第十二章鑄鐵

第十二章

鑄鐵

C＞2.11wt%的合金稱為鑄鐵，鑄鐵中常含有硅、錳等元素以及硫、磷等雜質(zhì)。鑄鐵的力學(xué)性能如抗拉強(qiáng)度、塑性、韌性等均較低，減磨性及耐磨性很高，優(yōu)異的消振性以及低的缺口敏感性。生產(chǎn)成本低廉，鑄造性能好，且具有優(yōu)良的切削加工性。

一、鑄鐵的分類

1.根據(jù)碳在鑄鐵中存在形式分類（1）灰口鑄鐵碳全部或大部分以游離狀態(tài)的石墨形式存在于鑄鐵中，斷口呈暗灰色，故稱灰口鑄鐵，是應(yīng)用最廣泛的一類鑄鐵。（2）白口鑄鐵碳以Fe3C的形式存在于鑄鐵中，斷口呈銀白色，組織硬而脆，難以切削加工。很少直接用來制造機(jī)械零件，可利用它硬而耐磨的特性，制成耐磨零件。（3）麻口鑄鐵碳一部分以石墨形式存在，一部分以Fe3C形式存在，斷口夾雜著白亮的滲碳體和暗灰色的石墨，故稱為麻口鑄鐵。脆性大，工業(yè)上很少使用。

2.根據(jù)鑄鐵中石墨的形態(tài)進(jìn)行分類灰口鑄鐵中，根據(jù)石墨的形態(tài)不同分為灰鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵及可鍛鑄鐵。

a)普通灰鑄鐵b)孕育灰鑄鐵c)球墨鑄鐵d)蠕墨鑄鐵e)可鍛鑄鐵

二、鑄鐵的石墨化及其影響因素

（一）鑄鐵的石墨化過程

①鑄鐵在冷卻過程中即可以從液態(tài)中或奧氏體中直接析出Fe3C；②可以直接析出石墨，形成的Fe3C在一定條件下也可以分解為鐵素體和石墨，即Fe3C→3Fe+G（石墨）。

圖為Fe—G（石墨）系和Fe—Fe3C系的雙重相圖，虛線表示Fe—G系，虛線在實(shí)線的上方或左上方，表明Fe—G系比Fe—Fe3C系更為穩(wěn)定。

二、鑄鐵中的石墨化過程

鑄鐵組織中石墨的形成過程稱為石墨化過程?？煞譃閮蓚€(gè)階段：第一階段，從過共晶的鐵液中直接析出的初生（一次）石墨、在共晶轉(zhuǎn)變過程中形成的共晶石墨及奧氏體冷卻析出的二次石墨；第二階段，共析轉(zhuǎn)變過程中形成的共析石墨。

第一階段的石墨化溫度較高，原子容易擴(kuò)散，進(jìn)行得完全；第二階段石墨化溫度較低，擴(kuò)散困難，進(jìn)行不充分，只能部分進(jìn)行。冷卻速度增大，第二階段的石墨化便完全不能進(jìn)行。第二階段石墨化進(jìn)行的程度不同，獲得的鑄鐵組織也不同。①第二階段石墨化進(jìn)行的充分時(shí)，組織為鐵素體和石墨；②第二階段石墨化部分進(jìn)行，形成鐵素體+珠光體為基體，其上分布石墨的組織；③第二階段石墨化完全被抑制不能進(jìn)行時(shí)，組織為珠光體和石墨組成。當(dāng)冷速過快，兩個(gè)階段的石墨化均被抑制，會(huì)得到白口鑄鐵。若第一階段石墨化部分進(jìn)行，得到麻口鑄鐵。共晶合金石墨化過程：

影響鑄鐵石墨化的因素：

1.冷卻速度的影響在化學(xué)成分相同的情況下，緩慢冷卻有利于石墨化的充分進(jìn)行，易得到灰鑄鐵；冷卻速度加快，不利于石墨化，甚至使石墨化來不及進(jìn)行，得到白口鑄鐵。

