(5.6)-08鑄鐵機(jī)械工程材料

第8章

鑄鐵

返回總目錄教學(xué)提示：含碳量大于2.11%的鐵碳合金稱為鑄鐵。工業(yè)鑄鐵的機(jī)械性能(抗拉強(qiáng)度、塑性、韌性)較低，但工業(yè)鑄鐵具有優(yōu)良的鑄造性能、可切削加工性、耐磨性、吸振性、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、成本低廉等特點(diǎn)，因此被廣泛地應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、礦山、石油化工、交通運(yùn)輸、建筑和國(guó)防生產(chǎn)部門。根據(jù)碳的存在方式及石墨形態(tài)不同，工業(yè)鑄鐵分為白口鑄鐵、灰口鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵、可鍛鑄鐵及特殊性能鑄鐵。教學(xué)要求：本章讓學(xué)生在學(xué)習(xí)了常用工業(yè)鑄鐵的分類、成分及組織特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)比較和綜合分析各種鑄鐵的性能特點(diǎn)，深入了解各種工業(yè)鑄鐵的適用場(chǎng)合，并通過(guò)對(duì)鑄鐵材料在工程應(yīng)用實(shí)例的分析和課堂討論，進(jìn)一步熟悉和掌握在不同工況條件選擇鑄鐵材料的一般原則和方法。●

8.1概述●

8.2常用鑄鐵●小結(jié)●本章習(xí)題本章內(nèi)容8.1概述含碳量大于2.11%的鐵碳合金稱為鑄鐵，工業(yè)上常用的鑄鐵的成分范圍是：wC=2.5%～4.0%，wSi=1.0%～3.0%，wMn=0.5%～1.4%，wP=0.01%～0.50%，wS=0.02%～0.20%，有時(shí)還含有一些合金元素，如：Cr、Mo、V、Cu、Al等。鑄鐵與鋼的主要區(qū)別是鑄鐵的含碳硅量較高，雜質(zhì)元素S、P含量較多，在加工手段上鑄鐵制成零件毛坯只能用鑄造方法，不能用鍛造或軋制方法。鑄鐵的機(jī)械性能(抗拉強(qiáng)度、塑性、韌性)較低，但是由于鑄鐵具有優(yōu)良的鑄造性能、可切削加工性、耐磨性、吸振性、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、成本低廉等特點(diǎn)，因此被廣泛地應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、礦山、石油化工、交通運(yùn)輸、建筑和國(guó)防生產(chǎn)部門，典型的應(yīng)用是制造機(jī)床的床身、內(nèi)燃機(jī)的汽缸、汽缸套、曲軸等。另外，通過(guò)在鑄鐵中添加合金元素或?qū)嵤└鞣N熱處理，還可獲得耐高溫、耐熱、耐蝕、耐磨、無(wú)磁性等各類特殊性能的鑄鐵。8.1.1鑄鐵的特點(diǎn)和分類

1.鑄鐵的特點(diǎn)

1)成分與組織的特點(diǎn)鑄鐵與碳鋼相比較，除了有較高的碳、硅含量外，還有較高含量的雜質(zhì)硫和磷。由于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。鑄鐵的金屬基體可以是鐵素體、珠光體或鐵素體加珠光體，經(jīng)熱處理后還可以是馬氏體或貝氏體等組織，它們相當(dāng)于鋼的組織，因此可以把鑄鐵理解為在鋼的組織基體上分布有不同形狀、大小、數(shù)量的石墨。鑄鐵中石墨的形態(tài)可分為6種：片狀、蟹狀、開花狀、蠕蟲狀、團(tuán)絮狀和球狀，如圖8.1所示。8.1概述圖8.1鑄鐵中的石墨形態(tài)8.1概述

2)鑄鐵的性能特點(diǎn)鑄鐵的機(jī)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(diǎn)。石墨機(jī)械性能很低，硬度僅為3HB～5HB，抗拉強(qiáng)度為20MPa，延伸率接近零。石墨與基體相比，其強(qiáng)度和塑性都要小得多。石墨減小鑄鐵的有效承載截面積，同時(shí)石墨尖端易使鑄件在承載時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力集中，形成脆性斷裂。因此，鑄鐵的抗拉強(qiáng)度、塑性和韌性都要比碳鋼低。一般說(shuō)來(lái)，石墨的數(shù)量越少，分布越分散，形狀越接近球形，則鑄鐵的強(qiáng)度、塑性和韌性越高。圖

8.2

為鑄鐵與鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線比較示意圖。由圖中可以看出，鋼在斷裂前，有明顯的屈服階段，其延伸率較高，而鑄鐵則沒有明顯的屈服階段，鐵素體加球狀石墨鑄鐵的延伸率為25%，片狀石墨的普通鑄鐵由于石墨邊緣尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而容易造成脆性斷裂，延伸率約在1%以下。圖8.2鑄鐵與鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的比較示意圖8.1概述雖然鑄鐵的機(jī)械性能不如鋼，但由于石墨的存在，卻賦予鑄鐵許多為鋼所不及的特殊性能：①石墨造成脆性切削，鑄鐵的切削加工性能優(yōu)異。②鑄鐵的鑄造性能良好，鑄件凝固時(shí)形成石墨產(chǎn)生的膨脹，減少鑄件體積的收縮，降低鑄件中的內(nèi)應(yīng)力。③石墨有良好的潤(rùn)滑作用，并能儲(chǔ)存潤(rùn)滑油，使鑄件有很好的耐磨性能。④石墨對(duì)振動(dòng)的傳遞起削弱作用，使鑄鐵有很好的抗振性能。⑤大量石墨的割裂作用，使鑄鐵對(duì)缺口不敏感。

2.鑄鐵的分類按照凝固過(guò)程中熱力學(xué)及動(dòng)力學(xué)條件的不同，碳能以化合態(tài)滲碳體的形式存在，或者以游離態(tài)的石墨存在。工業(yè)上廣泛應(yīng)用的鑄鐵中，碳主要是以游離態(tài)的石墨存在。根據(jù)鑄鐵中的碳在結(jié)晶過(guò)程中的析出狀態(tài)以及凝固后斷面顏色的不同，鑄鐵可分為以下幾類：①白口鑄鐵。凝固后斷口呈現(xiàn)白亮色，除少量溶于鐵素體外，碳的主要存在形式是化合物滲碳體，沒有石墨，因此白口鑄鐵硬度高，性脆，工業(yè)上很少應(yīng)用，只有少數(shù)的部門采用，例如農(nóng)業(yè)上用的犁，除此之外多作為煉鋼用的原料和生產(chǎn)可鍛鑄鐵，作為煉鋼原料時(shí)，通常稱它為生鐵。8.1概述②灰鑄鐵。凝固后斷口呈現(xiàn)黑灰色，碳絕大部分以游離態(tài)的片狀石墨形式存在，根據(jù)石墨片的粗細(xì)不同，又可把灰口鑄鐵分為普通灰口鑄鐵和孕育鑄鐵兩類。③球墨鑄鐵。鐵液澆注前經(jīng)過(guò)球化處理，碳大部分或全部以球狀石墨形態(tài)存在。④蠕墨鑄鐵。鐵液澆注前經(jīng)過(guò)蠕化處理，碳以介于片狀石墨和球狀石墨之間的蠕蟲形態(tài)存在。⑤可鍛鑄鐵。其由白口鑄鐵經(jīng)石墨化退火后制成，碳大部分或全部以團(tuán)絮狀形態(tài)存在。⑥特殊性能鑄鐵。為了改善鑄鐵的某些特殊性能如耐磨、耐熱和耐蝕等，而加入一定的合金元素Cr、Ni、Mo、Si，所以又把這類鑄鐵叫合金鑄鐵。8.1.2鑄鐵的石墨化

