷，組織中就會(huì)出現(xiàn) 1%的二元磷共晶。但鑄鐵中的磷共晶往往既有二元的也有* 的，有時(shí)還有碳化物組成磷共晶碳化物

8、復(fù)合物，其數(shù)量超過鑄鐵中磷含量的 10 倍，主題中促進(jìn) 石墨的因素，大多促進(jìn)二元磷共晶的生成，促進(jìn)碳化物形成的因素，則促進(jìn) * 磷共 晶的生成。二元磷共晶：由磷化三鐵和點(diǎn)狀鐵素體多組成（見圖10）；* 磷共晶：由磷化三鐵，碳化三鐵和點(diǎn)狀鐵素體所組成（見圖 11）；磷共晶碳化物復(fù)合 物，在二元或 * 磷共晶上鑲有較大的碳化物條或塊（見圖12）。經(jīng)硝酸酒精溶液浸蝕后，磷共晶為白亮的，磷化三鐵的基體上發(fā)表著粒狀鐵素 體，有時(shí)粒狀呈魚骨狀規(guī)則地排列在基體上。圖 7 灰鑄鐵正火 400X 圖 8 灰鑄鐵鑄態(tài) 400X圖 9 灰鑄鐵退火400X圖 10 二元磷共晶500X圖 11* 磷共晶500X圖 12

9、 * 磷共晶復(fù)合磷共晶 500X （二）球墨鑄鐵圖 13 球墨鑄鐵 鑄態(tài) 400X（珠光體球狀石墨） 圖 14 球墨鑄鐵退火態(tài)400X（鐵素體球狀石墨）球墨鑄鐵的組織是由球狀石墨和金屬基體所組成。石墨球通常是孤立地分布在 金屬基體中的、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，球墨鑄鐵的基體組織在鑄態(tài)下變化較大，一般很難獲得單一的基體組織， 其組織：“珠光體 +鐵素體 +球狀石墨”（見圖 13）。球墨鑄鐵的組織可以看成是鋼的組織加球狀石墨所組成，而機(jī)械性能又主要取 決于金屬基體，因此，像鋼一樣，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。球墨鑄鐵雖

10、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（退火處理見圖14）和類似于中、高碳鋼的鐵素體 +珠光體，甚至珠光體基體組織，而且還可以獲得不同相 對(duì)量和形態(tài)的鐵素體 +珠光體基體組織（正火處理見圖 15）。因此，球墨鑄鐵熱處 理后，即可獲得相當(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。此外等溫淬火是目前發(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)度或超強(qiáng)度，同時(shí)具有較高 的塑性韌性和具備良好的綜合機(jī)械性能及耐磨性，還有熱處理變形小的特點(diǎn)。所以， 經(jīng)適當(dāng)?shù)牡葴靥幚淼那蚰T鐵

11、可以滿足日益發(fā)展的高速、大馬達(dá)、受力復(fù)雜機(jī)件的 性能要求，從而擴(kuò)大了球墨鑄鐵的使用范圍。調(diào)質(zhì)處理后的球墨鑄鐵，具有較好的 綜合機(jī)械性能，而熱處理工藝及設(shè)備則比等溫淬火簡(jiǎn)單，且被切割加工性比較好， 球墨鑄鐵經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，組織為素氏體 +球狀石墨，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、曲軸等。對(duì)球墨鑄鐵進(jìn)行感應(yīng)加熱表面淬火，使它們 除具有良好的綜合機(jī)械性能外，同時(shí)工作表面具有較高的硬度和耐磨性以及疲勞強(qiáng) 度。根據(jù)某些球墨鑄鐵件往往需要在強(qiáng)烈的磨損或在氧化、腐蝕介質(zhì)的條件下工作 的需要，必須進(jìn)行化學(xué)熱處理，如：氮化、軟氮化、滲硼等。圖15球墨鑄鐵正火態(tài)400X珠光體鐵素體球狀石墨圖1

