铸铁及其熔炼-第二章教材课件

铸铁及其熔炼

第二章灰铸铁

王悔改主讲铸铁及其熔炼

第二章灰铸铁

王悔改主讲第一节灰铸铁金相组织和力学性能特点一.灰铸铁金相组织特点灰铸铁组织是由金属基体加片状石墨组成的。石墨是灰铸铁中碳以游离态存在的一种形式，石墨的分布形态及尺寸是决定灰铸铁性能的重要因素，而石墨形态和尺寸则主要是由石墨的形成条件，即形核程度及长大条件所决定。1.片状石墨的分布类型及形成条件图2-1A型石墨①均匀分布无方向性的片状石墨（A型）冷却速度较低的情况下形成的。存在于石墨-奥氏体共晶团内，分布比较均匀。由于冷速较低，结晶过程缓慢，故热流的方向性对晶体的生长影响不明显，石墨片的生长方向和个体尺寸不规则。碳当量高、生长慢、共晶过冷度低时，片体粗大。第一节灰铸铁金相组织和力学性能特点一.灰铸铁金相组织特点图2-2B型石墨

②菊花状石墨（B型）冷速较大时形成的。共晶开始阶段，G分枝多而密，随着共晶转变中结晶潜热的释放，外层G片沿热流方向伸展较长，随着热流方向性减弱，外围G生长进一步减缓而呈蜷曲状。对基体的削弱作用大于A型G。图2-3C型石墨

③块片状石墨（C型）过共晶铁液在小的过冷度下形成的，常称为初生石墨。液相中碳的来源充足，而且石墨的形成不受其他固相阻碍，结晶条件较好，晶体能充分发育，形成枝晶形态的分枝。石墨片体比较粗大，对基体有严重的削弱作用。图2-2B型石墨②菊花状石墨（B型）图2-4D型石墨

④枝晶点状石墨（D型）初生奥氏体结晶温度范围宽，液相处于较高的共晶过冷条件下，由充分发育的奥氏体枝晶间熔液进行共晶转变而析出的点状或细片状石墨。这是一种细小的过冷石墨，分枝频繁，普遍发生弯曲、扭转、片体尺寸小，分散度高，没有明显的方向性。图2-5E型石墨⑤枝晶片状石墨（E型）亚共晶铁液在小的过冷度下形成的。共晶之前析出初生奥氏体，残留在奥氏体枝晶间的铁液在共晶转变中沿奥氏体枝晶方向析出而形成有方向性的石墨。由于冷速较低，因此G片比D型大。图2-4D型石墨④枝晶点状石墨（D型）图2-6F型石墨⑥星状石墨（F型）过共晶铁液在大的冷速下形成的。星状石墨中心的大块状G为初生G，由于冷速较大，初生G不能长大，而共晶G则以初生G为依附沿辐射方向生长。2.基体组织

基体是由不同比例的珠光体和铁素体组成。有些情况下，还存在一定量的磷共晶、碳化物及硫化夹杂物等。磷共晶呈网状、孤立岛状或鱼骨状，硬而脆，使铸铁的韧性降低，脆性增加。硫以FeS形式完全溶解在铁液中，但凝固时S在固溶体或渗碳体中的溶解度小，会形成独立的硫化物，存在于共晶团晶界上，使铸铁的强度低。图2-6F型石墨⑥星状石墨（F型）二.力学性能特点1.强度性能

灰铸铁的强度性能由石墨形态、尺寸和基体中珠光体和铁素体的比例等因素所决定。①石墨的作用

a.缩减作用：石墨在铸铁中占有一定的体积，几乎没有强度，是金属基体的有效承载截面积减小。主要取决于石墨的大小、数量和分布，以数量为主。数量越多，尺寸越大，缩减程度越大，铸铁的强度和塑韧性降低越严重。

b.缺口作用：石墨的片端好像是存在于铸铁中的裂口，在承受负荷时造成应力集中，导致裂纹的早期产生并发展，出现脆性断裂，使灰铁的塑韧性几乎表现不出来。主要取决于石墨的形状和分布，尤以形状为主，如为片状石墨则主要取决于石墨片的尖锐程度，通常可以用石墨的表面积与体积之比来说明。尖锐程度越大，造成应力集中越严重，强度越低。因此，可通过改变G的形态来提高铸铁的力学性能。二.力学性能特点1.强度性能灰铸铁的强度性能由②基体的作用

铁素体较软，强度较低；珠光体有较高的强度和硬度，但塑韧性较铁素体低。因此，基体的强度随着珠光体含量的增加和分散度的增大而增大。

③共晶团的作用细化共晶团，可使铸铁的强度提高。2.硬度灰铸铁的硬度决定于基体，珠光体硬度较高。因此，随着珠光体含量的增加和分散度的增大，铸铁的硬度增大。3.缺口敏感性石墨片的存在已在基体上形成大量的缺口，所以外来缺口（铸件上的孔洞、键槽、非金属夹杂等）对灰铸铁的疲劳强度影响甚微，使铸铁的缺口敏感性降低，提高了零件工作的可靠性。随着石墨细化或石墨形态的改变，敏感性可能提高。②基体的作用铁素体较软，强度4.良好的减震性和减摩性石墨具有缓冲作用，能阻止振动能量的传播；石墨是润滑剂，脱落在摩擦面上，使灰铁摩擦面上形成大量显微凹坑，起到储存润滑油的作用，使摩擦面上保持油膜连续。4.良好的减震性和减摩性石墨具有缓冲作用，第二节影响铸铁铸态组织的因素一.冷却速度的影响当化学成分一定时，改变冷却速度，可在很大的范围内改变铸铁的铸态组织。冷却速度对铸铁结晶过程的影响主要在于对相变过程中原子扩散的影响。图2-7冷却速度对铸铁凝固组织影响示意图第二节影响铸铁铸态组织的因素一.冷却速度的影响当化共晶转变：若冷速很小，则在该温度下有较长的转变时间，有条件进行碳原子的充分扩散，使转变倾向于按石墨共晶方式进行。因此，具有一定硅、碳含量的铁液在共晶转变中，可因冷速不同而生成白口或灰口铸铁。共析转变：在固态下进行，碳原子的扩散速率比共晶转变中的扩散速率要低得多，需要很低的冷速才能完成奥氏体向石墨的转变。因此，在实际铸铁组织中，白口基体为珠光体，灰口基体为不同比例的珠光体和铁素体。图2-8形成晶间碳化物示意图共晶转变：若冷速很小，则在该温度下有较长的转变时间，有条件共3.冷却速度的影响因素

