第八章铸钢和铸铁的金相检验

第八章铸钢和铸铁的金相检验铸钢主要用于制造形状复杂或大型，需要一定强度、塑性和韧性的零部件，例如机车车辆、船舶、重型机械齿轮、轴、轧辊、机座、缸体、外壳、阀体等。第一节铸钢的金相检验外壳轧辊重型机械齿轮◆粗大的奥氏体晶粒2、铸钢的组织特征和热处理退火或正火处理→细小的珠光体和铁素体1、碳素铸钢的化学成分和机械性能（表3-19）例：ZG230-450、ZG270-500、ZG310-570/ZG35“ZG”，“铸钢”；35，平均碳质量分数(万分数)。形成“魏氏组织”：冷却时，铁素体沿奥氏体晶界网状析出，沿一定方向以片状生长，呈针状插入珠光体内，塑性和韧性下降，不能直接使用。第二节铸铁的金相检验

铸铁是含碳量大于2.14%或组织中具共晶的铁碳合金。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、硅为主要元素的多元合金。3.3.2铸铁铸铁是含碳量大于2.11%并含有较多硅、锰、硫、磷等元素的铁基合金。铸铁的生产设备和工艺简单，价格便宜，优良的使用性能和工艺性能，应用非常广泛。制造各种机器零件，如机床床身、床头箱；发动机的汽缸体、缸套、活塞环、曲轴、凸轮轴；轧辊及机器底座等1、碳的三种存在形式：①溶于α-Fe或γ-Fe中形成F或A；②形成渗碳体(Fe3C)；③游离态石墨(G)。石墨强度、硬度和塑性都很差。石墨为稳定相。

渗碳体为亚稳相，Fe3C→3Fe+C

3.3.2铸铁（C＞2.11%）一、铸铁的的石墨化过程和特点石墨的晶体结构——简单六方晶格亚稳定平衡的Fe-Fe3C相图和稳定平衡的Fe-G相图，铸铁中碳原子析出并形成石墨的过程称为石墨化

石墨既可以从液体和奥氏体中析出，也可以通过渗碳体分解来获得。2、铸铁的石墨化过程第一阶段：≥1154℃

一次石墨：过共晶铸铁液体结晶

共晶石墨：L4.25A2.08+G(共晶)第二阶段：1154℃～738℃

二次石墨：A→G第三阶段:738℃

共析石墨：

A0.68→Fp’+G(共析)1154℃①温度和冷却速度缓慢冷却，或在高温下长时间保温，均有利于石墨化。影响石墨化的主要因素：②合金元素促进石墨化的元素(C、Si、A1、Cu、Ni、Co等）阻碍石墨化的元素(Cr、W、Mo、V、Mn等)两大类。S强烈促进白口化，控制＜0.15%生产中，调整碳、硅含量，是控制铸铁组织和性能的基本措施。

3、铸铁的组织特征和分类名称石墨化程度显微组织第一阶段第二阶段第三阶段灰口铸铁充分进行充分进行充分进行充分进行充分进行充分进行充分进行部分进行不进行F+GF+P+GP+G麻口铸铁部分进行部分进行不进行Le’+P+G白口铸铁不进行不进行不进行Le’+P+Fe3C表3-20铸铁经不同程度石墨化后所得到的组织根据石墨形态：普通灰口铸铁

片状；可锻铸铁

团絮状；球墨铸铁

球状；蠕墨铸铁

蠕虫状。铸铁组织：石墨和基体（F、P、F+P）球状石墨各种铸铁的石墨形态（未腐蚀）片状石墨団絮状石墨蠕虫状石墨由于石墨的存在，使铸铁具备下列特殊性能：①优良的切削加工性；②铸造性能好；③减磨性及耐磨性很高；④优异的消振性；⑤低的缺口敏感性。4、铸铁的性能特点石墨相当于钢基体上的裂纹或空洞，它减小基体的有效截面，并引起应力集中。石墨对基体的严重割裂致灰口铸铁的抗拉强度和塑性都很低。压缩强度不受影响二、常用的铸铁1、灰口铸铁（80%）（1）牌号“HT”—“灰铁”，数字—最低抗拉强度。HT100、HT200、HT300（表3-22）性能：强度较低，韧性较差应用：承压件，如床身，机架，箱体，缸体，壳体等Ｆ、Ｐ和Ｆ+Ｐ三种基体图3-14灰口铸铁的显微组织F+G片F+P+G片P+G片石墨片的三维形貌（2）影响灰铸铁组织和性能的因素②冷却速度:铸件壁厚越薄，冷速越快，越易形成白口铁①化学成分:控制化学成分是控制铸铁组织和性能的基本方法主要C（2.5~4.0%）、Si（1.0~2.0%）。碳过低，易出现白口，使机械性能、铸造性能较低；碳过高，石墨过多且粗大，降低铸件的性能和质量；Mn（0.5～1.4%）：溶于F和Cm，增强Fe、C结合力，↑A区，阻止石墨化，促进P基体的形成。生成MnS;P：↓强度(0.12%)，↑耐磨性(0.3%);S(0.15%):有害，强烈促进白口化。不同C+Si含量，不同壁厚（冷却速度）铸件的组织（3）孕育铸铁经孕育处理（变质处理）后的灰铸铁叫孕育铸铁。

