金属学及热处理课件：铸铁

铸铁[目标]1.了解铸铁特点;

2.掌握铸铁分类和用途;

[重点]1.了解铸铁成分与性能特点；

2.掌握铸铁分类；

3.常用铸铁热处理工艺和性能；

4.常用铸铁的应用；

[难点]

1.铸铁性能特点及原因；2.常用铸铁热处理工艺及组织形成。铸铁铸铁是ⱲC＞2.11%的铁碳合金。以铁、碳、硅为主要组成元素，并比碳钢含有较多的锰、硫、磷等杂质元素的多元合金。铸铁件生产工艺简单，成本低廉，并且具有优良的铸造性、切削加工性、耐磨性和减振性等。铸铁件广泛应用于机械制造、冶金、矿山及交通运输等部门。铸铁8.1铸铁的分类

铸铁中多余的碳存在的形式有：渗碳体（Fe3C）、游离状态石墨（G）。

石墨中碳原子层状排列，层间容易滑动，其强度、硬度、塑性、韧性均极低，Rm＜19.6MPa，3~5HBW，A≈0。

若将渗碳体加热到高温，则可分解为铁素体或奥氏体与石墨，即Fe3C→F（A）+G。

这表明石墨是稳定相，而渗碳体仅是介（亚）稳定相。石墨的晶体结构8.1铸铁的分类（1）白口铸铁

碳几乎全部以Fe3C形式存在，断口白亮。铸铁组织中存在大量莱氏体，性能硬而脆，切削加工较困难，主要用作炼钢原料。（2）灰口铸铁

碳主要以石墨形式存在，断口呈暗灰色，是工业上应用最多最广的铸铁。按碳存在的形式分类（3）麻口铸铁

一部分碳以石墨形式存在，另一部分以Fe3C形式存在，断口呈黑白相间构成麻点。该铸铁中渗碳体较多，性能与白口铸铁相似，故工业上使用也较少。

最常用铸铁中的碳主要以石墨存在。

铸铁组织中石墨的形成过程称为石墨化。主要因素是化学成分和结晶冷却速度。1.化学成分（1）碳和硅

强烈促进石墨化的元素。随Ⱳc的增加，液态中石墨晶核数量增多；硅与铁的结合力较强，可削弱铁、碳原子的结合力，而且还会使共晶点的含碳量降低，共晶温度提高，这都有利于石墨的析出。

通常把含硅量折合成相当的含碳量，并把这个碳的总量称为碳当量ⱲCE。8.2铸铁中的石墨化过程8.2.1影响石墨化的因素（2）锰

锰是阻止石墨化的元素。但锰与硫能形成硫化锰，减弱了硫的有害作用，结果又间接地起着促进石墨化的作用，因此，铸铁中含锰量要适当。（3）硫

硫是强烈阻止石墨化的元素，硫不仅增强铁、碳原子的结合力，促进形成渗碳体使铸铁白口化；而且形成硫化物后，常以共晶体形式分布在晶界上，促使高温铸件开裂。所以硫是有害元素，铸铁中含硫量愈低愈好。（4）磷

磷是微弱促进石墨化的元素，但形成的Fe3P分布在晶界上，增加铸铁的脆性，使铸铁在冷却过程中易于开裂，铸铁中磷含量也应严格控制。

为了提高铸铁力学、物理、化学性能，还可以添加一定量的Cr、Ni、Cu、Mo等合金元素，得到合金铸铁。

工业上常用铸铁的成分（质量分数）一般为含碳2.5%～4.0%、含硅1.0%～3.0%、含锰0.5%～1.4%、含磷0.01%～0.5%、含硫0.02%～0.2%。因为石墨是稳定相，冷却速度越缓慢，即过冷度越小时（越接近平衡条件）越有利于得到稳定的相和组织。另一方面，石墨是100%的碳聚集，冷速越慢，越有利石墨的析出和聚集；冷速越快，石墨化将进行得越困难。2.冷却速度的影响铁碳合金双重相图

