《工程材料与应用》课件-第5章

5.1钢的综述5.2结构钢5.3工具钢5.4特殊性能钢5.5铸铁5.1.1钢材生产简介

钢是以铁碳合金为主要构成，基本上不存在共晶体的金属材料，它包括碳素钢及合金钢两大类。

1.钢的制取

自然界中，铁很少以纯铁状态出现，而是以称为铁矿石的化合物形式出现。因此，钢的制取较复杂：先要将铁矿石在高炉中用碳或一氧化碳还原得到生铁(wC>2.11%)，这一过程称为铁的冶炼；然后将生铁与废钢在炼钢炉中炼成钢，这一过程称为钢的冶炼。常用的炼钢炉有平炉、转炉、电弧炉、电渣重熔炉等。5.1钢的综述钢的冶炼实质上是一个氧化过程。它以生铁和废钢为原料，在熔化状态通过氧化使碳含量降低到某成分范围，并使所含杂质，如Mn、Si、S、P等降到一定限度以下，合金钢还需要添加合金元素，最后获得所需成分的钢液。

由于要在炼钢过程中加入大量氧以完成氧化过程，因此在炼钢末期，钢液的化学成分虽已符合要求，但钢水中仍含有较多的氧，这将会降低钢的质量并产生缺陷。所以，必须经过脱氧才能获得适合要求的钢。脱氧要向钢水中加入脱氧剂，如锰铁、硅铁和铝等。脱氧剂使溶解于钢水中的氧化铁还原，生成不溶于钢水的氧化物熔渣，然后上浮排出。钢按脱氧程度不同，可分为镇静钢和沸腾钢。脱氧相当完全的钢称为镇静钢。这种钢的组织致密，成分均匀，力学性能较好，因此合金钢和许多碳钢是镇静钢。脱氧不完全的钢称沸腾钢。这种钢在凝固前将发生氧-碳反应，生成大量的CO气泡，引起钢水沸腾。与镇静钢相比，其成分、性能不均匀，强度也较低，不适于制造重要零件。

2.钢的型材加工

炼成的钢液可直接浇铸成铸钢件，即形成结构、形状、尺寸与零件大致相同的铸造毛坯。但绝大部分都是先浇铸成钢锭，然后再经塑性变形成型。

少量钢锭通过锻造成型。更多的是经轧制、挤压和拉拔等方法制成各种钢材，如钢管、钢板、型钢、钢丝等，如图5-1所示。图5-1型钢

3.钢的质量

由于炼钢原料中存在许多杂质，虽然在炼钢时尽力设法去除，但仍不可避免会有一些物质从炉壁、炉渣、大气等混入钢液。因此，钢中总含有一定量的杂质元素(Mn、Si、S、P等)、气体(O2、H2等)和非金属夹杂物(硅酸盐、Al3O2等)，这必然会影响钢的质量。

1)杂质S、P的影响

钢中作为杂质存在的元素主要有Mn、Si、S、P等。锰和硅一般是为脱氧而加入钢中的，它对钢的力学性能有提高作用，而且锰还能脱硫，故为有益元素。硫和磷是随炼钢原材料进入钢中的。硫与铁形成化合物FeS，FeS又与Fe形成低熔点共晶，当钢进行加热时，会因共晶体熔化而脆化开裂，这种现象称为热脆。磷溶于铁素体会导致钢在低温时的塑性、韧性急剧下降，这种现象称为冷脆。因此硫和磷是钢中的有害元素，应予以严格限制。生产上根据钢中S、P含量，把钢分为普通钢(wS≤0.055%、wP≤0.045%)、优质钢(wS、wP≤0.040%)和高级优质钢(wS≤0.030%、wP≤0.035%)。

硫和磷虽是钢中的有害元素，但在某些情况下却有有益的一面，如硫与锰同时加入钢中，形成的MnS会使切削时易于断屑，这种钢称为易切削钢。含磷和铜的低碳钢可以提高钢在大气中的耐蚀性。

2)气体氢的影响

氢在钢中的严重危害是造成白点，这是一种银白色斑点，实际上是一种微裂纹。它使钢的塑性、韧性急剧下降，导致钢件淬火时开裂或使用时发生突然断裂，因此十分危险。

3)非金属夹杂物的影响

钢中非金属夹杂物的存在，将降低钢的塑性，且常为冲击破坏和疲劳破坏的裂纹源。

为获得高质量的钢，可采用真空电弧炉、电渣重熔炉对钢进行重熔，以进一步降低各种杂质含量。5.1.2钢的分类、编号与成分特点

钢的品种繁多，为了便于管理和使用，必须将钢加以分类和编号。

1.钢的分类

钢的分类方法很多，除了上面提到的根据其质量(硫、磷含量)将钢分为普通钢、优质钢和高级优质钢外，主要还有以下两种。1)按化学成分分类wMe为合金元素总含量。2)按用途分类

2.钢的编号

钢编号的原则主要有两条：

(1)根据编号可大致看出钢的成分；

(2)根据编号可大致看出钢的用途。

具体编号方法见表5-1和表5-2。表5-1碳钢的编号方法表5-2合金钢的编号方法

3.各类钢的成分特点

根据钢的编号方法，再加上对各类钢的含碳量及所含合金元素的了解，我们从钢的编号上可方便地确定其成分和大致用途。现将各类钢的成分特点列于表5-3中。表5-3各类钢的成分特点5.1.3碳钢和合金钢的特点

1.碳钢的特点

碳钢是含碳量小于2.11%的铁碳合金。为保证钢的韧性，常用碳钢含碳量都小于1.4%。碳钢的主要特点如下：

(1)碳钢的强度、硬度等主要取决于含碳量(见图3-16)，但可通过热处理进一步提高。其淬硬性随含碳量增加而提高。因此，可通过含碳量的增减和不同的热处理获得不同的强度、硬度与塑性、韧性的配合，从而在许多场合下能满足生产上的不同要求。

(2)碳钢的淬透性低(尤其是低碳钢难以淬硬到有意义的深度)，回火稳定性差，使其应用受到限制。对零件尺寸较大，要求获得较厚淬硬层，或要求强度、硬度、塑性、韧性等力学性能较高时，碳钢便无法满足要求。另外，碳钢淬火时需要较大的冷却速度，故易产生淬火变形和开裂现象。因此，对形状复杂或要求变形小的零件，碳钢难以胜任。

(3)碳钢在高温或低温下，性能会显著变低，且在大多数介质中易腐蚀，因此不宜制作耐热、耐低温及耐腐蚀等零件。

(4)碳钢价格便宜，成型工艺和热处理工艺较简单，因而在许多场合下都应考虑使用。例如，低碳钢的塑性、韧性良好，适用于各种冷、热加工与焊接；中碳钢可得到各种性能的较佳配合，淬火效果也显著优于低碳钢，在制造齿轮、轴、弹簧等机械结构零件等方面得到了广泛的应用；高碳钢的硬度、耐磨性较高，有一定淬火效果，可用于制作刃、模、量具等。

