第十二章 铸铁

第12章铸铁教学要求：1、介绍铸铁的分类及其组织特征；2、介绍铸铁的石墨化过程及其影响因素；3、介绍铸铁的热处理特点、性能及用途。重点：铸铁的组织特征；铸铁的石墨化过程及其影响因素。难点：铸铁的石墨化；铸铁的热处理。铸铁是含碳量大于2.11%并含有较多硅、锰、硫、磷等元素的多元铁基合金。碳、硅是影响铸铁显微组织和性能的主要元素。铸铁具有许多优良的性能及生产简便、成本低廉等优点，因而是应用最广泛的材料之一。

第一节概述例如，机床床身、内燃机的汽缸体、缸套、活塞环及轴瓦、曲轴等都可用铸铁制造.铸铁曲轴内燃机汽缸一、铸铁的石墨化过程1、Fe-Fe3C和Fe-G(石墨)双重相图Fe3C是亚稳相，在一定条件下将发生分解：

Fe3C→3Fe+C（石墨）共晶白口铸铁F基体球墨铸铁第一节概述石墨是碳的单质之一，其强度、塑性、韧性几乎为零。铸铁中的碳除少量固溶于基体中外，主要以化合态的渗碳体(Fe3C)和游离态的石墨(G)两种形式存在。存在两个铁碳相图：Fe-Fe3C和Fe-G双重相图L+GL+Fe3C2、铸铁的石墨化过程铸铁中的碳原子析出形成石墨的过程称为石墨化。铸铁中的石墨可以在结晶过程中直接析出,也可以由渗碳体加热时分解得到。台车式石墨化退火炉石墨化分两个阶段：在P’S’K’线以上发生的石墨化称为第一阶段石墨化。包括结晶时一次石墨、二次石墨、共晶石墨的析出和加热时一次渗碳体、二次渗碳体及共晶渗碳体的分解.P’在P’S’K’线以下发生的石墨化称为第二阶段石墨化。包括冷却时共析石墨的析出和加热时共析渗碳体的分解。石墨化程度不同，所得到的铸铁类型和组织也不同。P’三、铸铁分类按石墨的形态和形状分1）白口铸铁：碳全部以Fe3C的形式存在，断口呈银色。由于白口铸铁具有良好的耐磨性，所以有时也用来制造一些耐磨件，如轧辊、粉碎机锤头、衬板、球磨机磨球和犁铧等。2）灰口铸铁：碳除微量溶于铁素体，大部分以片状石墨形状存在断口呈灰色存在。3）麻口铸铁：组织中既存在石墨、又有莱氏体，是白口和灰口之间的过渡组织，因断口处有黑白相间的点，故而得名。4．蠕墨铸铁：

其石墨呈蠕虫状。如图d。

abcd根据铸铁中石墨形态的不同，灰口铸铁又可分为：1．普通灰铸铁：

简称灰铸铁，其石墨呈片状。如图a.2．可锻铸铁：

其石墨呈团絮状。如图b。3．球墨铸铁：

其石墨呈球状。如图c。1.化学成分的影响

1）碳和硅碳是形成石墨的元素，也是促进石墨化的素。含碳愈高，析出的石墨愈多、石墨片愈粗大。硅是强烈促进石墨化的元素，随着含硅量的增加，石墨显著增多。

所以：当铸铁中碳、硅含量均高

时，析出的石墨就愈多、愈粗大，而金属基体中铁素体增多，珠光体减少。四、影响石墨化的因素3）锰所以：硫含量限制在0.1-0.15%以下，高强度铸铁则应更低。

使铸铁铸造性能恶化（如降低流动性，增大收缩率）。锰是弱阻碍石墨化元素，具有稳定珠光体，提高铸铁强度和硬度的作用。一般控制在0.6~1.2%之间4）磷磷对铸铁的石墨化影响不显著。含磷过高将增加铸铁的冷脆性。限制在0.5%以下，高强度铸铁则限制在0.2~0.3%以下。2）硫硫是强烈阻碍石墨化元素。硫量高易促使碳以Fe3C