①铸件壁厚越大，冷速越慢；图2-9铸件壁厚对组织的影响3.冷却速度的影响因素①铸件壁厚越大，冷速越慢

②铸件模数越大，冷速越慢；

③浇注温度越高，冷速越慢。

铸件模数M=V/A，表示单位面积占有的体积量，体现铸件的散热能力。M越大，散热能力越差，冷却速度越小；反之，冷却速度越大。二.化学成分的影响主要化学元素C、Si、Mn、S、P对铸铁的铸态组织都有一定的影响，其中对石墨的结晶过程起主要作用的是C、Si。C、Si

①存在状态

C是形成石墨的元素，Si全溶于奥氏体或铁素体中（即固溶于基体中）。②铸件模数越大，冷速越慢；③浇注温度越高图2-10硅含量与铸铁组织的关系图2-11铸铁中硅含量与强度的关系图2-10硅含量与铸铁组织的关系图2-11铸铁中硅含量与

②对共晶温度的影响Si提高稳定系的共晶温度，降低亚稳系的共晶温度，因此扩大两个系统的共晶温度间隔，使转变按稳定系进行。

③对石墨化的影响

a.碳含量越高，形成石墨核心越容易，扩散和聚集越容易，使转变按稳定系进行。奥氏体和石墨共晶转变后形成的组织中G较多，为共析转变中G的析出提供了更多的形核基底，促进石墨化。

b.硅促进石墨化，同时能提高铁液中C的活度，促进灰口组织的形成。④对基体的影响

C、Si增加使基体中铁素体的含量增加，铸铁的强度性能降低。

因此，工业上常用的灰铸铁中C、Si含量控制如下：

WC=2.7-3.8%，WSi=1.4-2.1%，CE=3.2-4.3%，SC=0.75-1.0%。②对共晶温度的影响Si提高稳定系的共晶温度2.Mn可全溶于奥氏体中，降低共晶和共析转变温度，较弱的阻碍石墨化。但在奥氏体分解（共析转变）过程中却促使珠光体的形成，使珠光体含量增加，强化基体。含Mn量的选择应使其在稳定珠光体方面起有利作用，同时又达不到阻碍共晶石墨化的程度。WMn=0.5-1.2%。3.S

①在奥氏体中的溶解度极低，能溶解在铁液中形成FeS，与其他元素化合成MnS、MgS等。③S降低稳定系的共晶温度，阻止石墨的析出，使转变按亚稳系进行，同时使初生奥氏体和共晶奥氏体粗化。当硫含量很高时，形成硫共晶，降低铸铁的性能，故应限制铸铁中的含硫量。WS=0.03-0.12%。

②S对石墨形态影响：硫含量较高时石墨呈片状，反之呈球状或团状。2.Mn可全溶于奥氏体中，降低共晶和共析转变温度4.P

在奥氏体中溶解度极低，且有严重的结晶偏析倾向，当含量不高（﹤0.05%）时，形成磷共晶，使铸铁的脆性增加，但P有促进共晶石墨化的作用。WP﹤0.3%。5.其他合金元素图2-12合金元素对Fe-G、Fe-Fe3C共晶平衡温度的影响4.P在奥氏体中溶解度极低，且有严重的结晶偏析倾图2-13硅、镍、铬、硫对共晶温度的影响图2-13硅、镍、铬、硫对共晶温度的影响三.炉料的影响◆炉料的遗传性当由一种炉料换成另一种炉料时，虽然铁液的基本成分并未改变，但铸铁的组织，包括石墨化程度、白口倾向及石墨形态和基体组成却发生了变化，这种变化的原因来自炉料，称为炉料的遗传性。在铸铁生产中，炉料对铸铁组织的影响来自下述几方面原因。

综上，C和Si是灰铸铁的基本成分；Mn含量一般较低，影响不大；P、S常被看作杂质，应加以限制。为改善铸铁的某些性能，可分别加入其他的一些合金元素。三.炉料的影响◆炉料的遗传性当由一种炉料换成另一种炉1.生铁中石墨的遗传性某些生铁中Si、C含量较高，组织中有粗大的初生石墨。重熔时，由于石墨熔点较高，铁液在炉中停留的时间较短，因此，粗大的石墨来不及完全溶解在铁液中，而在铁液凝固过程中，残留的石墨作为石墨析出的晶芽而继续长大，故有时在亚共晶铁液中出现粗大的初生石墨，这是由于生铁中石墨的遗传性所致。2.铁料中的微量合金元素Pb、Sb、Ti、Bi等，会使铸铁的结晶过程产生明显的过冷，或生成不正常的形态，甚至促进白口组织的形成。四.铁液过热和高温静置的影响

铁液过热的温度越高，高温静置的时间越长，铁液中残留的石墨溶解而消失掉，使石墨细化，铸铁的强度增加。

若进一步提高铁液的过热温度，铸铁的成核能力将降低，石墨的形态变差，甚至形成自由渗碳体，使铸铁的强度降低。1.生铁中石墨的遗传性某些生铁中Si、C含量较高

因此，存在一个临界的铁液过热温度，这取决于化学成分及冷却速度。一般在1500-1550℃。五.孕育的影响孕育处理：铁液浇注前，在一定条件下，向铁液中加入一定量的孕育剂以改变铁液的凝固过程，改善铸态组织，从而达到提高性能的目的的处理方法。1.加入孕育剂，在铁液中形成大量非均质石墨晶核，消除低共晶度铸铁在共晶转变过程中的白口倾向，使其结晶成为具有良好石墨形态的灰口铸铁。2.改善石墨的形态，使D型石墨向A型石墨转变，获得细片状珠光体基体，强度性能提高。3.减小铸件上由壁厚差产生的组织和性能上的差别，提高组织的均一性。因此，存在一个临界的铁液过热温度，这取决于化学成分六.气体的影响1.H：使石墨变粗，稳定渗碳体，阻碍石墨化。随着H含量增加，铸铁的力学性能和铸造性能下降。2.N：阻碍石墨化，稳定渗碳体，促进D型（枝晶点状）石墨的形成，稳定珠光体，提高铸铁的强度。3.O：阻碍石墨化，增大白口倾向。随着O含量的增加，铸铁断面敏感性提高，易形成气孔，同时还增加孕育剂和变质剂的消耗量。六.气体的影响1.H：使石墨变粗，稳定渗碳体，阻碍石墨化第三节灰铸铁的铸造性能一.流动性（铁液的充型能力）1.流动性分析