1.鐵碳合金的雙重相圖鑄鐵中碳以石墨和滲碳體兩種形式出現(xiàn)，石墨是穩(wěn)定相，滲碳體是一個(gè)亞穩(wěn)定相，其在熱力學(xué)上是不穩(wěn)定的，在一定條件下其將分解為石墨。因此描述鐵碳合金結(jié)晶過(guò)程和組織轉(zhuǎn)變的相圖實(shí)際上有兩個(gè)，一個(gè)是Fe-Fe3C系相圖(鐵-碳合金亞穩(wěn)定系狀態(tài)圖)，另一個(gè)是Fe-G(石墨)系相圖(鐵－碳合金穩(wěn)定系狀態(tài)圖)。8.1概述研究鑄鐵時(shí)，通常把兩者疊合在一起，就得到鐵碳合金的雙重相圖(見圖8.3)。圖中的實(shí)線表示Fe-Fe3C系相圖，部分實(shí)線再加上虛線表示Fe-G系相圖，虛線與實(shí)線重合的線條以實(shí)線表示。由圖中可以看出：虛線都位于實(shí)線的上方和左上方；在Fe-G系中，碳在液態(tài)合金、奧氏體和鐵素體中的溶解度都較在Fe-Fe3C系中的溶解度小；發(fā)生石墨轉(zhuǎn)變的共晶溫度和共析溫度都比發(fā)生滲碳體轉(zhuǎn)變的共晶溫度和共析溫度高。鑄鐵自液態(tài)冷卻到固態(tài)時(shí)，若按Fe-Fe3C相圖結(jié)晶，就得到白口鑄鐵，若是按Fe-G相圖結(jié)晶，就析出石墨，即發(fā)生石墨化過(guò)程。若是鑄鐵自液態(tài)冷卻到室溫，既按Fe-Fe3C相圖，同時(shí)又按Fe-G相圖進(jìn)行，則固態(tài)由鐵素體、滲碳體及石墨三相組成。

2.鑄鐵石墨化過(guò)程的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件

1)熱力學(xué)條件圖8.4是鑄鐵中各種組織自由能隨溫度而變化的曲線。由圖中可以看出：8.1概述圖8.3鐵碳合金雙重相圖圖8.4鑄鐵中各種組織自由能隨溫度而變化的曲線8.1概述①當(dāng)溫度高于1154℃時(shí)，由于共晶液體的自由能值FL最低，因此不會(huì)發(fā)生任何相變。②當(dāng)合金過(guò)冷到1154℃～1148℃范圍時(shí)，共晶液體自由能FL高于(奧氏體＋石墨)共晶體的自由能Fγ+G，因此發(fā)生液體→奧氏體+石墨的共晶轉(zhuǎn)變。③當(dāng)合金過(guò)冷到1148℃溫度以下時(shí)，共晶液體的自由能FL高于(奧氏體＋石墨)共晶體的自由能Fγ+G，也高于(奧氏體+滲碳體)共晶體的自由能Fγ+Fe3C，而形成奧氏體＋石墨，自由能差更大，熱力學(xué)條件對(duì)鑄鐵石墨化有利。由上述可知，從熱力學(xué)上講碳在結(jié)晶過(guò)程中傾向于形成石墨，但凝固過(guò)程不僅僅取決于熱力學(xué)條件，還和動(dòng)力學(xué)條件有關(guān)。

2)動(dòng)力學(xué)條件鑄鐵能否進(jìn)行石墨化除了取決于熱力學(xué)條件外，還取決于和石墨化有關(guān)的動(dòng)力學(xué)條件。共晶成分鑄鐵的液相含碳量為4.3%，滲碳體的含碳量為6.67%，而石墨的含碳量接近于100%，液相與滲碳體的含碳量差較小。從晶體結(jié)構(gòu)的相似程度來(lái)分析，滲碳體的晶體結(jié)構(gòu)比石墨更相近于液相。因而，液相結(jié)晶時(shí)有利于滲碳體晶核的形成。與此相反，石墨的形核和長(zhǎng)大時(shí)，不僅需要碳原子通過(guò)擴(kuò)散而集中，還要求鐵原子從石墨長(zhǎng)大的前沿作相反方向擴(kuò)散，故石墨較難長(zhǎng)大。而滲碳體的結(jié)晶8.1概述長(zhǎng)大過(guò)程，主要依賴于碳原子的擴(kuò)散，并不要求鐵原子作長(zhǎng)距離的遷移，所以長(zhǎng)大速度快。可見，結(jié)晶形核和長(zhǎng)大過(guò)程的動(dòng)力學(xué)條件都是有利于滲碳體的形成。當(dāng)結(jié)晶冷卻速度(過(guò)冷度)增大時(shí)，動(dòng)力學(xué)條件的影響表現(xiàn)得更為強(qiáng)烈。

3.鑄鐵的石墨化過(guò)程鑄鐵中碳原子析出并形成石墨的過(guò)程稱為石墨化。石墨既可以從液體和奧氏體中析出，也可以通過(guò)滲碳體分解來(lái)獲得。灰鑄鐵和球墨鑄鐵中的石墨主要是從液體中析出；可鍛鑄鐵中的石墨則完全由白口鑄鐵經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間退火，由滲碳體分解而得到?；诣T鐵的石墨化過(guò)程按Fe-G圖進(jìn)行(見圖8.5)。(a)共晶灰鑄鐵(wC=4.26%)的石墨化過(guò)程(b)亞共晶灰鑄鐵(wC=3.0%)的石墨化過(guò)程8.1概述(c)過(guò)共晶灰鑄鐵(wC=4.5%)的石墨化過(guò)程。圖8.5不同成分灰鑄鐵的石墨化過(guò)程蠕墨鑄鐵和球墨鑄鐵的石墨化過(guò)程和灰鑄鐵的石墨化過(guò)程類似，所不同的只是石墨的形態(tài)不同而已。鑄鐵的石墨化過(guò)程可以分為高溫、中溫、低溫三個(gè)階段。高溫石墨化階段包括低于液相線CD以下溫度冷卻自液體中析出的“一次石墨”G1和低于共晶線ECF(溫度1154℃)的共晶成分(C點(diǎn)wC=4.26%)發(fā)生共晶反應(yīng)結(jié)晶出共晶石墨G；中溫石墨化階段包括低于共晶溫度ECF以下冷卻沿ES線從奧氏體中析出“二次石墨”GⅡ；低溫石墨化階段包括略低于共析溫度(738℃)PSK線以下的共析成分(S點(diǎn)wC=0.68%)奧氏體發(fā)生共析轉(zhuǎn)變析出的G。理論上，在PSK溫度以下冷卻至室溫，還可能鐵素體中析出三次石墨，因?yàn)閿?shù)量極微，常忽略。8.1概述在高溫、中溫階段，碳原子的擴(kuò)散能力強(qiáng)，石墨化過(guò)程比較容易進(jìn)行；在低溫階段，碳原子的擴(kuò)散能力較弱，石墨化過(guò)程進(jìn)行困難。在高溫、中溫和低溫階段石墨化過(guò)程都沒有實(shí)現(xiàn)，碳以Fe3C形式存在則稱為白口鑄鐵。在高溫、中溫階段，石墨化過(guò)程得以實(shí)現(xiàn)，碳主要以G形式存在的鑄鐵，稱為灰鑄鐵。在高溫階段石墨化過(guò)程得以實(shí)現(xiàn)，而中溫、低溫階段石墨化過(guò)程沒有實(shí)現(xiàn)，碳以G和Fe3C兩種形式存在的鑄鐵，稱為麻口鑄鐵。如果按照平衡過(guò)程轉(zhuǎn)變，鑄鐵成形后由鐵素體與石墨(包括一次、共晶、二次、共析石墨)兩相組成。在實(shí)際生產(chǎn)中，由于化學(xué)成分、冷卻速度等各種工藝制度不同，各階段石墨化過(guò)程進(jìn)行的程度也不同，從而可獲得各種不同金屬基體的鑄態(tài)組織，鑄鐵石墨化過(guò)程進(jìn)行的程度與鑄鐵組織的關(guān)系見表8-1。表8-1鑄鐵石墨化過(guò)程進(jìn)行的程度與鑄鐵組織鑄鐵名稱石墨化進(jìn)行的程度鑄鐵顯微組織第一階段石墨化第二階段石墨化灰口鑄鐵完全進(jìn)行完全進(jìn)行部分進(jìn)行未進(jìn)行F+G片F(xiàn)+P+G片P+G片8.1概述鑄鐵名稱石墨化進(jìn)行的程度鑄鐵顯微組織第一階段石墨化第二階段石墨化球墨鑄鐵完全進(jìn)行完全進(jìn)行部分進(jìn)行未進(jìn)行F+G球F+P+G球P+G球蠕墨鑄鐵完全進(jìn)行完全進(jìn)行部分進(jìn)行F+G蠕蟲F+P+G蠕蟲可鍛鑄鐵完全進(jìn)行完全進(jìn)行未進(jìn)行F+G團(tuán)絮P+G團(tuán)絮8.1概述