白口组织；硫量高热脆性；铸铁中的磷共晶2.冷却速度的影响

在实际生产中，一般是根据铸件的壁厚（主要部位的壁厚），选择适当的化学成分（主要指碳、硅），以获得所需要的组织。1）铸件壁厚

铸件壁愈厚，冷却速度愈慢，则石墨化倾向愈大，愈易得到粗大的石墨片和铁素体基体。铸铁壁厚（mm）102030405060704.05.06.07.0（wC+wSi）%白口铸铁麻口铸铁灰口铸铁白口铸铁：灰口铸铁：麻口铸铁：珠光体灰口铸铁珠光体+铁素体灰口铸铁铁素体灰口铸铁P+Fe3C+LeP+Fe3C+G+Le珠光体灰口铸铁：铁素体灰口铸铁：珠光体+铁素体灰口铸铁：P+G片P+F+G片F+G片第二节常用铸铁工业上使用的铸铁主要是灰口铸铁。1、铸铁的组织特点钢的基体+G（石墨）基体组织有铁素体、珠光体和铁素体加珠光体三种。F+GF+P+GP+G⑵耐磨性能好。由于石墨本身有润滑作用。⑶消振性能好。由于石墨可以吸收振动能量。⑷铸造性能好。由于铸铁硅含量高,成分接近于共晶.⑸切削性能好。由于石墨使车屑容易脆断，不粘刀。2、铸铁的性能特点⑴力学性能低。由于石墨相当于钢基体中的裂纹或空洞，破坏了基体的连续性，且易导致应力集中。铸铁与铸钢的强度比较3、铸铁的分类与牌号表示方法

铸铁名称石墨形态基体组织编号方法牌号实例

灰铸铁片状FHT+一组数字数字表示最低抗拉强度值，单位MPa。“HT”表示灰铸铁代号。

HT100F+PHT150PHT200

可锻铸铁团絮状FKTH+两组数字KTB+两组数字KTZ+两组数字KTH300-06表F心PKTB350-04PKTZ450-06KTH、KTB、KTZ分别为黑心、白心、珠光体可锻铸铁代号；第一组数字表示最低抗拉强度值，MPa；第二组数字表示最低伸长率值，%

铸铁的分类与牌号表示方法（续）铸铁名称石墨形态基体组织编号方法牌号实例球墨铸铁球状FQT+两组数字

第一组数字表示最低抗拉强度值，MPa；第二组数字表示最低伸长率值，%。

“QT”表示球墨铸铁代号QT400-15F+PQT600-3PQT700-2蠕墨铸铁蠕虫状FRuT+一组数字数字表示最低抗拉强度值,MPa。“RuT”表示蠕墨铸铁代号

RuT260F+PRuT300PRuT420第二节常用铸铁一、灰铸铁灰铸铁是指石墨呈片状分布的灰口铸铁。其产量约占铸铁总产量的80%以上。1、组织灰铸铁的组织是由液态铁水缓慢冷却时通过石墨化过程形成的，其基体组织有铁素体、珠光体和铁素体加珠光体三种。灰铸铁齿轮箱灰铸铁的显微组织

铁素体灰铸铁珠光体灰铸铁铁素体加珠光体灰铸铁石墨片的三维形貌常对灰铸铁进行孕育处理，以细化片状石墨。常用的孕育剂有硅铁和硅钙合金。经孕育处理的灰铸铁称为孕育铸铁。

孕育处理前孕育处理后硅铁硅钙2、热处理热处理只改变基体组织，不改变石墨形态。灰铸铁强度只有碳钢的30~50%，热处理强化效果不大。灰铸铁件汽缸套活塞环1.消除内应力退火(又称人工时效)加热到500～600℃，保温一定时间，随炉冷至200℃以下出炉空冷。2.消除白口组织退火加热到850~900℃，保温2~5h，然后随炉冷至250~400℃出炉空冷。3.表面淬火主要作用是提高铸件的表面硬度和耐磨性。常用的方法是火焰淬火、感应淬火、接触电阻加热淬火等。3、用途制造承受压力和震动的零件,如机床床身、各种箱体、壳体、泵体、缸体。大型船用柴油机汽缸体(HT-300)重型机床床身(HT-250)变速箱体牌号组织

用途举例HT100F+G片

盖、外罩、油盘、手轮、支架、底板、镶导轨的机床底座等对强度无要求的零件HT150F+P+G片底座、床身、与HT200相配的溜板、工作台；泵壳、容器、法兰盘;工作压力不太大的管件HT200F+P+G片要求高的强度和一定耐蚀能力的泵壳、容器、塔器、法兰、硝化塔机床床身、立柱、平尺、划线平板、汽缸、齿轮、活塞、刹车轮、联轴器盘、水平仪框架压力为80Mpa以下的油缸、泵体、阀门HT250P+G片HT300P细+G细片床身导轨、车床、冲床等受力较大的床身、机座、主轴箱、卡盘、齿轮、高压油缸、水缸、泵体、阀门、衬套、凸轮、大型发动机曲轴、气缸体、气缸盖；冷镦模、冷冲模HT350P细+G细片可锻铸铁石墨化退火工艺曲线

二、可锻铸铁石墨呈团絮状的灰口铸铁，是由白口铸铁经石墨化退火获得的。1、组织：基体(F、P)＋团絮状G铁素体基体可锻铸铁又称黑心可锻铸铁。2、性能：强度为碳钢的４0~７0%，接近于铸钢。名为可锻，实不可锻