第一阶段（液相—共晶阶段）8.2.2铸铁的石墨化过程与组织、特点

过共晶成分全部按Fe-G相图平衡结晶为例L→LC，+GILC，→AE，+G共晶

第二阶段（共晶—共析阶段）AE，→AS′+GⅡ第三阶段（共析阶段—室温）AS，→FP，+G共析

1.铸铁的石墨化过程与组织来自液相的G来自A的G来自共析的G共析转变后F中析出极少量三次石墨，常忽略不计。铸铁石墨化程度与组织的关系示意图

图中蓝色越多表示该阶段石墨化程度越高。灰口铸铁来自液相的G来自A的G来自共析的G铸铁石墨化程度与组织的关系铸铁名称石墨化进行程度铸铁的

显微组织第一阶段第二阶段第三阶段灰口铸铁完全石墨化完全石墨化F+G部分石墨化F+P+G未石墨化P+G白口铸铁未石墨化未石墨化Ld’+P或Fe3C麻口铸铁部分石墨化未石墨化Ld’+P+G

铸铁中最常用的灰口铸铁，其基体主要有珠光体、铁素体、珠光体+铁素体三种。基体中珠光体含量越高，铸铁的抗压强度、硬度与耐磨性也越高。

碳硅含量增加、壁厚增加，结晶冷却速度较慢时，易得到灰口组织；反之，易得到白口组织。铸件壁厚（冷速）和化学成分对铸件组织的影响铸件壁厚（冷速）和化学成分对铸件组织的影响2.灰口铸铁的分类（1）灰铸铁：石墨呈片状。力学性能不高，但生产工艺简单，价格低廉，应用最广。（2）可锻铸铁：石墨呈团絮状。力学性能好于灰铸铁，但生产工艺较复杂，成本高，故只用来制造一些重要的小型铸件。（3）球墨铸铁：石墨呈球状。生产工艺比可锻铸铁简单，且力学性能较好，得到广泛应用。（4）蠕墨铸铁：石墨呈蠕虫状。强度和塑性介于灰铸铁和球墨铸铁之间。铸造性、耐热疲劳性比球墨铸铁好，用来制造大型、复杂以及在温度梯度下工作的铸件。a）片状石墨b）团絮状石墨c）球状石墨d）蠕虫状石墨（1）力学性能

由于石墨的割裂和应力集中作用，使灰铸铁的抗拉强度、塑性、韧性和弹性模量远比相应基体的钢低。铸铁的力学性能主要取决于铸铁的基体组织及石墨的数量、形状、大小和分布。（2）铸造性能

铸铁的液相线比钢更低，流动性更好。铸铁凝固时析出比容较大的石墨，减小了收缩率，使铸铁具有更好的铸造性能。（3）减摩性好

石墨本身具有润滑作用，石墨掉落后留下的孔隙具有储存润滑油的能力，而使铸铁具有良好的减摩性。（4）减振性强石墨松软，能阻止震动的传播。灰铸铁减振能力比钢大10倍，故常用作承受压力和震动的机床底座、机架、机床床身和箱体等零件。（5）切削加工性良好由于石墨割裂基体，切削时容易断屑和排屑，且石墨对刀具具有一定润滑作用，可减少刀具磨损。（6）缺口敏感性小铸铁中石墨的存在相当于在金属基体中形成了大量缺口或孔洞，致使铸铁对缺口敏感性小。3.铸铁的特点8.3.1灰铸铁的成分、组织与性能特点

由于第三阶段石墨化程度的不同，可以获得三种不同基体组织的灰铸铁。a）铁索体基体b）珠光体基体c）铁索体+珠光体基体灰铸铁的显微组织8.3灰铸铁

“HT”：灰铸铁，数字一般为最低抗拉强度值（MPa），如HT200。8.3.2灰铸铁的牌号和应用牌号铸铁类别抗拉强度MPa应用HT100铁素体灰铸铁≥100

主要用于低载荷和无特殊要求的一般零件，如盖、防护罩、手柄、支架、重锤等HT150铁素体+珠光体灰铸铁≥150适用于中等载荷的零件，如支架、底座、齿轮箱、刀架、床身、飞轮、管路、泵体等。HT200珠光体灰铸铁≥200用于大载荷和较重要的零件，如气缸体、齿轮、齿轮箱、机座、飞轮、缸套、活塞、联轴器、轴承座等HT250≥250HT300孕育铸铁≥290用于承受高载荷的重要零件，如重要设备床身、机座、受力较大的齿轮、凸轮、高压油缸、滑阀壳体等HT350≥340

