1鑄鐵組織及性能

鑄鐵的組織與性能鑄鐵生產(chǎn)技術(shù)的基礎(chǔ)就是要研究與認(rèn)識(shí)：（1）鑄鐵的組織對(duì)鑄鐵的性能有什么影響？為何說，控制了鑄鐵的組織就是控制了鑄鐵的性能？（2）既然鑄鐵的組織這樣重要，那么就必然對(duì)其形成過程和形成條件進(jìn)行研究與認(rèn)識(shí)，進(jìn)而達(dá)到控制組織的目的。（3）在生產(chǎn)實(shí)踐中，影響鑄鐵組織的不只有化學(xué)成分與冷卻速度，還有鐵液溫度、爐料、氣體、孕育等要素。所以，作為鍛造技術(shù)人員必然具備雙方面的基礎(chǔ)知識(shí)：一是要認(rèn)識(shí)與認(rèn)識(shí)鑄鐵組織對(duì)鑄鐵性能的影響規(guī)律，即什么樣性能的鑄鐵需要什么樣的鑄鐵組織來保證；二是要認(rèn)識(shí)對(duì)鑄鐵組織有影響的要素有哪些，怎樣控制這些要素達(dá)到要求的鑄鐵組織，進(jìn)而知足鑄件性能要求。1.1

鑄鐵性能的分類圖1是以灰鑄鐵為例進(jìn)行的鑄鐵性能分類狀況，由圖1可見，鑄鐵的性能包含物理性能、力學(xué)性能、使用性能和工藝性能，這些性能的與其組織息息有關(guān)。圖1灰鑄鐵性能分類1.2鑄鐵的組織既然鑄鐵的性能是由鑄鐵的組織所決定的，所以，控制了鑄鐵的組織就控制了它的性能。鑄鐵的組織由石墨、基體、共晶團(tuán)和晶界夾雜物4部分構(gòu)成（見表1）。表1鑄鐵中的組織名稱種類石墨片狀石墨、蠕蟲狀石墨、團(tuán)絮狀石墨、球狀石墨片狀石墨還有A、B、C、D、E、F共6種散布種類基體鐵素體、珠光體、奧氏體、奧鐵體、滲碳體、馬氏體以每個(gè)石墨核心為中心形成的一個(gè)“石墨—奧氏體”兩相共生共晶團(tuán)共長(zhǎng)的共晶晶粒稱為共晶團(tuán)。片狀石墨的灰鑄鐵拋光腐化后方能查驗(yàn)共晶團(tuán)數(shù)；球墨鑄鐵則以球墨數(shù)代表共晶團(tuán)數(shù)，一個(gè)石墨球代表一個(gè)共晶團(tuán)。晶界夾雜物共晶物（磷共晶、硫共晶）、碳化物、非金屬夾雜物1.3鑄鐵組織對(duì)性能的影響狀況石墨對(duì)性能的影響在鑄鐵組織中，石墨對(duì)性能的影響最大。4各種類的石墨可分為6種散布形狀（見圖2），其應(yīng)用的典型鑄鐵種類見表2。圖2石墨的分類表示圖Ⅰ片狀石墨Ⅱ齊集的片狀石墨及蟹狀石墨Ⅲ蠕蟲狀石墨Ⅳ團(tuán)絮狀石墨Ⅴ團(tuán)狀石墨Ⅵ球狀石墨表2鑄鐵中的6種石墨形狀石墨種類石墨形狀名稱典型鑄鐵種類Ⅰ片狀石墨灰鑄鐵Ⅱ齊集的片狀石墨迅速冷卻的過共晶灰鑄蟹狀石墨鐵Ⅲ蠕蟲狀石墨蠕墨鑄鐵Ⅳ團(tuán)絮狀石墨可鍛鑄鐵Ⅴ團(tuán)狀石墨球墨鑄鐵蠕墨鑄鐵Ⅵ球狀石墨球墨鑄鐵蠕墨鑄鐵1）石墨形態(tài)對(duì)力學(xué)性能的影響鑄鐵與鋼最大的不一樣樣就是鑄鐵中有石墨。石墨對(duì)基體的割裂削弱了鑄鐵的強(qiáng)度，此中片狀石墨削弱程度最大、球狀石墨削弱程度最小；石墨形狀越趨于球狀的鑄鐵，強(qiáng)度越高。所以，在鑄鐵中，灰鑄鐵強(qiáng)度最低，球墨鑄鐵強(qiáng)度最高（見表3）。由表3可知，石墨形態(tài)對(duì)鑄鐵力學(xué)性能起著決定性的作用。