铸铁基础知识(一)灰铁

1、2.1-1铁碳合金双盧相图G石墨；FejC渗碳体什么叫铸铁?铸铁是指碳的质量分数大丁 2.14%或者组织中具有共晶 组织的铁碳合金。工业上所用的铸铁，实际上都不是简单的 铁碳二元合金，而是以铁、碳、硅主要元素的多元合金。铸铁的成分范围大致为(C) = 2.4%4.0% w (Si)66% 3.0% 中侧(Mn) =62% 1.2%,体(P) = 0,04% 1.2%, w (S) =0.04% 0,20%o有时还可参加各种合 金元素，以便获得能满足各种性能要求的合金铸铁。铸铁在国民生产中的地位 铸铁是近代工业生产中应用最为广泛的一种铸造金属材料。在机械制造、冶金矿山、石油化工、交通运输和国防工

2、业等各部门中*铸铁件约占整个机器重量的45%-90%。因 此，掌握铸铁的根本理论和生产技术，对于开展铸造生产, 充分发挥铸铁件在国民经济各部门中的作用.是很有意义的。铸铁的分类灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁、可锻铸铁灰铸铁牌号国家标准(GB/T 94391988)中规定，我国灰铸铁的牌 号按单铸30 mm试棒的抗拉强度值划分为六级(表2,hl7)3 这和旧标准有两点不同，规定不以抗弯强度分级，且对各牌 号的卜限进行了规定，这就等效采用了国际ISO标准。表 N亠T7 按单铸试悻性離分粪牌今抗拉简鱼i-rrioo1OO250i-rri5150FT 300300hnzcoNJO35注： 验收小.也牌号的

3、施铃铁. 真抗拉弓虽丿It应在 池-(n + KM)M*a白勺范闺内口当铸件壁厚超过20 mm,质量乂超过200 kg时，对特殊 要求的铸件，经供需双方同意，也可釆用两种附铸试棒之一 的抗拉强度来验收(见表2.hl8)o表2.1-18 附铸试棒块的力学性能牌号铸件壁厚/mm抗拉强度 九阳m附铸试棒1附诗试块2铸件W030 mm050 rom/f 15 JiunR25 mm仅供参考irri5020401301201204080115J15J1010580150105-100901503001009080#12002040180-1701654080160155 1454

4、0130150300135130120HT25O2040220210205408020019019011 -18080150180170165150300165160150in3oo2040260250245405023523022521580150-210s200195150300=195185180HT35020403002902854080270265260-25580150240230225150 |300-215210205注：1. HT100牌号的灰铸铁件在原断面处强度太低，实用价值 不大，故国标未规定。2.当铸件壁厚超过300 mm时*苴力学性能应由洪需双方 协商解次。3-方括号

5、内的数值仅适于铸件壁厚大于试样直径时使用口实际铸件本体的强度及硬度都要比单铸试棒的低因 此、工业兴旺国家自20世纪70年代以来，相继提岀了以铸件本体性能指标作为验收的标准，但国内一般都以试棒为验 收标准Y这就给铸造工作者带来了技术上的难度因此*过 去生产同一牌号铸铁，采用同一化学成分而不管铸件种类和 壁厚的做法必须改变纤表2.1-20 虑到壁厚影响时.化 学成分的选取范围同一铸件有不同壁厚时，按关键部位的 壁厚选定。表220不同壁障灰铸铁的成分铸铁牌号303.4-362.25302,0-2382.24033,53,2-3.43J-3.30.6-0.8403.0-3,21,4 1.6HI300

6、15 1.7HTI350H14O0S)|.a.m.H |.g.A B aM M . I252.9-3JL2- 1.60.40.60.300. 120.8- L20.250J20.200J00.15.100J5JO注；爲于HI250的牌号*是通过孕育处理得到的烏灰铸铁的金相组织灰铸铁的金相组织由金属基体和片状石墨组成。金属基 体的种类主要有珠光体、铁素体及珠光体加铁素体三种力石 墨片以不同的数趙、大小、形狀分布于基体中第此外，还有 少量非金属夹杂物，如硫化物、磷化物等口0石墨的形态与分布石墨是灰铸铁中的碳以游离状态存在的一种形式.它与天然石墨没有什么差异，仅有微量 杂质存在其中其特性是软而脆-强

