铸铁的基础知

1、第一章 铸铁的基础知识铸铁是一种以铁、碳、硅为基础的复杂的多元合金，其含碳量较高，质量分数一般为2.0-4.0%。在工业用铸铁中，除碳、硅元素外还存有锰、磷、硫等元素。碳、硅、锰、磷、硫被称为铸铁的五大元素。工业用铸铁的成分波动于下列范围：W（C）=2.4%4.0%,W（Si）=0.8%3.2%,W（Mn）=0.2%2.0%，W（P）=0.02%0.8%,W（S）=0.01%0.15%。在工业铸铁中，为满足耐磨、耐热、耐蚀,无磁等不同需要，常在铸铁中加入不同种类不同数量的合金元素，称为合金铸铁或特种性能铸铁。1.1 铸铁的分类铸铁分类方法有多种，见表1-1。表1-1 多种形式的铸铁分类分类方式

2、铸铁名称铸铁特征按碳在铸铁中的形式灰铸铁 碳主要以石墨的形式存于铸铁中，少量碳溶于基体中，部分碳以渗碳体形式组成珠光体白口铸铁 碳主要以渗碳体的形式存于铸铁中，少量碳溶于基体中，无石墨按断口颜色特征灰铸铁断口呈暗灰色，碳主要以石墨形式存在白口铸铁 断口成放射形状的白亮冰茬状，碳主要以渗碳体形式存在，无石墨麻口铸铁断口为白亮中伴有灰黑斑点的花茬状，金相组织中渗碳体与石墨并存按化学成分普通灰铸铁 铸铁中的化学成分以五大元素为主，其中Si、Mn、P含量一般在较低的范围内合金铸铁除五大元素外，铸铁中含有较高含量的合金元素，如W（Si）>4.0% ，W(Mn)>2.0%, W(Ti,V,Mo

3、)>0.1%, W(Cr,Cu,Al,Ni)>0.3%按石墨形态灰铸铁石墨呈片状，组织为基体+片状石墨球墨铸铁石墨呈球状，组织为基体+球状石墨蠕墨铸铁 石墨呈蠕虫状，组织为基体+蠕状石墨（+部分球状石墨）可锻铸铁石墨呈团絮状，组织为基体+团絮状石墨按使用性能工程结构件用铸铁灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁、可锻铸铁特种性能铸铁耐热铸铁、耐蚀铸铁、冷硬铸铁、抗磨铸铁综合铸铁的特点分析，发现以石墨形态分类的铸铁多应用于工程结构件，以化学成分中合金元素分类的铸铁多应用于特种性能铸件，故可用这两种分类方法将铸铁分成八类，如表1-2所示表1-2 铸铁的分类与特征类别组织特征性能特征成分特征应用工程

4、结构用铸铁普通铸铁灰铸铁片状石墨珠光体+铁素体Rm 100MP200MPa，具有优良的减振性及铸造性能成分为C.Si.Mn.P.S五大元素 + 少量合金元素受力不高的零件+珠光体Rm 250MPa50MPa，强度高、耐磨性好承受中等载荷的零件球墨铸铁球状石墨+铁素体Rm 400MPa450MPa18%10% 高韧性、高塑性成分除五大元素外，还含有：M残0.03%0.07%R残0.02%0.04%根据性能要求加入不同的合金承受冲击，要求高韧性零件珠光体+铁素体Rm 500MPa600MPa7%， 较高的强度与韧性承受动、静载荷的零件+珠光体Rm 700MPa800MPa2%3% 高强度、高耐磨高

5、强度、高刚性、高耐磨零件贝氏体+回火马氏体Rm 900MPa 高强度、高耐磨同上+贝氏体Rm 1000MPa1600MPa超高强度与耐磨承受高强度及动、静载荷的零件蠕墨铸铁蠕虫状石墨+铁素体Rm 260MPa，高韧性、高导热性成分同球墨铸铁，但M残与R残含量稍低承受动、静载荷及耐热疲劳的零件珠光体+铁素体Rm 300MPa400MPa中等强度、耐磨性承受高强度、耐热疲劳的零件+珠光体Rm 400MPa高强度、高耐磨性承受高强度与耐磨性的零件可锻铸铁团絮状石墨+铁素体Rm 300MPa350MPa6%10%高韧性与塑性五大元素中C低.Si低，并要求Cr0.06%热处理前的生坯必须为白口组织管路连

6、接件、阀门、板簧支架等 +外缘铁素体+向内珠光体增加Rm 380MPa450MPa中等强度与耐磨性需施焊的管路连接件+珠光体Rm 650MP700MPa，较高的强度与耐磨发动机连杆、小曲轴、高吨位铁帽续类别组织特征性能特征成分特征应用特种性能铸铁合金铸铁抗磨铸铁组织为白口的抗磨铸铁基体+碳化物的抗磨铸铁不同基体+球墨+碳化物的抗磨球墨铸铁抗磨性高，韧性低球墨抗磨铸铁具有高强度、高抗磨性加入低、中、高合金元素球墨抗磨铸铁中M残0.03%0.06%R残0.02%0.04%非球墨抗磨铸铁用于承受小冲击的磨料磨损零件；抗磨球墨铸铁用于较高冲击的磨料磨损零件冷硬铸铁表层：白口组织（珠光体+渗碳体）内层：