4.影響石墨化的因素鑄鐵的組織取決于石墨化進(jìn)行的程度，為了獲得所需的組織，就必須恰當(dāng)?shù)乜刂畦T鐵的石墨化。實(shí)踐證明，鑄鐵的化學(xué)成分和結(jié)晶時(shí)的冷卻速度是影響石墨化和鑄鐵顯微組織的主要因素。

1)化學(xué)成分的影響

①碳和硅的影響：硅和碳都是強(qiáng)烈促進(jìn)石墨化的元素，在鑄鐵生產(chǎn)中，正確控制含碳、硅量是獲得所需組織和性能的重要措施之一。石墨來(lái)源于碳。隨著含碳量的提高，鐵液中的含碳量和未溶解的石墨微粒增多，有利于石墨形核，從而促進(jìn)了石墨化。但含碳量過(guò)高會(huì)促使石墨數(shù)量增多而降低鑄鐵的力學(xué)性能。硅與鐵原子的結(jié)合力大于碳與鐵原子之間的結(jié)合力。硅溶于鐵液和鐵的固溶體中，由于削弱了鐵和碳原子之間的結(jié)合力，而促使石墨化。硅還降低鑄鐵的共晶成分和共析成分的含碳量，鑄鐵中加入硅可代替一部分碳，又不至于引起過(guò)多的石墨，硅促進(jìn)石墨化的作用約相當(dāng)于三分之一碳的作用。為了綜合考慮碳和硅的影響，常用碳當(dāng)量(CE)和共晶度(SC)表示。碳當(dāng)量是將含硅量折合成相當(dāng)?shù)奶剂颗c實(shí)際含碳量之和，即CE=wC%+1/3wSi%8.1概述共晶度是指鑄鐵的含碳量與其共晶點(diǎn)含碳量的比值。在Fe-C-Si相圖中，共晶度隨含硅量的變化而改變，即SC=wC%/(4.3%-1/3wSi%)

共晶度表示鑄鐵的含碳量接近共晶點(diǎn)含碳量的程度，當(dāng)SC＝1時(shí)，鑄鐵為共晶組織；SC＜1時(shí)，鑄鐵為亞共晶組織；SC＞1時(shí)，鑄鐵為過(guò)共晶組織。鑄鐵的共晶度越接近于1，鑄造性能越好。但隨共晶度SC值的增加，鑄鐵組織中的石墨數(shù)量增多，其抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、硬度皆呈線性下降趨勢(shì)。碳、硅含量與鑄鐵組織關(guān)系如圖8.6所示。隨著碳、硅含量的增加，鑄鐵的組織由白口轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w甚至鐵素體基體的灰鑄鐵。通常為了獲得全部是珠光體的普通灰鑄鐵，其碳、硅含量應(yīng)該控制在2.6%～3.5%C，1.0%～2.5%Si的范圍內(nèi)，厚壁逐漸取下限，薄壁鑄件取上限。圖8.6碳、硅含量對(duì)鑄鐵組織的影響I—白口鑄鐵IIa—馬口鑄鐵II—珠光體鑄鐵IIb—珠光體—鐵素體鐵III—鐵素體鐵8.1概述②錳的影響：錳是一個(gè)阻礙石墨化的元素。錳能溶于鐵素體和滲碳體，起固定碳的作用，從而阻礙石墨化。當(dāng)鑄鐵中含錳量較低時(shí)，它主要是阻礙共析階段的石墨化，有利于獲得珠光體基體鑄鐵。錳還能與硫結(jié)合生成MnS，消除硫的有害影響，所以是一個(gè)有益元素。普通灰鑄鐵的含錳量一般在0.5%～1.4%范圍內(nèi)，若要獲得鐵素體基體，則取下限。若要獲得珠光體基體，則取上限。過(guò)高的含錳量易產(chǎn)生游離滲碳體，增加鑄鐵的脆性。③硫的影響：硫阻礙碳原子的擴(kuò)散，是一個(gè)促進(jìn)形成白口鑄鐵的元素，而且降低鐵液的流動(dòng)性，惡化鑄造性能，增加鑄件縮松缺陷。因此，硫是一個(gè)有害元素，其含量應(yīng)控制在0.15%以下。④磷的影響：磷是一個(gè)促進(jìn)石墨化不十分強(qiáng)烈的元素。磷在奧氏體和鐵素體中的固溶度很小，且隨鑄鐵中含碳量的增加而減小。當(dāng)含P量大于0.2%后，就會(huì)出現(xiàn)化合物Fe3P，它常以二元磷共晶(+Fe3P)或三元磷共晶(+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(xì)小、均勻分布時(shí)，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(shí)，將降低鑄件的強(qiáng)度，增加鑄件的脆性。通常灰口鑄鐵的含P量應(yīng)控制在0.2%以下。

2)冷卻速度的影響8.1概述鑄件的冷卻速度對(duì)石墨化過(guò)程也有明顯的影響。一般來(lái)說(shuō)，鑄件冷卻速度越緩慢，即過(guò)冷度較小時(shí)，越有利于按照Fe-G系狀態(tài)圖進(jìn)行結(jié)晶和轉(zhuǎn)變，即越有利于石墨化過(guò)程的充分進(jìn)行。反之，鑄件冷卻速度快，就不利于石墨化的進(jìn)行。在共析階段，由于溫度低，冷卻速度增大，原子擴(kuò)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(jìn)行。鑄件冷卻速度是一個(gè)綜合的因素，它與澆注溫度、造型材料、鑄造方法和鑄件壁厚都有關(guān)系。圖8.7說(shuō)明鑄鐵的含碳、硅量和冷卻速度對(duì)鑄鐵組織的綜合影響?？梢钥闯觯瑢?duì)于一些壁厚不均勻的鑄件要求獲得均勻一致的組織是比較困難的(見圖8.8)。在鑄鐵的薄壁處，由于冷卻速度較快，過(guò)冷度大，動(dòng)力學(xué)條件有利于按照Fe-Fe3C亞穩(wěn)系轉(zhuǎn)變成白口鑄鐵。為了獲得組織均勻的鑄件，往往通過(guò)孕育處理來(lái)防止白口或借助于熱處理來(lái)消除白口，以改善鑄件性能。隨著鑄件壁厚的增加，石墨片的數(shù)量和尺寸都增大，鑄鐵強(qiáng)度、硬度反而下降。這一現(xiàn)象稱為壁厚敏感性。在實(shí)際生產(chǎn)中，一般是根據(jù)鑄件的壁厚(主要部位的壁厚)，選擇適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)成分(主要指碳、硅)，以獲得所需要的組織。8.1概述圖8.7碳硅含量和冷卻速度對(duì)鑄件組織的影響圖8.8壁厚不均勻的鑄件的 組織8.1概述8.2常用鑄鐵鑄鐵中的石墨形態(tài)、尺寸以及分布狀況對(duì)性能影響很大。鑄鐵中石墨狀況主要受鑄鐵的化學(xué)成分及工藝過(guò)程的影響。通常鑄鐵中石墨形態(tài)(片狀或球狀)在鑄造后即形成，也可將白口鑄鐵通過(guò)退火，讓其中部分或全部的碳化物轉(zhuǎn)化為團(tuán)絮狀形態(tài)的石墨。8.2.1灰鑄鐵灰鑄鐵是價(jià)格最便宜、應(yīng)用最廣泛的一種鑄鐵，在各類鑄鐵的總產(chǎn)量中，灰鑄鐵占80%以上。