7、度极低仇：20肝认 伸长率近于零人密度约2.25 g/em3,约为铁的1/3再即约 3% 质量比的游离碳就可以在铸铁中形成占体积约10% 的石墨和致使金属基体强度得不到充分的发挥，故常把灰铸 铁看作为有大量微小裂纹或琵涧的碳钢农；B 1002石长7550- KX)3石长3825-504I石长18 12-255石长9:6- 126石长4.5 3 6?石长2 1.5-3S石长1.5. 1W L5片状石墨的分布形态与铸铁的过冷度有关，随着过冷度 增大亚共晶灰铸铁的片状石墨可以人B. D. E等不同分 布的形态岀现，它们对铸铁的力学性能有很大的影响，按照表2. V23不同形态石墨的形成条件石墨类型I形

8、成条件石墨类型形城条件A石墨成核能力强? 冷却速搜慢甲过冷 度小1EIwi-一-厂皿m n吐亠二“ 1 5 r .u碳当就较形成D 1型时更低但冷速 较慢*共晶凝固时 液体数景已很少* 故呈方向性分布 取决于初析奥氏 休D.碳当量低*成核 条件差，初析奧氏 体多，冷却速度快孩 过冷度大一:.-C过共晶成分十慢 冷时形成的初析石 墨:B 1.实质上中心是D! 型，外围是A型，； 开始时过冷大，成 核条件差、先析岀 。熨，后期放出凝 固潜热残过冷减小| 而析岀A型过共鶴成分第快 冷时形成,如活塞 环中常出现F墩石 墨2基体灰铸铁的金属基体与碳钢相比一般没有多大 区别，但由于灰铸铁内的硅、猛含量较高

9、*它们能溶解于铁 素体中使铁素体得到强化*硅的作用更大些因此铸铁中 的金属基体局部的强度性能比碳钢的要高辽例如,碳钢中的 铁素体的硬度约为80 HBS,怎约为300 MPa,而灰铸铁中的 铁素体的硬度约为100 HBS,无那么有40 MPa.珠光体的数量和分散度与铸铁共折转变时的过冷度有 关。过漆度越大如降低碳当量，增加冷却速度人那么珠光 体的比例越高，分散度也越大心普通灰铸铁的金属基体是由 珠光体与铁素体按不同比例组成的其分布特征是铁素体大 多出现在石墨的周围.高强度灰铸铁那么主要是珠光体基体或 索氏体基体G此时.渗碳体与铁素体的片间距很小.般小 于03- 0.87an,要放大400倍以上才

10、能分辨出来由于这 种层状组织排列紧密，因此其乃及硬度值也就较高。fr铁素体与珠光体基体灰铸铁的金相组织如图2.1-51所 示。珠光体是铁囊体和渗碳体片层相间、交替排列的组织， 按其片层间距大小，可分为4级见表2仁24,金相组织 见图2.1-52珠光体数量珠光体+铁寒体=1CX%,按簿 壁件、厚壁件两组分八级进行评定见表2.1-25和图2丄 33。时找索体E曲珠吒体2.1-24珠光棒片间鹿分类说耶霁ft砥m1窮氏休珠丘休旅;fc储时.税常倬网瀋中爭片狀珠托体枚丈501傭时+片间时大I mTi2地片状珠光体枚大500信吋，片闾距小于薛f 1他，14粗片收良丘库故大500借时片向即丈于2 mm级别名

11、称珠光休数量(体积分数)/%|级别严小 J 1名称；珠光体数量k体积分数)/%1珠985L. 诛707565211“珠9598-956珠6065-553珠9095-857珠50 55 “ 454珠8085-758 珠40i45(a)(b)细片状珠光休(c)中等卄状球比谏IS 2.1-52珠光体片间距 kSW(d)怕片状殊光体表 2,1-25珠光体数讒分级除基体和石墨外.铸铁中尚有一定数量的非金属夹杂 物.最常见的有硫化夹杂物及磷共晶体。灰铸铁的力学性能I抗拉强度 铸铁和钢具有根本相同的基体组织.只 是基体数量稍有不同而已，但是两者的强度性能差异很大* 这主要由于有石墨存在的缘故。由于石墨几乎没