1．去应力退火

消除内应力的退火处理（人工时效）。

加热温度500~600℃，经保温炉冷到150~220℃出炉空冷。2.改善切削加工性的退火

灰口铸铁由于冷速较快产生白口，致使切削加工困难，需进行退火降低硬度。

加热至850~900℃，保温2~5h，使渗碳体分解为石墨，而后随炉缓慢冷却至400~500℃，再空冷。若需要提高铸件的耐磨性，采用空冷，可得到珠光体为主要基体的灰铸铁。3．表面淬火

把铸铁基体淬火成马氏体，以提高表面硬度和耐磨性，如机床床身导轨表面、气缸套内壁等。8.3.3灰铸铁的热处理

采用碳硅当量较低的铁水浇注出白口铸铁坯件，再经石墨化退火获得。曲线①：铁素体（黑心）可锻铸铁曲线②：珠光体可锻铸铁可锻铸铁的可锻化退火工艺曲线8.4可锻铸铁wC=2.2%～2.6%

wSi=1.1%～1.6%

wMn=0.42%～1.2%wp<0.1%

ws<0.2%石墨呈团絮状，削弱了石墨对基体的割裂作用；可锻铸铁的力学性能优于灰铸铁，并接近于同类基体的球墨铸铁，具有良好的塑性与韧性。但与球墨铸铁相比，具有铁水处理简易、质量稳定、废品率低等优点。a）铁素体基体

b）珠光体基体可锻铸铁的显微组织8.4.1可锻铸铁的成分、组织与性能特点“KT”：可锻铸铁，“H”表示黑心，“Z”表示珠光体基体。

两组数字分别表示最小抗拉强度（MPa）和伸长率（%）。8.4.2可锻铸铁的牌号与应用种类牌号试样直径/mmRmMPaA%HBW应用≥黑心可锻铸铁KTH300-0612或153006≤150弯头、三通管件，中低压阀门等扳手、犁刀、犁柱、车轮壳等，汽车、拖拉机前后轮壳、减速器壳、转向节壳、制动器等KTH350-1035010KTH370-1237012珠光体可锻铸铁KTZ450-0612或154506150～200载荷较高及耐磨损的零件，如曲轴、凸轮轴、连杆、齿轮、活塞环、轴套、棘轮、扳手、传动链条等KTZ650-026502210～260KTZ700-027002240～290

球墨铸铁是经过球化处理及孕育处理获得的。在浇注前球化处理，随后立即进行孕育处理，促进石墨化，防止球化元素造成白口倾向。

铁水出炉温度必须高达1400℃以上。

冲入法球化处理8.5球墨铸铁由于球化剂阻止石墨化，所以球墨铸铁的碳当量较高。一般wC=3.6%~3.9%、wSi=2.2%~2.7%、wMn=0.6%~0.8%、wMg=0.03%~0.05%、wRe=0.02%~0.04、wS≤0.07%、wP≤0.1%。球铁铸态下基体分为铁素体、铁素体+珠光体、珠光体三种。球状石墨对基体的割裂和应力集中作用小，基体强度利用率高达70%~90%，可用球墨铸铁代替铸钢，用于承受静载荷、形状复杂的零件。8.5.1球墨铸铁的成分、组织与性能特点a）铁素体基体b）铁素体+珠光体基体c）珠光体基体球墨铸铁的显微组织

“QT”：球墨铸铁，第一组数字：最低Rm，第二组数字：最低A。8.5.2球墨铸铁的牌号与应用牌号基体

组织RmMPaA%HBW应用≥QT400-18铁素体40018130～180承受冲击、振动的零件，如汽车、拖拉机轮毂、驱动桥壳、拨叉，压缩机高低压气缸，电机外壳，齿轮箱等QT500-7铁素体+珠光体5007170～230载荷较大、受力复杂的零件，如桥式起重机滚轮，内燃机油泵齿轮、机车车辆轴瓦等QT600-3珠光体+铁素体6003190～270载荷大、受力复杂零件，汽车、拖拉机曲轴、连杆、凸轮轴，部分磨床、铣床的主轴，小型水轮机主轴等QT800-2珠光体或