2.合金钢的特点

合金钢是在碳钢的基础上加入了一定量的合金元素，其主要特点如下：

(1)合金钢具有比碳钢更高的强度和韧性，而且其强化效果随组织不平衡程度的增大而趋于明显。如退火态合金钢的强度并不比碳钢有很大的优越性，而在正火态，合金钢的强度比碳钢明显增加，经淬火、回火后，合金钢的强化效果最显著。例如，40Cr与45钢相比，退火态硬度约高出10HBW；正火态约高出24HBW；淬火、600℃回火，硬度约高出70HBW。因此，大多数合金钢一般应在淬火、回火态使用。

(2)合金钢的淬硬性主要取决于含碳量，与相同碳量的碳钢相比略有提高，但合金钢的淬透性与回火稳定性明显提高。因此，合金钢适于制造截面尺寸大，要求获得较厚淬硬层，或要求强度、硬度、塑性、韧性较高的零件。而且合金钢淬火时冷却速度可比碳钢缓慢，不易变形、开裂，这对于形状复杂或要求变形小的零件是极其有利的。

(3)有的合金钢还具有较高的热硬性以及其他特殊性能，如耐热、耐蚀、抗磨、磁性等。

(4)合金钢价格较贵，成型工艺及热处理工艺也较复杂。因此，在满足使用要求的前提下，应优先选用碳素钢。但对尺寸大、形状复杂、要求强化性能高、精度高的零件，或要求热硬性及其他特殊性能的零件，仍应采用合金钢。

3.合金元素在钢中的作用

在一般的合金化理论中，按与碳亲合力的大小，可将合金元素分为碳化物形成元素和非碳化物形成元素两大类。常用合金元素如下：

(1)非碳化物形成元素：Ni、Co、Al、Si等。

(2)碳化物形成元素：Mn、Cr、Mo、W、V、Nb、Zr、Ti(按与碳亲合力由弱到强排列)。此外还有稀土元素，记为Re。

合金元素在钢中的作用很复杂，在前面几章中已有介绍，归纳起来，其主要作用大致有如下几个方面。

1)强化钢材

强化钢材是在钢中加入合金元素的主要目的，可通过以下几方面因素起作用：

(1)非碳化物形成元素及弱碳化物形成元素，如Si、Ni、Mn等溶入铁素体，起固溶强化作用。其中Ni可改善铁素体的韧性。

(2)碳化物形成元素Cr、Mo、W、V、Ti等，与碳形成的碳化物比渗碳体更硬、更稳定、更细小，弥散度更高，可更好地发挥第二相强化与细晶强化作用。

(3)合金元素，尤其是Mn、Ni、Cr、Mo、B(微量)等，增大钢的淬透性，以获得更深的淬硬层及采用较缓慢的淬火冷却速度。

(4)合金元素，尤其是Si、Mo、V、W等，提高钢的回火稳定性以减慢回火软化作用。当W、Mo、V含量较多时，在淬火回火过程中还会产生二次硬化，从而提高钢的热硬性。

在上述四个方面中，合金元素提高钢的淬透性和回火稳定性是主要作用，它可使位错、细晶、固溶及第二相等四种强化效果在钢中同时充分发挥作用，从而显著提高合金钢的强化程度。常用合金元素对钢的强化作用见表5-4。表5-4常用合金元素对钢的强化作用

2)使钢具备特殊性能

在低碳钢中加入大于12%的Cr(如1Cr13)，在钢的表层形成一层致密的铬氧化物保护膜，并增加电极电位，从而减缓电化学腐蚀过程，显著提高钢的耐蚀性。

在低碳钢中同时加入18%的Cr和9%的Ni(如1Cr18Ni9)可获得单相奥氏体组织，从而使钢具有更高的耐蚀性。

在含碳量较低的钢中加入足够的Cr、Si、Al等元素，特别是足够的Cr，可在钢的表面形成非常致密、稳定的氧化膜，从而提高钢的高温抗氧化性(热稳定钢)。若同时加入Mo、W、V、Ti等元素，则形成稳定的细小弥散氧化物，从而提高钢的高温强度(热强钢)。

高碳钢中加入13%的Mn(ZGMn13)，可使钢成为单相奥氏体组织，同时获得高的韧性和强的冷变形强化能力，并具有较高的耐磨性。

3)合金元素对钢工艺性能的影响

(1)加入合金元素，尤其是熔点较高的难熔元素后，液态金属黏度增加，从而导致钢的铸造性能恶化。

(2)合金元素，尤其是碳化物形成元素的加入，导致钢的高温强度提高而热塑性下降，故锻打力大且易裂。合金元素往往使导热性下降而淬透性提高，故锻造加热和冷却均应缓慢。合金元素导致钢的锻造温度范围减小，故要增加锻造加热次数。总之，合金钢锻造性能明显低于碳钢。(3)合金元素对可焊性的影响可借助“碳当量”Ceq来表达：

Ceq值应限制在0.4%以下，更不能超过0.6%，否则易产生裂纹，且焊后硬度太高，塑性、韧性太低。应当说明，为保证焊接质量，控制含碳量是首要的。在低碳范围内，强度相同的情况下，低合金结构的焊接性能远优于碳钢。

(4)许多合金钢含有大量的硬而脆的碳化物，即使在比较适于切削加工的硬度范围内，其切削性能也比碳钢差。有的合金钢，如奥氏体不锈钢和高锰钢，其冷变形强化能力强，而切削性能差。

为改善钢的切削性能，可在钢中加入0.08%的硫，或0.1%～0.35%的铅，如加入0.08%～0.15%的硫可形成所谓的易切削钢。5.2.1工程结构钢

工程结构钢又称普通结构钢，包括普通碳素钢与普通低合金钢。它们与优质结构钢的主要区别在于对硫、磷限制较宽，故成本较低，一般制成需求量较大的板材、型材、管

材等。

1.普通碳素钢

这类钢应确保力学性能符合标准规定，化学成分也应符合一定要求。一般在供应状态下使用，但也可根据需要在使用前对其进行热加工或热处理。普通碳素钢的牌号、化学成分、力学性能及应用列于表5-5与表5-6。5.2结构钢表5-5普通碳素钢的牌号及化学成分(摘自GB700—1988)表5-6普通碳素钢的力学性能及应用(摘自GB700—1988)虽然普通碳素钢的硫、磷含量以及金属夹杂物较多，但是由于容易冶炼、工艺性好、价格便宜，在力学性能上一般能满足普通机械零件及工程结构件的要求，因此用量很大，约占钢材料总量的70%。