①含有高碳、硅的铁液具有低的黏度和表面张力，流动性好。②亚共晶HT的化学成分偏离共晶成分不远，结晶温度范围较小，初生奥氏体枝晶不发达，因而铁液能保持较长的流动时间，越接近共晶成分，液相线温度越低，流动性就越好。2.流动性的影响因素

①化学成分a.C、Si影响共晶度。当Sc﹤1（亚共晶），增加C、Si含量使共晶度增加，铁液成分越靠近共晶成分，流动性越好；若Sc﹥1（过共晶），由于有初生石墨析出，流动性较差，降低C、Si含量，使流动性提高。第三节灰铸铁的铸造性能一.流动性（铁液的充型能力）1.b.Mn、S对Sc影响不大。在铁液中形成MnS，使铁液内摩擦增大，流动性降低；形成FeS，对流动性影响不大。c.P：使Sc增大，又能形成低熔点共晶体，降低铸铁液相线温度，流动性增加。

②浇注温度：温度越高，流动性越好。③铁液质量：净化铁液，去除气体、杂质，可提高流动性。二.缩孔缩松形成倾向缩孔缩松是合金在液态下和凝固期间产生的收缩引起的，即ε液+ε凝。产生原因

ε液是指从浇注温度到液相线温度之间发生的收缩。浇注温度越高，含碳量越高，液态收缩越大。

ε凝是指凝固期间发生的收缩及由于析出石墨而产生的膨胀量的总和。ε凝=6.9%-0.9C-2Gb.Mn、S对Sc影响不大。在铁液中形成MnS，

可以看出，碳含量越高，析出的石墨越多，凝固收缩越小。在凝固期间，每析出1%的G，体积将增加2%，在很大程度上抵消凝固期间的收缩量。同时，若含碳量增加，析出的石墨将增加，ε凝减少，甚至产生负值，即发生膨胀。因此，缩松缩孔的倾向主要和ε液+ε凝的大小有关。它们值越大，倾向也越大。因为合金的液态收缩和凝固收缩表现为合金体积的缩减，故常用单位体积收缩量来表示。对于C、Si含量较高的HT件和C、Si含量较低的薄壁HT件，都不需要用冒口进行补缩；而对于C、Si含量较低且壁厚的HT件，才设置冒口进行补缩。此外，铸型条件也是HT收缩应考虑的问题，相同条件下，湿砂型的收缩一般都大于干砂型的收缩。2.形成倾向铸件中的缩孔包括集中缩孔和分散缩孔（缩松）。HT的缩松形成倾向较小。

a.对于过共晶成分的HT，析出的石墨使得体积增加，收缩减小。

可以看出，碳含量越高，析出的石墨越多，凝固收缩越小。

b.对于亚共晶成分的HT，在凝固中初生奥氏体枝晶构成大量的枝晶间空隙，处于枝晶间的共晶成分铁液在发生共晶转变中，将因析出石墨而体积增大，其产生的体积膨胀力绝大多数直接作用在初生奥氏体枝晶或共晶团的液体上，并推动液体通过枝晶间的通道去补缩由于液态和固态收缩所形成的小孔洞，即具有“自补缩”作用。所以，HT件比较致密，即铸造性能好。合金种类含碳量

（%）浇注温度

/℃液态收缩

（%）凝固收缩

（%）固态收缩

（%）总体积收缩（%）碳素铸钢0.3516101.63.07.8612.46白口铸铁3.014002.44.25.4-6.312-12.9灰铸铁3.514003.50.13.3-4.26.9-7.8表2-1几种铁碳合金的体积收缩率b.对于亚共晶成分的HT，在凝固中初生奥三.固态收缩（线收缩）

在凝固后期，形成固相骨架之后，随着温度的降低，先有一段收缩，然后在骨架中间的铁液发生共晶转变，产生体积膨胀，待全部凝固后，随着温度的进一步降低又发生收缩，此后在共析转变期间又发生体积增加，共析转变完成后直到冷却至常温的过程中发生的收缩即为固态收缩。◆线收缩曲线分析1.凝固后期，HT有收缩前的膨胀阶段；2.凝固完毕后，三者均有珠光体前收缩阶段；共析转变中，三者均有二次膨胀现象，但白口铸铁和碳钢的膨胀量小，灰铁的膨胀量较大。三.固态收缩（线收缩）在凝固后期，形成固相骨架之后，合金种类灰铸铁可锻铸铁球墨铸铁碳素铸钢铝合金铜合金线收缩率（%）0.8-1.01.2-2.00.8-1.31.38-2.00.8-1.61.2-1.4表2-2常用铸造合金的线收缩率

合金的固态收缩不仅引起体积上的缩减，同时还使铸件在尺寸上减小，因此常用单位长度上的收缩量来表示。

这是由于共析过程中，奥氏体转变成珠光体或铁素体，奥氏体是面心立方结构，铁素体和珠光体是体心立方结构，面心立方的致密度要比体心立方高，或者说面心立方密度大，体心立方密度小，所以共析转变过程中体积要发生二次膨胀。此外，灰铁共析过程中生成铁素体时，还伴随着共析石墨的产生，因此，灰铁的二次膨胀量较大。合金种类灰铸铁可锻铸铁球墨铸铁碳素铸钢铝合金铜合金线收缩率（

①热应力：σ=E*ε②相变应力

由于铸件各部分冷却速度不同，以致在同一时期铸件各部分收缩不一致而引起。与线收缩系数有关，HT中有大量的石墨，因此线收缩小于白口铸铁和铸钢；同时灰铁的弹性模量小于白口铸铁和铸钢（实验表明，当材料中有夹杂、孔洞或人工缺口时，E降低，因为HT中的G像孔洞一样，因此，E较小），因此，热应力较小。HT经过共析转变，新旧两相在比容上相差不大，而且相变温度处于铸铁还有一定塑性的温度范围内，因此相变应力较小。铸造应力是热应力（约发生在550℃）、相变应力和收缩应力三者相互抵消或叠加的结果。1.铸造应力四.铸造应力和冷裂倾向①热应力：σ=E*ε②相变应力由于铸