7、灰口组织（基体+片状或球状石墨）外层耐磨性高、内层强度高加入Ni.Cr.Mo等合金元素，保证表层的白口硬度与深度。球墨铸铁材质时，M残0.04%用于外硬内韧的冷硬轧辊及冷硬铸件耐热铸铁灰口组织石墨：（片状或球状）+不同的基体（珠光体、铁素体、奥氏体等）高的耐热性、抗氧化性，在空气炉气中耐热温度可达6001100，但材质性能较脆有Si.Al.Cr系耐热铸铁（包括中硅、高铝、中硅铝、高铬等）矿山烧结车挡板、篦条及炉用体。煤粉烧嘴、炉条、锅炉用炉体等耐蚀铸铁灰口组织石墨：（片状或球状）+不同基体（有铁素体、奥氏体等）高的耐腐蚀性能有高Si、高Cr、高Ni及Al铸铁、铝硅铸铁等在不同酸、碱、盐用介质中

8、工作的泵、阀、叶轮、管道配件等 1.2 Fe-C（石墨）、Fe-Fe3C双重相图铸铁是一种铁碳合金，当其中的碳量超过在铁液中的溶解度时，多余的碳会以石墨或碳化铁Fe3C两种独立相存在于合金中，因而形成Fe-C（石墨）、Fe-Fe3C双重相图，如图1-1所示。图中虚线表示Fe-C（石墨）稳定系相图，实线表示Fe-Fe3C亚稳定相图。在铸铁的实际生产中，石墨和渗碳体往往同时出现在一个铸件上。因此，研究铸铁时，必须研究铁-碳合金的双重相图。图1-1 Fe-C（石墨）、Fe-Fe3C双重相图1.2.1 Fe-C（石墨）、Fe-Fe3C双重相图的基本概念铁碳合金相图是研究铸铁的基础，其基本概念如表1-3

9、所示表1-3 Fe-C（石墨）、Fe-Fe3C双重相图的基本概念名称说明合金相图1.表示合金的状态与温度、成分之间关系的图形，称合金相图2.合金相图是在极缓慢的冷却条件（平衡条件）下获得的，是研究合金结晶过程中，各组织形成与变化规律的工具铁碳合金相图在极缓慢冷却（或极缓慢加热）条件下，不同成分的铁、碳合金在不同温度时所形成组织的图形Fe-C（石墨）、Fe-Fe3C双重相图铸铁中的碳能以石墨或渗碳体（Fe3C）两种独立相存在，因此铁、碳存在着双重相图。Fe-C（石墨）相图，称稳定系平衡相图，Fe-Fe3C相图，称亚稳定系平衡相图。因为Fe-Fe3C系在一定条件下可以向Fe-C（石墨）系转化，故为

10、亚稳定平衡相图钢与铸铁1.含碳量小于2.10%的铁碳合金称为钢2.含碳量大于2.10%的铁碳合金称为铸铁3.研究钢的结晶过程、组织、性能及热处理工艺时，用Fe-Fe3C亚稳定系相图4.研究铸铁的结晶过程、组织、性能及热处理时，用Fe-C（石墨）与Fe-Fe3C双重相图1.2.2 铸铁结晶的三个阶段铸铁在凝固与结晶过程中，经过三个结晶阶段，即析出初相，共晶转变及共析转变，这三个阶段分别结晶出不同的组织，如表1-4所示表1-4 铸铁结晶的三个阶段结晶过程结晶发生的临界线结晶产物图标初析阶段液相线以下析出初生相1.BC及BC´线以下析出初生奥氏体2.C´D´线以下析出初

11、生石墨3.CD线以下析出初生渗碳体共晶阶段固相线以下发生共晶转变1.ECF线以下发生共晶转变，共晶组织为共晶奥氏体+共晶渗碳体2.E´C´F´线以下发生共晶转变，共晶组织为共晶奥氏体+共晶石墨共析阶段共析线以下发生共析转变1.PSK线以下发生共析转变，奥氏体转变为珠光体（渗碳体+铁素体）2.P´S´K´线以下发生共析转变，奥氏体转变为铁素体+石墨1.2.3 铸铁结晶过程中的二个临界点和4条特性曲线在Fe-C（石墨）、Fe-Fe3C双重相图中，对铸铁结晶三个阶段有重要影响的是二个临界点和四条特性曲线，二个临界点是共晶点C（或C´

12、;）和共析点S（或S´），四条特性曲线是液相线BCD(或BC´D´)；固相线（共晶线）ECF（或E´C´F´）；碳在奥氏体中的溶解曲线ES（或E´S´）及共析线PSK（或P´S´K´），如表1-5所示表1-5 铸铁结晶过程中的二个临界点和4条特性曲线名称曲线或临界点特性图示液相线BCD和BC´D´线1.该线称为液相线，此线以上为液相区，用L表示2.铁液冷却至此线时，开始结晶并析出初相3.BC或BC´线以下皆析出初生奥氏体，用A或r表示 4.在CD 线以下析

13、出初生渗碳体，用Fe3C表示5.在C´D´线以下析出初生石墨，用G表示固相线（共晶线）ECF与E´C´F´线1.该线称为固相线，合金冷却至此线后凝为固体，此线以下为固态区2.液相线与固相线之间，液相与固相并存，为合金的结晶区，BCE（或BC´E´）区内为铁液+初生奥氏体，在DCF区内为铁液+初生渗碳体，在D´C´F´区内为铁液+初生石墨3.该线也称为共晶转变线，铁液冷却至此线以下时发生共晶转变，铁液转变为共晶奥氏体+共晶渗碳体（按ECF线）或转变为共晶奥氏体+共晶石墨（按E´C