12、6蠕蟲狀石墨+金屬基體100X圖17團(tuán)絮狀石墨+鐵素體100X珠光體+鐵素體+蠕蟲狀石墨+萊氏體圖 18 蠕墨鑄鐵100X（三）蠕墨鑄鐵蠕墨鑄鐵的石墨形態(tài)是蠕蟲狀和球狀石墨共存的混合形態(tài)，蠕蟲狀石墨是介于 片狀石墨和球狀石墨之間的中間石墨形態(tài)（見圖16）。其基體組織為鐵素體，其力學(xué)性能介于灰鑄鐵與球墨鑄鐵之間，其鑄造性能比球墨鑄鐵好，與灰鑄鐵接近。因此形狀復(fù)雜的鑄鐵也能用蠕墨鑄鐵制造此外灰鑄鐵中還會(huì)出現(xiàn)萊氏體，即白口化。（四）可鍛鑄鐵 可鍛鑄鐵的生產(chǎn)過程是先澆注成白口鑄鐵件，然后再退火成灰口組織。可鍛鑄 鐵中的石墨呈團(tuán)絮狀分布（見圖 18），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

13、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)量愈少、外形越規(guī)則，分布愈細(xì)小均勻，其機(jī)械性能愈多。可鍛鑄鐵的機(jī)械性 能除與石墨團(tuán)的形狀、大小、數(shù)量和分布有關(guān)外、還與金屬基體的組織有很大的關(guān) 系，可鍛鑄鐵的基體有鐵素體基體和珠光體基體兩種，鐵素體基體具有一定的強(qiáng)度 和較多的塑性與韌性，主要用作承受沖擊和震動(dòng)的鑄件。珠光體基體具有高的強(qiáng)度、 硬度和耐磨性以及一定的塑性、韌性，主要用以要求高強(qiáng)度、硬度、耐磨的鑄件。（五）鑄鐵金相試樣的特點(diǎn) 在生產(chǎn)實(shí)踐和今后的工作中，我們將要碰到大量的鑄鐵工件的金相檢驗(yàn)，在此

14、就鑄鐵金相試樣的制備特點(diǎn)作一簡(jiǎn)短的說明：鑄鐵（不包括白口鑄鐵）試樣的拋光， 既要使基體表面無道痕，又要保證石墨不污染，不脫落，重要的是要能正確的顯示 石墨的形態(tài)和大小，試樣磨平后，用新砂紙（叢粗到細(xì)）磨制。用舊了的砂紙是不 利于磨制石墨，會(huì)使石 * 落，石* 落后，其空腔會(huì)由于周圍金屬變形而變小，或由 于腐蝕而擴(kuò)大，磨面被污物充填。在拋光時(shí)，為了防止石 * 落或污染，要選擇短毛 纖維柔軟的絲織物較為適宜。拋光磨料可用氧化鎂，開始拋光時(shí)，使用拋光盤的外 圈以提高切削速度，要注意隨時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)試樣（特別是球鐵），防止出現(xiàn)“彗星尾巴”。 隨著拋光接近完成，要逐步減輕壓力，并將試樣移至拋光盤中心區(qū)。拋光過程

15、中必 須保持拋光盤濕度適宜，水分過多或過少都會(huì)帶來不良后果。經(jīng)正確地拋光后的鑄鐵試樣，石墨呈灰色，球狀石墨可見放射狀特征。 對(duì)于鐵素體基體，則推薦用硝酸酒精溶液。但要注意，石墨會(huì)吸收硝酸，腐蝕 后，往往引起石墨的膨脹，并導(dǎo)致石墨球或石墨片局部脫落。三、實(shí)驗(yàn)方法及指導(dǎo)1 、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟 （1）觀察灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵的金相組織。見表 1。 （2）描繪出幾種合金鋼的組織示意圖。2 、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料設(shè)備：金相顯微鏡。 試樣：灰鑄鐵的各種石墨形態(tài)和各種基體組織的金相試樣一套；球墨鑄鐵的各 種石墨形態(tài)和基體組織的金相試樣一套；可鍛鑄鐵金相組織試樣； 蠕墨鑄鐵金相 組織試樣。表 1 常見鑄鐵組織編號(hào)鑄鐵名稱顯 微 組 織浸蝕劑1灰口鑄鐵A 型石墨 +金屬基體未浸蝕2灰口鑄鐵A 型石墨 +金屬基體未浸蝕3灰口鑄鐵A 型石墨 +金屬基體未浸蝕4灰口鑄鐵A 型石墨 +金屬基體未浸蝕5灰口鑄鐵A 型石墨 +金屬基體未浸蝕6灰口鑄鐵A 型石墨 +金屬基體未浸蝕7高磷灰口鑄鐵片狀石墨 +細(xì)片狀珠光體 +磷共晶4% 硝酸酒精8可鍛鑄鐵團(tuán)絮狀石墨 +鐵素體4% 硝酸酒精球墨鑄鐵