合工大機械工程材料教案第7章 鑄鐵

第七章鑄鐵本章提要本章介紹鑄鐵的特點、分類及編號，碳在鑄鐵中的兩種形式存在。合金元素對鑄鐵中碳的存在形式和對基體組織及石墨化過程、石墨形態的影響，熱處理對鑄鐵基體組織的影響。介紹灰口鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵及特殊性能鑄鐵的化學成分、組織及性能特點和應用，介紹它們的石墨化過程、孕育處理、球化處理及熱處理工藝。重點討論灰口鑄鐵、可鍛鑄鐵及球墨鑄鐵中石墨及基體的組織特征，合金元素和熱處理工藝的作用，鑄鐵的特點及應用。

§7.1概述一.鑄鐵的特點及分類1.特點1)成分C﹥2.11%wt的鐵碳合金稱為鑄鐵，特點是含有較高的C和Si，同時也含有一定的Mn、P、S等雜質元素。常用鑄鐵的成分為：2.5~4.0%C，1.0~3.0%Si，0.5~1.4%Mn，0.01~0.50%P，0.02~0.20%S。為提高鑄鐵性能，常加入合金元素Cr、Mo、V、Cu、Al等形成合金鑄鐵。2)組織鑄鐵中C、Si含量較高，C大部分、甚至全部以游離狀態石墨（G）形式存在。3)性能鑄鐵的缺點是由于石墨的存在，使它的強度、塑性及韌性較差，不能鍛造，優點是其接近共晶成分，具有良好的鑄造性；由于游離態石墨存在，使鑄鐵具有高的減摩性、切削加工性和低的缺口敏感性。目前，許多重要的機械零件能夠用球墨鑄鐵來代替合金鋼。2.分類根據C的存在形式，可以將鑄鐵分為：1)白口鑄鐵：C全部以滲碳體形式存在，如共晶鑄鐵組織為Ld′，斷口白亮，硬而脆，很少應用；2)灰口鑄鐵：C大部分或全部以石墨形式存在，如共晶鑄鐵組織為F+G、F+P+G、P+G，斷口暗灰，廣泛應用；3)麻口鑄鐵：C大部分以滲碳體形式存在，少部分以石墨形式存在，如共晶鑄鐵組織為Ld′+P+G，斷口灰白相間，硬而脆，很少應用。根據石墨形態，灰口鑄鐵可以分為：1)普通灰口鑄鐵：G呈片狀；2)孕育鑄鐵：G呈細片狀；3)可鍛鑄鐵：G呈團絮狀；4)蠕墨鑄鐵：G呈蠕蟲狀；5)球墨鑄鐵：G呈球狀。根據金屬基體組織不同，灰口鑄鐵又可分為：F、F+P及P灰口鑄鐵。

二.鑄鐵的石墨化1.Fe-G相圖圖7-1為Fe-C雙重相圖。G為六方晶格，如圖7-2。基面上原子以共價鍵結合，基面之間原子以范氏鍵結合，因此鑄鐵的強度、硬度、塑性及韌性極低。從熱力學講，G為穩定態，而Fe3C為亞穩態。在冷卻速度非常緩慢或加入石墨化元素，可促使碳按石墨轉變。但是，當冷卻速度較快時，由于成分起伏及結構起伏（L、A和Fe3C的成分更接近）的原因，也可析出滲碳體。2.鑄鐵石墨化過程鑄鐵中G的形成過程稱為石墨化過程，大致分為兩個階段。1)第一階段：從L相中析出的一次石墨（GⅠ）和共晶轉變形成的共晶G，以及Fe3CⅠ和共晶Fe3C分解出的G；2)第二階段：在共晶溫度至共析溫度之間析出的二次石墨（GⅡ）和共析G以及Fe3CⅡ和共析Fe3C分解出的G。高溫時，石墨化過程進行比較完全；低溫時，若冷卻速度較快，石墨化過程將部分或全部被抑制。因此，灰口鑄鐵在室溫下將可能得到P+G、F+P+G、F+G等組織。3.影響鑄鐵石墨化因素主要化學成分、冷卻速度及鐵水處理等因素。1)化學成分合金元素可以分為促進石墨化元素和阻礙石墨化元素，順序為：Al、C、Si、Ti、Ni、P、Co、Zr、Nb、W、Mn、S、Cr、V、Fe、Mg、Ce、B等。其中，Nb為中性元素，向左促進程度加強，向右阻礙程度加強。C和Si是鑄鐵中主要的強烈促進石墨化元素，為綜合考慮它們的影響，引入碳當量CE=C%+1/3Si%，一般CE≈4%，接近共晶點。S是強烈阻礙石墨化元素，降低鑄鐵的鑄造和力學性能，控制其含量。2)冷卻速度冷速越快，不利于鑄鐵的石墨化，這主要取決于澆注溫度、鑄型材料的導熱能力及鑄件壁厚等因素。冷速過快，第二階段石墨化難以充分進行。圖7-3給出C、Si總量和冷卻速度對鑄鐵組織的影響，稱為Greiner組織圖，分析之。