2.普通低合金钢

普通低合金钢主要用以取代普通碳素钢来制造各种钢结构件，如桥梁、船泊、车辆、高压容器、管道、建筑材料等。普通低合金钢的一般含碳量在0.10%～0.25%之间，合金元素总量不超过3%，以锰为主要合金元素，并辅以少量的钼、钒、硼。由于合金元素的强化作用，其屈服点比普通碳素钢高25%～150%，因此也称为普通低合金高强度钢。由于强度显著提高，因此，用普通低合金高强度钢取代普通碳素钢可节约大量钢材，减轻结构重量，保证使用可靠、耐久。如以Q345(16Mn)代Q235钢，一般可节约钢材20%～30%。一些强度更高的钢种可节约50%以上。此外，普通低合金高强度钢还具有良好的焊接性和冷成型性。常用普通低合金钢的牌号、成分、性能及用途见表5-7。表5-7普通低合金钢的牌号、成分、性能及用途表中所列普通低合金钢，以 Q345(16Mn)应用最广泛。如用 Q345(16Mn)冲制成型制造联合收割机链环，经低碳马氏体强化处理，代替30Mn铸钢件，不但成品率大大提高，且重量减轻。5.2.2机器结构钢

机器结构钢供货时，既要保证化学成分，又要保证力学性能，而且比普通结构钢规定更严格，其硫、磷含量均控制在0.035%以下，非金属夹杂物也较少，质量等级较高，一般在热处理后使用。各类机器结构钢成分特点见表5-8。表5-8机器结构钢成分特点

1．渗碳钢

渗碳钢是为适应表面渗碳处理发展起来的。它经渗碳、淬火及低温回火后，表面具有优良的耐磨性与疲劳抗力，而心部有良好的韧性和足够的强度。因此，渗碳钢主要用于制造要求耐磨同时又承受冲击或交变载荷的零件，如齿轮和轴类。

渗碳钢的含碳量一般为0.10%～0.25%，合金元素总量不超过3%。为保证淬透性，使心部组织得到强化，可加入铬、镍、锰、硼等合金元素，并辅以少量钒、钛等元素，以防渗碳时晶粒长大。常用渗碳钢的牌号、热处理工艺、力学性能及用途列于表5-9中。其中20Cr、20Mn2B、20CrMnTi是较典型的渗碳钢，在一些场合下可用无铬的20Mn2B代替含铬渗碳钢，以降低成本。不同的合金元素对渗碳钢的渗碳速度、渗层深度和表面碳浓度会产生不同的影响。

非碳化物形成元素(如Ni、Si、Co)会加速碳在950℃时在奥氏体中的扩散，同时降低碳在奥氏体中的溶解度和降低渗层的最大含碳量。

碳化物形成元素，会降低碳在奥氏体中的扩散系数。如在平均含碳量为0.2%的钢中，加入1%下列元素，可在渗碳温度下减慢碳的扩散，减慢碳的扩散顺序为：Mn、Mo、V、W、Cr。碳化物形成元素合金化的钢与碳钢相比，碳化物形成元素能提高表层的最大碳

浓度。表5-9常用渗碳钢的牌号、热处理工艺、力学性能及用途不同合金元素对沿钢渗层碳浓度分布和渗层深度有不同影响。

渗碳钢的热处理方法一般是渗碳后进行淬火，然后低温回火。碳素渗碳钢和低合金渗碳钢，经常采用直接淬火或一次淬火，然后低温回火的方法。高合金渗碳钢则采用二次淬火和低温回火的方法。下面以应用广泛的20CrMnTi和20Cr2Ni4A钢为例，分析其热处理工艺规范。例如，某厂制造凸轮轴齿轮，其技术要求如下：

渗碳层深度为1.0～1.5mm；渗碳层浓度为0.8%～1.0%C；齿表面硬度为58～60HRC；心部硬度为35～45HRC。选用材料为20CrMnTi。

齿轮的生产工艺流程为下料→锻造→正火→加工齿形→渗碳→预冷→淬火→低温回火→喷丸→精磨。

机加工前的正火是为了改善锻造的不正常组织，以利于切削加工。该钢的热处理工艺如图5-2所示。图5-220CrMnTi钢齿轮的热处理规范

20CrMnTi钢齿轮，渗碳后预冷到875℃直接油淬。预冷的目的在于减少淬火变形，同时在预冷过程中，渗层中可以析出二次渗碳体，在淬火后再经200℃回火，减少了残余奥氏体量。经这样处理后，20CrMnTi钢可获得高耐磨性渗层，齿面主要为回火马氏体和未溶碳化物，硬度为58～60HRC，而心部组织为低碳回火马氏体，具有较高的强度和良好的韧性。喷丸处理的目的是消除氧化皮，使零件表面光洁及增加表面压应力，以提高疲劳强度。

20CrMnTi钢适宜制造承受高速中载并且抗冲击和耐磨损的零件。如汽车、拖拉机的后桥和变速箱齿轮、离合器轴、伞齿轮和一些重要的轴类零件。

20Cr2Ni4A 钢齿轮，由于含有较高的合金元素，渗层含碳量又高，使得淬火时，马氏体开始转变，温度下降。若渗碳后直接淬火，渗层中将保留大量残余奥氏体，使表层硬度下降。解决这个问题，主要采用三种办法：第一种办法是淬火后进行冷处理(-60～-100℃)；第二种办法是渗碳及正火后进行一次高温回火(600～620℃)，得到析出碳化物，降低渗层中的碳及合金元素含量，提高Ms点，随后在较低温度+(30～50)℃加热淬火，最后低温回火；第三种办法是进行喷丸处理，促使渗层中残余奥氏体转变为马氏体。图5-3为20Cr2Ni4A钢齿轮渗碳后热处理规范。图5-320Cr2Ni4A钢齿轮渗碳后热处理规范

2.调质钢

调质钢主要用于各种重要的承受冲击载荷或负荷较大的机器零件，如曲轴、连杆、涡杆、轴类等。调质钢的含碳量一般在0.25%～0.50%，主要加入铬、锰、硅、硼等元素，以提高钢的淬透性和综合力学性能。为细化晶粒，提高回火稳定性及防止回火脆性，还加入少量的钼、钨、钒、钛等合金元素。常用调质钢的牌号、热处理工艺、力学性能及用途列于表5-10。表5-10常用调质钢的牌号、热处理工艺、力学性能及用途