1.灰鑄鐵的片狀石墨形態(tài)石墨的晶體結(jié)構(gòu)為六方點(diǎn)陣和層狀結(jié)晶，如圖8.9(a)、(b)所示，是一個(gè)由低指數(shù)面包圍的小面晶體，由鐵碳溶液中析出的石墨，其可能的長(zhǎng)大方向?yàn)锳和C，如圖8.9(c)所示。在鑄鐵凝固過(guò)程中，石墨無(wú)論以何種方式生長(zhǎng)，其最終形貌首先取決于石墨所處溶體的熱力學(xué)條件。在不存在硫等表面活性元素以及其他雜質(zhì)的情況下，石墨的正常生長(zhǎng)形態(tài)應(yīng)該是球狀的，其生長(zhǎng)方向是沿著垂直于基面A方向進(jìn)行的。但是，當(dāng)鐵液中存在硫和其他表面活性元素時(shí)，鐵液與石墨的界面能在石墨的兩個(gè)晶面上都減小，但在棱面上減小的較大，結(jié)果使棱面界面低于基面界面能，石墨沿棱面的方向C生長(zhǎng)成片狀石墨。8.2常用鑄鐵基面上碳原子間靠共價(jià)鍵結(jié)合，其結(jié)合力為4.19×105～5×105J/mol，結(jié)合力強(qiáng)；而基面層與層之間則靠分子鍵結(jié)合，結(jié)合力只有4.19×103～8.35×103J/mol，結(jié)合力較弱，故石墨的強(qiáng)度很低。由鐵液中析出的石墨易形成片狀，主要取決于石墨的晶體結(jié)構(gòu)?；嫔厦芘诺奶荚娱g鍵力已經(jīng)飽和，而側(cè)面上碳原子密度小，原子鍵力未飽和，容易吸收碳原子，因而石墨沿側(cè)向生長(zhǎng)快，這也是石墨生長(zhǎng)成片狀的原因。鑄鐵中石墨的生長(zhǎng)方式和最終形貌還受到碳原子的擴(kuò)散這一動(dòng)力學(xué)因素的限制。在石墨的生長(zhǎng)過(guò)程中，石墨兩側(cè)被奧氏體包圍，碳原子向石墨兩側(cè)的擴(kuò)散受到嚴(yán)重阻礙，而石墨端部直接與鐵液接觸，能夠不斷地得到碳原子的堆砌，生長(zhǎng)很快，最終形成片狀石墨。由于鑄鐵的碳當(dāng)量一般都在共晶點(diǎn)附近，因此石墨往往并非孤立的長(zhǎng)大成片狀石墨單晶體，而是作為共晶體的一部分與共晶奧氏體一起長(zhǎng)大，呈現(xiàn)花瓣?duì)畹目臻g立體形態(tài)(見圖8.10)。在金相顯微鏡下，花瓣?duì)畹氖始?xì)條狀，每一細(xì)條石墨就是花瓣?duì)钍嗑Ъ象w的一片石墨，由于鑄鐵化學(xué)成分和冷卻條件的不同，從而改變了石墨化過(guò)程的動(dòng)力學(xué)條件，導(dǎo)致石墨類型、大小與分布不同。灰鑄鐵件的機(jī)械性能不僅與石墨片的分布類型有關(guān)，而且還與石墨片的大小有關(guān)?；诣T鐵片狀石墨的大小分為8級(jí)，以1級(jí)為最粗，8級(jí)為最細(xì)。石墨片越粗，其8.2常用鑄鐵力學(xué)性能越差。為了獲得細(xì)片狀的石墨，通常采用孕育處理。經(jīng)過(guò)孕育處理的灰鑄鐵，稱為孕育鑄鐵?；诣T鐵的金屬基體和碳鋼的組織相似，依化學(xué)成分、工藝條件和熱處理狀態(tài)不同，可以分別獲得鐵素體、珠光體、索氏體、屈氏體、馬氏體等組織，其性能也和鋼的組織類似。圖8.9石墨的晶體結(jié)構(gòu)圖8.10灰鑄鐵的共晶組織8.2常用鑄鐵

2.灰鑄鐵的化學(xué)成分和組織特征在生產(chǎn)中，為澆注出合格的灰鑄鐵件，一般應(yīng)根據(jù)所生產(chǎn)的鑄鐵牌號(hào)、鑄鐵壁厚、造型材料等因素來(lái)調(diào)節(jié)鑄鐵的化學(xué)成分，這是控制鑄鐵組織的基本方法?；诣T鐵的成分大致范圍為：wC=2.5%～4.0%，wSi=1.0%～3.0%，wMn=0.25%～1.0%，wS=0.02%～0.20%，wP=0.05%～0.50%。具有上述成分范圍的液體鐵液在進(jìn)行緩慢冷卻凝固時(shí)，將發(fā)生石墨化，析出片狀石墨。其斷口的外貌呈灰色，所以稱為灰鑄鐵。普通灰鑄鐵的組織是由片狀石墨和鋼的基體兩部分組成的。根據(jù)不同階段石墨化程度的不同金屬基體可分為鐵素體，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8.11所示?；诣T鐵的金屬基體和碳鋼的組織相似，依化學(xué)成分、工藝條件和熱處理狀態(tài)不同，可以分別獲得鐵素體、珠光體、索氏體、屈氏體、馬氏體等組織，其性能也和鋼的組織類似。

3.灰鑄鐵的牌號(hào)我國(guó)灰鑄鐵的牌號(hào)用“灰鐵”二字的漢語(yǔ)拼音的第一個(gè)大寫字母“HT”和一組數(shù)字來(lái)表示，“HT”后面的數(shù)字表示最低抗拉強(qiáng)度值。例如HT100表示最低抗拉強(qiáng)度為100MPa的灰鑄鐵?；诣T鐵的牌號(hào)見表8-2。8.2常用鑄鐵

(a)鐵素體灰鑄鐵(b)鐵素體＋珠光體灰鑄鐵(c)珠光體灰鑄鐵圖8.11灰鑄鐵的顯微組織8.2常用鑄鐵表8-2灰鑄鐵的牌號(hào)、性能、組織與應(yīng)用牌號(hào)鑄件壁厚/mm抗拉強(qiáng)度/MPa顯微組織應(yīng)用舉例＞≤≥基體石墨HT1002.510130F粗壯片手工鑄造用砂箱、蓋、下水管、底座、外罩、手輪、手把、重錘等1020100203090305080HT1502.510175F+P較粗壯片機(jī)械制造業(yè)中一般鑄件，如底座、手輪、刀架等；冶金業(yè)中流渣糟、渣缸、壓鋼機(jī)托輥等；機(jī)車用一般鑄件，如水泵殼，閥體，閥蓋等；動(dòng)力機(jī)械中拉鉤、框架、閥門、油泵殼等1020145203013030501208.2常用鑄鐵HT2002.510220P中等片狀一般運(yùn)輸機(jī)械中的汽缸體、缸蓋、飛輪等；一般機(jī)床中的床身、機(jī)座等；通用機(jī)械承受中等壓力的泵體、閥體等；動(dòng)力機(jī)械中的外殼、軸承座、水套筒等102019520301703050160HT2504.010270細(xì)P較細(xì)片狀運(yùn)輸機(jī)械中的薄壁缸體、缸蓋、線排氣管；機(jī)床中立柱、橫梁、床身、滑板、箱體等；冶金礦山機(jī)械中的軌道板、齒輪；動(dòng)力機(jī)械中的缸體、缸套、活塞102024020302203050200HT3001020290細(xì)P細(xì)小片狀機(jī)床導(dǎo)軌、受力較大的機(jī)床床身、立柱機(jī)座等；通用機(jī)械的水泵出口管、吸入蓋等；動(dòng)力機(jī)械中的液壓閥體、蝸輪、汽輪機(jī)隔板、泵殼、大型發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋20302503050230HT3501020340細(xì)P細(xì)小片狀大型發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體、缸蓋、襯套；水泵缸體、閥體、凸輪等；機(jī)床導(dǎo)軌、工作臺(tái)等摩擦件；需經(jīng)表面淬火的鑄件203029030502608.2常用鑄鐵從表8-2可以看出，在同一牌號(hào)中，隨鑄件壁厚的增加，其抗拉強(qiáng)度降低。因此，根據(jù)零件的性能要求選擇鑄鐵牌號(hào)時(shí)，必須同時(shí)注意到零件的壁厚尺寸。

