金属材料之铸铁介绍
时间：2020-07-03 08:53:28 来源：岩天数控培训
铸铁不是纯铁，它是一种以Fe、C、Si为主要成分且在结晶过程中具有共 晶转变的多元铁基合金。化学成分一般为：C2.5％—4.0％、Si1.0％一3，0％、P0.4%～1.5％、S0.02％—02％。为了提高铸铁的机械性能 ，通常在铸铁成分中添加少量Cr、Ni、C。、Mi、等合金元素制成合金铸铁。
一、铸铁的特点
（一）成分与组织特点
铸铁与碳钢相比较，其化学成分中除了有较高的C、Si含量外（C2.5％～4，0%、Si1.0％一3.0％），还含有较高的杂质元素Mn、P，S，在特殊性能的合金铸铁中，还含有某些合金元素。所有这些元素的存在及其含量，都将直接影响铸铁的组织和性能。
由于铸铁中的碳主要是以石墨（G）形式存在的，所以铸铁的组织是由金属基体和石墨所组成的。铸铁的金属基体有珠光体、铁素体和珠光 体加铁素体三类，它们相当于钢的组织。因此，铸铁的组织特点，可以看成是在钢的基体上分布着不同形状的石墨。
（二）铸铁的性能特点
铸铁的抗拉强度、塑性和韧性要比碳钢低。虽然铸铁的机械性能不如钢，但由于石墨的存在，却赋予铸铁许多为钢所不及的性能。如良好的耐磨性、高消振性、低缺口敏感性以及优良的切削加工性能。此外 ，铸铁的碳含量高，其成分接近于共晶成分，因此铸铁的熔点低，约为1200℃左右，铁水流动性好，由于石墨结晶时体积膨胀，所以传送收缩率小，其铸造性能优于钢，因而通常采用铸造方法制成铸件使用，故称之为铸铁。
二、铸铁的分类
铸铁的分类方法很多。根据碳存在的形式可分为三种：
（一）白口铸铁（简称白口铁）
白口铸铁中的碳主要以渗碳体（Cm）形式存在，断口呈白亮色。其性能硬而脆，切削加工困难。除少数用来制造硬度高、耐磨、不需要加工的零件或表面要求硬度高、耐磨的冷硬铸件外（如破碎机的压板、轧辊、火车轮等 ），还可作为炼钢原料和可锻铸铁的毛坯。
（二）灰口铸铁（简称灰口铁）
灰口铸铁中的碳主要以片状石墨的形式存在，断口呈灰色。灰口铸铁具有良好的铸造性能和切削加工性能，且价格低廉，制造方便，因而应用比较广泛。
（三）麻口铸铁（简称麻口铁）
麻口铸铁中的碳既以渗碳体形式存在，又以石墨状态存在。断口来杂着白亮的游离渗碳体和暗灰色的石墨，故称为麻口铁。生产中很少用麻口铁。
根据石墨形状的不同，将铸铁分为以下四种：
1.灰口铸铁，铸铁中的石墨形状呈片状。
2.蠕墨铸钟持铁中的石墨大部分为短小蠕虫状
3.球墨铸铁（又称玛铁、玛钢），铸铁中的石墨是不规则团絮状。
4.球墨铸铁：铸铁中的石墨呈球状。
此外，为了获得某些特殊性能，应使铸铁中的常规元素高干规定的含量，并且加入一定的合金元素，此称之为 特殊性能铸铁。例如、耐磨铸铁、耐热铸铁和耐蚀铸铁等。
三、铸铁的结晶
通过金属学的学习我们已经知道，铸铁的结晶过程和组织转变依化学成分和铸造工艺条件不同，可以按Fe-Fe3C系进行或者按Fe-G系进行。研究铸铁时为了方便起见 ，通常将这两种状态图叠加在一起称为Fe-C合金双重状态图，如图所示 。