2.化學(xué)成分的影響碳和硅對鑄鐵的石墨化有決定性作用。含碳量越多越易形成石墨晶核，而硅促進(jìn)石墨成核。綜合考慮碳和硅對鑄鐵的影響，將硅量折合成相當(dāng)?shù)奶剂?，把?shí)際的含碳量與折合成的碳量之和稱為碳當(dāng)量。根據(jù)碳當(dāng)量可以確定鑄鐵的組織。

三、常用普通鑄鐵

（一）灰鑄鐵

灰鑄鐵的組織是片狀石墨和鋼的基體組成，根據(jù)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、珠光體三種。

灰鑄鐵的抗拉強(qiáng)度、塑性、韌性和疲勞強(qiáng)度都比鋼低得多，原因：①石墨本身的強(qiáng)度和塑性幾乎為零，石墨的存在減小了金屬基體的有效承載面積；②石墨割斷了金屬基體的連續(xù)性，在外力作用下裂紋尖端將導(dǎo)致嚴(yán)重的應(yīng)力集中，形成斷裂源?；诣T鐵的硬度和抗拉強(qiáng)度決定于基體。鑄鐵的抗壓強(qiáng)度和鋼差不多。其它性能：在所有鑄鐵中，灰鑄鐵的消振性最好；耐磨性好，石墨的潤滑作用；切削加工性能好；鑄造工藝性能好。

（二）可鍛鑄鐵

可鍛鑄鐵是白口鑄鐵經(jīng)石墨化退火處理，F(xiàn)e3C分解為團(tuán)絮狀的石墨而獲得的。團(tuán)絮狀石墨對金屬基體的割裂作用大為減弱，使強(qiáng)度、塑性、韌性較灰鑄鐵都有明顯提高。但可鍛鑄鐵并不可鍛造。

獲得可鍛鑄鐵的條件：①獲得全白口組織的鑄鐵鑄件；②鑄態(tài)組織無片狀石墨。成分：C、Si含量的大致范圍為：C=2.0-2.6wt%，Si=1.1-1.6wt%?？慑戣T鐵的牌號(hào)、組織性能及應(yīng)用舉例如下表。

牌號(hào)中“KT”表示“可鍛”二字的漢語拼音的字頭，“KTH”表示黑心可鍛鑄鐵，“KTZ”表示珠光體可鍛鑄鐵，后面的兩組數(shù)字表示最低抗拉強(qiáng)度和最低伸長率。例如，KTH300—06。

白口鑄鐵經(jīng)高溫石墨化退火，完成共晶滲碳體的分解以及隨后自奧氏體中析出二次石墨，稱為石墨化的第一階段；把奧氏體發(fā)生共析轉(zhuǎn)變形成鐵素體+石墨，稱為石墨化的第二階段。鐵素體可鍛鑄鐵因其斷口心部呈灰黑色，表層因退火時(shí)脫碳而呈灰白色，又稱黑心可鍛鑄鐵。如果第二階段石墨化不能進(jìn)行，將得到珠光體可鍛鑄鐵。

鐵素體可鍛鑄鐵具有較高的塑性和韌性，比鋼的鑄造性能好，所以生產(chǎn)中應(yīng)用較多。珠光體可鍛鑄鐵的強(qiáng)度和耐磨性比鐵素體可鍛鑄鐵高，可用來制造強(qiáng)度和耐磨性要求較高的零件。

可鍛鑄鐵的石墨化退火工藝為：加熱到900～980℃，使白口鑄鐵的組織轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體和滲碳體。經(jīng)充分保溫，滲碳體分解成奧氏體加石墨。石墨在各個(gè)方向上的長大速度幾近相似。呈團(tuán)絮狀。在720～760℃，奧氏體中析出二次石墨，依附在原有的石墨上使其繼續(xù)長大。

（三）球墨鑄鐵

球墨鑄鐵是石墨呈球狀分布的灰口鑄鐵，簡稱球鐵。與片狀石墨和團(tuán)絮狀石墨相比，圓球狀石墨對基體的割裂和應(yīng)力集中作用最小，球墨鑄鐵是各種鑄鐵中力學(xué)性能最好的一種。