40Cr是最常用的调质钢，强度、硬度较高且有良好的韧性，广泛用于汽车、拖拉机齿轮及机床主轴等。在一些场合，可用40MnB等代替40Cr，以降低成本。

例如，某车辆厂制造汽缸螺栓，其性能要求为Rm≥900MPa，ReL≥700MPa，A5≥12%，图5-442CrMo钢螺栓调质工艺曲线Z≥50%，ak≥80J/cm2，硬度为300～341HBW。选用材料为42CrMo钢。工艺流程为下料→锻造→退火→机械加工(粗加工)→调质→机械加工(精加工)→喷丸。

锻造后的退火是为了改善锻造组织，降低硬度，以利于切削加工，并为调质处理做组织准备。

42CrMo钢螺栓调质工艺曲线如图5-4所示，经880℃油淬后得到马氏体组织，570℃回火后其组织为回火索氏体，可满足性能要求。图5-442CrMo钢螺栓调质工艺曲线

3.弹簧钢

弹簧钢主要用来制造各种弹性元件，尤其是各种弹簧。弹簧钢要求有高强度，特别是高的弹性极限和疲劳强度。碳素弹簧钢的含碳量一般在0.6%～0.9%，合金弹簧钢的含碳量一般在0.5%～0.7%，主要加入锰、硅、铬、钒等元素，以提高淬透性和弹性极限。常用弹簧钢的牌号、热处理工艺、力学性能及用途列于表5-11中。表5-11常用弹簧钢的牌号、热处理工艺、力学性能及用途弹簧热处理后性能好坏的判断主要是弹性参数与韧性参数的平衡。性能好坏与材料成分及淬透性有密切的关系。

目前弹簧成型常采用两种方法：其一是热处理后冷成型；其二为成型后进行热处理。第一种成型方法的弹簧，一般钢丝直径<8mm，板簧厚度h<5mm，先对材料淬火+中温回火，获得回火托氏体组织，成型后进行低于150℃去除应力退火。第二种热成型后的弹簧，可于830～870℃加热后油淬，420～450℃回火，亦获得回火托氏体组织。如果弹簧钢丝直径>15 mm，板材厚度h>8 mm，会出现淬不透现象，使弹性极限下降，疲劳强度降低。所以弹簧钢材的淬透性必须和弹簧选材直径尺寸相适应。弹簧的弯曲应力、扭转应力在表面处最高，因而它的表面状态非常重要。热处理时的氧化脱碳是最忌讳的，加热时要严格控制炉气，尽量缩短加热时间。

由于弹簧表面质量对使用寿命影响很大，故热处理之后常进行喷丸表面强化，使表面产生压应力，消除或减轻弹簧表面缺陷，提高弹簧的疲劳强度，从而提高使用寿命。一般小尺寸螺旋弹簧可选用冷成型弹簧钢丝(75～85钢)，冷卷成型后经去应力退火处理即可。小尺寸弹性元件可用65 Mn制造，经淬火中温回火后使用。尺寸较大或要求较高的弹簧，需用合金弹簧钢经热成型后淬火并中温回火。

例如，某汽车制造厂生产汽车板簧。选用材料为 60Si2Mn。工艺流程为扁钢下料→加热压弯成型→淬火→中温回火→喷丸。

通常为减少弹簧的加热次数，把热成型与淬火结合起来进行，如图5-5所示的工艺曲线，中温回火后获得回火托氏体能满足性能要求。图5-5热成型弹簧的成型及热处理工艺曲线

4.滚动轴承钢

滚动轴承钢大量用来制作滚动轴承的滚珠、滚柱和内外圈。因为这类零件要求具有较高且均匀的硬度、较好的耐磨性、较高的抗压强度和疲劳强度等，故滚动轴承钢是一种高碳低铬钢，含碳量为0.95%～1.10%，含铬量为0.4%～1.65%。高碳为保证有高的淬硬性，同时可形成铬的碳化物强化相。铬的主要作用是增加钢的淬透性，使淬火、回火后整个截面上获得较均匀的组织。铬可形成合金渗碳体(Fe、Cr)3C，加热时降低过热敏感性，得到细小的奥氏体组织。溶入奥氏体中的铬，又可提高马氏体的回火稳定性。高碳低铬的滚动轴承钢，经正常热处理后可获得较高且均匀的硬度、强度和较好的耐磨性。对大型滚动轴承，其材料成分中需加入Si、Mn等元素，以进一步提高淬透性，适量的Si(0.4%～0.60%)还能明显地提高钢的强度和弹性极限。滚动轴承钢是高级优质钢，成分中的硫含量小于0.015%，磷含量小于0.025%，最好用电炉冶炼，并用真空除气。常用滚动轴承钢的牌号、热处理工艺及用途列于表5-12中。表5-12常用滚动轴承钢的牌号、热处理工艺及用途滚动轴承钢的化学成分和力学性能与工具钢差不多，故也可用来制造刃具(丝锥、板牙、铰刀等)及量具，如量块等。滚动轴承钢的热处理工艺要求较高，先经球化退火作预备热处理，改善切削性能，并为淬火作组织准备，以淬火和低温回火为最终热处理。对于某些精密零件，为稳定尺寸，淬火后进行冰冷处理(-60～-80℃)，磨削后再进行一次低温时效处理(120～130℃)。例如，某精密镗床主轴轴承(套圈、滚珠)制造的热处理技术要求为硬度不小于62HRC，选用材料为GCr15。工艺流程为锻造→球化退火→机加工→淬火→冰冷处理→低温回火→磨削→稳定化处理。

球化退火是为了降低硬度，便于切削加工，并为淬火作好组织上的准备。退火后的组织为球化体。精密轴承热处理工艺曲线如图5-6所示。对GCr15来说，淬火温度要求十分严格，应在825～845℃之间。如果淬火温度过高，会使残余奥氏体增多，并因过热而形成粗大的马氏体，使钢的疲劳强度及韧性降低；温度过低，则硬度不足。由于是精密轴承，淬火后应立即进行低于-60℃的冰冷处理，以减少残余奥氏体，然后再进行低温回火。回火后的组织为极细的回火马氏体、均匀分布的细粒状合金碳化物及少量的残余奥氏体，硬度为62～65HRC。