表3不一樣樣形態(tài)石墨鑄鐵的力學(xué)性能種類基體抗拉強(qiáng)度/MPa硬度（HBW）彈性模數(shù)/GPa片狀石墨的灰鑄珠光體200~400187~26983.3~137.2鐵蠕蟲狀石墨的蠕珠光體+鐵400~450180~240120~160墨鑄鐵素體團(tuán)絮狀石墨的可珠光體~600195~290163~180鍛鑄鐵球狀石墨的球墨珠光體700~800225~360156.8~176.4鑄鐵（2）石墨大小、數(shù)目及散布狀態(tài)對(duì)力學(xué)性能的影響①灰鑄鐵中的石墨灰鑄鐵中的石墨有A、B、C、D、E、F共6種散布種類，此中以無方向性、均勻散布的強(qiáng)度最高，含有D、E過冷石墨則強(qiáng)度降低，出現(xiàn)粗大的C型石墨時(shí)性能最差。石墨數(shù)目在片狀時(shí)對(duì)鑄鐵的強(qiáng)度影響最大，所以灰鑄鐵的碳當(dāng)量對(duì)力學(xué)性能的影響很重點(diǎn)。灰鑄鐵的碳當(dāng)量越高，片狀石墨數(shù)目就越多，對(duì)基體削弱程度也越大。圖3為石墨數(shù)目對(duì)灰鑄鐵抗拉強(qiáng)度的影響狀況，表4為各牌號(hào)灰鑄鐵的石墨數(shù)目。表4各牌號(hào)灰鑄鐵的石墨量牌號(hào)HT100HT150HT200HT250HT300HT350石墨量*12~157~116~94~73~62~4（%）*指石墨的體積分?jǐn)?shù)。圖3石墨數(shù)目對(duì)灰鑄鐵抗拉強(qiáng)度的影響石墨的長(zhǎng)度對(duì)力學(xué)性能也有影響。片狀石墨的尖利前端使基體產(chǎn)生應(yīng)力集中，對(duì)鑄鐵的抗拉強(qiáng)度、疲備強(qiáng)度皆產(chǎn)生了不利的影響。石墨長(zhǎng)度越長(zhǎng)，影響加劇（見圖4、圖5）。圖4石墨長(zhǎng)度與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系圖5石墨長(zhǎng)度對(duì)曲折疲備強(qiáng)度的影響有的鑄件需要在頻頻加熱與冷卻的條件下使用，所以要求其擁有優(yōu)秀的熱疲備強(qiáng)度，這就要求鑄件的組織除了珠光體基體外，石墨數(shù)目要多，石墨長(zhǎng)度要長(zhǎng)，且石墨散布呈A型。圖6、圖7、圖8分別為石墨數(shù)目、石墨長(zhǎng)度、石墨散布種類對(duì)灰鑄鐵熱疲備強(qiáng)度的影響狀況。圖6灰鑄鐵的石墨量對(duì)熱疲備性能的影響圖7石墨片均勻長(zhǎng)度與熱疲備性能的關(guān)系圖8石墨散布種類與熱疲備性能的關(guān)系②蠕墨鑄鐵中的石墨蠕墨鑄鐵常被用作要求熱疲備強(qiáng)度優(yōu)秀的鑄件，但其組織其實(shí)不是蠕化率越高越好；相反的是，蠕化率低的蠕鐵熱疲備強(qiáng)度反而好于蠕化率高的蠕鐵。表5為蠕化率對(duì)蠕墨鑄鐵耐熱疲備強(qiáng)度的影響，由表可知，不控制組織是難以控制性能的。5蠕化率與熱疲備強(qiáng)度的關(guān)系種類熱循環(huán)溫度和產(chǎn)生初次裂紋的循環(huán)數(shù)/次250~500℃250~700℃250~950℃蠕墨鑄鐵112501000~1200450~640（蠕蟲狀石墨量90%）蠕墨鑄鐵145001250~1900640~680（蠕蟲狀石墨量50%）注：蠕化劑為Re—Si—Ca—Fe合金。③可鍛鑄鐵中的石墨可鍛鑄鐵中的石墨其實(shí)不是單調(diào)的團(tuán)絮狀，還有球狀、團(tuán)球狀、聚蟲狀等，這些形態(tài)石墨的存在比率直接影響著可鍛鑄鐵的力學(xué)性能，此中以球狀、團(tuán)球狀最好，團(tuán)絮狀次之，聚蟲狀、枝晶狀最差。