综上，HT的铸造应力较小。冷裂①冷裂的产生原因

②减小冷裂倾向的措施当材料的铸造应力超过该材料的强度极限时，铸件产生冷裂。

铸件在固态收缩时，因受铸型、型芯、浇冒口等外力的阻碍而产生的应力称收缩应力。一般铸件冷却到弹性状态后，收缩受阻都会产生收缩应力。收缩应力常表现为拉应力。形成原因一经消除（如铸件落砂或去除浇口后）收缩应力也随之消失，因此收缩应力是一种临时应力。但在落砂前，如果铸件的收缩应力和热应力共同作用，使其瞬间应力大于铸件的抗拉强度时，铸件会产生热裂纹。③收缩应力综上，HT的铸造应力较小。冷裂①冷裂

a.碳当量：当碳当量增加时，能够促进石墨化，材料的铸造应力减小，冷裂倾向减小。

b.合金元素：S、P含量降低，脆性降低，铸件的冷裂倾向减小。

c.冷却条件：冷却速度降低时，能够促进石墨化，使铸造应力减小，从而使冷裂倾向减小。

d.落砂清理：对于薄壳铸件，采用单独的清理方式。a.碳当量：当碳当量增加时，能够促进石墨化第四节灰铸铁件的生产一.灰铸铁的牌号1.强度分级HT100HT150HT200HT250HT300HT350HT400等。分别对应：σb≧100，150，200，250，300，350，400MP等。

高于HT250是通过孕育处理得到的灰铁；同一牌号铸铁的生产必须考虑壁厚，如表2-9。2.硬度分级H145H175H195H215H235等。分别对应：HBS≦170，150-220，170-220，190-240，210-260等。HBS值波动在±25HBS范围内。第四节灰铸铁件的生产一.灰铸铁的牌号1.强度分级二.冶金质量的衡量标准1.成熟度及相对强度①成熟度RG=σb测/（1000-800Sc）

对于HT：0.5≦RG≦1.5。若RG﹤1，表示孕育效果不好，未能发挥材质的潜力，希望RG在1.15-1.3之间。②相对强度RZ=σb测/（2.27HBS-227）*100%要求60%﹤RZ﹤140%。2.硬化度及相对硬度①硬化度HG=HBS测/（530-344Sc）二.冶金质量的衡量标准1.成熟度及相对强度①成熟度RG=②相对硬度RH=HBS测/（100+0.44σb测）

RH在0.6-1.2之间，在0.8-1.0之间为佳。RH低表明HT强度高，硬度低，有良好的切削加工性。3.品质系数Qi=RG/HGQi在0.7-1.5之间，其中在1-1.5之间为佳。三.提高灰铸铁性能的途径1.化学成分的合理选择

当前国内外在HT化学成分方面的发展趋势是高的碳当量，即在达到高强度的前提下，采用尽量高的碳、硅含量。高的CE能使薄壁件的白口倾向减小，减小铸件的内应力，在同样强度条件下，由低CE转变为高CE，品质系数提高。为此，要选择合理的Si/C值。②相对硬度RH=HBS测/（100+0.44σb测）R通常要提高Si/C值，这对铸铁凝固过程特性、组织结构及性能有重要的影响。

①组织中初生奥氏体增多，初生石墨减少，有强化基体的作用（同时Si又能强化铁素体），使得铸铁的强度增加。②由于碳含量减少，因此石墨量降低，石墨的缩减和切割作用降低。③减小白口倾向，提高组织的均一性。④提高共析温度，使珠光体稍有粗化，强度降低。图2-7Si/C与σb的关系1-CE=3.6%-3.8%2-CE=3.8%-4.0%3-CE=4.0%-4.2%

图2-8Si/C与白口倾向的关系通常要提高Si/C值，这对铸铁凝固过程特性、组织结构及性2.孕育处理①目的②孕育剂的加入量和粒度

HT用孕育剂的主要成分是硅铁（WSi=75%）；加入量依铸件壁厚而定。

对于厚壁件，加入量为铁液重的0.2-0.4%；薄壁件，为0.3-0.5%。粒度为1-3mm，以使其能为铁液迅速溶解和吸收。粉状硅铁在孕育过程中易氧化烧损，故避免使用。③孕育剂的作用机理ａ．形核

作为孕育剂的硅铁中常含有微量的Ca、Ce、Zr等元素，在有白口倾向的亚共晶成分铁液中溶解后，随即形成以这些元素的硫化物或碳化物为核心和SiO2为外壳的晶核，它们与石墨原子的排列有一定的共格关系而使铁液中的碳原子能依附在其表面上生长。2.孕育处理①目的②孕育剂的加入量和粒度HT用孕育由于硅铁的溶解，在铁液中形成大量的富硅微区，提高了铁液中碳的活度，促进碳原子从铁液中析出，从而在共晶转变过程中助于石墨晶体的生成，又由于大量的晶核在铁液中均匀分布，故能形成多而细小的共晶团及细片状石墨。ｂ．长大④孕育剂的选择

选择原则：保证孕育效果的前提下，保持一定的孕育时间(衰退期)。纯硅虽有一定的孕育作用，但衰退很快，其原因是在铁液中形成的SiO2晶核具有较小的体积，不能稳定存在。纯SiFe的孕育作用小，而含有Sr、Ce、Ba、Ca、Al、Ti、Zr的硅铁孕育效果较好。⑤生产孕育铸铁的主要条件

a.选择合适的化学成分；b.铁液要有一定的过热温度；

c.加入一定量的孕育剂；

d.选择适当的孕育方法：浮硅孕育法，硅铁棒孕育法，浇口杯孕育法，型内孕育法等。由于硅铁的溶解，在铁液中形成大量的富硅微区，提高了铁液中⑥孕育效果的评定a.白口倾向的评定：孕育前后三角试样的白口宽度差别增加，则孕育效果好。b.共晶团数目：越多则孕育效果越好。