可锻铸铁的显微组织

黑心可锻铸铁

珠光体可锻铸铁

可锻铸铁的石墨化退火3、用途用于制造形状复杂且承受振动载荷的薄壁小型件，如汽车、拖拉机的前后轮壳、管接头、低压阀门等。可锻铸铁管件

牌号组织

用途举例KTH300—06F+G团三通、管件、中压阀门KTH330—08F+G团

输电线路件、汽车、拖拉机的前后轮壳、差速器壳、转向节壳、制动器；农机件及冷暖器接头等。KTH350—10F+G团KTH370—12F+G团KTZ450—06P+G团

曲轴、凸轮轴、连杆、齿轮、摇臂、活塞环、轴套、犁片、耙片、闸、万向接头、棘轮、扳手、传动链条、矿车轮KTZ550—04P+G团KTZ650—02P+G团KTZ700—02P+G团三、球墨铸铁石墨呈球形的灰口铸铁。由液态铁水经石墨化得到.1、组织：基体（F、F+P、P）+球状G球状石墨是液态铁水经球化处理得到的。球化剂为镁、稀土和稀土镁。硅铁硅钙稀土镁为避免白口，并使石墨细小均匀，在球化处理同时还进行孕育处理。

常用孕育剂为硅铁和硅钙合金。球墨铸铁的显微组织

铁素体加珠光体球墨铸铁

铁素体球墨铸铁

珠光体球墨铸铁

球墨铸铁中的石墨球

2、性能与热处理强度是碳钢的70~90%。球墨铸铁的突出特点是屈强比(0.2/b)高,约为0.7~0.8,而钢一般只有0.3~0.5。球墨铸铁可进行各种热处理,如退火、正火、淬火加回火、等温淬火等。

球墨铸铁的热处理特点是：①奥氏体化温度比碳钢高，由于硅含量高;②淬透性比碳钢高;③奥氏体中碳含量可控。制品(轧辊与辊环)组织贝氏体基球墨铸铁退火退火是为了获得F基体，提高塑性和韧性。1）去应力退火对不再进行其他热处理的铸铁件，将其加热至500~600℃，保温2~8h，然后缓冷。2）低温退火对铸态组织是F-P和石墨，而没有自由渗碳体时，可进行低温退火，使P中的渗碳体分解为F和石墨，最后得到F基体的球墨铸铁。工艺是加热至700~760℃，保温3~6h，然后随炉缓冷至600℃出炉空冷。3）高温退火对铸态组织不仅有石墨还有自由渗碳体时，可进行高温退火，使渗碳体分解为F和石墨，最后得到F基体的球墨铸铁。工艺是加热至920~980℃，保温2~5h,然后随炉缓冷至600℃出炉空冷。正火正火是为了增加基体组织中P的数量，细化组织，提高强度和耐磨性。1）低温正火又称不完全奥氏体正火，其工艺是将铸件加热到820~860℃，保温1~3h然后出炉空冷，以得到P和少量F基体的球墨铸铁，既提高强度又具有较好的塑性和韧性。2）高温正火又称完全奥氏体正火，其工艺是将铸件加热到880~950℃，保温1~3h然后出炉空冷，以得到P基体的球墨铸铁，提高强度、硬度和耐磨性。调质处理

为了得到回火S基体，以获得较高的综合力学性能。其工艺为，淬火加热温度860~900℃，油冷，550~600℃.等温淬火

为了得到下B基体，使其具有高硬度、高强度和较好的韧性。其工艺为，淬火加热温度850~900℃，保温后迅速放入250~350℃的盐浴中等温1~1.5h，然后取出空冷。3、用途承受震动、载荷大的零件，如曲轴、传动齿轮等。核燃料贮存运输容器(QT350-22)铸铁曲轴

牌号组织

用途举例QT400—17

F+G球汽车、拖拉机底盘类零件，轮毂、驱动桥壳、差速器壳、拨叉、中低压阀门、管道。QT420—10

F+G球QT500—05

F+P+G球机座、传动轴、机车护瓦等。QT600—02

P+G球曲轴、凸轮轴、连杆、齿轮、摇臂、活塞环、轴套、汽缸套、机床蜗轮、蜗杆等QT700—02

P+G球QT800—02P+G球QT1200—01B下+G球汽车后桥螺旋锥齿轮、大减速器齿轮、曲轴、凸轮等四、蠕墨铸铁蠕墨铸铁是20世纪60年代发展起来的一种新型铸铁.蠕墨铸铁是液态铁水经蠕化处理和孕育处理得到的.蠕化剂为稀土硅铁镁合金、

稀土硅铁合金、稀土硅铁钙合金等。蠕墨铸铁的组织：基体（F、F+P、P）+蠕虫状G

蠕墨铸铁中的石墨蠕墨铸铁的显微组织蠕墨铸铁中的石墨珠光体基体铁素