石墨數(shù)目對(duì)可鍛鑄鐵的斷后伸長(zhǎng)率影響較大（見圖9），但對(duì)其抗拉強(qiáng)度的影響甚微（見圖10）。圖9石墨數(shù)目對(duì)斷后伸長(zhǎng)率的影響圖10石墨數(shù)目抗衡拉強(qiáng)度的影響④球墨鑄鐵中的石墨要求疲備強(qiáng)度高的鑄鐵件常采納等溫淬火球墨鑄鐵，此時(shí)對(duì)石墨球的球徑與球數(shù)要求較高，表6與圖11顯示了石墨球大小對(duì)基體顯微硬度與曲折疲備強(qiáng)度的影響狀況。表6石墨球大小及球墨數(shù)目相同溫淬火球鐵顯微硬度與曲折疲勞強(qiáng)度的影響均勻石墨球徑球墨數(shù)目奧鐵體顯微硬度曲折疲備強(qiáng)度－3）/mm－2（HV）/MPa（×10/個(gè)·mm28.43170.69512250~26025.88172.0155228019.64262.0854835011石墨球大小和基體顯微硬度對(duì)球墨鑄鐵擱置曲折疲備強(qiáng)度的影響在熔制低溫韌性的球鐵件時(shí)，球化率與石墨數(shù)皆對(duì)低溫時(shí)的沖擊性能有重視要影響，如圖12和圖13所示。圖12石墨球化率對(duì)V形缺口試樣沖擊汲取功的影響圖13石墨球數(shù)對(duì)鐵素體球墨鑄鐵V形缺口沖擊汲取功的影響1.3.2基體對(duì)性能的影響大多數(shù)鑄鐵的基體是珠光體與鐵素體，也有部分鑄鐵的基體是奧氏體、奧鐵體、馬氏體與萊氏體，各種基體的性能見表7。采納珠光體做基體，主假如為了提升抗拉強(qiáng)度與耐磨性；而用鐵素體做基體，主假如為了提升塑性與韌性。關(guān)于不一樣樣石墨形態(tài)的鑄鐵，基體對(duì)性能的提升幅度不一樣樣（見表8）。由表8可見,石墨形態(tài)越趨于球狀，基體對(duì)強(qiáng)度的影響就越大。對(duì)球墨鑄鐵進(jìn)行等溫淬火，可獲取擁有超高強(qiáng)度并同時(shí)擁有必然韌性的鑄鐵（見表9）。表7鑄鐵組織中的基體種類及其主要性能基體種類組織特點(diǎn)主要性能擁有優(yōu)秀的塑性與韌性，抗拉強(qiáng)度鐵素體碳在α-Fe中的固溶體200~400MPa，伸長(zhǎng)率25%~60%，硬度70~150HBW鐵素體與滲碳體構(gòu)成的機(jī)械擁有較高的強(qiáng)度與耐靡性，抗拉強(qiáng)度珠光體400~800MPa，伸長(zhǎng)率10%~25%，硬混淆體度175~330HBW萊氏體珠光體+滲碳體硬、脆、沖擊韌性低，擁有高的耐磨性能碳在γ-Fe中的固溶體；高擁有優(yōu)秀的塑性與韌性，抗拉強(qiáng)度奧氏體Ni、Mn量時(shí)，在室溫下可形400~800MPa，伸長(zhǎng)率40%~50%，硬成度160~230HBW常存在于等淬球墨鑄鐵中，是擁有極高的強(qiáng)度和優(yōu)秀的綜合性能，奧鐵體針狀鐵素體與高碳奧氏體的等淬球鐵的抗拉強(qiáng)度可達(dá)1000~1機(jī)械混淆物600MPa，伸長(zhǎng)率3%~14%塑性、韌性極低，經(jīng)過不一樣樣的回火溫馬氏體過飽和的α-Fe固溶體度可得回火托氏體、回火索氏體，從而改良其性能表8基體對(duì)鑄鐵力學(xué)性能的影響基體種類鑄鐵種類性能鐵素體珠光體+鐵素珠光體體抗拉強(qiáng)度/MPa/118~177177~392灰鑄鐵伸長(zhǎng)率（%）///硬度（HBW）/100~140180~269抗拉強(qiáng)度/MPa300350~400450~500蠕墨鑄鐵伸長(zhǎng)率（%）21~1.