14、0;F´线）4.共晶奥氏体+共晶渗碳体可称为高温莱氏体Ld，可用公式表示，Ld=A+Fe3C共晶点C（C´）共晶临界点，其碳的质量分数是：C点为4.30%，C´点为4.26%，生产中常简化为4.30%碳在奥氏体中的溶解曲线ES与E´S´线碳在奥氏体中的含量随温度降低而减少，当温度下降时沿着此线，析出二次渗碳体（按ES线）或析出二次石墨（按E´S´线）续名称曲线或临界点特性图示共析线PSK与P´S´K´线1.合金冷却至此线时发生共析转变，按PSK线奥氏体转变为珠光体(铁素体+渗碳体)，用P来表示，

15、按P´S´K´线奥氏体转变为铁素体+石墨.铁素体用a或F表示2.共析转变按Fe-Fe3C进行，高温莱氏体（奥氏体+渗碳体）则变为低温莱氏体（珠光体+渗碳体），低温莱氏体的表示公式为L´d=P+ Fe3C共析点S（S´）共析临界点，其碳的质量分数是：S点为0.76%，S´点为0.69%1.3铸铁的碳当量和共晶度1.3.1碳当量 铸铁中存在多种合金元素，这些合金元素对共晶点碳量的增减是有影响的，将各元素的量折算成碳量的增减，增减后的碳量称之为碳当量。在生产实践中，碳当量计算时只考虑Si、P的影响。计算的方式是将Si、P折算成碳量，再加上铸

16、铁的实际碳量，则为碳当量，用CE表示，其计算公式为：CE=C+1/3（Si+P）CE碳当量（%）C铸铁中实际碳的质量分数（%）Si铸铁中实际硅的质量分数（%）P铸铁中实际磷的质量分数（%） 用碳当量W（CE）与Fe-C（石墨）相图中的共晶点C的碳量（W（C）=4.26%）相比较，则可判断某一成分的铸铁偏离共晶点的程度：铸铁的W（CE）= 4.26% 为共晶铸铁铸铁的W（CE）4.26% 为过共晶铸铁铸铁的W（CE）4.26% 为亚共晶铸铁1.3.2共晶度 铸铁偏移共晶点的程度也可用铸铁的实际含碳量与共晶点的实际含碳量之比值来表示，这个比值称为共晶度，以Sc表示，其计算公式为：式中 C铁铸铁中实

17、际碳的质量分数（%） Cc铸铁共晶点的实际含碳量，它已包含了Si,P元素的折算，其中的4.26%是铸铁共晶点在稳定系时碳的质量分数。 Si铸铁中实际硅的质量分数（%） P 铸铁中实际磷的质量分数（%）以共晶度Sc的高低可判断铸铁偏离共晶点的程度，以此将铸铁分类： Sc=1 称共晶铸铁Sc>1 称过共晶铸铁Sc<1 称亚共晶铸铁生产中常根据CE的高低、Sc的大小来推断铸铁力学性能的高低，铸造性能的好坏及石墨化能力的大小，因此是一个十分重要的参数。图1-2表示了不同碳当量的铸铁在铁碳相图上的位置,同时也显示了碳当量与铸铁力学性能之间的关系。图中列出了7种铸铁在相图上的位置，它们分别为可

18、锻铸铁KTZ470-04，灰铸铁HT350、HT250、HT150、HT100，球墨铸铁QT600-3，蠕墨铸铁RuT420。它们的碳当量W（CE）分别为2.9%、3.3%、3.6%、4.0%、4.4%、4.6%，4.7%。通过7种铸铁在相图中的位置与力学性能的关系可得到下列的认识：图1-2.7种铸铁在铁碳相图中的位置图 由图可知(1)灰铸铁HT350、HT250、HT150与可锻铸铁KTZ470-04是亚共晶铸铁，HT100、球墨铸铁、蠕墨铸铁是过共晶铸铁。(2)亚共晶灰铸铁中，碳当量最低离共晶点最远的HT350强度最高，HT250次之，HT150最低，即灰铸铁的碳当量越低，离共晶点越远，强

19、度越高。由相图分析 ，原因有二，一是离共晶点远，碳当量低，说明铸铁中石墨减少，降低了石墨对基体的削弱作用，故使铸铁强度增加。二是离共晶点远，液相线与固相线距离变大，析出的奥氏体粗大，数量增多，形成骨架，使铸铁强度增高。(3)过共晶的HT100在7种铸铁中强度最低。由相图看出，该铸铁初析阶段析出粗大的初生石墨，再加上次高的碳当量与石墨数量，这些都显著地加大了石墨对基体的割裂作用，导致强度极大降低。(4)球墨铸铁QT600-3与蠕墨铸铁RuT400在相图上的虽属过共晶铸铁，但石墨呈球状与蠕虫状，碳当量虽高，但其强度不因碳当量高而下降，其强度还远高于灰铸铁。说明对铸铁的力学性能的影响中，石墨形态是起

20、决定性作用的，只有在片状石墨下，碳当量对力学性能才起主要作用。高碳当量的球墨铸铁与蠕墨铸铁之所以有高强度，原因是因石墨的形态发生了变化，即由片状变为球状或蠕虫状，从而大幅度地降低了石墨对基体的割裂作用，因此石墨的形态对强度的作用远大于碳当量的影响。(5)可锻铸铁的强度高于灰铸铁，除其碳当量低于灰铸铁外，主要是热处理后石墨形态变为团絮状石墨的缘故，而后者的作用是主要的。从以上分析可看出铁碳相图实用价值的一个侧面。 1.4 铸铁的凝固与结晶过程1.4.1. 铸铁的凝固与结晶过程铸铁在凝固与结晶过程中，无论是按Fe-C（石墨）系结晶还是按Fe-Fe3C系结晶，其初析、共晶、共析三阶段过程是相同的，经