由图可见，亚共晶成分的发口铸铁（简称灰铸铁）结晶时，首先拆出的是初生奥氏体A，以后残留下的液相再经过共晶转变 ，变为固态。共晶转变完毕后继续冷却时，还要发生碳自A中脱港析出那以后的共折转变，完成结晶过程，形成亚共晶铸铁的最终纷纷通常把初生A的析出和以后共晶转变称为铸铁的一次结晶；而把凝固后进行的碳自A中的 脱溶、共析转变称为二次结晶。
一次结晶决定了铸铁的晶粒大小、石墨形状和分布，二次结晶决定了铸铁的基体组织。因此。要控制铸铁的组织，就必须控制这两个结晶过程。
19.3 铸铁的石墨化
四、铸铁的石墨化过程
铸铁中石墨的形成过程称为石墨化过程。铸铁组织形应的基本过程就是铸铁中石墨的形成过程。因此，了解石墨化过程的条件与影响因素对掌握铸铁材料的组织与性能是十分重要的。
根据Fe－C合金双重状态图，铸铁的石墨化过程可分为三个阶段：
1.液相亚共晶结晶阶段。包括，从过共晶成分的液相中直接结晶出一次石墨和共晶成分的液相结晶出奥氏体加石墨由一次渗碳体和共 晶渗碳体在高温退火时分解形成的石墨。
2.共晶转变亚共折转变之间阶段。包括从奥氏体中直接析出二次石墨和二次渗碳体在此温度区间分解形成的石墨。
3.共折转变阶段。包括共折转变时，形成的共析石墨和共析渗碳体退火时分解形成的石墨。
五、影响铸铁石墨化的因素
铸铁的组织取决于石墨化进行的程度，为了获得所需要的组织，关键在于控制石墨化进行的程度。实践证明，铸铁化学成分、铸铁结晶的的冷却速度及铁水的过热和 静置等诗多因素都影响石墨化和铸铁的显微组织。
（一）化学成分的影响
各元素对待铁石墨化的影响可定性地列于表中。各元素对石墨形状、分布的影响定性地列于表中。
由表可见，恃铁中常见的C，Si、Mn、P、S中，C，Si是强烈促进石墨化的元素，S是强烈阻碍石墨化的元素。实际上各元素对铸铁的石墨化能力的影响极为复杂。其影响与各元素本身的含量以及是否与其它元素发生作用有关 ，如Ti、Zr、B、Ce、Mg等都阻碍石墨化，但若其含量极低（如B、Ce＜0.01％，T＜0.08％）时，它们又表现出有促进石墨化的作用。
（二）冷却速度的影响
一般来说，铸件冷却速度趋缓慢，就越有利于按照Fe-G稳定系状态图进行结晶与转变，充分进行石墨化；反之则有利于按照 Fe-Fe3C亚稳定系状态图进行结晶与转变，最终获得 白口铁。尤其是在共析阶段的石墨化，由于温度较低，冷却速度增大，原子扩散困难，所以通常情况下，共折阶段的石墨化难以充分进行。
铸铁的冷却速度是一个综合的因素，它与浇注温度、传型材料的导热能力以及铸件的壁厚等因素有关。而且通常这些因素对两个阶段的影响基本相同。提高浇注温度能够延缓铸件的冷却速度，这样既促进了第一阶段的石墨化，也促进了第二阶段的石墨化。因此，提高浇注温度在一定程度上能使石墨粉化 ，也可增加共析转变。
（三）铸铁的过热和高温静置的影响
在一定温度范围内，提高铁水的过热温度，延长高温静置的时间，都会导致铸铁中的石墨基作组织的细化，使铸铁强度提高。进一步提高过热度，铸铁的成核能力下降，因而使石墨形态变差，甚至出现自由渗联体，使强度反而下降，因而存在一个‘临界温度’。临界温度的高低，主要取决于铁水的化学成分及铸件的冷却速 度一般认为普通灰铸铁的临界温度约在1500一1550℃左右，所以总希望出铁温度高些。
五、灰铸铁