为了消除磨削应力，进一步稳定组织，常在磨削后进行稳定化处理，即采用低温长时间回火。图5-6精密轴承热处理工艺曲线(a)球化退火；(b)淬火、回火及时效处理

5.铸钢

用于浇铸成型铸件的钢称为铸钢。铸钢一般用于制造形状复杂、难于进行锻造，且要求有较高的强度和韧性并能承受冲击的零件，如齿轮拨叉、大型齿轮、水压机机座等。

铸钢的最大缺点是流动性差、收缩大，一般采用提高浇铸温度的方法来改善其流动性。铸钢的牌号、化学成分、力学性能及特性和用途见表5-13。表5-13铸钢的牌号、化学成分、力学性能及特性和用途工具钢用于制造各种刃具、模具和量具。由于用途不同，其工作条件与性能要求亦不同。对于结构钢，判断该钢在一定工作条件下能否胜任的重要性能指标有抗拉强度、屈服点、延伸率、断面收缩率、韧性、疲劳强度等。对于工具钢，除个别情况以外，大多数是在受到很大局部压力和磨损条件下工作的。一般来说，正确地使用工具钢，意味着需要在韧性和耐磨性之间进行优化处理。而工具钢的这两个互相矛盾的基本性能取决于热处理淬火和回火后马氏体的成分、形貌、硬度与碳化物的性质、类型、数量、形态和分布。因此，判断工具钢性能的主要依据是其化学成分和组织状态。5.3工具钢为了使工具钢获得高的硬度、热稳定性和耐磨性以及足够的强度和韧性，在成分上必须具有高的含碳量，通常碳含量为0.6%～1.3%。高的含碳量，可保证淬火后得到过饱和度大的高碳马氏体，从而得到高的硬度和强度，这对减少和防止工具损坏是有利的。高的碳含量为形成足够数量的碳化物强化相提供了必要保证，因而提高了钢的耐磨性。

在工具钢中加入Cr、W、Mo、V、Nb、Ti等强碳化物形成元素，可依处理工艺不同而在钢中形成多种类型碳化物。加入Mn、Si元素，可以减少工、模具在热处理时的变形。将上述元素加入钢中，还可以不同程度地提高钢的淬透性和回火稳定性。

由于工具钢的高碳、高合金元素的成分特点，导致了它的塑性变形能力差，热处理时的淬火变形和开裂倾向大。因此对钢中S、P含量的控制要更严格一些，一般限制在0.03%以下。工具钢高碳、高合金元素的成分特点，是其获得所需性能的必要条件，但真正要得到优良性能则必须经过热处理手段来完成。细、小、匀、圆的碳化物，不仅能保证工具钢具有优良的切削性、耐磨性及韧性，而且对热处理过程中防止或减轻过热敏感性、变形、开裂也是十分重要的。故工具钢的预先热处理均采用球化退火，以获得在铁素体基体上分布着细小均匀的颗粒状碳化物组织。有时为了消除网状或大片状碳化物，往往在球化退火前先进行一次正火处理。对于高碳高合金工具钢，组织中的一次碳化物的形貌及分布与轧制和锻造工艺有直接的关系。工具钢最终热处理的淬火加热温度选择在～之间。较低温度加热，一方面有效地防止了变形和开裂；另一方面，保留在奥氏体上的碳化物起到了阻碍晶粒长大的作用。淬火后残余奥氏体的存在有利于工具钢韧性的提高，而未溶到奥氏体中的碳化物提高了材料的硬度和耐磨性。

至于回火温度的确定，主要是在消除有害应力的前提下，尽量保证高硬度来考虑的。由于合金元素的加入，钢的回火稳定性提高了，因此，含有合金元素的种类和数量不同的各种工具钢，它们的具体回火温度可能有较大差异。5.3.1刃具钢

刃具钢在工作中受到很大的切削力、摩擦与切削热的作用，因而除要具备高的硬度(60HRC以上)、耐磨性和热硬性外，还应有足够的强度和韧性，以防断裂或崩刃。

根据化学成分的不同，刃具钢可分为碳素工具钢、低合金刃具钢及高速钢三类。

1.碳素工具钢

碳素工具钢是含碳量为0.65%～1.35%的优质或高级优质高碳钢。高碳含量可保证淬火后有足够的硬度。常用碳素工具钢的牌号、热处理工艺及用途见表5-14。表5-14常用碳素工具钢的牌号、热处理工艺及用途碳素工具钢在锻造后应球化退火，并以淬火和低温回火为最终热处理。淬火后的硬度虽随含碳量增加而增加，但变化不大，一般在60～65HRC，但随含碳量增加，耐磨性提高，塑性、韧性则降低，故不同牌号的碳素工具钢的用途有些差异。T7(T7A)、T8(T8A)一般用于要求韧性稍高的工具，如冲头等；T10(T10A)用于要求中等韧性的工具，如手锯锯条、丝锥、冷冲模等；T12(T12A)有高硬度及耐磨性，但韧性较低，用于制造锉刀、刮刀、量具等。

2.低合金刃具钢

低合金刃具钢的最高工作温度不超过300℃。其含碳量一般在0.8%～1.5%，以保证足够的淬硬性和耐磨性。低合金刃具钢的合金元素总含量通常不大于5%。其主加元素有铬、硅、锰，以提高钢的淬透性和强度；再辅以钨和钒等，以形成碳化物，提高钢的硬度、耐磨性和热硬性。低合金刃具钢的热处理工艺与承轴钢的相近。

常用低合金刃具钢的牌号、热处理工艺及用途列于表5-15中。其中最常用的低合金刃具钢是9SiCr、CrWMn和9Mn2V。表5-15常用低合金刃具钢的牌号、热处理工艺及用途

9SiCr主要有用于制造要求淬火变形小和刀刃较薄的低速切削工具，如板牙、丝攻、铰刀等。CrWMn主要用来制造要求淬火变形小的较精密的低速切削刀具，如拉刀，长铰刀等。在很多场合可用价格较低的9Mn2V来代替CrWMn和9SiCr。

3.高速钢

高速钢是一种含有多种合金元素的高合金钢，其含碳量达0.7%～1.5%，并加入较多的铬、钨、钒等合金元素，总含量达10%～25%。铬能提高钢的淬透性；钨能提高热硬性；钒不仅能提高钢的硬度和耐磨性，还能降低钢的过热倾向并细化晶粒。常用高速钢的牌号、热处理工艺、热硬性及用途见表5-16。其中W18Cr4V应用最广，常用来制造各种切削刀具，如车刀、铣刀、拉刀、刨刀等，工作温度可达600℃。表5-16常用高速钢的牌号、热处理工艺、热硬性及用途由于高速钢的合金元素含量多，使得它的C曲线右移，淬火临界冷却速度大为降低，在空气中冷却就可得到马氏体组织，因此高速钢也俗称为风钢(锋钢)。也同样因为合金元素的作用，使Fe-Fe3C相图中的E点左移，这样在高速钢铸态组织中出现大量的共晶莱氏体组织。鱼骨状的莱氏体及大量分布不均的大块碳化物(见图5-7(a))，使得铸态高速钢既脆又硬，无法直接使用。图5-7W18Cr4V钢的显微组织(a)铸态组织；(b)锻造退火后组织；(c)淬火回火组织高速钢铸造后的组织不能用热处理办法矫正，必须借助于反复的压力热加工。一般选择多次轧制和锻造，将粗大的共晶碳化物和二次碳化物破碎，并使它们均匀分布在基体中。锻造或轧制后，钢锭要缓慢冷却，以防止产生过高应力甚至开裂。