球墨鑄鐵的生產(chǎn)需要球化處理和孕育處理?！癚T”是“球鐵”二字漢語拼音的字頭，后面兩組數(shù)字分別表示其抗拉強(qiáng)度和伸長率的最小值。

球墨鑄鐵具有與一般鑄鐵相似的優(yōu)良的鑄造工藝性、切削加工性，耐磨性和消振性。由于石墨呈球狀，其強(qiáng)度和塑性有了很大的提高。屈強(qiáng)比約為鋼的兩倍，對于承受靜載荷的零件，可用球鐵代鋼，以減輕機(jī)器質(zhì)量。球墨鑄鐵的力學(xué)性能取決于石墨的大小和基體的組織。球徑越小，性能越好。珠光體球鐵的抗拉強(qiáng)度比鐵素體球鐵的高約一倍?；鼗瘃R氏體為基的球鐵具有高強(qiáng)度、高硬度；下貝氏體為基的球鐵具有良好的綜合力學(xué)性能。球墨鑄鐵因?yàn)榛w利用率提高到70%～90%，使熱處理改變基體的作用大為突出。球鐵像鋼一樣進(jìn)行各種熱處理。

蠕墨鑄鐵的生產(chǎn)需進(jìn)行蠕化處理和孕育處理，以獲得良好的蠕化效果。我國目前采用的蠕化劑主要有鎂鈦合金、稀土鎂、硅鐵和硅鈣合金。

（四）蠕墨鑄鐵

蠕墨鑄鐵中的石墨形似蠕蟲狀。蠕墨鑄鐵的化學(xué)成分與球鐵的成分要求基本相似，即高碳、低硫、一定的硅、錳含量。成分范圍為：C=3.5-3.9wt%，Si=2.2-2.8wt%,Mn=0.4-0.8wt%,P和S均小于0.1wt%，碳當(dāng)量為4.3-4.6%。

蠕墨鑄鐵較球墨鑄鐵在性能上的優(yōu)越性在于具有良好的抗熱疲勞性能以及優(yōu)良的導(dǎo)熱性能；鑄造性能、減振能力也優(yōu)于球鐵。廣泛用來制造缸蓋、氣缸套、電機(jī)殼、機(jī)床床身、液壓閥等。牌號(hào)用“蠕墨”二字的漢語拼音字母“RuT”加數(shù)字表示，數(shù)字代表最小抗拉強(qiáng)度值。如RuT420。

蠕墨鑄鐵的組織

四、特殊性能鑄鐵在鑄鐵中加入某些元素，以形成具有特殊性能的鑄鐵（又稱合金鑄鐵）。包括耐磨鑄鐵、耐蝕鑄鐵、耐熱鑄鐵等。

（一）耐磨鑄鐵耐磨鑄鐵零件按工作條件大致可分為兩種：

1.在潤滑條件下工作。如：灰鑄鐵，或在灰鑄鐵的基礎(chǔ)上提高磷量至0.4～0.6wt%，得到高磷耐磨鑄鐵，在高磷鑄鐵的基礎(chǔ)上加入銅和鈦，得到磷銅鈦耐磨鑄鐵。

2.在無潤滑的干摩擦條件下工作。如：白口鑄鐵。欲提高其耐磨性，可加入Cr、Ni、Mo、V等元素，提高淬透性，得到鑄態(tài)下具有馬氏體組織的白口鑄鐵。含錳量Mn5-7wt%，含硅量Si3.3-5wt%的中錳合金鑄鐵，組織為M+B+部分A+碳化物，具有很高的硬度和耐磨性的同時(shí)又有一定的韌性。

（二）耐蝕鑄鐵

耐蝕鑄鐵可分為高硅耐蝕鑄鐵、高鋁耐蝕鑄鐵及高鉻耐蝕鑄鐵等。高硅耐蝕鑄鐵含硅15-17wt%，有優(yōu)良的耐