灰铸铁是一种断面是灰色，碳主要以片状石墨形式出现，是应用最为广泛的一种铸铁。灰铸铁的铸造性能、切削性、耐磨性和吸 震性都优于其它各类铸铁，而且生产方便、品率高、成本低。因此，在工农业生产中友铸铁获得广泛应用，在各类铸铁的总产量中点80％以上。
（一）灰铸铁的牌号、化学成分反显微组织
根据发铸铁分类国家标准 GB 9439一88，我国灰铸铁的牌号分为六级。 “HT”表示灰铁二字汉语拼音的第一个大写字母，其后数字表示抗拉强度。发铸铁的化学成分见表。
灰铸铁的显微组织是由片状石墨和金属基体所组成的。金属基体俄共析阶段石墨化进行的程度不同可分为铁素体、铁素体-珠光体作和珠光体三种。相应有三种不同基体组织的灰铸铁 ，它们的显微组织分别如图与图所 示。 普通灰铸铁的金属基体以珠光作为主，并合有少量铁素体；高强度铸铁主要是珠光作基体，属于铁素体基体的主要是高硅铸铁。
（二）灰铸铁的性能和用途
灰铸铁的性能与其他学成分和组织有密切的联系。
1.优良的铸造性能,
由于友铸铁的化学成分接近共晶点，所以铁水流动性好，可以铸造非常复杂的零件。另外，由于石墨比容较大，使铸件凝固时的收缩量减少，可简化工艺，减轻铸件的应力并可得到致密的组织。
2，优良的耐磨性和消震性
石墨本身具有润滑作用，石墨掉落后的空洞能吸附和储存润滑油，使铸件有良好的耐磨性。此外，由于铸件中带有硬度很高的磷共晶，又能使抗磨能力进一步提高，这对于制备活塞环、气缸套等受摩擦零件具有重要意义。石墨可以阻止后动的传播，灰铸铁的消夸大能力是钢的10倍，常用来制作承受振动的机床底座。
3.较低的缺口敏感性和良好的切削加工性能
灰铸铁中由于石墨的存在，相当于存在很多小的缺口时表面的缺陷、缺口等几乎没有敏感性，因此，表面的缺陷对铸铁的疲劳强度影响较小 ，但其疲劳强度比钢要低。由于发铸铁中的石墨可以起断屑作用和对刀具的润滑起减障作用，所以其可切削加工性是优良的。
4.灰铸铁的机械性能
友铸铁的抗拉强度、塑性、韧性及弹性模量都低于碳素锈钢，如表所示。灰铸铁的抗压强度和硬度主要取决于基体组织。灰铸铁的抗压强度一般比抗拉强度高出三四倍 ，这是灰铸铁的一种特性。因此，与其把灰铸铁用作抗拉零件还不如做耐压零件更适合。这就是广泛用作机床床身和支柱受耐压零件的原因。
（三）提高铸铁性能的途径
1.铸铁石墨细伦强化——孕育处理
为了细化灰铸铁的组织，提高铸铁的机械性能，并使其均匀一致。通常在浇注前往铁水中加和少量强烈促进石墨化的物质 ，即孕育剂）进行处理，这一处理过程称为孕育处理。经过孕育处理的灰铸铁称孕育铸铁。
常用的孕育剂有破铁、硅钙、稀土台金等，其中最常用的是含有75％Si的铁合金。孕育剂的加入量大致在0.2％～0.5％，应视铸件厚薄而定。孕育剂的作用是促使石里非自发形核 ，因而孕育铸铁的全相组织是在细密的珠光体基体上，均匀分布细小的石墨，其抗拉强度可达300一400 MPa，硬度可达HB170—270，αk可达3～8 J／cm2、延伸率达0.5％左右 ，都比普通灰铸铁高。
六、铸铁的石墨球化强化——球化处理
（一）球墨铸铁的生产
石墨呈球状的铸铁称为球墨铸铁，简称球铁。球铁是用灰口成分的铁水经球化处理和孕育处理两制得的。
（二）球铁的组织和性能特点