4.灰鑄鐵的性能

1)灰鑄鐵的組織對(duì)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。由于石墨的強(qiáng)度極低，在鑄鐵中相當(dāng)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(qiáng)度、塑性和韌性都低于碳素鑄鋼，特別是塑性、韌性幾乎為零。鐵素體的強(qiáng)度、硬度低，而塑性、韌性高。所以，鐵素體基體灰鑄鐵強(qiáng)度低；而由于石墨片割裂金屬基體，致使伸長(zhǎng)率和沖擊韌性均很低。珠光體具有高的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，故珠光體基體灰鑄鐵的強(qiáng)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(wú)幾，所以珠光體基體灰鑄鐵獲得了廣泛的使用。在實(shí)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?；诣T鐵鑄態(tài)的基體組織都是珠光體＋鐵素體組織。8.2常用鑄鐵

2)灰鑄鐵的力學(xué)性能灰鑄鐵的性能與普通碳鋼相比，具有如下特點(diǎn)：

(1)力學(xué)性能低。其抗拉強(qiáng)度和塑性韌性都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鋼。這是由于灰鑄鐵中片狀石墨(相當(dāng)于微裂紋)的存在，不僅在其尖端處引起應(yīng)力集中，而且破壞了基體的連續(xù)性，所以灰鑄鐵抗拉強(qiáng)度很差，塑性和韌性幾乎為零。一般說(shuō)來(lái)，石墨數(shù)量越多，石墨“共晶團(tuán)”越粗大，石墨片的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，石墨的兩端越尖銳，則抗拉強(qiáng)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(xì)密，則抗拉強(qiáng)度值越高。通?；诣T鐵經(jīng)孕育處理，細(xì)化組織，可提高抗拉強(qiáng)度。隨著共晶度SC的增加，試棒直徑(相當(dāng)于壁厚)增加，鑄鐵的石墨數(shù)量和石墨化傾向加大，抗拉強(qiáng)度就隨之下降。但是，灰鑄鐵在受壓時(shí)石墨片破壞基體連續(xù)性的影響則大為減輕，其抗壓強(qiáng)度是抗拉強(qiáng)度的2.5～4倍。所以常用灰鑄鐵制造機(jī)床床身、底座等耐壓零部件。

(2)耐磨性與消振性好。鑄鐵的耐磨性比鋼好。這是因?yàn)殍T鐵件中有石墨的存在，也就是說(shuō)鑄件工作表面的石墨易脫落而成為滑動(dòng)面的潤(rùn)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儲(chǔ)存潤(rùn)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。物體吸收振動(dòng)能的能力稱為減振性。灰鑄鐵的減振性比鋼大6～10倍?？估瓘?qiáng)度越低，減振性越好。所以，灰鑄鐵適宜用作減振材料，用于機(jī)床床身有利于提高被加工零件的精度。8.2常用鑄鐵

(3)工藝性能好。由于灰鑄鐵含碳量高，接近于共晶成分，故熔點(diǎn)比較低，流動(dòng)性良好，鑄造收縮率小(一般從鐵液注入鑄型凝固冷卻至室溫其收縮率為0.5%～1%)，鑄件內(nèi)應(yīng)力小，因此適宜于鑄造結(jié)構(gòu)復(fù)雜或薄壁鑄件。另外，由于石墨使切削加工時(shí)易于形成斷屑，所以灰鑄鐵的可切削加工性優(yōu)于鋼，故灰鑄鐵獲得廣泛應(yīng)用。

5.灰鑄鐵的孕育處理灰鑄鐵的孕育處理是指在液態(tài)鐵中加入一種物質(zhì)(孕育劑)以促進(jìn)外來(lái)晶核的形成或激發(fā)自身晶核的產(chǎn)生，增大晶核數(shù)量，使石墨的析出能在比較小的過(guò)冷度下開始進(jìn)行。其結(jié)果是提高石墨析出的傾向，并得到均勻分布的細(xì)小的石墨，從而使鑄鐵具有良好的力學(xué)性能和加工性能。把經(jīng)過(guò)孕育處理的灰鑄鐵稱為孕育鑄鐵。硅鐵是最常使用的孕育劑，使用量占孕育劑總用量的70%～80%。我國(guó)硅鐵一般分為含硅45%、75%和85%三種，其中在鑄造生產(chǎn)中比較多的使用含硅量為75%的硅鐵作為孕育劑，硅鐵的粒度一般為3mm～10mm。對(duì)于壁厚為20mm～50mm的鑄件，硅鐵加入量為鐵液的質(zhì)量的0.3%～0.7%。表8-2中HT250、HT300、HT350屬于較高強(qiáng)度的孕育鑄鐵，由于在鑄造之前向鐵液中加入了孕育劑，當(dāng)加入鑄鐵液內(nèi)后立即形成SiO2的固體小質(zhì)點(diǎn)，鑄鐵中的碳以這些小質(zhì)點(diǎn)為核心形成細(xì)小的片狀石墨。結(jié)晶時(shí)石墨晶核數(shù)目增多，石墨片尺寸變小，更為均勻地分布在基體中。所以其顯微組織是在細(xì)珠光體基體上分布著細(xì)小片狀石墨。8.2常用鑄鐵生產(chǎn)中最常用的孕育劑加入方法為包內(nèi)沖入法，其做法是將孕育劑預(yù)先放入包內(nèi)，然后沖入鐵液。這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單。但使用這種方法，孕育劑易氧化，燒損大，孕育至澆注間隔時(shí)間長(zhǎng)，孕育衰退嚴(yán)重。鑄鐵經(jīng)孕育處理后不僅強(qiáng)度有較大提高，而且塑性和韌性也有所改善。同時(shí)，由于孕育劑的加入，還可使鑄鐵對(duì)冷卻速度的敏感性顯著減少，使各部位都能得到均勻一致的組織。所以孕育鑄鐵常用來(lái)制造力學(xué)性能要求較高、截面尺寸變化較大的鑄件。如汽缸、曲軸、凸輪、機(jī)床床身等。

6.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，不能從根本上消除片狀石墨的有害作用，對(duì)提高灰鑄鐵整體力學(xué)性能作用不大。因此灰鑄鐵熱處理的目的主要用來(lái)消除鑄件內(nèi)應(yīng)力、改善切削加工性能和提高表面耐磨性等。

1)消除內(nèi)應(yīng)力退火消除內(nèi)應(yīng)力退火又稱人工時(shí)效，對(duì)于一些形狀復(fù)雜和各部位壁厚不均勻以及尺寸穩(wěn)定性要求較高的重要鑄件，如機(jī)床床身、柴油機(jī)汽缸等，澆注時(shí)因各個(gè)部位和表里的冷卻速度不同而存在溫度差，以致引起彈-塑性轉(zhuǎn)變的不同時(shí)，從而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。內(nèi)應(yīng)力在隨后的機(jī)械加工過(guò)程中，發(fā)生重新分布，也會(huì)進(jìn)一步引起變形。為了防止變形和開裂，必須進(jìn)行消除內(nèi)應(yīng)力退火。8.2常用鑄鐵消除內(nèi)應(yīng)力退火，通常是將鑄件以60℃/h～100℃/h的速度緩慢加熱到彈-塑性轉(zhuǎn)變溫度區(qū)(350℃～450℃)以上，保溫一段時(shí)間，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℃/h～40℃/h的冷卻速度緩冷至200℃左右出爐空冷，此時(shí)的鑄件內(nèi)應(yīng)力能基本消除。

2)消除鑄件白口組織、降低硬度的退火灰鑄鐵件表層和薄壁處產(chǎn)生白口組織難以切削加工，需要退火以降低硬度。退火在共析溫度以上進(jìn)行，使?jié)B碳體分解成石墨，所以又稱高溫退火。

3)正火正火的目的是增加鑄鐵基體的珠光體組織，提高鑄件的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，并可作為表面熱處理的預(yù)先熱處理，改善基體組織。通常把鑄件加熱到850℃～900℃，若有游離滲碳體時(shí)應(yīng)加熱到900℃～960℃。保溫時(shí)間根據(jù)加熱溫度、鑄鐵化學(xué)成分和鑄件大小而定，一般為1h～3h。冷卻方式一般采用空冷、風(fēng)冷或噴霧冷卻。冷卻速度越快，基體組織中珠光體量越多，組織越彌散，強(qiáng)度、硬度越高，耐磨性越好。