c.测定共晶过冷度：孕育后，成核能力增强，过冷度减小；若孕育前后的过冷度比值增大，则孕育效果好。低合金化向一定成分的HT中加入少量的合金元素（﹤3%），提高HT的强度或硬度，使之满足一些特定的使用条件。由于加入量很少，因此仍为HT组织。①低合金化的作用⑥孕育效果的评定a.白口倾向的评定：孕②低合金HT的分类

a.高强度低合金HT：铬系---WCr=1.0-2.0%，有一定的耐热性，可在450℃以下温度使用。

b.特殊性能低合金HT：较高的硬度，在组织上要求珠光体基体上分布有适量的高硬度相，但高硬度相有很大的脆性，因此应使其在基体中呈分散态分布，避免在晶界上呈网状分布。如高磷系、磷铜钛系、钒钛系、铬钼铜系等。

a.细化G和共晶团；

b.使基体中珠光体含量增加，片间距细化；

c.生成碳化物或含有合金元素的磷共晶等硬质相；

d.提高渗碳体的热稳定性，防止珠光体在高温下分解，提高铸铁的耐热性。②低合金HT的分类a.高强度第五节灰铸铁的热处理一般来说，热处理能在很大程度上改善铸造合金的组织和性能，但在HT条件下，热处理所发挥的作用相对较小。在HT中，石墨对铸铁性能的影响较大，而任何的热处理方法都不能改变石墨的形态和分布，故不能通过热处理来有效地提高HT的性能。只能在某些特殊场合下进行热处理。主要方式有消除铸造应力热处理和消除铸件上局部白口组织热处理。一.消除铸造应力热处理（低温退火或热时效）530-550℃保温：使铸件中的内应力得到一定程度的松弛。提高退火温度能有效地使应力得到松弛。但温度过高（﹥600℃）时，将会使珠光体发生分解，从而导致铸铁强度、硬度降低。图2-9热时效规范图第五节灰铸铁的热处理一般来说，热处理能在形状较复杂的铸铁件，由于各部分壁厚不均匀而在铸造过程中产生内应力。此应力使铸件产生翘曲、变形或开裂。此外，当铸件中存在铸造应力时，会在随后的机械加工过程中发生应力的重新分布，引起铸件在以后长期使用中逐渐发生变形，这就需要消除铸造应力。二.消除局部白口组织热处理（高温退火）当HT中的碳当量较低时，若铸件上某些局部的壁厚比主要壁厚薄得多，则在铸件中会产生局部白口的情况。但又不宜通过提高碳当量来消除白口，因为这样会使铸件上主要壁厚处的铸铁组织中珠光体量减少和石墨粗大，从而使铸铁的性能降低。这时可通过高温退火来解决。图2-10高温石墨化退火工艺图形状较复杂的铸铁件，由于各部分壁厚不均匀而在在退火过程中，铸件上白口组织中的渗碳体将发生分解，即进行固态石墨化过程，保温后铸件出炉空冷，以促使形成珠光体基体。在退火过程中，铸件上白口组织中的渗碳体将发铸铁及其熔炼

第二章灰铸铁

王悔改主讲铸铁及其熔炼

第二章灰铸铁

王悔改主讲第一节灰铸铁金相组织和力学性能特点一.灰铸铁金相组织特点灰铸铁组织是由金属基体加片状石墨组成的。石墨是灰铸铁中碳以游离态存在的一种形式，石墨的分布形态及尺寸是决定灰铸铁性能的重要因素，而石墨形态和尺寸则主要是由石墨的形成条件，即形核程度及长大条件所决定。1.片状石墨的分布类型及形成条件图2-1A型石墨①均匀分布无方向性的片状石墨（A型）冷却速度较低的情况下形成的。存在于石墨-奥氏体共晶团内，分布比较均匀。由于冷速较低，结晶过程缓慢，故热流的方向性对晶体的生长影响不明显，石墨片的生长方向和个体尺寸不规则。碳当量高、生长慢、共晶过冷度低时，片体粗大。第一节灰铸铁金相组织和力学性能特点一.灰铸铁金相组织特点图2-2B型石墨

②菊花状石墨（B型）冷速较大时形成的。共晶开始阶段，G分枝多而密，随着共晶转变中结晶潜热的释放，外层G片沿热流方向伸展较长，随着热流方向性减弱，外围G生长进一步减缓而呈蜷曲状。对基体的削弱作用大于A型G。图2-3C型石墨

③块片状石墨（C型）过共晶铁液在小的过冷度下形成的，常称为初生石墨。液相中碳的来源充足，而且石墨的形成不受其他固相阻碍，结晶条件较好，晶体能充分发育，形成枝晶形态的分枝。石墨片体比较粗大，对基体有严重的削弱作用。图2-2B型石墨②菊花状石墨（B型）图2-4D型石墨

④枝晶点状石墨（D型）初生奥氏体结晶温度范围宽，液相处于较高的共晶过冷条件下，由充分发育的奥氏体枝晶间熔液进行共晶转变而析出的点状或细片状石墨。这是一种细小的过冷石墨，分枝频繁，普遍发生弯曲、扭转、片体尺寸小，分散度高，没有明显的方向性。图2-5E型石墨⑤枝晶片状石墨（E型）亚共晶铁液在小的过冷度下形成的。共晶之前析出初生奥氏体，残留在奥氏体枝晶间的铁液在共晶转变中沿奥氏体枝晶方向析出而形成有方向性的石墨。由于冷速较低，因此G片比D型大。图2-4D型石墨④枝晶点状石墨（D型）图2-6F型石墨⑥星状石墨（F型）过共晶铁液在大的冷速下形成的。星状石墨中心的大块状G为初生G，由于冷速较大，初生G不能长大，而共晶G则以初生G为依附沿辐射方向生长。2.基体组织

基体是由不同比例的珠光体和铁素体组成。有些情况下，还存在一定量的磷共晶、碳化物及硫化夹杂物等。磷共晶呈网状、孤立岛状或鱼骨状，硬而脆，使铸铁的韧性降低，脆性增加。硫以FeS形式完全溶解在铁液中，但凝固时S在固溶体或渗碳体中的溶解度小，会形成独立的硫化物，存在于共晶团晶界上，使铸铁的强度低。图2-6F型石墨⑥星状石墨（F型）二.力学性能特点1.强度性能