高速钢锻造后必须进行球化退火，目的在于既调整硬度便于切削加工，又调整组织为淬火作准备。具体工艺可采用等温退火，加热保温(860～880℃)，然后冷到720～750℃保温，炉冷至550℃以下出炉。硬度为207～225HBW，组织为球化体(索氏体+碳化物)。高速钢的淬火加热温度尽量高些，这样可以使较多的W、V(可提高刃具钢的红硬性)溶入奥氏体中。在1000℃以上加热淬火，W、V在奥氏体中的溶解度急速增加；1300℃左右加热，各合金元素在奥氏体中的溶解度也大为增加。但时间稍长，会造成晶粒长大，甚至出现晶界熔化，这也就是淬火温度和加热时间需精确掌握的原因所在。另外，由于高碳高合金元素的存在，高速钢的热导性很差，因此淬火加热时采用分级预热，一次预热温度为600～650℃、二次预热为800～850℃，这样加热工艺可避免由热应力而造成的变形或开裂。淬火冷却采用油中分级淬火法。高速钢的回火一般进行三次，回火温度为560℃，每次1～1.5h。第一次回火只对淬火马氏体起回火作用，在回火冷却过程中，发生残余奥氏体的转变，同时产生新的内应力。经第二次回火，没有彻底转变的残余奥氏体继续发生新的转变，又产生新的内应力。这就需要进行第三次回火。因高速钢的Ms和Mf点很低，淬火后残余奥氏体多达35%，三次回火后仍保留有1%～2%，与此同时，使碳化物析出量增多，产生二次硬化现象，提高了刃具使用性能。为使高速钢中的残余奥氏体量减少到最低程度，往往还需进行冷处理。例如，插齿刀是加工齿轮的刀具，其形状复杂，并要求具有足够高的硬度(63～64HRC)和热硬性，故选用W18Cr4V制造，其工艺流程为下料→锻造→球化退火→机加工→淬火→三次回火→磨削→蒸汽处理。

W18Cr4V插齿刀的淬火及回火工艺曲线如图5-8(b)所示。淬火温度高是为了使足够的合金元素溶入奥氏体，三次560～570℃回火主要是尽可能地减少残余奥氏体，并使钢在回火过程中获得高的热硬性。回火后组织为回火马氏体、细小分布均匀的合金碳化物和少量残余奥氏体，硬度不小于63HRC。图5-8W18Cr4V插齿刀的热处理工艺(a)等温球化退火；(b)淬火及回火

为了防止高温氧化、脱碳，要在熔盐中加热，且由于高速钢导热性差，故必须进行预热，以免开裂。此外，由于刀具形状较复杂，应采用分级淬火。

热处理后进行蒸汽处理(通入蒸汽加热至550℃，保温1h)，主要是为了进一步提高耐磨性，从而提高使用寿命。5.3.2模具钢

模具钢主要用来制造使各种工程材料成型的工、模具，根据其工作条件，可分为热作模具钢和冷作模具钢两大类。

1.热作模具钢

用于材料热态下成型的模具钢称为热模具钢。它既受大的冲击性压应力，又受反复冷、热交变应力。因此要求有高的热硬性、热稳定性、高温耐磨性、韧性和热疲劳抗力(反复冷热不易裂)，另外还必须保证有足够的淬透性和导热性。

热作模具钢一般采用含碳量为0.25%～0.60%的中碳合金钢。若含碳量过高，将使塑性、韧性下降，导热性变差；若含碳量过低，则硬度和耐磨性达不到要求。热作模具钢的主加合金元素为铬、镍、锰等，以提高淬透性，并辅以钼、钨、钒等，以产生二次硬化。

常用热作模具钢的牌号及用途见表5-17，其中5CrMnMo、5CrNiMo最常用。表5-17常用热作模具钢的牌号及用途

例如，锤锻模工作时，模具平均温度在500～600℃，并承受很大的冲击载荷。通常锤锻模的截面尺寸较大。对于中、小型锤锻模，常选用5CrMnMo，以保证有足够的强韧性、淬透件和高温性能。其工艺路线为下料→锻造→完全退火→机加工→淬火→回火→精磨加工(修型、抛光)。

5CrMnMo钢热锻模淬火回火工艺曲线如图5-9所示。图5-95CrMnMo钢热锻模淬火回火工艺曲线

2.冷作模具钢

用于材料冷态下成型的模具钢称为冷作模具钢。它要求具有高硬度、高耐磨性、足够的韧性与疲劳抗力，同时要求有高淬透性和小的热处理变形。

冷作模具钢的含碳量较高(1.0%～2.0%)，以保证有足够的淬硬性(50～60HRC)和耐磨性，并加入铬、钼、钨、钒等合金元素以形成难熔碳化物，提高耐磨性，其中铬还能提高淬透性。

尺寸不大、形状简单、耐磨性和淬火变形要求不高的模具，可用碳素工具钢T9A、T10A等制造。形状较复杂或要求淬火变形小的冷冲模，则可选用低合金工具钢CrWMn、9SiCr、9Mn2V或GCr15制造。尺寸大或耐磨性要求很高、淬火变形小的模具，则需采用Cr12等高合金工具钢制造。

例如，要求较高的冲裁模主要用于各种板料的冲切成型，模具工作部位是刃口，要求刃口在冲切过程中保持其完整与锐利，即在工作中不崩刃，不易变形和磨损等。因此要求具有高硬度(61～62 HRC)、良好的耐磨性和强韧性，并要求热处理变形小，故可选用Cr12MoV。其工艺流程为下料→锻造→球化退火→机加工→淬火→回火→精磨→成品。

反复锻造后要缓冷，以免产生裂纹，锻后退火工艺也类似于W18Cr4V(850～870℃加热3～4h，然后在720～750℃等温6～8h)，退火后的组织为球化体，硬度小于255HBW。

图5-10为Cr12MoV钢冲裁模淬火回火工艺曲线，采用正常淬火和低温回火，组织为回火马氏体、细小分布均匀的合金碳化物和残余奥氏体，硬度高(61～62HRC)，耐磨性好，具有一定的韧性。图5-10Cr12MoV钢冲裁模淬火回火工艺曲线5.3.3量具钢

量具钢用于制造各种测量工具，主要要求有高的硬度和耐磨性以及尺寸稳定性。

量具钢没有独立钢种，常用低合金刃具钢和滚动轴承钢来制造高精度量具，如CrWMn、GCr15等。一般量具也可用T10A、T12A制造。量具钢的热处理工艺为球化退火、淬火及低温回火，磨削后进行人工时效强化，以稳定尺寸。图5-11所示为CrWMn钢块规淬火回火工艺曲线。图5-11CrWMn钢块规淬火回火工艺曲线5.4.1不锈钢