回火组织8002245～335QT900-2贝氏体或回火马氏体9002280～360高强度齿轮，如汽车后桥螺旋锥齿轮，大减速齿轮，内燃机曲轴、凸轮轴等

球墨铸铁基体利用率高，可像钢一样进行各种热处理，使力学性能进一步扩大，常用热处理方法有退火、正火、等温淬火、调质处理等。1．退火

（1）去应力退火

球墨铸铁铸造内应力比灰铸铁约大两倍。将铸件缓慢加热到500～620℃左右，保温2～8h，随炉缓冷。（2）石墨化退火

消除白口，降低硬度，改善切削加工性，获得铁素体球墨铸铁。分为高温石墨化退火和低温石墨化退火。8.5.3球墨铸铁的热处理

1）高温石墨化退火

加热至共析温度以上，900～950℃，保温2～4h，使自由渗碳体石墨化，随炉缓冷至600℃，使铸件发生第二和第三阶段石墨化，再出炉空冷。2）低温石墨化退火

加热至共析温度范围附近，即700～760℃，保温2～8h，使铸件发生第二阶段石墨化，然后随炉缓冷至600℃，再出炉空冷。

球墨铸铁高温石墨化退火工艺曲线

球墨铸铁低温石墨化退火工艺曲线

获得珠光体组织，并使晶粒细化、组织均匀，提高零件强度、硬度和耐磨性。分为高温正火和低温正火。（1）高温正火

全部奥氏体化后获得珠光体基体。（2）低温正火

使基体组织部分奥氏体化后获得珠光体+分散铁素体，可以提高铸件的韧性与塑性。

球墨铸铁高温正火工艺曲线图

球墨铸铁低温正火工艺曲线2．正火4．调质处理

淬火组织为细片状马氏体和球状石墨。然后再加热到550～600℃回火2～4h，获得回火索氏体和球状石墨组织，具有良好综合力学性能。常用于柴油机曲轴、连杆等重要零件。

球墨铸铁还可进行表面热处理，如表面淬火、渗氮等。

把铸件加热至860～900℃，保温后迅速放入温度为250～300℃的等温盐浴中等温冷却，然后取出空冷。组织为下贝氏体+少量残余奥氏体+少量马氏体+球状石墨。3．等温淬火

向铁水中加入蠕化剂（镁或稀土）所获得的一种具有蠕虫状石墨组织的铸铁。实际上是球化不充分的缺陷形式。8.6蠕墨铸铁蠕墨铸铁力学性能介于灰铸铁和球墨铸铁之间，接近于铁素体基体的球墨铸铁。其导热性、铸造性、可切削加工性均优于球墨铸铁，与灰铸铁相近。蠕墨铸铁具有良好综合性能，主要用于承受热循环载荷的铸件。

8.6蠕墨铸铁“RuT”表示蠕墨铸铁；后面的数字表示最低抗拉强度。例如：RuT300

牌号基体组织RmMPaRp0.2MPaA/%HBW应用≥RuT260铁素体2601953121～195增压器废气进气壳体、汽车底盘零件等RuT300珠光体＋铁素体3002401.5140～217排气管、变速箱体、气缸体、液压件、纺织机零件、钢锭模等RuT340珠光体+铁素体3402701.0170～249重型机床、大型齿轮的箱体、机座、飞轮、起重机卷筒等RuT380珠光体3803000.75193～274活塞环、气缸体、制动盘、制动鼓、吸淤泵体、玻璃模具等

加入某些合金元素可使铸铁具有某种特殊性能，如耐磨性、耐热性或腐蚀性等。8.7特殊性能铸铁8.7.1耐磨铸铁分为减摩铸铁和抗磨铸铁两类。1．减摩铸铁提高减摩铸铁耐磨性的途径主要是合金化和孕育处理。常用的合金元素为Cu、Mo、Mn、P、稀土元素等，常用的孕育剂是硅铁。减摩铸铁中应用最多的是高磷铸铁。2．抗磨铸铁

在干摩擦条