21、过4条特性曲线和二个临界点的规律是不变的，但铸铁在双重相图中各结晶阶段所形成的组织却是不同的。各种铸铁的结晶过程与室温组织，见表1-6表1-6 铸铁的结晶过程与室温组织类别按Fe-C（石墨）稳定系结晶按Fe-Fe3C亚稳定系结晶亚共晶铸铁结晶过程室温组织铁素体+石墨（共晶石墨+二次石墨+共析石墨）珠光体+莱氏体（珠光体+共晶渗碳体）+二次渗碳体过共晶铸铁结晶过程室温组织铁素体+石墨（初生石墨+共晶石墨+二次石墨+共析石墨）莱氏体（珠光体+共晶渗碳体）+渗碳体（初生渗碳体+二次渗碳体）共晶铸铁结晶过程室温组织铁素体+石墨（共晶石墨+二次石墨+共析石墨）莱氏体（珠光体+共晶渗碳体+）+二次渗碳体通

22、过表1-6可知，铸铁在极为缓慢冷却的平衡条件下，按Fe-C(石墨)系结晶。室温组织是铁素体+石墨（灰口铸铁）；按Fe-Fe3C系结晶，室温组织是珠光体+渗碳体（白口铸铁）。表1-7 为铸铁在双重相图中在三个阶段结晶时所形成的组织。表1-7 铸铁在初析、共晶、共析结晶时形成的组织结晶过程亚共晶铸铁共晶铸铁过共晶铸铁Fe-C（石墨）Fe-Fe3CFe-C（石墨）Fe-Fe3CFe-C（石墨）Fe-Fe3C初析阶段初生奥氏体初生奥氏体初生石墨初生渗碳物共晶阶段共晶奥氏体+共晶石墨共晶奥氏体+共晶渗碳体共晶奥氏体+共晶石墨共晶奥氏体+共晶渗碳体共晶奥氏体+共晶石墨共晶奥氏体+共晶渗碳体共析阶段共析铁素

23、体+共析石墨珠光体共析铁素体+共析石墨珠光体共析铁素体+共析石墨珠光体 研究与认识铸铁三个阶段形成的组织对控制铸铁的性能有着重要的意义。如初析阶段；生产中的灰铸铁常用降低碳当量，加入少量合金，提高Si/C比等来增加初生奥氏体数量，以增加铸铁强度；在铸铁组织中防止出现初生石墨，以避免铸铁力学性能的恶化；在共晶阶段，灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁不允许出现渗碳体，必须控制其共晶转变按Fe-C（石墨）系进行。孕育处理就是控制铸铁在共晶阶段按稳定系结晶的主要措施；而对于可锻铸铁与耐磨的白口铸铁，在共晶阶段则不允许出现石墨，必须控制其在共晶阶段按Fe-Fe3C系进行，形成莱氏体组织，控制的措施通常是降低碳当

24、量及加入反石墨化元素。在共析阶段，也可用碳当量，合金，冷却速度等方法来控制共析转变，即可按Fe-Fe3C系转变形成珠光体基体，以提高强度，硬度，耐磨性，也可按Fe-C（石墨）转变，形成铁素体基体，以提高塑性与韧性。所以，对铸铁性能控制的过程实质上是对铸铁结晶三阶段中组织控制的过程。从而达到通过组织来控制铸铁性能的目的。1.4.2铸铁组织中的共晶团铸铁冷却到共晶温度时，共晶成分的铁液，首先产生石墨核心，然后由石墨领先，石墨与奥氏体从晶核出发，互相促进，互相交叉生长，最后形成奥氏体与石墨的共晶组织。这个以石墨核心为中心形成的奥氏体和石墨两相共生共长的共晶晶粒称为共晶团。图1-3为亚共晶灰铸铁共晶结

25、晶时一个共晶团正在成长的示意图 （a） （b） （c） 图1-3 一个共晶团成长的示意图由图看出，石墨片端部凸出，前沿部分伸入铁液中，始终与铁液相接触，奥氏体与石墨相互交叉生长。图1-4示意地表现了亚共晶灰铸铁的共晶转变过程。当共晶结晶结束时，共晶团和共晶团或共晶团与初生奥氏体枝晶相互衔接形成整体，完成了共晶转变。图1-5至图1-8展示了共晶团、石墨、奥氏体在立体或平面下的形貌。 图1-5 共晶团立体形貌示意图 图1-6 石墨平面形貌示意图 图1-7奥氏体枝晶立体形貌图 图1-8 石墨立体形貌图 共晶团的粗细对铸铁的性能影响很大。晶粒细，则晶界多，且晶界处的晶格排列极不一致，相互交错，互相咬合

26、，加强了晶粒间的结合力，从而提高了铸铁的力学性能。在实际生产各类铸铁时，细化共晶团，控制共晶团数是很重要的，孕育处理是细化共晶团的主要措施，通过对共晶团的细化，共晶团数的增加来提高铸铁性能。但也有一定限制，如当灰铸铁的共晶团数量超过400个/CM²时，晶间的液体变成许多孤立的小溶池，在凝固时难以补缩而形成缩松。故对共晶团有所控制，尤其是对渗漏、耐压有严格要求的铸件。各类铸件对共晶团数有着不同的要求，因此共晶团也是铸件质量的控制指标之一。 1.5 铸铁的组织1.5.1 铸铁的组织生产中的铸铁组织与铁碳双重相图中的铸铁组织不完全相同，Fe-C（石墨Fe-Fe3C双重相图中，出现7个组成相