50.5~1.0硬度（HBW）140~210160~240220~260抗拉強(qiáng)度/MPa275~370350~400450~700可鍛鑄鐵伸長(zhǎng)率（%）5~124~52~4硬度（HBW）≤150200~230230~290抗拉強(qiáng)度/MPa350500`600700~900球墨鑄鐵伸長(zhǎng)率（%）10~183~72硬度（HBW）120~210170~270225~360表9等溫淬火球墨鑄鐵的力學(xué)性能750-500-1900-650-01050-7001200-8501400-1101600-130牌號(hào)-07等級(jí)-04等級(jí)0-01等級(jí)0-00等級(jí)1等級(jí)7509等級(jí)9001050120014001600抗拉強(qiáng)度/MPa7869661139131115181656伸長(zhǎng)率（%）141110753硬度（HBW）270302340387418460（）（3.70）（3.50）（3.30）（3.10）（3.00）（2.85）出缺口沖擊韌141210．69．38．68．0度（21℃）/J萊氏體常用作抗磨鑄鐵的基體，可提升其耐磨性，如抗磨白口鑄鐵、合金白口鑄鐵等。在鑄鐵中加入Mn和Ni，可使奧氏體向來堅(jiān)固到室溫而不發(fā)生轉(zhuǎn)變，進(jìn)而獲取奧氏體鑄鐵。這類鑄鐵擁有較高的耐腐化性能與耐高溫性能，如柴油機(jī)增壓器的渦殼鑄件就是采納的奧氏體基體球墨鑄鐵。馬氏體是將鑄鐵加熱至奧氏體區(qū)后，用更低的溫度進(jìn)行淬火獲取的基體，其性能堅(jiān)硬、耐磨，常用于抗磨件中，如用馬氏體抗磨球墨鑄鐵生產(chǎn)的磨球等抗磨件。1.3.3共晶團(tuán)對(duì)性能的影響鑄鐵冷卻到共晶溫度時(shí)，共晶成分的鐵液第一產(chǎn)生石墨核心，然后由石墨當(dāng)先，石墨與奧氏體從晶核出發(fā)，相互促使，交錯(cuò)生長(zhǎng)，最后形成奧氏體與石墨的共晶組織。這個(gè)以石墨核心為中心形成的奧氏體和石墨兩相共生共長(zhǎng)的共晶晶粒稱為共晶團(tuán)。14為亞共晶灰鑄鐵共晶結(jié)晶時(shí)一個(gè)共晶團(tuán)正在成長(zhǎng)的表示圖。由圖可見，石墨片端部凸出，前沿部分伸入鐵液中，向來與鐵液相接觸，奧氏體與石墨相互交錯(cuò)生長(zhǎng)。圖15表示地表現(xiàn)了亞共晶灰鑄鐵的共晶轉(zhuǎn)變過程。當(dāng)共晶結(jié)晶結(jié)束時(shí)，共晶團(tuán)或共晶團(tuán)晶界與初生奧氏體相互連接形成整體，此時(shí)共晶轉(zhuǎn)變達(dá)成。圖14一個(gè)共晶團(tuán)成長(zhǎng)的表示圖圖15亞共晶灰鑄鐵共晶轉(zhuǎn)變過程表示圖共晶團(tuán)的粗細(xì)對(duì)鑄鐵的強(qiáng)度影響很大。晶粒細(xì)，則晶界多，晶界處的晶格擺列極不一致，相互交錯(cuò)、相互咬合，增強(qiáng)了晶粒間的結(jié)協(xié)力，進(jìn)而提升了強(qiáng)度?；诣T鐵的共晶團(tuán)數(shù)與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系見表10。球墨鑄鐵的共晶團(tuán)數(shù)能夠用石墨球數(shù)來代表，即一個(gè)石墨球就是一個(gè)共晶團(tuán)，表11為球數(shù)相同溫淬火球鐵曲折疲備強(qiáng)度的影響。