孕育的目的：获得细小均匀的石墨片，细化基体组织，提高强度和硬度常用的孕育剂:硅铁和硅钙合金、碳类孕育处理前孕育处理后b．消除铸件白口、降低硬度的退火（高温退火）在共析温度以上进行，使渗碳体分解成石墨；c．表面淬火高频、火焰、激光，50HRC~55HRC（4）灰铸铁的热处理及应用a．去应力退火（人工时效）

500℃～550℃，防止变形和开裂消除铸件内应力、改善切削加工性能和提高表面耐磨性。船用柴油机汽缸体(HT-300)铸铁的分类铸铁中的碳可以以渗碳体的形式存在，也可以石墨的形式存在。根据碳在铸铁中的存在形态的不同，通常可将铸铁分为白口铁、灰口铸铁和麻口铸铁。而根据铸铁中石墨的形态不同，又可分为普通灰口铸铁，蠕虫状石墨铸铁，球墨铸铁以及可锻铸铁。二、灰铸铁

1．灰口铸铁的石墨类型灰口铸铁中石墨的大小、数量和分布对机械性能有很大的影响。为了便于比较，对铸铁中石墨进行了分类评级，我国按石墨的形成原因和分布特征，将其分为A、B、C、D、E和F六种类型

A型石墨：

石墨片的尺寸和分布都比较均匀，且无方向性。这种石墨是碳当量为共晶成份或接近共晶成分的铁水在共晶温度范围内从铁水中和奥氏体同时析出的，其生成条件是具有较小的过冷度，这样才能造成均匀生核和长大，使各处的结晶和生长速度相差不大，最后得到大小和分布均匀的A型石墨。

A型石墨100×

B型石墨：

点状石墨被卷曲的片状石墨所包围，无方向性，具有菊花形态。称为菊花状石墨。这类石墨的特点是由于过冷度较大，首先从液相中析出细小的树枝状奥氏体，接着在树枝的间隙中产生奥氏体与石墨共晶，这时的石墨片分枝多而密，形成菊花中心的点状石墨。但是，因为不是在非常强烈的过冷条件下结晶，在初晶产物放出结晶潜热的条件下减慢了包围着初晶产物外层的铁水的结晶速度，而且又只能由沿着初生产物向外呈放射状的方向通过液体金属进行散热。所以外层石墨生长成为较粗大的曲片形，大致呈放射状分布，直至遇到邻近的共晶团为止。这类石墨常在碳、硅含量较高，过冷度较大的亚共晶灰铸铁中出现，B型石墨由于呈聚集分布，因而使铸铁的强度有所降低。B型石墨100×C型石墨：

是由大片状的初生石墨与较细小的共晶石墨所组成。石墨大小相差很大，但分布比较均匀，无方向性。这种类型的石墨主要出现在过共晶程度较大，冷却速度较慢的厚壁铸件中，由于缓慢冷却，共晶结晶前形成的初生石墨在铁水中能充分长大，形成粗片状石墨。随着初生石墨的析出，铁水的含碳量逐渐降低，在共晶温度下，具有共晶成分的铁水发生共晶转变而析出共晶石墨，结果形成粗片状的初生石墨和细小的共晶石墨片混杂分布的形式。粗大石墨片的存在，使铸铁的机械性能显著降低。

C型石墨100×D型石墨：

点状与小片状的石墨无方向性的分布。它是在较大过冷条件下生成的共晶石墨。这类石墨往往出现在碳、硅含量较低，过冷度较大的亚共晶灰口铸铁中。结晶时，首先形成树枝状的奥氏体，由于过冷度较大，分布于枝晶间隙中的剩余铁水发生共晶转变时，几乎同时生成大量的石墨核心，这些石墨核心只能作微小的生长，产生多而密的分枝，所以在显微镜下，石墨呈点。片状分布在奥氏体的树枝间隙中，除了低碳和强烈过冷外，铁水过热也是D型石墨生成的条件。因为过热会使石墨生成的核心减少，石墨结晶困难，需要有较大的过冷度。这类石墨由于密集分布，也使机械性能有所下降。D型石墨100×

