第十二章铸铁

第十二章

铸铁

C＞2.11wt%的合金称为铸铁，铸铁中常含有硅、锰等元素以及硫、磷等杂质。铸铁的力学性能如抗拉强度、塑性、韧性等均较低，减磨性及耐磨性很高，优异的消振性以及低的缺口敏感性。生产成本低廉，铸造性能好，且具有优良的切削加工性。

一、铸铁的分类

1.根据碳在铸铁中存在形式分类（1）灰口铸铁碳全部或大部分以游离状态的石墨形式存在于铸铁中，断口呈暗灰色，故称灰口铸铁，是应用最广泛的一类铸铁。（2）白口铸铁碳以Fe3C的形式存在于铸铁中，断口呈银白色，组织硬而脆，难以切削加工。很少直接用来制造机械零件，可利用它硬而耐磨的特性，制成耐磨零件。（3）麻口铸铁碳一部分以石墨形式存在，一部分以Fe3C形式存在，断口夹杂着白亮的渗碳体和暗灰色的石墨，故称为麻口铸铁。脆性大，工业上很少使用。

2.根据铸铁中石墨的形态进行分类灰口铸铁中，根据石墨的形态不同分为灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁及可锻铸铁。

a)普通灰铸铁b)孕育灰铸铁c)球墨铸铁d)蠕墨铸铁e)可锻铸铁

二、铸铁的石墨化及其影响因素

（一）铸铁的石墨化过程

①铸铁在冷却过程中即可以从液态中或奥氏体中直接析出Fe3C；②可以直接析出石墨，形成的Fe3C在一定条件下也可以分解为铁素体和石墨，即Fe3C→3Fe+G（石墨）。

图为Fe—G（石墨）系和Fe—Fe3C系的双重相图，虚线表示Fe—G系，虚线在实线的上方或左上方，表明Fe—G系比Fe—Fe3C系更为稳定。

二、铸铁中的石墨化过程

铸铁组织中石墨的形成过程称为石墨化过程。可分为两个阶段：第一阶段，从过共晶的铁液中直接析出的初生（一次）石墨、在共晶转变过程中形成的共晶石墨及奥氏体冷却析出的二次石墨；第二阶段，共析转变过程中形成的共析石墨。

第一阶段的石墨化温度较高，原子容易扩散，进行得完全；第二阶段石墨化温度较低，扩散困难，进行不充分，只能部分进行。冷却速度增大，第二阶段的石墨化便完全不能进行。第二阶段石墨化进行的程度不同，获得的铸铁组织也不同。①第二阶段石墨化进行的充分时，组织为铁素体和石墨；②第二阶段石墨化部分进行，形成铁素体+珠光体为基体，其上分布石墨的组织；③第二阶段石墨化完全被抑制不能进行时，组织为珠光体和石墨组成。当冷速过快，两个阶段的石墨化均被抑制，会得到白口铸铁。若第一阶段石墨化部分进行，得到麻口铸铁。共晶合金石墨化过程：

影响铸铁石墨化的因素：

1.冷却速度的影响在化学成分相同的情况下，缓慢冷却有利于石墨化的充分进行，易得到灰铸铁；冷却速度加快，不利于石墨化，甚至使石墨化来不及进行，得到白口铸铁。

2.化学成分的影响碳和硅对铸铁的石墨化有决定性作用。含碳量越多越易形成石墨晶核，而硅促进石墨成核。综合考虑碳和硅对铸铁的影响，将硅量折合成相当的碳量，把实际的含碳量与折合成的碳量之和称为碳当量。根据碳当量可以确定铸铁的组织。

三、常用普通铸铁

（一）灰铸铁

灰铸铁的组织是片状石墨和钢的基体组成，根据共析阶段石墨化进行的程度不同可分为铁素体、铁素体+珠光体、珠光体三种。

灰铸铁的抗拉强度、塑性、韧性和疲劳强度都比钢低得多，原因：①石墨本身的强度和塑性几乎为零，石墨的存在减小了金属基体的有效承载面积；②石墨割断了金属基体的连续性，在外力作用下裂纹尖端将导致严重的应力集中，形成断裂源。灰铸铁的硬度和抗拉强度决定于基体。铸铁的抗压强度和钢差不多。其它性能：在所有铸铁中，灰铸铁的消振性最好；耐磨性好，石墨的润滑作用；切削加工性能好；铸造工艺性能好。

（二）可锻铸铁

可锻铸铁是白口铸铁经石墨化退火处理，Fe3C分解为团絮状的石墨而获得的。团絮状石墨对金属基体的割裂作用大为减弱，使强度、塑性、韧性较灰铸铁都有明显提高。但可锻铸铁并不可锻造。

获得可锻铸铁的条件：①获得全白口组织的铸铁铸件；②铸态组织无片状石墨。成分：C、Si含量的大致范围为：C=2.0-2.6wt%，Si=1.1-1.6wt%。可锻铸铁的牌号、组织性能及应用举例如下表。