12、有强度，又 因为石墨好象是存在于铸铁中的裂口，所以，一方面由于它 在铸铁中占有二定量的体积申使金廣基体承受负荷的有效截 面积减少；而更为重要的是衣在承受负荷时造成应力集中现 象n前者称为石墨的缩减作用，可后者称为石墨的缺口作用 切割作用人由于石墨的存在所造成的这两令作用，使铸铁 的金属基体的强度不能充分发挥。拯统计*普通灰铸铁基体 强度的利用率一般只有30% - 50% ,因此表现出了灰铸铁的 抗拉强度很低。此外，由于石墨存在而造成的严讚应力集中 现象，导致裂纹的早期发生并开展，因而岀现脆性断裂，故 蕨铸铁的塑性和韧性几乎表现不岀来很明显*石墨的切割 作用对基体的危害比缩减作用要强烈得多。爰2

13、丄一26石墨形状对珠光体灰铸铁抗拉强度的影响3_ -E- - - -“,5 n,河 1 , _ J .m .一_石墨形状长片状 普通灰铸铁细片状 f孕育灰蠕虫状蠕虫状石 墨铸铁r团舉状 i可锻铸鉄球状 球墨铸铁扌亢拉强度150-250200-400350 500450 700.600 8005硬度硬度在一定条件下可表示灰铸铁的强度大小. 耐磨性上下以及切削性能的好坏。灰铸铁的硬度值住石墨和基体两者硬度值之间，它的大 小在很大程度上取决于石墨的形状、分布和数量。表2.1-29 说明，尽管基体硬度相近徉铸铁的硬度随总碳量的降低或石 墨由A型转变为I型都有明显的提高。早期人们认为硬度和抗拉强度之间呈

14、线性关系，但实际 上并非如此，如图2J-59所示口由于石墨的存在，两者之间 的关系和钢是不同的。2*1-59布氏硬度和抗拉强度的关系提高硬度有利于材质耐磨性的提高，但两者之间也没有 明确的关系乜抗拉强度和布氏硬度之比m=HBS 是评述荻铸铁切削性能的指标。m值大说明在较高强度时, 硬度值相对较低，从而有良好的切削性能。有的单位取 肌二1-1.4作为灰铸铁的内控指标，办单位为MPa.灰铸铁的使用性能5)致密性 石墨的存在破坏了基体的连续性和致密性口 为此灰铸铁的致密性在很大程度上取决于石墨的形状和数量。导致石墨数量增多、粗大以及缩孔、缩松、粗晶组织形成的因素都会降低致密性。添加少量合金元素的灰铸

15、铁具有较高的渗漏压力。影响灰铸铁致密性的主要因素有：石墨 石墨越长, 越易渗漏；石墨长度和宽度之比E/D增加，致密性下降;石墨数量增多，致密性下降；基体11=珠光体基体不易渗漏；共晶团 孕育过度，共晶团数太高(尤其是厚壁处), 或晶粒过分粗大都易造成渗漏；化学成分碳量低可导致 宏观缩松引起渗漏门碳量高使石墨过多*尤其在型芯刚度不 够时，会因石墨膨胀而引起显微缩松。w(C)控制在33.4%为宜；硅和碳以碳当量形式出现，作用规律和碳相似; 磷形成磷共晶聚集于晶界和热节处造成粗聶和疏松而渗漏, 应控制w(P)在0.06%以下；猛增加抗渗透能力；硫高镒低 会降低致密性；铜、锯、银合金元素能减少共晶石墨