E型石墨：

在初生奥氏体的晶间分布着有方向性的短片石墨，其特征和成因与D型石墨基本相同，只是E型石墨的分布具有明显的方向性。在实际生产中，D型和E型石墨通常不作严格区分，分称D、E型石墨，也称过冷石墨或枝晶石墨。E型石墨因分布的方向性较强，它对机械性能的影响也较D型石墨大一些。

E型石墨100×

F型石墨：

其特点是星状（或蜘蛛状）与短片状石墨混合均匀布，F型石墨是过共晶铁水在较大过冷度的条件下形成的。大块的为初生石墨，片状石墨在其上生长。F型石墨100×灰口铸铁的基体组织

实际生产中应用的灰口铸铁主要是以珠光体为基体的，随着基体中珠光体含量的增加和细化，铸铁的强度、硬度和耐磨性提高。珠光体的细化程度与奥氏体的成分、晶粒度、分解温度有关，灰口铸铁中珠光体类型组织的形成过程与钢相似，不再重述。灰口铸铁的基体组织为铁素体、铁素体＋珠光体、珠光体组织。灰铸铁正火400×铁素体＋片状石墨灰铸铁铸态400×珠光体＋铁素体＋片状石墨灰铸铁退火400×珠光体＋片状石墨

磷共晶：

铸铁经常含有较多的磷，它在奥氏体或铁素体中溶解度很小；在古陶纯铁中的溶解12%，而含碳3.5%的铸铁中只能溶解0.3%。再加上结晶偏析的结果。虽然含磷量比上述数值小，也总有磷共晶出现。铸铁中含有0.1%磷，组织中就会出现1%的二元磷共晶。但铸铁中的磷共晶往往既有二元的也有三元的，有时还有碳化物组成磷共晶—碳化物复合物，其数量超过铸铁中磷含量的10倍，主题中促进石墨的因素，大多促进二元磷共晶的生成，促进碳化物形成的因素，则促进三元磷共晶的生成。二元磷共晶：由磷化三铁和点状铁素体多成；三元磷共晶：由磷化三铁，碳化三铁和点状铁素体所组成；磷共晶——碳化物复合物，在二元或三元磷共晶上镶有较大的碳化物条或块。经硝酸酒精溶液浸蚀后，磷共晶为白亮的，磷化三铁的基体上发表着粒状铁素体，有时粒状呈鱼骨状规则地排列在基体上。二元磷共晶500×三元磷共晶500×

三元磷共晶＋复合磷共晶500×

金相图谱比对灰铁A+25%B85%B+AA型石墨A+35%D

65%D+25%E+A55%E+AA+10%F

三、球墨铸铁

球墨铸铁的组织是由球状石墨和金属基体所组成。石墨球通常是孤立地分布在金属基体中的、石墨的圆整度越好、球径越小，分布越均匀，则球墨铸铁的机械性能亦越高，球墨铸铁的基体组织在铸态下变化较大，一般很难获得单一的基体组织，其组织：“珠光体+铁素体+球状石墨”。球墨铸铁石墨呈球状，综合机械性能接近钢且铸造性好，成本低廉；（1）球墨铸铁的成分和球化处理成分要求比较严格：

3.6~3.9%C，2.2~2.8%Si，0.6~0.8%Mn,＜0.07%S，＜0.1%P球化处理必须伴随着孕育处理球化剂（稀土镁），石墨球化孕育剂（硅铁和硅钙），石墨球细小、均匀分布图3-16球墨铸铁的显微组织例：QT420-10、QT600-2、QT800-2“QT”，球铁，最低抗拉强度和延伸率。（2）球墨铸铁的牌号、组织和性能性能特点：抗拉强度高，屈强比高，疲劳强度较好牌号基体机械性能bMPa0.2MPa5%akkJ/m2HBQT400-17F40025017600179QT420-10F42027010300207QT500-5F+P5003505－147-241QT600-2P6004202－229-302QT700-2P7004902－229-302QT800-2P8005602－241-321QT1200-1下B1200840130038HRC可用球铁代替钢制造某些重要零件，如曲轴、连杆、凸轮轴、轧辊等。(3)球墨铸铁的热处理退火：Ｆ，高温退火或低温退火正火：Ｐ，并细化组织，提高强度和耐磨性高温正火(完全A化)和低温正火(不完全A化)调质：回火Ｓ，好的综合性能等温淬火：下Ｂ，高强度及良好的塑韧性球墨铸铁管道接口