4)表面淬火有些鑄件如機(jī)床導(dǎo)軌、缸體內(nèi)壁等，因需要提高硬度和耐磨性，可進(jìn)行表面淬火處理，采用高、中頻淬火法，把鑄件表面快速加熱到900℃～1000℃，然后進(jìn)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，淬火后表面硬度可達(dá)50HRC～55HRC，可使機(jī)床導(dǎo)軌的壽命提高約1.5倍。8.2常用鑄鐵8.2.2球墨鑄鐵球墨鑄鐵和灰鑄鐵相似，也是由液態(tài)石墨球化而獲得的一種鑄鐵。灰鑄鐵經(jīng)孕育處理后雖然細(xì)化了石墨片，但未能改變石墨的形態(tài)。改變石墨形態(tài)是大幅度提高鑄鐵力學(xué)性能的根本途徑，而球狀石墨則是最為理想的一種石墨形態(tài)。球狀石墨對(duì)金屬基體的損壞，減小有效承載面積以及引起應(yīng)力集中等危害作用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(qiáng)度、塑性和韌性，并保持有耐磨、減振、缺口不敏感等灰鑄鐵的特性。為此，在澆注前向鐵液中加入球化劑和孕育劑進(jìn)行球化處理和孕育處理，則可獲得石墨呈球狀分布的鑄鐵，稱為球墨鑄鐵，簡(jiǎn)稱“球鐵”。另外，球墨鑄鐵還可以像鋼一樣進(jìn)行各種熱處理以改善金屬基體組織，進(jìn)一步提高力學(xué)性能。

1.球墨鑄鐵的化學(xué)成分和組織特征球墨鑄鐵化學(xué)成分的選擇，應(yīng)當(dāng)在有利于石墨球化的前提下，根據(jù)鑄件壁厚的大小、組織與性能要求來(lái)決定。通常情況下，球墨鑄鐵中都含有C、Si、Mn、P、S、Mg等元素，其中C和Si是球墨鑄鐵成分中的主要元素。球墨鑄鐵的碳當(dāng)量一般控制在4.3%～4.6%范圍內(nèi)，碳當(dāng)量過(guò)低，往往會(huì)導(dǎo)致石墨球化不良；而碳當(dāng)量過(guò)高，易出現(xiàn)石墨漂浮現(xiàn)象。因此，球墨鑄鐵的碳當(dāng)量一般選在共晶成分或略高于共晶成分，以利于石墨化，且鐵液的流動(dòng)性也較好，鑄造厚鑄件形成縮孔、縮松的傾向也減小。表8-3列出了幾種球墨鑄鐵的化學(xué)成分的大致范圍。8.2常用鑄鐵表8-3球墨鑄鐵的化學(xué)成分及與灰鑄鐵的比較化學(xué)成分/%鑄鐵類型CSiMnPSMg殘RE殘珠光體球墨鑄鐵3.6～3.92.0～2.60.5～0.8≥0.1＜0.030.03～0.060.02～0.05鐵素體球墨鑄鐵3.6～3.92.5～3.20.3～0.50.05～0.07＜0.030.03～0.060.02～0.05貝氏體球墨鑄鐵3.6～3.92.7～3.10.25～0.5＜0.07＜0.030.03～0.060.02～0.05灰口鑄鐵2.7～3.61.0～2.20.5～1.3＜0.30＜0.15——從表中可以看出，C、Si、Mn、S、P仍是主要成分元素。球墨鑄鐵化學(xué)成分的特點(diǎn)是，含C、Si量較高，含Mn量較低，含S、P量低，并且有殘留的球化劑Mg和RE元素，由于球化劑的加入將阻礙石墨球化，并使共晶點(diǎn)右移造成流動(dòng)性下降，所以必須嚴(yán)格控制其含量。8.2常用鑄鐵球墨鑄鐵的顯微組織由球狀石墨與金屬基體兩部分組成。其中的球狀石墨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，則球墨鑄鐵的力學(xué)性能也越高。球墨鑄鐵的金屬基體組織除了受化學(xué)成分的影響外，還與鐵液處理和鐵液的凝固條件以及熱處理有關(guān)。隨著成分和冷卻速度的不同，球墨鑄鐵在鑄態(tài)下的金屬基體可分為鐵素體、鐵素體+珠光體、珠光體三種，如圖8.12所示。(a)鐵素體基球墨鑄鐵(b)鐵素體+珠光體基球墨鑄鐵(c)珠光體基球墨鑄鐵圖8.12球墨鑄鐵的顯微組織8.2常用鑄鐵

2.球墨鑄鐵的球化處理與孕育處理球化處理和孕育處理是球墨鑄鐵生長(zhǎng)中兩個(gè)不可缺少的重要環(huán)節(jié)，它直接影響到球墨鑄鐵的組織和性能。目前對(duì)石墨球化機(jī)理的認(rèn)識(shí)還很不一致，一般認(rèn)為，石墨球化的本質(zhì)在于石墨與鐵液界面能的變化。鑄鐵溶液中球狀石墨的生長(zhǎng)是一個(gè)非穩(wěn)定生長(zhǎng)，其生長(zhǎng)過(guò)程除與其本身晶體結(jié)構(gòu)特性有關(guān)外，主要受影響石墨與鐵液界面行為的因素控制。球化處理就是通過(guò)影響石墨與鐵液的界面行為來(lái)改變石墨結(jié)晶過(guò)程，從而得到理想的石墨形態(tài)。

1)球化處理球墨鑄鐵生產(chǎn)中，鐵液在臨澆注前加入一定量的球化劑，以促使石墨結(jié)晶時(shí)生長(zhǎng)為球狀的操作工藝稱為球化處理。目前，國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用的球化劑主要有兩類：鎂系球化劑和稀土鎂合金球化劑。鎂有很強(qiáng)的脫硫去氧能力，它與硫氧反應(yīng)所形成的硫化鎂、氧化鎂都是很穩(wěn)定的高熔點(diǎn)化合物，這些化合物相對(duì)密度小，比較容易上浮到鐵液表面。因此，當(dāng)鐵液中硫、磷的含量較高時(shí)，球化劑鎂的加入量就要增加，才能保證石墨順利球化。當(dāng)鐵液中的硫降低到0.01%～0.02%時(shí)，殘留鎂開始起使石墨球化的作用。8.2常用鑄鐵稀土鎂合金球化劑中的稀土主要是鈰，鈰與硫和氧反應(yīng)可形成稀土的硫化物、氧化物、及硫氧化物。這些化合物熔點(diǎn)較高，相對(duì)密度與鐵液相近，可以在鐵液中穩(wěn)定存在。一般認(rèn)為，稀土的球化作用較鎂差，且石墨球圓整性不如用鎂球化過(guò)的石墨。稀土的突出特點(diǎn)是具有抵抗干擾元素反球化作用的能力，因此稀土鎂球化劑可用于含有干擾元素的鐵液的球化處理。由于我國(guó)稀土資源非常豐富，所以使用最多的球化劑是稀土鎂合金，而國(guó)外則以純鎂及鎂合金球化劑為主。球化處理中的稀土鎂合金的加入通常采用包底沖入法，沖入法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備及操作簡(jiǎn)單，如圖8.13所示。在包底部設(shè)置堤壩，將破碎成小塊的球化劑放在堤壩內(nèi)，然后在球化劑上面覆蓋孕育劑，再在上面覆蓋草木灰等，然后沖入1/2～2/3鐵液，待鐵液沸騰結(jié)束時(shí)，再?zèng)_入其余鐵液。處理完畢后攪拌、扒渣。沖入法要求處理包要預(yù)熱到600℃～800℃，鐵液溫度應(yīng)高于1400℃。圖8.13包底沖入法8.2常用鑄鐵