三.石墨與基體對鑄鐵性能的影響1.G的數量、大小、形狀及分布1)數量：G破壞基體連續性，減小承載面積，是應力集中和裂紋源，故G越多，抗拉強度、塑性及韌性越低；2)大小：越粗，局部承載面積越小，越細，應力集中越大，均使性能下降，故有適合尺寸（長度0.03~0.25mm）；3)分布：越均勻，性能越好；（4）由片狀至球狀，強度、塑性及韌性均提高。2.基體F基體塑性和韌性好，P基體強度、硬度及耐磨性高。3.G對其他性能的影響（如前）

§7.2常用鑄鐵一.灰口鑄鐵灰口鑄鐵中的G呈片狀分布，分為普通灰口鑄鐵和孕育鑄鐵。1.灰口鑄鐵的牌號、成分與組織1)牌號：新標準GB5612-85，HT（灰鐵）+三位數字（最低σb），表7-1。其中，HT100為F基，HT150為F+P基，HT200~250為P基，HT250~350為孕育鑄鐵。2)成分：2.5~3.6%C，1.1~2.5%Si，0.6~1.2%Mn及少量S和P。3)組織：G呈片狀，按基體分為F、F+P及P灰口鑄鐵，分別適用于低、中、較高負荷，圖7-4。2.灰口鑄鐵的性能與應用由于粗大片狀的G存在，灰口鑄鐵的抗拉強度、塑性及韌性低，但其鐵水流動性好、凝固收縮小、缺口敏感性小、抗壓強度高、切削加工性好，并且具有減摩及消震作用。3.灰口鑄鐵的孕育處理加入0.3~0.8%硅鐵，經孕育劑處理的孕育鑄鐵具有更高的性能，用于制造承受高載荷的另構件。4.灰口鑄鐵的熱處理只能改變基體，而不能改變G的形態和分布，強化效果不如鋼和球墨鑄鐵。1)消除內應力退火（人工時效）為消除內應力引起的變形或開裂，將鑄件緩慢加熱（60~100℃/h）至500~550℃保溫一點時間（每10mm保溫2h），然后隨爐緩冷（20~40℃/h）至150~200℃出爐空冷。2)高溫石墨化退火為消除表面或薄壁處的白口組織，降低硬度，改善切削加工性，將鑄件加熱至850~950℃保溫1~4h（A+G），使部分滲碳體分解為G，然后隨爐緩冷至400~500℃以下出爐空冷。高溫退火得到F或F+P基灰口鑄鐵。3)正火為消除白口和提高強度、硬度及耐磨性，將鑄件加熱至850~950℃，保溫1~3h，然后出爐空冷，最后得到P基灰口鑄鐵。4)表面淬火為提高表面強度、硬度、耐磨性及疲勞強度，通過表面淬火使鑄件表層得到細M和石墨的硬化層。一般選用孕育鑄鐵，基體最好為P組織。

二.可鍛鑄鐵由一定成分的白口鑄鐵經石墨化退火使滲碳體分解為團絮狀G的一種高強度灰口鑄鐵，分為黑心可鍛鑄鐵（F基）、珠光體可鍛鑄鐵（P基）及白心可鍛鑄鐵（表層氧化脫碳，少用）。可鍛鑄鐵的強度、韌性，特別是塑性高于普通灰口鑄鐵，實際不能鍛造。1.可鍛鑄鐵的牌號、成分與組織1)牌號：按GB978-67，KT（可鐵）+H、Z、B（黑心、珠光體、白心）+三位數字（最低σb）+二位數字（最低δ）。2)成分：可鍛鑄鐵由兩個矛盾的工藝組成，即先得到白口鐵，再經石墨化退火得到可鍛鑄鐵。因此，要適當降低石墨化元素C、Si和增加阻礙石墨化元素Mn、Cr，化學成分為：2.4~2.8%C，0.8~1.4%Si，0.3~0.6%Mn（珠光體可鍛鑄鐵1.0~1.2%）。3)組織：基體為F和P，G為團絮狀，圖7-5。2.可鍛鑄鐵的石墨化退火1)黑心可鍛鑄鐵：將白口鐵加熱至950~1000℃，保溫約15h，共晶Fe3C→A+團絮狀G。從高溫冷卻至720~750℃，A→GⅡ，在這個溫度區間以3~5℃/h速度通過共析溫區，A→F+團絮狀G；也可在略低于共析溫度保溫15~20h，共析Fe3C→F+團絮狀G，最后得到F可鍛鑄鐵。2)P可鍛鑄鐵：加熱后冷卻至800~860℃，A→GⅡ，然后出爐空冷使共析Fe3C不分解，最后得到P可鍛鑄鐵，圖7-6。3.可鍛鑄鐵的性能與應用F可鍛鑄鐵塑性及韌性較好，P可鍛鑄鐵強度、硬度及耐磨性較高，表7-2。