灰铸铁的强度性能由石墨形态、尺寸和基体中珠光体和铁素体的比例等因素所决定。①石墨的作用

a.缩减作用：石墨在铸铁中占有一定的体积，几乎没有强度，是金属基体的有效承载截面积减小。主要取决于石墨的大小、数量和分布，以数量为主。数量越多，尺寸越大，缩减程度越大，铸铁的强度和塑韧性降低越严重。

b.缺口作用：石墨的片端好像是存在于铸铁中的裂口，在承受负荷时造成应力集中，导致裂纹的早期产生并发展，出现脆性断裂，使灰铁的塑韧性几乎表现不出来。主要取决于石墨的形状和分布，尤以形状为主，如为片状石墨则主要取决于石墨片的尖锐程度，通常可以用石墨的表面积与体积之比来说明。尖锐程度越大，造成应力集中越严重，强度越低。因此，可通过改变G的形态来提高铸铁的力学性能。二.力学性能特点1.强度性能灰铸铁的强度性能由②基体的作用

铁素体较软，强度较低；珠光体有较高的强度和硬度，但塑韧性较铁素体低。因此，基体的强度随着珠光体含量的增加和分散度的增大而增大。

③共晶团的作用细化共晶团，可使铸铁的强度提高。2.硬度灰铸铁的硬度决定于基体，珠光体硬度较高。因此，随着珠光体含量的增加和分散度的增大，铸铁的硬度增大。3.缺口敏感性石墨片的存在已在基体上形成大量的缺口，所以外来缺口（铸件上的孔洞、键槽、非金属夹杂等）对灰铸铁的疲劳强度影响甚微，使铸铁的缺口敏感性降低，提高了零件工作的可靠性。随着石墨细化或石墨形态的改变，敏感性可能提高。②基体的作用铁素体较软，强度4.良好的减震性和减摩性石墨具有缓冲作用，能阻止振动能量的传播；石墨是润滑剂，脱落在摩擦面上，使灰铁摩擦面上形成大量显微凹坑，起到储存润滑油的作用，使摩擦面上保持油膜连续。4.良好的减震性和减摩性石墨具有缓冲作用，第二节影响铸铁铸态组织的因素一.冷却速度的影响当化学成分一定时，改变冷却速度，可在很大的范围内改变铸铁的铸态组织。冷却速度对铸铁结晶过程的影响主要在于对相变过程中原子扩散的影响。图2-7冷却速度对铸铁凝固组织影响示意图第二节影响铸铁铸态组织的因素一.冷却速度的影响当化共晶转变：若冷速很小，则在该温度下有较长的转变时间，有条件进行碳原子的充分扩散，使转变倾向于按石墨共晶方式进行。因此，具有一定硅、碳含量的铁液在共晶转变中，可因冷速不同而生成白口或灰口铸铁。共析转变：在固态下进行，碳原子的扩散速率比共晶转变中的扩散速率要低得多，需要很低的冷速才能完成奥氏体向石墨的转变。因此，在实际铸铁组织中，白口基体为珠光体，灰口基体为不同比例的珠光体和铁素体。图2-8形成晶间碳化物示意图共晶转变：若冷速很小，则在该温度下有较长的转变时间，有条件共3.冷却速度的影响因素

①铸件壁厚越大，冷速越慢；图2-9铸件壁厚对组织的影响3.冷却速度的影响因素①铸件壁厚越大，冷速越慢

②铸件模数越大，冷速越慢；

③浇注温度越高，冷速越慢。

铸件模数M=V/A，表示单位面积占有的体积量，体现铸件的散热能力。M越大，散热能力越差，冷却速度越小；反之，冷却速度越大。二.化学成分的影响主要化学元素C、Si、Mn、S、P对铸铁的铸态组织都有一定的影响，其中对石墨的结晶过程起主要作用的是C、Si。C、Si

①存在状态

C是形成石墨的元素，Si全溶于奥氏体或铁素体中（即固溶于基体中）。②铸件模数越大，冷速越慢；③浇注温度越高图2-10硅含量与铸铁组织的关系图2-11铸铁中硅含量与强度的关系图2-10硅含量与铸铁组织的关系图2-11铸铁中硅含量与

②对共晶温度的影响Si提高稳定系的共晶温度，降低亚稳系的共晶温度，因此扩大两个系统的共晶温度间隔，使转变按稳定系进行。

③对石墨化的影响

a.碳含量越高，形成石墨核心越容易，扩散和聚集越容易，使转变按稳定系进行。奥氏体和石墨共晶转变后形成的组织中G较多，为共析转变中G的析出提供了更多的形核基底，促进石墨化。

b.硅促进石墨化，同时能提高铁液中C的活度，促进灰口组织的形成。④对基体的影响

C、Si增加使基体中铁素体的含量增加，铸铁的强度性能降低。

因此，工业上常用的灰铸铁中C、Si含量控制如下：

WC=2.7-3.8%，WSi=1.4-2.1%，CE=3.2-4.3%，SC=0.75-1.0%。②对共晶温度的影响Si提高稳定系的共晶温度2.Mn可全溶于奥氏体中，降低共晶和共析转变温度，较弱的阻碍石墨化。但在奥氏体分解（共析转变）过程中却促使珠光体的形成，使珠光体含量增加，强化基体。含Mn量的选择应使其在稳定珠光体方面起有利作用，同时又达不到阻碍共晶石墨化的程度。WMn=0.5-1.2%。3.S

①在奥氏体中的溶解度极低，能溶解在铁液中形成FeS，与其他元素化合成MnS、MgS等。③S降低稳定系的共晶温度，阻止石墨的析出，使转变按亚稳系进行，同时使初生奥氏体和共晶奥氏体粗化。当硫含量很高时，形成硫共晶，降低铸铁的性能，故应限制铸铁中的含硫量。WS=0.03-0.12%。

②S对石墨形态影响：硫含量较高时石墨呈片状，反之呈球状或团状。2.Mn可全溶于奥氏体中，降低共晶和共析转变温度4.P

在奥氏体中溶解度极低，且有严重的结晶偏析倾向，当含量不高（﹤0.05%）时，形成磷共晶，使铸铁的脆性增加，但P有促进共晶石墨化的作用。WP﹤0.3%。5.其他合金元素图2-12合金元素对Fe-G、Fe-Fe3C共晶平衡温度的影响4.P在奥氏体中溶解度极低，且有严重的结晶偏析倾图2-13硅、镍、铬、硫对共晶温度的影响图2-13硅、镍、铬、硫对共晶温度的影响三.炉料的影响◆炉料的遗传性当由一种炉料换成另一种炉料时，虽然铁液的基本成分并未改变，但铸铁的组织，包括石墨化程度、白口倾向及石墨形态和基体组成却发生了变化，这种变化的原因来自炉料，称为炉料的遗传性。在铸铁生产中，炉料对铸铁组织的影响来自下述几方面原因。