27、，如表1-8所示，而在实际的铸铁中，还多出6个组成相，这6个组成相在相图中不出现，但存在于实际铸铁组织中，如表1-9所示。表1-8 Fe-C（石墨）、Fe-Fe3C双重相图中铸铁部分的组成相类别组织代号特征主要性能液相液溶体L1.存在液相线之上的铁液为液相，是碳与其他元素在铁中的无限液溶体。2.在液、固线之间也有液体，但成分随温度而变化1.优良的流动性2.流动性的高低与温度、成分有关高碳相石墨G1.石墨是铸铁中以游离状态存在的碳，含碳量近乎100%2.按化学成分与温度不同，石墨有初析石墨，共晶石墨，二次石墨和共析石墨3.石墨的形态有片状、球状、蠕虫状、团絮状1.力学性能低：Rm20Mpa硬度

28、3HBW无塑性2.减振好，耐磨性优良渗碳体Fe3C1.铁和碳的化合物，碳的质量分数为6.69%2.按化学成分与温度不同，有初生渗碳体，共晶渗碳体，二次渗碳体及共析渗碳体3.渗碳体是不稳定的化合物，在一定的温度条件下可转变成铁素体+石墨，更高温度时又可变为奥氏体+石墨1.性能硬、脆：硬度800HBW1000HBW塑性与韧性近为零2.强度低：Rm为20Mpa50MPa莱氏体Ld1.按Fe-Fe3C系共晶转变的共晶组织，为渗碳体与奥氏体的共晶体，称为高温莱氏体2.冷却至共析温度以下，按Fe-Fe3C转变，奥氏体转变为珠光体，形成珠光体+渗碳体，称为低温莱氏体1.具有高的耐磨性2.性硬、脆、冲击韧性低

29、，易脆裂基体奥氏体A(r)1.碳在r-Fe中的固溶体，面立方晶格，1147时最大的溶碳量是2.14%2.为铸铁的高温组织，存在于727-1147之间，只有Mn、Ni含量足够时，才可能出现室温下的奥氏体铸铁3.等温淬火时也会有约30%的富碳奥氏体1.具有良好的塑性与强度Rm =400MPa800MPa40%50%2.有一定的硬度160HBW200HBW珠光体P1.铁素体与渗碳体组成的机械混合体，碳的质量分数为0.76%2. 是过冷奥氏体在共析转变时形成的共析组织3.共析转变时的过冷度不同，可形成片状珠光体，细片状珠光体（索氏体），极细片状珠光体（托氏体）。通过热处理可获得粒状珠光体1.具有较高强

30、度与硬度Rm =400MPa800MPa硬度175HBW330HBW2.塑性、韧性优于渗碳体10%25%铁素体a（F）1.碳在a-Fe中的固溶体，体心立方晶格2.727时最大溶碳量的质量分数为0.034%3.因生成条件不同，其形态有等轴晶粒状、破碎状、牛眼状、网状和针状1.具有良好的塑性与韧性25%60%2.强度与硬度稍低Rm =200MPa400MPa硬度70HBW150HBW注：在合金中，成分、结构及性能相同的组成部分称为相，不同的两相之间具有明显的界面。表1-9 铁、碳相图中不出现的铸铁中的6个组成相名 称铸铁中存在的原由特 性贝氏体热处理时形成的组织 1. 加热至奥氏体化区域并保温，后

31、在250400冷却并保温，使过冷奥氏体等温分解形成贝氏体组织 2.该组织存在于等温淬火球墨铸铁中，该铸铁具有高强度，高硬度与韧性马氏体热处理时形成的组织 1. 加热至奥氏体化区域并保温，后在250°C以下冷却，进行无扩散转变而形成马氏体组织，实质上是过饱和a-Fe固溶体，具有很高的硬度与耐磨性 2. 马氏体的塑性、韧性极低，可通过不同的回火，获得回火马氏体，回火托氏体，回火索氏体，从而得到不同性能的铸铁晶界共晶物硫共晶铸铁为多元素的铁碳合金。铸铁中含有S 1. 当铸铁中Mn较低时，S以FeS的形式形成Fe FeS的二元硫共晶 (熔点985°C)，当冷却速度大时，则形成Fe-

32、 Fe3C- FeS三元硫共晶（熔点975）2. 硫共晶在晶界上析出，易产生热裂并影响力学性能磷共晶铸铁中含有P1.P以二元或三元素磷共晶存在于晶界，能使铸铁韧性降低，脆性增加，二元磷共晶为Fe-Fe3P（熔点1050）,三元磷共晶为Fe-Fe3P-Fe3C（熔点953） 2. 有利于提高耐磨性能碳化物铸铁中含有Mn，Cr、V、Ti、Mo等合金元素1. 碳化物是碳与一种或多种合金元素形成的化合物。如(Fe,Mn)3C.(Fe,Mn.Cr)3C等 2. 常分布于晶界，影响力学性能。但在抗磨铸铁中则显著提高耐磨性非金属夹杂物在铸铁熔炼时的冶金反应中所形成的化合物1. 非金属夹杂物系指除石墨，基体，

33、碳化物，磷共晶，硫共晶以外的组成物.按其成分有氧化物、硫化物、硅酸盐、氮化物及由其组成的多元素的复合化合物2. 多沿晶界分布，降低力学性能、疲劳强度及流动性铸铁的贝氏体组织与钢的贝氏体组织不同，铸铁的贝氏体组织为针状铁素体，无法碳化物，铸铁等温淬火的组织为贝氏体（即针状铁素体）+富碳奥氏体1.5.2铸铁的组织与铸铁力学性能的关系铸铁的性能是由铸铁组织决定的，控制了铸铁组织就能控制铸铁的性能。铸铁的组织由石墨和基体所组成，石墨和基体不同，其性能也不同。1、石墨对铸铁力学性能的影响 见表1-10表1-10 石墨对铸铁力学性能的影响石墨状态对铸铁性能的影响 石墨形状对力学性能影响最大，与碳当量基体影