三.球墨鑄鐵始于1948年，我國于1950年開始研制鎂石墨鑄鐵。由于G呈球狀分布，球墨鑄鐵的性能遠優于其他鑄鐵，應用甚廣。1.球墨鑄鐵的牌號、成分與組織1)牌號：按GB1348-78，QT（球鐵）+三位數字（最低σb）+兩位數字（最低δ），表7-3。2)成分：強烈石墨化元素C、Si含量較高，CE≈4.5~4.7%，屬于過共晶，含碳量過低，球化不良，含碳量過高，G漂浮。一般采取“高碳低硅原則”。阻礙石墨化元素Mn，有利與形成P基體，含量較低。S、P限制很嚴。由球化劑殘留的微量Mg及RE。化學成分一般為：3.6~3.9%C，2.0~3.0%Si，0.6~0.7%Mn。3)組織：G呈球狀分布于金屬基體中，每個球是由若干個錐形石墨單晶體組成，這些單晶體是由共同的結晶核心沿徑向生長而成。基體有F、F+P、P或通過熱處理得到S、T、下B、M等，圖7-7。2.球墨鑄鐵的球化處理與孕育處理將球化劑加入鐵水中（一般放入澆包底部）的操作過程稱為球化處理。常用的球化劑有鎂、稀土及稀土鎂合金。鎂和稀土為強烈阻礙石墨化元素，為防止白口，同時進行孕育處理，孕育劑一般選用硅鐵。3.球墨鑄鐵的性能與應用球鐵具有優良的機械性能，G的圓整度好、球徑小、分布均勻，性能越高，表7-3。在“以鑄代鍛，以鐵代鋼”方面有廣泛應用。4.球墨鑄鐵的熱處理球鐵的機械性能除與G有關外，主要取決于基體。通過熱處理可以改變基體組織，提高性能。由于球鐵中含有較多的C、Si、Mn等元素，決定了其熱處理具有如下特點：（1）G參與了相變過程；（2）共晶（析）溫度高于碳鋼，奧氏體化溫度和時間均高于碳鋼；（3）可以大幅度調整F和A的相對量，得到不同比例的F和P基體組織。1)退火(2)消除內應力退火：如前。(3)高溫石墨化退火：將鑄件加熱至900~950℃保溫1~4h（第一階段石墨化），然后爐冷至600~650℃出爐空冷。(4)低溫石墨化退火：將鑄件加熱至720~760℃保溫3~6h，然后爐冷至600℃出爐空冷。目的是消除自由滲碳體（高溫退火）或共析滲碳體（低溫退火），得到F球鐵，降低硬度，提高切削加工性。2)正火(1)高溫正火（完全A化正火）：將鑄件加熱至Afc1+50~70℃（880~900℃）保溫1~3h，使基體全部A化，然后出爐空冷，獲得P球鐵。冷卻時產生內應力，采用550~600℃保溫2~4h空冷的回火消除，圖7-8。(2)低溫正火（不完全A化正火）：將鑄件加熱至共析溫度區間Asc1~Afc1（820~860℃）保溫1~3h，使基體部分A化，然后出爐空冷，獲得P+F球鐵。若內應力較大，采用同樣的回火消除。目的是細化組織，提高強度、硬度及耐磨性。3)調質將鑄件加熱至Afc1+30~50℃（860~900℃）保溫2~4h，然后油淬，再經550~600℃回火4~6h，獲得回火S基體+球狀G組織。目的是提高綜合機械性能。4)等溫淬火將鑄件加熱至Afc1+30~50℃（860~900℃）保溫一段時間，然后淬入Ms以上某一溫度的鹽浴中等溫一段時間（一般250~350℃，30~90min），使過冷A轉變為下B基體組織。目的是提高綜合力學性能。

四.特殊性能鑄鐵在普通鑄鐵基礎上加入某些合金元素，形成具有特殊性能的合金鑄鐵。1.耐磨鑄鐵1)無潤滑條件下使用的耐磨鑄鐵（抗磨鑄鐵）(1)白口鑄鐵，強度和韌性差，不能直接使用；(2)合金白口鑄鐵，包括P合金白口鑄鐵和M合金白口鑄鐵；(3)激冷鑄鐵，形成表面為白口，心部為灰口的組織；(4)稀土鎂中錳球墨鑄鐵，提高了強度和韌性，組織為M或下B+A′+K+球狀G，表7-4。Mn的作用：阻礙石墨化元素；擴大γ區元素，降低Ms點；提高淬透性。(2)有潤滑條件下使用的耐磨鑄鐵（減摩鑄鐵）獲得P基體組織，而G為良好的潤滑劑，主要有高磷鑄鐵：在普通灰鑄鐵中加入0.4~0.7%P，形成高硬度呈斷續網狀分布的磷共晶。2.耐熱鑄鐵鑄鐵耐熱性：在高溫下鑄鐵抵抗“氧化”和“生長”的能力。生長是指鑄鐵在反復加熱和冷卻時產生的不可逆體積長大現象，原因有氧化性氣體沿G片界面或裂紋滲入發生內氧化；滲碳體在高溫下分解為G；基體組織發生相變。提高耐熱性的主要途徑：1)加入Cr、Al、Si形成氧化膜，獲得單相F基體；2)加入Ni、Mn、Cu獲得單相A基體；3)加入Cr、V、Mo、M