2)孕育處理球化處理只能在鐵液中有石墨核心產(chǎn)生時(shí)才能促使石墨生長(zhǎng)成球狀。但是，通常所使用的球化劑都是強(qiáng)烈阻礙石墨球化的元素，球化處理后鐵液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(shí)必須進(jìn)行孕育處理(也稱為石墨化處理)，以促使石墨生長(zhǎng)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力學(xué)性能。孕育處理所使用的孕育劑必須是含有強(qiáng)烈促進(jìn)石墨化元素的物質(zhì)，其中應(yīng)用最多的是含Si75%的硅鐵。孕育劑的加入，通常是在球化處理后，補(bǔ)加剩余鐵液時(shí)，將孕育劑均勻撒在出鐵槽內(nèi)，隨補(bǔ)加鐵液沖入經(jīng)球化處理的鐵液中。孕育處理后的鐵液應(yīng)立即進(jìn)行澆注，否則隨著停放時(shí)間的延長(zhǎng)，孕育處理的效果會(huì)在鑄件中減弱，即產(chǎn)生孕育衰退現(xiàn)象。

3.球墨鑄鐵的牌號(hào)、性能與用途

1)牌號(hào)球墨鑄鐵的牌號(hào)、力學(xué)性能及用途見表8-4。牌號(hào)中的“QT”是“球鐵”二字漢語(yǔ)拼音的大寫字頭，在“QT”后面兩組的數(shù)字分別表示最低抗拉強(qiáng)度(MPa)和最低伸長(zhǎng)率(%)。8.2常用鑄鐵表8-4球墨鑄鐵的牌號(hào)、力學(xué)性能及用途/J/J/J牌號(hào)基體力學(xué)性能(不小于)應(yīng)用舉例/MPa/MPa/%cm-2HBQT400-17F4002501760≤179閥體和閥蓋，汽車、內(nèi)燃機(jī)車、拖拉機(jī)底盤零件，機(jī)床零件等QT420-10F4202701030≤207QT500-05F+P5003505—147～241機(jī)油泵齒輪和軸瓦等QT600-02P6004202—229～302汽油機(jī)的曲軸、凸輪，車床主軸，空壓機(jī)、冷凍機(jī)的缸體、缸套等QT700-02P7004902—229～304QT800-02S回8005602—241～321QT1200-01B下1200840130≥38HRC拖拉機(jī)的減速齒輪等8.2常用鑄鐵

2)性能與用途與灰口鑄鐵相比，球墨鑄鐵具有較高的抗拉強(qiáng)度和彎曲疲勞極限，也具有相當(dāng)良好的塑性及韌性。這是由于球形石墨對(duì)金屬基體截面削弱作用較小，使得基體比較連續(xù)，基體強(qiáng)度利用率可達(dá)70%～90%，且在拉伸時(shí)引起應(yīng)力集中的效應(yīng)明顯減弱，從而使基體的作用可以從灰鑄鐵的30%～50%提高到70%～90%。另外，球鐵的剛性也比灰鑄鐵好，但球鐵的消振能力比灰鑄鐵低很多。由于球墨鑄鐵的力學(xué)性能主要取決于基體組織的性能，所以球鐵可通過(guò)合金化和熱處理強(qiáng)化的方法進(jìn)一步提高它的力學(xué)性能。因此，球鐵可以在一定條件下代替鑄鋼、鍛鋼等，用以制造受力復(fù)雜、負(fù)荷較大和要求耐磨的鑄件。如具有高強(qiáng)度與耐磨性的珠光體球鐵常用來(lái)制造內(nèi)燃機(jī)曲軸、凸輪軸、軋鋼機(jī)軋輥等；具有高韌性和塑性的鐵素體球鐵常用來(lái)制造閥門、汽車后橋殼、犁鏵等。當(dāng)鐵素體球墨鑄鐵的伸長(zhǎng)率達(dá)10%～15%時(shí)，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。8.2常用鑄鐵

(1)抗拉強(qiáng)度。不同基體組織的球墨鑄鐵的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖8.14所示。從圖中可以看出，球墨鑄鐵基體組織的硬度越高，其抗拉強(qiáng)度越高，而伸長(zhǎng)率越低。球墨鑄鐵與其他鑄鐵相比，不僅具有高的抗拉強(qiáng)度，而且其屈服強(qiáng)度σ0.2也超過(guò)任何一種鐵碳合金，比鋼還要高得多。球墨鑄鐵的屈強(qiáng)比σ0.2/σb為0.7～0.8，幾乎為鋼的2倍。圖8.14不同基體組織的球墨鑄鐵的應(yīng)力-應(yīng)變曲線8.2常用鑄鐵在一般機(jī)械設(shè)計(jì)中，材料的許用應(yīng)力是根據(jù)材料的屈服強(qiáng)度來(lái)確定的，因此，對(duì)于承受靜負(fù)荷的零件，用球墨鑄鐵代替鑄鋼，可以減輕機(jī)器的質(zhì)量。

(2)抗沖擊性能。當(dāng)用一次沖擊試驗(yàn)法測(cè)試時(shí)，珠光體球墨鑄鐵的沖擊韌性遠(yuǎn)比45鋼低，因此，珠光體球墨鑄鐵在一些承受巨大沖擊載荷的零件上，應(yīng)用受到了一定的限制。但當(dāng)用小能量多次沖擊實(shí)驗(yàn)法測(cè)試時(shí)，珠光體球墨鑄鐵承受小能量多次沖擊的強(qiáng)度性能要比45鋼高(見圖

8.15)，故有些承受小能量沖擊載荷的零件可用珠光體球墨鑄鐵來(lái)代替45鋼。用球墨鑄鐵制造發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸，當(dāng)其沖擊值ak達(dá)8J/cm2～15J/cm2時(shí)已能獲得良好的使用性能。

(3)疲勞強(qiáng)度。鑄鐵的疲勞強(qiáng)度在很大程度上取決于石墨的形狀。球狀的疲勞強(qiáng)度最高，團(tuán)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(qiáng)度降低。圖8.16所示為疲勞強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的關(guān)系，由圖可知，要求扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度大的曲軸采用球墨鑄鐵是可行的。8.2常用鑄鐵圖8.15正火球墨鑄鐵與正火45鋼的A-n曲線比較圖8.16球墨鑄鐵疲勞強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的關(guān)系8.2常用鑄鐵

4.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，鋼在熱處理相變時(shí)的一些原理在球墨鑄鐵熱處理時(shí)也都適用。而且，球墨鑄鐵力學(xué)性能又主要取決于金屬基體，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。但球墨鑄鐵中的碳和硅含量遠(yuǎn)比鋼高，這樣球墨鑄鐵熱處理時(shí)既有與鋼相似的特點(diǎn)，也有自己的特點(diǎn)。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(gè)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，也可以存在鐵素體、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(duì)應(yīng)著鐵素體和奧氏體平衡的相對(duì)量。球墨鑄鐵雖然含碳量比鋼高得多，但通過(guò)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(dāng)于低碳鋼的力學(xué)性能，又可獲得相當(dāng)于中、高碳鋼的力學(xué)性能，這是鋼的熱處理所達(dá)不到的。石墨雖然在熱處理過(guò)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(duì)熱處理效果有決定性作用。8.2常用鑄鐵

1)退火球墨鑄鐵的組織中往往包含了鐵素體、珠光體、球狀石墨以及由于球化劑增大鑄件的白口傾向而產(chǎn)生的自由滲碳體，為了獲得單一的鐵素體基體，提高鑄件塑性，從而改善球墨鑄鐵的切削加工性能，消除鑄造應(yīng)力，必須進(jìn)行退火處理。球墨鑄鐵的退火可分為消除內(nèi)應(yīng)力退火、低溫退火和高溫退火。

2)正火球墨鑄鐵的正火一般可分為完全奧氏體化正火(高溫正火)和不完全奧氏體化正火(低溫正火)。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(qiáng)度、硬度和耐磨性，同時(shí)還可以消除游離滲碳體。高溫正火后的基體組織為珠光體或珠光體加少量鐵素體。低溫正火的目的是獲得較高的塑性、韌性與一定的強(qiáng)度，即獲得較好的綜合力學(xué)性能。對(duì)于大界面鑄件，為了獲得珠光體基體，一般要適當(dāng)降低碳當(dāng)量。球墨鑄鐵經(jīng)過(guò)球化處理后本來(lái)就要較大的白口傾向，若在降低碳當(dāng)量，則更容易出現(xiàn)白口。生產(chǎn)實(shí)踐證明，要獲得珠光體球墨鑄鐵不能只依靠調(diào)節(jié)化學(xué)成分和鑄造工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)，而主要是依賴球墨鑄鐵的正火處理，球墨鑄鐵過(guò)冷傾向大，所以正火還可以使珠光體細(xì)化。8.2常用鑄鐵