牌号中“KT”表示“可锻”二字的汉语拼音的字头，“KTH”表示黑心可锻铸铁，“KTZ”表示珠光体可锻铸铁，后面的两组数字表示最低抗拉强度和最低伸长率。例如，KTH300—06。

白口铸铁经高温石墨化退火，完成共晶渗碳体的分解以及随后自奥氏体中析出二次石墨，称为石墨化的第一阶段；把奥氏体发生共析转变形成铁素体+石墨，称为石墨化的第二阶段。铁素体可锻铸铁因其断口心部呈灰黑色，表层因退火时脱碳而呈灰白色，又称黑心可锻铸铁。如果第二阶段石墨化不能进行，将得到珠光体可锻铸铁。

铁素体可锻铸铁具有较高的塑性和韧性，比钢的铸造性能好，所以生产中应用较多。珠光体可锻铸铁的强度和耐磨性比铁素体可锻铸铁高，可用来制造强度和耐磨性要求较高的零件。

可锻铸铁的石墨化退火工艺为：加热到900～980℃，使白口铸铁的组织转变为奥氏体和渗碳体。经充分保温，渗碳体分解成奥氏体加石墨。石墨在各个方向上的长大速度几近相似。呈团絮状。在720～760℃，奥氏体中析出二次石墨，依附在原有的石墨上使其继续长大。

（三）球墨铸铁

球墨铸铁是石墨呈球状分布的灰口铸铁，简称球铁。与片状石墨和团絮状石墨相比，圆球状石墨对基体的割裂和应力集中作用最小，球墨铸铁是各种铸铁中力学性能最好的一种。

球墨铸铁的生产需要球化处理和孕育处理。“QT”是“球铁”二字汉语拼音的字头，后面两组数字分别表示其抗拉强度和伸长率的最小值。

球墨铸铁具有与一般铸铁相似的优良的铸造工艺性、切削加工性，耐磨性和消振性。由于石墨呈球状，其强度和塑性有了很大的提高。屈强比约为钢的两倍，对于承受静载荷的零件，可用球铁代钢，以减轻机器质量。球墨铸铁的力学性能取决于石墨的大小和基体的组织。球径越小，性能越好。珠光体球铁的抗拉强度比铁素体球铁的高约一倍。回火马氏体为基的球铁具有高强度、高硬度；下贝氏体为基的球铁具有良好的综合力学性能。球墨铸铁因为基体利用率提高到70%～90%，使热处理改变基体的作用大为突出。球铁像钢一样进行各种热处理。

蠕墨铸铁的生产需进行蠕化处理和孕育处理，以获得良好的蠕化效果。我国目前采用的蠕化剂主要有镁钛合金、稀土镁、硅铁和硅钙合金。

（四）蠕墨铸铁

蠕墨铸铁中的石墨形似蠕虫状。蠕墨铸铁的化学成分与球铁的成分要求基本相似，即高碳、低硫、一定的硅、锰含量。成分范围为：C=3.5-3.9wt%，Si=2.2-2.8wt%,Mn=0.4-0.8wt%,P和S均小于0.1wt%，碳当量为4.3-4.6%。

蠕墨铸铁较球墨铸铁在性能上的优越性在于具有良好的抗热疲劳性能以及优良的导热性能；铸造性能、减振能力也优于球铁。广泛用来制造缸盖、气缸套、电机壳、机床床身、液压阀等。牌号用“蠕墨”二字的汉语拼音字母“RuT”加数字表示，数字代表最小抗拉强度值。如RuT420。

蠕墨铸铁的组织

四、特殊性能铸铁在铸铁中加入某些元素，以形成具有特殊性能的铸铁（又称合金铸铁）。包括耐磨铸铁、耐蚀铸铁、耐热铸铁等。

（一）耐磨铸铁耐磨铸铁零件按工作条件大致可分为两种：

1.在润滑条件下工作。如：灰铸铁，或在灰铸铁的基础上提高磷量至0.4～0.6wt%，得到高磷耐磨铸铁，在高磷铸铁的基础上加入铜和钛，得到磷铜钛耐磨铸铁。

2.在无润滑的干摩擦条件下工作。如：白口铸铁。欲提高其耐磨性，可加入Cr、Ni、Mo、V等元素，提高淬透性，得到铸态下具有马氏体组织的白口铸铁。含锰量Mn5-7wt%，含硅量Si3.3-5wt%的中锰合金铸铁，组织为M+B+部分A+碳化物，具有很高的硬度和耐磨性的同时又有一定的韧性。

（二）耐蚀铸铁

耐蚀铸铁可分为高硅耐蚀铸铁、高铝耐蚀铸铁及高铬耐蚀铸铁等。高硅耐蚀铸铁含硅15-17wt%，有优良的耐