可鍛鑄鐵也可用石墨數(shù)目來代表共晶團(tuán)數(shù)，跟著石墨數(shù)目的增添，可鍛鑄鐵的伸長(zhǎng)率增添。表10灰鑄鐵的共晶團(tuán)數(shù)與抗拉強(qiáng)度共晶團(tuán)數(shù)320335517772865－2/個(gè)·cm抗拉強(qiáng)度/MPa258278288292318表11球墨鑄鐵中的石墨球數(shù)與曲折強(qiáng)度－2曲折疲備強(qiáng)度/MPa石墨球數(shù)/個(gè)·mm170250~260172280262350共晶團(tuán)數(shù)在大斷面球墨鑄鐵中的作用十分重要。薄壁球鐵件孕育優(yōu)秀時(shí)，代表共晶團(tuán)數(shù)的石墨數(shù)在1mm2面積上可達(dá)1500個(gè)，或更多，但在250mm壁厚的大斷面中心部位卻僅有5個(gè)（見表12）。石墨球數(shù)的減少常伴有團(tuán)塊狀、團(tuán)片狀、近片狀石墨的出現(xiàn)，以致強(qiáng)度降落。研究表示，若每1mm2面積上的石墨球數(shù)目超出70個(gè)時(shí)，石墨不會(huì)發(fā)生畸變；所以，好多公司生產(chǎn)風(fēng)電鑄件時(shí)經(jīng)老例定石墨球數(shù)要在90~150個(gè)/mm2?？墒?，對(duì)厚大的球鐵件來說，孕育量不能夠過大，如孕育的核心數(shù)過多，則會(huì)初期形成石墨球，包圍它的奧氏體殼很薄弱，將以致石墨初期畸變。表12大斷面球墨鑄鐵中的石墨球數(shù)與壁厚的關(guān)系鑄件種類尺寸/mm化學(xué)成分（%））－2w（）w（Si球數(shù)/個(gè)·mmC立方體1253.50~3.702.10~2.3060~125立方體2003.512.6280球體直徑3003.291.6210在生產(chǎn)實(shí)踐中，共晶團(tuán)數(shù)的作用其實(shí)不單于在力學(xué)性能方面，在孕育方面能夠用其來查驗(yàn)孕育見效；并且，可用控制共晶團(tuán)數(shù)來防備出現(xiàn)縮松缺點(diǎn)，還可用查驗(yàn)熱辦理前后共晶團(tuán)數(shù)的變化來察看晶粒能否獲取細(xì)化、晶界夾雜物能否更為分別，進(jìn)而推斷鑄件的沖擊韌性能否得以提升。1.3.4晶間夾雜物對(duì)性能的影響晶間夾雜物的構(gòu)成有共晶物（磷共晶、硫共晶）、碳化物和非金0.01%，但其分別數(shù)目巨屬夾雜物。平常，晶間夾雜物對(duì)鑄鐵的性能有著不利的影響，特別是對(duì)沖擊韌性。所以，生產(chǎn)中常常采納低硫、低磷，以減少磷共晶、硫共晶的產(chǎn)生；限制合金元素含量及增強(qiáng)孕育，防備碳化物產(chǎn)生；采納凈料和高溫熔煉鋼、扒渣、過濾網(wǎng)等，減少并防備非金屬夾雜物產(chǎn)生?？墒?，在特定狀況下，某些晶界間夾雜物仍是合用的，如利用磷共晶生產(chǎn)耐磨的高磷鑄鐵等。值得一提的是非金屬夾雜物這一項(xiàng)。當(dāng)前，在金相查驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中，沒有非金屬夾雜物這一項(xiàng)目，這是由于長(zhǎng)久以來的看法以為，石墨是鑄鐵中最大的夾雜物，它對(duì)鑄鐵性能的影響是決定性的，但跟著對(duì)灰鑄鐵質(zhì)量要求愈來愈高，如機(jī)床的淬火鑄鐵導(dǎo)軌、汽車缸體和缸蓋等鑄件，在對(duì)石墨的限制已達(dá)到某