16、，细化 石墨，稳定珠光体，含量适宜有利于提高致密性。提高灰铸铁性能的方法为提高灰铸铁的性能，常采用以下几种措施：选择合理的化学成分.改变炉料组成.过热处理铁液，孕育处理，微 量或低合金化口采取何种措施取决于所要求的性能及生产条 件，往往同时采取两种以上的措施。(1) 化学成分的合理选取1)碳、硅及硅碳比灰铸铁碳的质量分数大多为2.6% -3-6%,硅的质量分数为1.2% -3.0%,碳硅都是强烈地促 进石墨化的元素可用碳当量CE来说明它们对灰铸铁金相组织和力学性能的影响。提髙碳当量促使石墨片变粗、数量 增多，强度和硬度下降。降低碳当量可减少石墨数量、细化增加初析奥氏体枝晶量,是提高灰铸铁力学性

17、能时常采取的措施。但降低碳当量会导致铸造性能的降低、铸件断 面敏感性增大、铸件内应力增加、硬度上升加工困难等问题，因此必须辅以其他的措施在碳当量保持不变的条件下，适当提高Si/C比一般 质量比由05左右提高至0.7左右，在凝固特性、组织结 构与材质性能方面有以下变化。组织中初析奥氏体数量增 多*有加固基体作用门由于总碳量的降低石墨量相应减 少*减轻r石墨片对基体的切割作用。固溶于铁素体中的 硅量增多*强化了铁素体包括珠光体中的铁素体。提 高了共析转变温度一珠光体在较高温度下生成，易粗化，对 强度会起负面影响。降低了奥氏体的含碳量.使奥氏体在 共析转变时易生成铁素体。硅高碳低情况易使铸件表 层产

18、生过冷石墨并伴随有大量铁素体*有利于切削加工，但 不加工面的性能有所削弱。提高了液相线凝固温度，降低 了共晶温度*扩大了凝固范围，降低了铁液流动性、增大了 缩松渗漏倾向田囹268可见，在不同碳当量条件下，Si/C变化对强 度的影响是不同的口在碳当量较低时*适当提高Si/C.强度 有所提高.并在质量比Si/C = 0.75 0.80时出现强度峰值,体数量的减少。而在较高碳当量一般超过 3.9% -4,1%切削性能有较大改善，但要注意缩松渗漏倾向的增加和珠光加，反而使抗拉强度下降。此时提高硅碳比仍具有减少白口时提高Si/C,由于片状石墨尺寸的增大和铁素体数量的增isi/c3.73.S3.94.04

19、J 4.2CE/% 2*1-69硅碳比与白口倾向的关系O 9 & 7 6 5 4 3 2 E-Fsf 弼 口口0.4 Q.s oe oS os_o i：biJSl;C倾向的优点见图2.169，适用于性能要求不高的薄壁铸 件的铸造。图2.m 硅碳比对抗拉强度的彩响l-CE = 3.42%3.70%； 2-CE = 3.7|%-3U詔別 “血樹 IE二4.06% r 4.34辔2孕育处理把孕育剂参加铁液中去，以改变铁液的冶金状态，从而 改善铸铁的组织的和性能，而这种改变往往难以用化学成分 的细微变化来解释。随着孕育剂及孕育方法的不断开展，孕 育处理环节已成为重要铸件生产时不可缺少的手段。1孕育处理

20、的目的 孕育目的在于促进石墨化，降低 白口倾向；降低断面敏感性；控制石墨形态，消除过冷石 墨；适当增高共晶团数和促进细片状珠光体的形成，从而达 到改善铸铁的强度性能及其他性能如致密性、耐磨性及切 削性能等的目的。2生产孕育铸铁的主要条件 选择适宜的化学成分 根据铸件要求，从不同的资 料中手册、工厂经验数据等筛选出合理的化学成分如 CE. Si/C. Mn%s要否参加合金元素等。传统的观点是孕育 前有淀的过冷倾向.经过孕育处理后那么白口倾向降低，使 铸件凝固时可完全进入灰口区域即所谓临界状态的碳、硅 成分。与一般灰铸铁相比可选定较高的猛量如质量分数 可高至1.2% 1.50%,以保证并细化珠光体。磷的含量视 需要而定，缸套、床身等可选较高磷量如加P =0.4%- 1*0%,而一般灰铁件那么不宜过高如朝P Ni、Sri . Sb(-定虽内)珠龙体堵血并细化Mo珠光休细化提為 Cu. Ni . Mo可出现中温转变产物贝氏体it1 ( Mil)=( 5