不锈钢具有抵抗空气、水、酸、碱等的腐蚀作用的能力。其含碳量不高，主要含铬、镍等合金元素。常用的不锈钢有铬不锈钢和铬镍不锈钢两种。

铬不锈钢的含铬量为13%左右，含碳量为0.1%～0.45%，主要牌号有1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13。

1Cr13和2Cr13的含碳量较少，淬火后达不到较高的硬度，但塑性、韧性高，多用来制造受冲击的耐腐零件，如汽轮机叶片和水压机阀门等。5.4特 殊 性 能 钢3Cr13和4Cr13的含碳量中等，经过淬火可达到较高的硬度(55HRC左右)，主要用于制造要求不锈的医疗工具、量具、弹簧和滚动轴承等。

铬镍不锈钢的含铬量为18%左右，含镍量为9%左右，含碳量很少，在0.15%以内。所以比铬不锈钢具有更好的耐蚀性，但硬度不高，而塑性及韧性较好。常用的钢号有0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti等。这类钢的抗蚀、抗酸能力强，可制作各种在腐蚀介质中工作的管、阀门、吸收塔及储藏和运输酸类用的容器等。铬镍不锈钢室温时为奥氏体组织，呈非磁性，故可用来制造要求避磁的零件。磨削加工时，必须注意不能直接用电磁吸盘装夹。铬镍不锈钢含大量的铬和镍，价贵且不符合我国资源条件。因此我国已试制和生产了一些含铬、镍较少或不含镍的新型不锈钢。该不锈钢用锰、氮等代替镍，用铝、硅代替铬，以节约镍、铬合金元素。5.4.2耐热钢

耐热钢能适应高温条件下的工作，即在高温条件下仍具有高的强度和不被氧化的性能。它也含有较高的铬、镍、钒等元素。

常用的耐热钢有15CrMo和1Cr18Ni9Ti。15CrMo钢是典型的锅炉钢，制造在350℃以下工作的零件；1Cr18Ni9Ti钢既是不锈钢，又是耐热钢，用于制造在500～650℃工作的汽轮机叶片、大功率发动机排气阀等。5.4.3耐磨钢

耐磨钢可以在严重磨损和强烈撞击条件下工作。目前使用的耐磨钢主要是ZGMn13高锰钢，它含锰10%～14%，含碳1.0%～1.4%。这种钢经1100℃淬火后，能得到单一的奥氏体组织，其硬度并不高(180～220HBW)，但塑性、韧性好。当受到剧烈冲击和摩擦时，表面产生塑性变形，从而产生冷变形强化，硬度达450～550HBW，其耐磨性可比碳钢高十几倍，且当表面磨损后，新露出表面的钢继续产生加工硬化，仍保持高耐磨性。由于高锰钢具有很强的冷变形强化能力，故压力加工和切削加工都很困难，一般都直接铸造成零件，经淬火和磨削加工后使用。

ZGMn13 高锰钢主要用来制造坦克及拖拉机的履带、破碎机齿板、球磨机衬板、铁道道叉等承受高压、冲击和容易强烈磨损的零件。含碳量大于2.11%的铁碳合金叫做铸铁。由于铸铁比较便宜，且共晶点附近的铸铁结晶温度范围小，熔点低，因此具有良好的铸造性能，在工程应用中具有重要地位。

众所周知，白口铁硬而脆，工程上无法直接使用。然而白口铁中的渗碳体并不是稳定的化合物，若白口铁中含有硅或通过长时间保温，就能使渗碳体分解(Fe3C→3Fe+C)，使白口铁中的碳大部分或全部以石墨形式析出。这样既保留了白口铁优良的流动性，又因石墨析出而减少了其收缩率，同时力学性能也得到了改善。5.5铸铁图5-12石墨的晶体结构铸铁中石墨的形成叫做石墨化过程。石墨的晶体结构为简单六方，如图5-12所示。石墨的结晶形态常呈片状，它的强度、塑性及韧性均很低，接近于零。由于铸铁中含较多的硅，在使用铁—碳相图时要考虑其影响。为此，常用碳当量(记为Ceq)来代替图中的碳含量。碳当量计算公式为

Ceq%＝wC%＋1/3wSi%

此外，由于石墨的析出，图3-8还需修正，修正后的相图如图5-13中虚线所示。实际上存在有两种状态的相图，图中的实线即是Fe-Fe3C相图，虚线部分则是Fe-G相图(G代表石墨)。如果铸铁全部按Fe-G相图进行结晶，则铸铁的石墨化过程可分为三个阶段。图5-13铁—碳双重相图第一阶段，即在1153℃时通过共晶反应而形成石墨，其反应式可写成→第二阶段，即在1153～738℃范围内冷却过程中，自奥氏体中析出二次石墨(GⅡ)。第三阶段，即在738℃时，通过共析反应而形成石墨，其反应式如下：→一般地，铸铁在高温冷却的过程中，由于具有较高的原子扩散能力，故其第一和第二阶段的石墨化是较容易进行的，即通常都能按照Fe -G相图结晶，凝固后得到(A+G)组织。而随后在较低温度下的第三阶段石墨化，则常因铸铁的成分及冷却速度等条件不同，而被全部或部分地抑制。按三个阶段石墨化进行程度的不同，可获得三种不同基体的组织。

如果铸铁三个阶段的石墨化全部完成，则铸铁的组织为铁素体+石墨，如图5-15(a)所示。

如果铸铁第一、第二阶段的石墨化完全进行，而第三阶段的石墨化部分进行，则铸铁的组织为铁素体+珠光体+石墨，如图5-14(b)所示。如果铸铁第一、第二阶段的石墨化完全进行，而第三阶段的石墨化完全被抑制，则铸铁的组织为珠光体+石墨，如图5-14(c)所示。

铸铁的性能除了与成分及基体组织有关外，更主要的是取决于石墨的形态(形状、大小、数量、分布等)，因此，工业铸铁一般根据石墨形态来进行分类，如图5-15所示。图5-14灰铸铁(a)铁素体+石墨；(b)铁素体+珠光体+石墨；(c)珠光体+石墨5.5.1灰铸铁

灰铸铁虽然在较低温的共析反应中可能生成碳化物，但大多数碳在共晶反应时生成片状石墨。

1.灰铸铁的组织和性能

灰铸铁是铸铁中最便宜的一种，其典型成分为wC=2.7%～3.9%，wSi=1.1%～2.6%，wMn=0.6%～1.2%、wS≤0.1%～0.15%，wP<0.3%。灰铸铁的显微组织由铁素体及珠光体基体和片状石墨组成(见图5-14)，这相当于在钢的基体上嵌入许多石墨片。