34、响比，影响是第一位的石墨形状抗拉强度MPa伸长率%片状石墨1003500.5蠕虫状石墨3504501.01.5团絮状石墨350450210球状石墨400900218石墨数量在相同的石墨形状下，石墨数量增多，力学性能皆有不同程度的下降，但灰铸铁最为显著石墨大小在相同的石墨形状下，石墨尺寸增大，力学性能皆有不同程度的下降，但片状石墨下降幅度显著石墨分布灰铸铁中，石墨以A 型分布者，力学性能最好，但在同碳当量下，以D型石墨为主的D型石墨灰铸铁，强度最大2、基体对铸铁力学性能的影响见表1-11表1-11 基体对铸铁力学性能的影响基 体对铸铁力学性能的影响铁素体1. 强度低，硬度低、耐磨性差。但塑性好，

35、韧性好 2. 在石墨为球状、蠕虫状、团絮状时，铁素体可使塑性、韧性大幅度提高，而在片状石墨下提高有限珠光体1. 强度高，硬度高，耐磨性好。但塑性、韧性降低2. 在石墨为球状、蠕虫状、团絮状时，珠光体基体可使强度大幅度提高，而在片状石墨下提高有限3. 随着珠光体的细化，铸铁强度随之提高。其基体强度大小的顺序为：托氏体索氏体珠光体珠光体铁素体随珠光体数量增加。抗拉强度随之提高贝氏体常出现等温淬火球墨铸铁中，具有高强度，高耐磨性，并有一定韧性，其抗拉强度为1000mpa1600MPa.伸长率为可2%10%.硬度为30HRC36HRC马氏体硬度高,但力学性能差,强度,塑性,韧性较低.该基体常用于铸件的

36、耐磨表面莱氏体（珠光体+渗碳体）为白口组织,硬度很高,但强度,塑性,韧性差 ,常用于耐磨铸铁3、铸铁组织中出现磷共晶，碳化物，自由渗碳体及非金属夹杂时，使强度降低，硬度提高，脆性增加，恶化加工性能，在生产中应严格控制。除此以外，石墨与基体对铸铁的弹性模量，导热性，导电性，冲击韧性，耐疲劳性，耐热性及致密性皆有不同的影响。因此，要满足铸铁性能的不同要求，就必须控制与其相对应的金相组织。1.6影响铸铁铸态组织的因素对铸铁组织起决定性作用的是两个环节：共晶凝固时的石墨化和共析转化时珠光体转变。影响这两个环节的因素是铸铁生产中控制的要点，这些因素是：化学成分；冷却速度；铁液的过热与保温；炉料；孕育处理

37、；气体含量 1.6.1. 化学成分的影响1.各元素在铸铁中存在的状态铸铁中各元素的存在状态与影响见表1-12，铸铁中基本的五元素的存在形式与影响见表1-13表1-12 各元素在铸铁中的存在形式与影响存在状态合金元素对铸铁组织或性能的影响固溶于基体中Si、Mn,Ni,Co可溶于奥氏体或铁素体中，形成固熔体可强化基体，提高强度与硬度组成碳化物Zr,Ti,V强碳化物形成元素，与碳有着不同程度的亲合力，形成碳化物。W,Mo,Cr中等强度碳化物形成元素，Mn弱碳化物形成元素这些碳化物除少部分溶入固溶体中，大部分溶入渗碳体1.常分布于晶界，降低韧性与塑性2.在抗磨铸铁中，提高耐磨性能形成夹杂物Mn,V,T

38、i,Ca,Mg形成各自的硫化物，氧化物，氮化物S，P形成硫共晶，磷共晶及硫化物降低力学性能与韧性，在高性能铸铁中尤为突出纯金属相Cu,Pb超过溶解度后，以微粒状存在于基体中降低力学性能表1-13 铸铁中基本的五元素的存在形式与影响元素存在形式对铸铁组织与性能的影响C与SiC以化合碳和游离碳两种形式存在，化合碳为Fe3C,游离碳为石墨，Si固溶于铁素体中 用碳当量CE代表C、Si的高低，灰铸铁中CE高，石墨多，强度降低。CE低，石墨少，初生奥氏体多而粗大，强度高Mn与SMn少量溶于铁素体，大部溶于其渗碳体中。以 合金渗碳体 （Fe.Mn）3C形式存在，S大部以硫化夹杂物形式存在，只有在Mn低S高

39、时才有可能形成硫共晶Mn增加并细化珠光体，提高强度与硬度，但Mn过高，易形成碳化物。降低韧性。灰铁中S以0.06%0.12%为宜，过高则形成硫化物与硫共晶。降低强度，过低不利于孕育P少量溶于铁素体与渗碳体主要以二元，三元磷共晶形式存在P高，形成的磷共晶分布于晶界，降低性能。耐磨铸铁中有较多的磷共晶，提高耐磨性2.石墨化，石墨化元素，反石墨化元素铸铁中，过饱和的碳以石墨形态析出的过程称为石墨化，凡是促使铁液按Fe-C（石墨）系进行共晶转变的元素称为石墨化元素，凡是促使铁液按Fe-Fe3C系进行共晶转变的元素称为反石墨化元素。3.化学成分中各元素对石墨化能力的影响表1-14为化学成分中各元素对石墨