球墨铸铁中的石墨呈球状，它对基体的破坏作用小，基体强度利用率可达70％－90％。另外。球铁可通过热处理充分发挥基体的性能潜力，所以球铁具有较好的机械性能。抗拉强度最高可达150x107N/m2，延伸率可达25%。另外，它的屈强比 很高，αk可达8-15J／cm2。
（三）球墨铸铁的牌号，化学成分和用途
根据国家标准 GB］348－－88规定，球铁分为八个牌号，牌号中‘QT’是球铁二字汉语拼音的字头，其后二级数字分别表示最低抗拉强度和最低延伸率。表 中列出了球铁的化学成分和力学性能。
球铁具有上述优异的机械性能、有时可用它代替碳素钢，应用于负荷较大受为复杂的零件如珠光体基的球铁常用于制造汽车、拖拉机中的曲轴、连杆、凸轮等。还可做大型水压机的工作缸、缸套及活塞。而铁素作基的球铁多用于制造受压阀门、汽车后桥壳等。
（四）可锻铸铁
它是由白口铸件经热处理而得的一种高强度铸化与灰铸铁相比，它具有较高的强度、塑性、韧性，而耐磨性和城探性优于普通碳素钢，所以可部分代替碳钢、合金钢和有色金属。
七、特殊性能铸铁
在普通铸钟基础上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，从而形成一类具有特殊性能的合金铸铁。合金铸铁可用来制造在高温、高 磨擦或耐蚀条件下工作的机器零件。
（一）磨铸铁
根据工作条件的不同，耐磨铸铁可以分为减摩铸铁和抗磨铸铁两类。减磨铸铁用于制造在润滑条件工作的零件，如机床床身、导轨和汽缸套等。这些零件要求较小的摩擦系数。抗磨 铸铁用来制造在于摩擦条件下工作的零件，如轧辊、球磨机磨球等。
（二）耐热铸铁
铸铁在高温条件下工作、通常会产生氧化和生长等现象。氧凡是指铸铁在高温下受氧化性气氛的侵蚀，在铸件表面发生的化学腐蚀的现象。由于表面形成氧化皮，减少了铸件的有效断面，因而降低了铸件的承载能力。生长是指铸铁在高温下反复加热冷却时发生的不可塑的体积长大，造成零件尺寸增大，并使机械性能降低。铸件在高温和负荷作用了，由于氧化和生长最终导致零件变形、翘曲、产生裂纹，甚至破裂。所以铸铁在高温下抵抗破坏的能力通常指铸铁的抗氧化性和抗生长能力。耐热铸铁是指在高温条件下具有一定的抗氧化和抗生长性能，并能承受一定载荷的待钱。
（三）耐蚀铸铁
普通铸铁的耐蚀性是很差的，这是因为铸铁本身是一种多相合金，在电解质中各相具有不同的电极电位，其中以石墨的电极电位最高，渗碳体次之，铁素体最低。电位高的相是阴极，电位低的相是阳极，这样就形成了一个微电池，于是作阳极的铁素作不断被消耗掉，一直深入到铸铁内部。
提高铸铁的耐蚀性的手段主要是加入人合金元素以得到有利的组织和形成良好的保护膜。铸铁的基作组织最好是致密、均匀的单相组织、即A或F。中等大小又不相互连贯的石墨对耐蚀性有利。至于石墨的形状，则以球状或团絮状为有利。
八、铸铁的热处理
铸铁生产除适当地选择优学成分以得到～定的组织外，热处理也是进一步调整和改进基体组织以提高铸铁性能的一种重要途径。铸铁的热处理和钢的热处埋有相同之处 ，也有不同之处。铸铁的热处理一般不能改善原始组织中石墨的形态和分布状况。对灰口铸铁来说，由于片状石墨所引起的应力集中效应是对铸铁性能起主导作用的困素，因此对灰口铸铁施以热处理的强化效果远不如钢和球铁那样显著。故友口铸铁热处理工艺主要为退火、正火等。对于球铁来说，由于石墨呈球状，对基体的割裂作用大大减轻，通过热处理可使基作组织充分发挥作用，从而可以显著改善球性的机械性能。 故球铁像钢一样，其热处理工艺有退火、正火、调质、多温淬火、感应加热淬火和表面化学热处理等。