1)力学性能

由于灰铸铁中片状石墨尖端常为初始裂纹的部位，使材料有一定脆性，因此灰铸铁的抗拉强度、弹性模量均比钢低，而塑性、韧性接近于零，如表5-18所示。

灰铸铁的石墨片越多、越粗大、分布越不均匀或呈方向性，其力学性能就越差。必须看到，灰铸铁的抗压强度受石墨影响不大，所以与钢相近，一般达600～800MPa，这对灰铸铁的合理应用甚为重要。另外，石墨的减振及自润滑作用也是值得注意的。因此，灰铸铁广泛用于制造机床床身、底座、衬套等。表5-18灰铸铁与铸钢力学性能的比较

2)工艺性能

由于灰铸铁属脆性材料，故不能锻造和冲压，且焊接性能差，不宜作为焊接结构材料。

由于灰铸铁的成分接近共晶点，而且石墨的析出可降低其收缩率，因此铸造性能好。同时，石墨的存在使切削时呈脆断切屑，因此切削性能好。

灰铸铁的基体组织对其性能也有一定影响。灰铸铁按其基体组织又分为珠光体灰铸铁、珠光体铁素体灰铸铁和铁素体灰铸铁，其中以珠光体灰铸铁应用最广。

2.影响铸铁组织和性能的因素

影响铸铁组织和性能的主要因素是化学成分和冷却速度。

1)化学成分

铸铁中的碳、硅、锰、硫等元素对石墨化有不同程度的影响。

(1)碳和硅对铸铁的组织和性能有着决定性的影响。

碳是形成石墨的元素，硅是强烈促进石墨化的元素。碳、硅含量越多，析出的石墨越多、越粗大；硅的增加还会使基体中的铁素体增多，珠光体减少。实践表明，若铸铁中的含硅量过少，即使含碳量很高，石墨也难以形成。

碳、硅对石墨化的共同影响可用图5-16来说明。由图可知，调整碳、硅量可使铸铁获得不同的组织。图5-16铸件壁厚和含碳量对铸铁组织的影响碳、硅含量还将影响铸铁的铸造性能，通常碳、硅含量愈高，铸造性能愈好。

(2)锰和硫密切相关。硫是强烈阻碍石墨化的元素，它使铸铁白口倾向增大，增加铸铁的热脆，使铸造性能变坏，促使浇不足、缩孔、裂纹、夹渣等缺陷的形成。因此，硫是有害元素，其含量常限制在0.15%以下。

锰也是阻碍石墨化的元素，但它可与硫形成MnS，上浮进入渣中排出，从而抵消硫的有害作用。此外，锰还可提高铸铁基体的强度和硬度。因此，锰是有益元素。

(3)磷对石墨化影响不大，反而会增加铸铁的冷脆，其含量常限制在0.3%以下。

2)冷却速度

相同成分的铸铁，当冷却速度不同时，其组织和性能也不同。若冷却速度慢，则石墨得以顺利析出；若冷却速度快，则石墨析出受到抑制。为了确保铸件的组织和性能，必须认真考虑冷却速度的影响，合理选定铸件的化学成分。

铸件的冷却速度主要取决于铸型材料和铸件壁厚。各种铸型材料的导热能力不同，显然金属型比砂型导热快。铸件壁厚的影响更大，铸件愈薄，冷却速度则愈快，石墨化难以充分进行；铸件愈厚，石墨愈易析出。可见铸件壁厚也是选定铸件化学成分的因素之一。

3.孕育铸铁

提高灰铸铁强度有两个基本途径：首先是改变石墨的数量、形状、大小和分布；其次是改善基体组织，待石墨的影响减小之后，以期充分发挥金属基体的作用。

孕育铸铁是向低碳(2.7%～3.3%)、低硅(1%～2%)铁水中加入少量孕育剂后再浇铸的铸铁。铁水中加入的物质称为孕育剂，常用的孕育剂有硅铁(75%Si)和硅钙铁。硅铁粒度一般为3～10 mm，加入量依铸件壁厚而定，如壁厚在20～50 mm，加入硅铁量为铁水质量的0.3%～0.7%。生产实践证实，Ba、Al、RE等元素均有孕育作用，它们与铁水中的C、O、S作用，可分别形成BaC9、Al4O4C、La2O2S、Ce2O2S等外来晶核，成为石墨结晶的衬底和核心。一般认为，加入孕育剂后100s内孕育效果最强烈，称为饱和孕育状态。随着孕育后铁水停留时间的延长，孕育效果显著减小，出现孕育衰退现象，白口深度增加，石墨数量减少，力学性能下降。孕育处理时，由于铁水中均匀悬浮着外来的弥散质点，增加了石墨结晶的晶核，使石墨易于析出，且石墨细小、均布，并获得珠光体基体。因此，孕育铸铁的强度、硬度比普通灰铸铁有显著提高，一般Rm=250～400MPa，HBW=170～270。但因石墨仍为片状，故其塑性、韧性仍然很低，A≈0.5%，ak=3～8J/cm2。

孕育铸铁的另一优点是冷却速度对组织性能影响小，这使截面差大的铸件上性能均匀。

孕育铸铁适用于静载荷下，要求具有较高强度、耐磨性或有气密性要求的铸件，特别是厚大铸件，如重型机床床身、液压件等。

4.灰铸铁的牌号及选用

由于灰铸铁的性能不仅与成分有关，且取决于铸件壁厚，因此，其牌号以力学性能来表示，即用HT加三位数字表示。其中HT代表灰铁，其后数字表示最低抗拉强度，如HT250表示该铸铁Rm≥250MPa。不同壁厚普通灰铸铁的牌号、力学性能参考值及用途举例见表5-19。普通灰铸铁的基体组织依次为铁素体、铁素体—珠光体、珠光体。HT250～HT350是孕育铸铁。由表可见，依铸件力学性能选择铸铁牌号时，还应考虑铸件壁厚。表5-19不同壁厚普通灰铸铁的牌号、力学性能参考值及用途举例5.5.2蠕墨铸铁

蠕墨铸铁是近二十年发展起来的一种新型铸铁。当向铁水中加入适当变质剂(稀土合金)，凝固后石墨形态不再呈片状而是呈蠕虫状(见图5-17)。一般把长、宽的比值在2～10范围内的石墨称为蠕虫状石墨。因为此种石墨长、宽的比值小，且端部变圆、变钝，所以引起应力集中的效应比片状石墨的轻，同时基体也得到强化，铸铁力学性能得到明显提高。蠕化剂有镁类、稀土类两种。铸铁变质处理后还须用硅铁进行孕育处理。图5-17蠕墨铸铁蠕墨