综上，C和Si是灰铸铁的基本成分；Mn含量一般较低，影响不大；P、S常被看作杂质，应加以限制。为改善铸铁的某些性能，可分别加入其他的一些合金元素。三.炉料的影响◆炉料的遗传性当由一种炉料换成另一种炉1.生铁中石墨的遗传性某些生铁中Si、C含量较高，组织中有粗大的初生石墨。重熔时，由于石墨熔点较高，铁液在炉中停留的时间较短，因此，粗大的石墨来不及完全溶解在铁液中，而在铁液凝固过程中，残留的石墨作为石墨析出的晶芽而继续长大，故有时在亚共晶铁液中出现粗大的初生石墨，这是由于生铁中石墨的遗传性所致。2.铁料中的微量合金元素Pb、Sb、Ti、Bi等，会使铸铁的结晶过程产生明显的过冷，或生成不正常的形态，甚至促进白口组织的形成。四.铁液过热和高温静置的影响

铁液过热的温度越高，高温静置的时间越长，铁液中残留的石墨溶解而消失掉，使石墨细化，铸铁的强度增加。

若进一步提高铁液的过热温度，铸铁的成核能力将降低，石墨的形态变差，甚至形成自由渗碳体，使铸铁的强度降低。1.生铁中石墨的遗传性某些生铁中Si、C含量较高

因此，存在一个临界的铁液过热温度，这取决于化学成分及冷却速度。一般在1500-1550℃。五.孕育的影响孕育处理：铁液浇注前，在一定条件下，向铁液中加入一定量的孕育剂以改变铁液的凝固过程，改善铸态组织，从而达到提高性能的目的的处理方法。1.加入孕育剂，在铁液中形成大量非均质石墨晶核，消除低共晶度铸铁在共晶转变过程中的白口倾向，使其结晶成为具有良好石墨形态的灰口铸铁。2.改善石墨的形态，使D型石墨向A型石墨转变，获得细片状珠光体基体，强度性能提高。3.减小铸件上由壁厚差产生的组织和性能上的差别，提高组织的均一性。因此，存在一个临界的铁液过热温度，这取决于化学成分六.气体的影响1.H：使石墨变粗，稳定渗碳体，阻碍石墨化。随着H含量增加，铸铁的力学性能和铸造性能下降。2.N：阻碍石墨化，稳定渗碳体，促进D型（枝晶点状）石墨的形成，稳定珠光体，提高铸铁的强度。3.O：阻碍石墨化，增大白口倾向。随着O含量的增加，铸铁断面敏感性提高，易形成气孔，同时还增加孕育剂和变质剂的消耗量。六.气体的影响1.H：使石墨变粗，稳定渗碳体，阻碍石墨化第三节灰铸铁的铸造性能一.流动性（铁液的充型能力）1.流动性分析

①含有高碳、硅的铁液具有低的黏度和表面张力，流动性好。②亚共晶HT的化学成分偏离共晶成分不远，结晶温度范围较小，初生奥氏体枝晶不发达，因而铁液能保持较长的流动时间，越接近共晶成分，液相线温度越低，流动性就越好。2.流动性的影响因素

①化学成分a.C、Si影响共晶度。当Sc﹤1（亚共晶），增加C、Si含量使共晶度增加，铁液成分越靠近共晶成分，流动性越好；若Sc﹥1（过共晶），由于有初生石墨析出，流动性较差，降低C、Si含量，使流动性提高。第三节灰铸铁的铸造性能一.流动性（铁液的充型能力）1.b.Mn、S对Sc影响不大。在铁液中形成MnS，使铁液内摩擦增大，流动性降低；形成FeS，对流动性影响不大。c.P：使Sc增大，又能形成低熔点共晶体，降低铸铁液相线温度，流动性增加。

②浇注温度：温度越高，流动性越好。③铁液质量：净化铁液，去除气体、杂质，可提高流动性。二.缩孔缩松形成倾向缩孔缩松是合金在液态下和凝固期间产生的收缩引起的，即ε液+ε凝。产生原因

ε液是指从浇注温度到液相线温度之间发生的收缩。浇注温度越高，含碳量越高，液态收缩越大。

ε凝是指凝固期间发生的收缩及由于析出石墨而产生的膨胀量的总和。ε凝=6.9%-0.9C-2Gb.Mn、S对Sc影响不大。在铁液中形成MnS，

可以看出，碳含量越高，析出的石墨越多，凝固收缩越小。在凝固期间，每析出1%的G，体积将增加2%，在很大程度上抵消凝固期间的收缩量。同时，若含碳量增加，析出的石墨将增加，ε凝减少，甚至产生负值，即发生膨胀。因此，缩松缩孔的倾向主要和ε液+ε凝的大小有关。它们值越大，倾向也越大。因为合金的液态收缩和凝固收缩表现为合金体积的缩减，故常用单位体积收缩量来表示。对于C、Si含量较高的HT件和C、Si含量较低的薄壁HT件，都不需要用冒口进行补缩；而对于C、Si含量较低且壁厚的HT件，才设置冒口进行补缩。此外，铸型条件也是HT收缩应考虑的问题，相同条件下，湿砂型的收缩一般都大于干砂型的收缩。2.形成倾向铸件中的缩孔包括集中缩孔和分散缩孔（缩松）。HT的缩松形成倾向较小。

a.对于过共晶成分的HT，析出的石墨使得体积增加，收缩减小。

可以看出，碳含量越高，析出的石墨越多，凝固收缩越小。

b.对于亚共晶成分的HT，在凝固中初生奥氏体枝晶构成大量的枝晶间空隙，处于枝晶间的共晶成分铁液在发生共晶转变中，将因析出石墨而体积增大，其产生的体积膨胀力绝大多数直接作用在初生奥氏体枝晶或共晶团的液体上，并推动液体通过枝晶间的通道去补缩由于液态和固态收缩所形成的小孔洞，即具有“自补缩”作用。所以，HT件比较致密，即铸造性能好。合金种类含碳量