球墨铸铁铸态400×珠光体＋球状石墨

球墨铸铁的组织可以看成是钢的组织加球状石墨所组成，而机械性能又主要取决于金属基体，因此，像钢一样，通过热处理可以改变其基体组织，从而显著地改善球墨铸铁的性能。球墨铸铁虽然碳含量比钢高得多，但通过热处理控制其不同的石墨化程度、不仅可以获得类似于低碳钢的铁素体基体和类似于中、高碳钢的铁素体+珠光体，甚至珠光体基体组织，而且还可以获得不同相对量和形态的铁素体+珠光体基体组织。因此，球墨铸铁热处理后，即可获得相当于低碳钢的机械性能，又可获得相当于中、高碳钢的机械性能，这是钢的热处理所达不到的。此外等温淬火是目前发挥球墨铸铁材料潜力最有效的一种热处理方法，球墨铸铁等温淬火后，可以获得高强度或超强度，同时具有较高的塑性韧性和具备良好的综合机械性能及耐磨性，还有热处理变形小的特点。所以，经适当的等温处理的球墨铸铁可以满足日益发展的高速、大马达、受力复杂机件的性能要求，从而扩大了球墨铸铁的使用范围。调质处理后的球墨铸铁，具有较好的综合机械性能，而热处理工艺及设备则比等温淬火简单，且被切割加工性比较好，球墨铸铁经调质处理后，组织为素氏体+球状石墨，可代替部分铸钢和锻钢制造一些重要的结构零件，如连杆、曲轴等。对球墨铸铁进行感应加热表面淬火，使它们除具有良好的综合机械性能外，同时工作表面具有较高的硬度和耐磨性以及疲劳强度。根据某些球墨铸铁件往往需要在强烈的磨损或在氧化、腐蚀介质的条件下工作的需要，必须进行化学热处理，如：氮化、软氮化、渗硼等。球墨铸铁退火态400×铁素体＋球状石墨

球墨铸铁正火态400×珠光体＋铁素体＋球状石墨

球墨铸铁金相图谱

四、蠕墨铸铁

蠕墨铸铁的石墨形态是蠕虫状和球状石墨共存的混合形态，蠕虫状石墨是介于片状石墨和球状石墨之间的中间石墨形态。其基体组织为铁素体，其力学性能介于灰铸铁与球墨铸铁之间，其铸造性能比球墨铸铁好，与灰铸铁接近。因此形状复杂的铸铁也能用蠕墨铸铁制造。蠕墨铸铁牌号RuT300、RuT420RuT，蠕铁；最低抗拉强度蠕化剂（镁钛合金）组织：蠕虫状，短片较钝蠕墨铸铁新型高强铸铁材料。强度接近于球墨铸铁，一定的韧性、较高的耐磨性；和灰口铸铁一样的良好的铸造性能和导热性。

蠕虫状石墨＋金属基体100×蠕墨铸铁金相图谱

五、可锻铸铁可锻铸铁的生产过程是先浇注成白口铸铁件，然后再退火成灰口组织。可锻铸铁中的石墨呈团絮状分布,对金属基体的割裂和破坏较小、石墨尖端引起的应力集中小，金属基体的强度、塑性及韧性可较大程度地发挥作用。故可锻铸铁的机械性能比灰铸铁高、特别是塑性、韧性要高得多。可锻铸铁中的团絮状石墨数量愈少、外形越规则，分布愈细小均匀，其机械性能愈多。可锻铸铁的机械性能除与石墨团的形状、大小、数量和分布有关外、还与金属基体的组织有很大的关系，可锻铸铁的基体有铁素体基体和珠光体基体两种，铁素体基体具有一定的强度和较多的塑性与韧性，主要用作承受冲击和震动的铸件。珠光体基体具有高的强度、硬度和耐磨性以及一定的塑性、韧性，主要用以要求高强度、硬度、耐磨的铸件。由白口铸铁通过退火处理得到的较高的强度、塑性和冲击韧性，不可锻，部分代替碳钢石墨→团絮状

可锻铸铁牌号KT350-10，Ｆ可锻铸铁；KTZ600-3，Ｐ可锻铸铁

可锻铸铁常用来制造形状复杂、承受冲击和振动载荷的薄壁零件，如轮毂，减速器壳、汽车拖拉机的后桥外壳、管接头、低压阀门等。