40、化能力的影响表1-14 各元素对石墨化能力的影响元素类别合金元素对石墨的影响共晶与共析阶段皆促进石墨化的元素-石墨化元素 C、Si、A1C、Si高，石墨粗大，反之则石墨细化，C、Si过低，产生D、E形过冷石墨共晶，共析阶段皆阻碍石墨化的元素-反石墨化元素Mn、S、Cr、V、H、N、Te、Sb细化石墨共晶微促进石墨化，共析阻碍石墨化的元素P、Ni、Cu、As、Sn细化石墨共晶阻碍石墨化，共析无影响的元素Bi细化石墨球化元素，共晶阻碍石墨化共析无影响的元素Mg、Ce变石墨为球状或蠕虫状4.石墨化元素，反石墨化元素对共晶温度的影响研究表明，凡是促使铁碳双重相图中两共晶线缩小或同时下移的元素皆是反石墨

41、化元素。凡是促使两系统共晶线扩大或同时上移的元素皆是石墨化元素。如表1-15所示表1-15 石墨化元素与反石墨化元素对共晶温度的影响元素类别合金元素对Fe-C(石墨).Fe-Fe3C共晶温度的影响石墨化元素使Fe-C(石墨)与Fe-Fe3C两共晶线扩大的元素 ：Si、Ni、Cu、Co使两系统共晶线同时上移的元素A1.Pt反石墨化元素使两系统共晶线缩小的元素Cr、V、Ti使两系统共晶线同时下移的元素Mn、Mo、W、P、Sn、Sb、Mg5.各元素对铸铁中偏析的影响（1）宏观偏析与微观偏析 宏观偏析是在宏观尺寸范围内的成分不均匀分布，微观偏析是在晶粒尺寸范围内的成分不均匀分布。铸铁的微观偏析比宏观偏

42、析明显，对铸铁的组织有着显著的影响。如Si高的地区易生成铁素体；Cr、Mo、Mn、V富集的地区易产生碳化物；P偏析的地方易形成磷共晶等。这些都对铸铁的性能产生重要的影响（2）偏析的特点近代对铸铁微观区的分析表明：在灰铸铁，球墨铸铁共晶团边界常富集Mn、Cr、Mo、V、W等形成碳化物的元素以及P、S、Sn、Sb、Bi、As等低熔点元素。这些富集在共晶团边界的元素称为正偏析元素。其特点是除P外皆是反石墨化元素；而在共晶团内部，则富集Si,Ni,Cu,Co,AL等元素。这些富集在共晶团内部的元素被称为反偏析元素，其特点是这些元素在共晶阶段皆是促进石墨化的元素。度量铸铁微观偏析的参数是偏析系数Ks.它

43、是元素在共晶团心部的浓度与共晶体边缘的浓度之比。Ks= 元素在共晶团心部的浓度元素在共晶团边缘的浓度定义 Ks=1 无偏析Ks<1 为正偏析Ks>1 为反偏析灰铸铁偏析的另一个特点是，在Fe-C(石墨)相图中凡是促使共晶线下移的元素皆是正偏析元素，如图1-9所示。凡是促使Fe-C（石墨）共晶线上移的元素皆是反偏析元素，如图1-10所示。有意思的是正偏析元素在共晶转变中皆是反石墨化的（除P外），反偏析元素在共晶转变中皆是促进石墨化元素。 无论是正偏析还是反偏析都对铸铁带来不利的影响。生产中常用控制合金成分，缩小铸件各部冷速差异，加强孕育，细化共晶团等措施来减轻偏析危害。6.各元素对基

44、体的影响各元素对基体的影响主要表现在珠光体与铁素体的相对量和珠光体的细化程度上。某些高含量的合金则促使贝氏体、马氏体及奥氏体基体的产生。其影响见表1-16表1-16 各元素对基体的影响条件对基体的影响C,Si,Al增高铁素体增加Mn,Cr,Cu,Ni,Sn,Sb（一定范围内）珠光体增加并细化Mo珠光体细化Cu,Ni,Mo（一定范围内）中温转变时促使奥氏体转变为贝氏体中Mn（质量分数为5%-7%）形成马氏体高Mn,高Ni形成奥氏体7.各元素在铸铁中的具体作用 见表1-17表1-17 各元素在铸铁中主要作用与用途合金元素含量（质量分数%）主要作用主要用途铜（Cu）05%-1.5%1.共晶时促进石墨

45、化，减少白口2.共析时阻碍石墨化，增加珠光体1.细化与增加珠光体2.与Cr,Sb等合用时，可抵消其白口倾向铬(Cr)02%-1.0%反石墨化较强烈，在共晶时增加白口倾向，在共析时增加珠光体。含量增加时形成白口组织与碳化物1灰铸铁中加入0.2-0.3%铬，可细化石墨，增加珠光体，提高强度2在抗磨白口铸铁中含Cr量高，形成碳化物，提高耐磨性镍（Ni）分三档Ni<3.0%Ni3%-8%Ni>12%1.共晶促进石墨化，共析阻碍石墨化，细化并稳定珠光体2.扩大奥氏体区1Ni=0.5%-2.0%,增加并细化珠光体2Ni=3%-8%,形成马氏体，用于抗磨材料3Ni>12%，形成奥氏体铸铁,