（%）浇注温度

/℃液态收缩

（%）凝固收缩

（%）固态收缩

（%）总体积收缩（%）碳素铸钢0.3516101.63.07.8612.46白口铸铁3.014002.44.25.4-6.312-12.9灰铸铁3.514003.50.13.3-4.26.9-7.8表2-1几种铁碳合金的体积收缩率b.对于亚共晶成分的HT，在凝固中初生奥三.固态收缩（线收缩）

在凝固后期，形成固相骨架之后，随着温度的降低，先有一段收缩，然后在骨架中间的铁液发生共晶转变，产生体积膨胀，待全部凝固后，随着温度的进一步降低又发生收缩，此后在共析转变期间又发生体积增加，共析转变完成后直到冷却至常温的过程中发生的收缩即为固态收缩。◆线收缩曲线分析1.凝固后期，HT有收缩前的膨胀阶段；2.凝固完毕后，三者均有珠光体前收缩阶段；共析转变中，三者均有二次膨胀现象，但白口铸铁和碳钢的膨胀量小，灰铁的膨胀量较大。三.固态收缩（线收缩）在凝固后期，形成固相骨架之后，合金种类灰铸铁可锻铸铁球墨铸铁碳素铸钢铝合金铜合金线收缩率（%）0.8-1.01.2-2.00.8-1.31.38-2.00.8-1.61.2-1.4表2-2常用铸造合金的线收缩率

合金的固态收缩不仅引起体积上的缩减，同时还使铸件在尺寸上减小，因此常用单位长度上的收缩量来表示。

这是由于共析过程中，奥氏体转变成珠光体或铁素体，奥氏体是面心立方结构，铁素体和珠光体是体心立方结构，面心立方的致密度要比体心立方高，或者说面心立方密度大，体心立方密度小，所以共析转变过程中体积要发生二次膨胀。此外，灰铁共析过程中生成铁素体时，还伴随着共析石墨的产生，因此，灰铁的二次膨胀量较大。合金种类灰铸铁可锻铸铁球墨铸铁碳素铸钢铝合金铜合金线收缩率（

①热应力：σ=E*ε②相变应力

由于铸件各部分冷却速度不同，以致在同一时期铸件各部分收缩不一致而引起。与线收缩系数有关，HT中有大量的石墨，因此线收缩小于白口铸铁和铸钢；同时灰铁的弹性模量小于白口铸铁和铸钢（实验表明，当材料中有夹杂、孔洞或人工缺口时，E降低，因为HT中的G像孔洞一样，因此，E较小），因此，热应力较小。HT经过共析转变，新旧两相在比容上相差不大，而且相变温度处于铸铁还有一定塑性的温度范围内，因此相变应力较小。铸造应力是热应力（约发生在550℃）、相变应力和收缩应力三者相互抵消或叠加的结果。1.铸造应力四.铸造应力和冷裂倾向①热应力：σ=E*ε②相变应力由于铸

综上，HT的铸造应力较小。冷裂①冷裂的产生原因

②减小冷裂倾向的措施当材料的铸造应力超过该材料的强度极限时，铸件产生冷裂。

铸件在固态收缩时，因受铸型、型芯、浇冒口等外力的阻碍而产生的应力称收缩应力。一般铸件冷却到弹性状态后，收缩受阻都会产生收缩应力。收缩应力常表现为拉应力。形成原因一经消除（如铸件落砂或去除浇口后）收缩应力也随之消失，因此收缩应力是一种临时应力。但在落砂前，如果铸件的收缩应力和热应力共同作用，使其瞬间应力大于铸件的抗拉强度时，铸件会产生热裂纹。③收缩应力综上，HT的铸造应力较小。冷裂①冷裂

a.碳当量：当碳当量增加时，能够促进石墨化，材料的铸造应力减小，冷裂倾向减小。

b.合金元素：S、P含量降低，脆性降低，铸件的冷裂倾向减小。

c.冷却条件：冷却速度降低时，能够促进石墨化，使铸造应力减小，从而使冷裂倾向减小。

d.落砂清理：对于薄壳铸件，采用单独的清理方式。a.碳当量：当碳当量增加时，能够促进石墨化第四节灰铸铁件的生产一.灰铸铁的牌号1.强度分级HT100HT150HT200HT250HT300HT350HT400等。分别对应：σb≧100，150，200，250，300，350，400MP等。

高于HT250是通过孕育处理得到的灰铁；同一牌号铸铁的生产必须考虑壁厚，如表2-9。2.硬度分级H145H175H195H215H235等。分别对应：HBS≦170，150-220，170-220，190-240，210-260等。HBS值波动在±25HBS范围内。第四节灰铸铁件的生产一.灰铸铁的牌号1.强度分级二.冶金质量的衡量标准1.成熟度及相对强度①成熟度RG=σb测/（1000-800Sc）

对于HT：0.5≦RG≦1.5。若RG﹤1，表示孕育效果不好，未能发挥材质的潜力，希望RG在1.15-1.3之间。②相对强度RZ=σb测/（2.27HBS-227）*100%要求60%﹤RZ﹤140%。2.硬化度及相对硬度①硬化度HG=HBS测/（530-344Sc）二.冶金质量的衡量标准1.成熟度及相对强度①成熟度RG=②相对硬度RH=HBS测/（100+0.44σb测）

RH在0.6-1.2之间，在0.8-1.0之间为佳。RH低表明HT强度高，硬度低，有良好的切削加工性。3.品质系数Qi=RG/HGQi在0.7-1.5之间，其中在1-1.5之间为佳。三.提高灰铸铁性能的途径1.化学成分的合理选择

当前国内外在HT化学成分方面的发展趋势是高的碳当量，即在达到高强度的前提下，采用尽量高的碳、硅含量。高的CE能使薄壁件的白口倾向减小，减小铸件的内应力，在同样强度条件下，由低CE转变为高CE，品质系数提高。为此，要选择合理的Si/C值。②相对硬度RH=HBS测/（100+0.44σb测）R通常要提高Si/C值，这对铸铁凝固过程特性、组织结构及性能有重要的影响。

①组织中初生奥氏体增多，初生石墨减少，有强化基体的作用（同时Si又能强化铁素体），使得铸铁的强度增加。②由于碳含量减少