3)調(diào)質(zhì)處理對(duì)于受力比較復(fù)雜，要求綜合力學(xué)性能較高的球墨鑄鐵件，可采用淬火加高溫回火，即調(diào)質(zhì)處理，其工藝為：加熱到850℃～900℃，使基體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，在油中淬火得到馬氏體，然后經(jīng)550℃～600℃回火，空冷，獲得回火索氏體＋球狀石墨?；鼗鹚魇象w基體不僅強(qiáng)度高，而且塑性、韌性比正火得到的珠光體基體好，且切削加工性比較好，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(jī)車萬(wàn)向軸等。

4)等溫淬火等溫淬火是目前獲得高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度球墨鑄鐵的重要熱處理方法。球墨鑄鐵等溫淬火后，除獲得高強(qiáng)度外，同時(shí)具有較高的塑性、韌性，因而具備良好的綜合機(jī)械性能和耐磨性。等溫淬火比普通淬火有較少的內(nèi)應(yīng)力，所以能夠防止形狀復(fù)雜的鑄件變形和開裂。球墨鑄鐵等溫淬火工藝與鋼相似，即把鑄件加熱到臨界點(diǎn)Ac1以上30℃～50℃，經(jīng)一定時(shí)間保溫，使基體組織轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)成分均勻的奧氏體，然后將鑄件迅速淬入到300℃左右的熱浴中，等溫停留一定時(shí)間，使過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變成下貝氏體組織，然后取出空冷，獲得下貝氏體和少量殘余奧氏體。8.2常用鑄鐵

5)感應(yīng)加熱表面淬火對(duì)于某些球墨鑄鐵鑄件，如在動(dòng)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力學(xué)性能外，同時(shí)還要求工作表面具有較高的硬度和耐磨性以及疲勞強(qiáng)度。因此，對(duì)于這類球墨鑄鐵件往往都需要進(jìn)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(jìn)行感應(yīng)加熱表面淬火時(shí)，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，然后噴水冷卻或?qū)㈣T件淬入冷卻槽中，使表面層轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體加球狀石墨，而心部仍保持未經(jīng)淬火的原始組織。從而獲得表面高硬度、高耐磨性，而心部則仍保持有良好的綜合力學(xué)性能。8.2.3蠕墨鑄鐵蠕墨鑄鐵是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型工程材料，它是經(jīng)過(guò)以稀土為主的蠕化劑變質(zhì)處理和硅鐵的孕育處理后得到的。

1.蠕墨鑄鐵的化學(xué)成分和組織特征8.2常用鑄鐵蠕墨鑄鐵的石墨具有介于片狀石墨和球狀石墨之間的中間形態(tài)，在光學(xué)顯微鏡下為互不相連的短片，與灰口鑄鐵的片狀石墨類似。所不同的是，其石墨片的長(zhǎng)厚比較小，端部較圓(形似蠕蟲)，所以可以認(rèn)為，蠕蟲狀石墨是一種過(guò)渡型石墨。石墨形態(tài)如圖

8.17

所示。蠕墨鑄鐵的化學(xué)成分一般為：wC=3.4%～3.6%，wSi=2.4%～3.0%，wMn=0.4%～0.6%，wS≤0.06%，wP≤0.07%。圖8.17蠕蟲狀石墨形態(tài)8.2常用鑄鐵

2.蠕墨鑄鐵的牌號(hào)、性能特點(diǎn)及用途蠕墨鑄鐵的牌號(hào)、力學(xué)性能及用途見表8-5。蠕墨鑄鐵的牌號(hào)用“RUT”表示，牌號(hào)后面數(shù)字表示最低抗拉強(qiáng)度(MPa)。表中的“蠕化率”表示在有代表性的顯微視野內(nèi)，蠕蟲狀石墨數(shù)目與全部石墨數(shù)目的百分比。表8-5蠕墨鑄鐵的牌號(hào)、力學(xué)性能及用途牌號(hào)力學(xué)性能(不小于)HBS蠕化

率/%基體

組織應(yīng)用舉例/MPa/MPa/%RUT4204203350.75200～280≥50P活塞環(huán)、制動(dòng)盤、鋼球研磨盤、泵體等RUT2803803000.75193～274PRUT3403402701.0170～249P+F機(jī)床工作臺(tái)、大型齒輪箱體、飛輪等RUT3003002401.5140～217F+P變速器箱體、汽缸蓋、排氣管等RUT2602601953.0121～197F汽車底盤零件、增壓器零件等8.2常用鑄鐵蠕墨鑄鐵是一種新型高強(qiáng)鑄鐵材料，它的強(qiáng)度接近于球墨鑄鐵，并且有一定的韌性，但不如球墨鑄鐵，蠕墨鑄鐵的耐磨性較好，同時(shí)又具有良好的鑄造性能和導(dǎo)熱性。它適用于制造重型機(jī)床床身、汽缸套、鋼錠模、液壓閥等鑄件。8.2常用鑄鐵8.2.4可鍛鑄鐵可鍛鑄鐵是由白口鑄鐵經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間石墨化退火而獲得的一種高強(qiáng)度鑄鐵。白口鑄鐵中的游離滲碳體在退火過(guò)程中分解出團(tuán)絮狀石墨，由于團(tuán)絮狀石墨對(duì)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，與灰鑄鐵相比，可鍛鑄鐵的強(qiáng)度和韌性有明顯提高，并且有一定的塑性變形能力，因而稱為可鍛鑄鐵(或展性鑄鐵，又稱為馬口鑄鐵)。

1.可鍛鑄鐵的化學(xué)成分和組織特征可鍛鑄鐵的生產(chǎn)是由兩個(gè)相互矛盾的工藝過(guò)程所組成的。由于生產(chǎn)可鍛鑄鐵的先決條件是澆注出白口鑄鐵，為了保證鑄件澆鑄后獲得純白口組織，所以可鍛鑄鐵的碳硅含量不能太高，以便使鑄鐵完全白口化；但碳、硅含量也不能太低，否則要延長(zhǎng)石墨化退火周期，使生產(chǎn)率降低?？慑戣T鐵的化學(xué)成分大致為：wC=2.5%～3.2%，wSi=0.6%～1.3%，wMn=0.4%～0.6%，wP=0.1%～0.26%，wS=0.05%～1.0%。8.2常用鑄鐵按熱處理?xiàng)l件的不同，將可鍛鑄鐵分為兩類：一類是鐵素體基體＋團(tuán)絮狀石墨的可鍛鑄鐵，它是由白口毛坯經(jīng)高溫石墨化退火而得，其斷口呈黑灰色，俗稱黑心可鍛鑄鐵，這種鑄鐵件的強(qiáng)度與塑性均較灰鑄鐵的高，非常適合鑄造薄壁零件，是最為常用的一種可鍛鑄鐵；另一類是珠光體基體或珠光體與少量鐵素體共存的基體加團(tuán)絮狀石墨的可鍛鑄鐵件，它是由白口毛坯經(jīng)氧化脫碳而得，其斷口呈白色，俗稱白心可鍛鑄鐵，這種可鍛鑄鐵很少應(yīng)用。兩種組織如圖8.18所示。圖8.18可鍛鑄鐵的顯微組織8.2常用鑄鐵

2.可鍛鑄鐵的牌號(hào)、性能特點(diǎn)及用途可鍛鑄鐵的牌號(hào)、力學(xué)性能及用途見表8-6?？慑戣T鐵的牌號(hào)用“可鐵”兩字漢語(yǔ)拼音的第一個(gè)大寫字母“KT”表示，“H”表示“黑心”，“Z”表示珠光體基體，牌號(hào)后面兩組數(shù)字分別表示最低抗拉強(qiáng)度(MPa)和最低伸長(zhǎng)率值(%)。

表8-6可鍛鑄鐵的牌號(hào)、力學(xué)性能及用途牌號(hào)試樣直徑/mm機(jī)械性能(不小于)硬度/HB基體應(yīng)用舉例σb/MPaσ0.2/MPaδ/%KTH300—0612或153001866120～150F管道，彎