铸铁的热处理工艺：
（一）消除应力退火
由于铸件壁厚不均匀，在加热，冷却及相变过程中，会产生效应力和组织应力。另外大型零件在机加工之后其内部也易残存应力，所有这些内应力都必须消除。去应力退火通常的加热温度为500～550℃保温时间为2～8h，然后炉冷（灰口铁）或空冷（球铁）。采用这种工艺可消除 铸件内应力的90～95％，但铸铁组织不发生变化。若温度超过550℃或保温时间过长，反而会引起石墨化，使铸件强度和硬度降低。
（二）消除铸件白口的高温石墨化退火
铸件冷却时，表层及薄截面处，往往产生白口。白口组织硬而脆、加工性能差、易剥落。因此必须采用退火（或正火）的方法消除白口组织。退火工艺为：加热到550－950℃保温2～5 h，随后炉冷到500—550℃再出炉空冷。在高温保温期间 ，游高渗碳体和共晶渗碳体分解为石墨和A，在随后护冷过程中二次渗碳体和共析渗碳体也分解，发生石墨化过程。由于渗碳体的分解，导致硬度下降，从而提高了切削加工性。
（三）球铁的正火
球铁正火的目的是为了获得珠光体基体组织，并细化晶粒，均匀组织，以提高铸件的机械性能。有时正火也是球铁表面淬火在组织上的准备、正 火分高温正火和低温正火。高温正火温度一般不超过950～980℃，低温正火一般加热到共折温度区间820～860℃。正火之后一般还需进行四人处理，以消除正火时产生的内应力。
（四）球铁的淬火及回火
为了提高球铁的机械性能，一般铸件加热到Afc1以上30～50℃（Afc1代表加热时A形成终了温度） ，保温后淬入油中，得到马氏体组织。为了适当降低淬火后的残余应力，一般淬火后应进行回火，低温回火组织为回火马氏作加残留贝氏体再加球状石墨。这种组织耐磨性好 ，用于要求高耐磨性，高强度的零件。中温回火温度为350—500℃回火后组织为回火屈氏体加球状石墨，适用于要求耐磨性好、具有一定效稳定性和弹性的厚件。高温 回火温度为500—60D℃，回火后组织为回火索氏作加球状石墨，具有韧性和强度结合良好的综合性能，因此在生产中广泛应用。
（五）球铁的多温淬火
球铁经等温淬火后可以获得高强度，同时兼有较好的塑性和韧性。多温淬火加热温度的选择主要考虑使原始组织全部A化、不残留F，同时也避免A晶粒长大。加热温度一般采用Afc1以上30～50℃，等温处理温度为0～350℃以保证获得具有综合机械性能的下贝氏体组织。稀土镁铝球铁等 温淬火后σb=1200～1400MPa，αk=3～3.6J／cm2，HRC＝47～51。但应注意等温淬火后再加一道回火工序。
（六）表面淬火
为了提高某些铸件的表面硬度、耐磨性及疲劳强度，可采用表面淬火。灰铸铁及球铁铸件均可进行表面淬火。一般采用高（中） 频感应加热表面淬火和电接触表面淬火。
（七）化学热处理
对于要求表面耐磨或抗氧化、耐腐蚀的铸件，可以采用类似于钢的化学热处理工艺，如气体软氯化、氯化、渗硼、渗硫等处理。
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