46、主要用于做耐腐蚀材料，无磁性材料等钼（Mo）0.3%-1.0%1.阻碍石墨化作用平和，细化珠光体作用强2.球墨铸铁等温淬火时,钼可使材质具有良好的淬透性3钼易形成碳化物1.细珠光体作用强,可大幅度提高铸铁强度,改善大断面性能，但含量不可过高，以免形成过多的碳化物2.常在等温淬火球墨铸铁中应用,促进奥氏体向贝氏体的转变，尤其对厚断面铸件尤为重要钒（V）0.1%-0.4%强烈阻碍石墨化与促进碳化物形成,细化珠光体,细化石墨1.能显著提高铸铁强度，硬度2.与Ti合用，形成碳氮钒钛化合物的硬质点，提高耐磨性钛（Ti）0.05%-0.15%1.轻微促进石墨化,与微量钒共同加入铸铁中，有细化石墨作用2.T

47、i加入铁液中，促进D型石墨的形成3.Ti可抵制氮的有害作用4.易形成碳化物，以TiC形式存在，有极高的硬度（3200HV） 1.与V合用，生产钒钛耐磨铸铁2.用Ti生产D形石墨灰铸铁3.可消除铸件中的氮气孔微量锡（Sn ）0.02-0.10%1阻碍石墨化，稳定与细化珠光体2.当Sn>0.10%时,在灰铸铁中会产生脆性，在球墨铸铁中出现反球化，石墨畸变成线点状稳定与细化珠光体。显著提高强度与硬度，改善大断面性能，加0.04%Sb可消除铁素体获铸态珠光体，加0.06%0.10%时，可使64mm的厚断面获铸态珠光体续合金元素含量（质量分数%）主用作用主用用途微量锑（Sb）灰铸件：0.02%0.

48、06%， 球墨铸铁：0.002%0.006%1.强烈反对石墨化与促进珠光体。2.球墨铸件中，可使石墨球细小，圆整1.增加与细化珠光体，增加强度，硬度，尤其在大断面的铸件中，减少断面敏感性2.在大断面球铁中，使球墨细小，圆整，但必须有稀土元素同在1.6.2冷却速度的影响生产中发现，即使是完全相同的化学成分的铸铁，但冷却速度不同，则在共晶与共析阶段得到的组织也不相同。因此，通过对冷却速度的控制也可控制铸铁的组织与性能。1.冷却速度与过冷度（1）冷却曲线冷却曲线可浅析地反映铸铁合金凝固结晶的情况，图1-11为亚共晶灰铸铁的实际冷却曲线图中TGL初生奥氏体析出的温度Ten共晶开始成核温度Teu共晶开始

49、成长温度Ter共晶凝固最高温度，称共晶平台T1=Ten-Teu 绝对过冷度T2=Ter-Teu 相对过冷度Ts凝固结束温度图1-11 亚共晶灰铸铁的冷却曲线 （2）过冷度铸铁在凝固结晶时，其结晶的温度总是低于相图上的结晶温度，铸铁的实际结晶温度与相图上的结晶温度的差值被称为过冷度，其单位是。冷却速度是指铸型散热能力的大小，散热速度快，则铁液在单位时间内温度下降的快，冷却速度的单位是/min。因此，过冷度与冷却速度不是一个概念，但却有一定关系。即冷却速度越大，过冷度也越大。生产中指的过冷度是绝对过冷度，不可与相对过冷度混淆。表1-18为不同铸型材料的冷却速度。表1-19 为冷却速度与过冷度的关系

50、。表1-18 不同铸型材料的冷却速度试棒直径（mm）平均冷却速度（/min）预热型（250300）干砂型湿砂型金属309.112.020.5353000.51.21.72.3表1-19 冷却速度与共晶过冷度的关系冷却速度/min165697158319383共晶过冷度820273644462.冷却速度对铸铁共晶转变的影响化学成分选定后，变动铸铁共晶阶段的冷却速度，其铸态组织受其影响而相应改变。表1-20显示了过冷度从小到大，其铸铁共晶组织发生的变化过程。表1-20 过冷度对铸铁共晶组织的影响类别特征冷却曲线共晶组织灰口铸铁1.过冷度不大，过冷度T在Fe-Fe3C共晶线tEM之上。2.teu、t

51、er、tes皆在Fe-C（石墨）与Fe-Fe3C两共晶线之间，结晶过程全部在两共晶线之间完成，组织为灰口灰铸铁冷却曲线tEGFe-C(石墨)共晶线tEMFe-Fe3C共晶线tes凝固终了温度1、奥氏体+石墨；在此范围内，随着过冷度增加，石墨逐渐由A型B型D.E型转化，同时，石墨化作用减弱，石墨数量减少，石墨细化，共晶团数量增加麻口铸铁1.过冷度较大，过冷度T降到Fe-Fe3C线下,共晶初期结晶为白口组织（莱氏体），随后升至Fe-Fe3C共晶线以上结晶，结晶后期为灰口组织。见图（a）2.麻口另一种情况是先期在两晶线之间结晶，结晶为灰口组织。而结晶后期在Fe-Fe3C共晶线以下进行，即结晶终了在tEM之下，形成碳化物。故结晶后期为白口组织。见图（b）麻口铸铁冷却曲线1.奥氏体+渗碳体+石墨2.奥氏体+石墨+碳化物白口铸铁在更大的过冷度下，结晶全部在Fe-Fe3C共晶线tEM以下进行，冷却曲线中的teu、ter、tes皆在Fe-Fe3C的共晶线tEM之下，共晶组织全部为白口的莱氏体组织。白口铸铁冷却曲线莱氏体（奥氏体+渗碳体）从表中的冷却曲线中看出：过冷度是影响铸态结晶组织的重要参数。过冷度越小，则越不易