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1、1.1第第8 8章章 铸铸 铁铁1.1第第8 8章章 铸铸 铁铁 返回总目录返回总目录返回总目录返回总目录 1.2第第8 8章章 铸铸 铁铁1.2教学提示：含碳量大于教学提示：含碳量大于2.11%的铁碳合金称为铸铁。工业铸铁的机械性能的铁碳合金称为铸铁。工业铸铁的机械性能(抗拉强度、塑性、韧性抗拉强度、塑性、韧性)较低，但工业铸铁具有优良的铸造性能、可切削加工较低，但工业铸铁具有优良的铸造性能、可切削加工性、耐磨性、吸振性、生产工艺简单、成本低廉等特点，因此被广泛地应用于性、耐磨性、吸振性、生产工艺简单、成本低廉等特点，因此被广泛地应用于机械制造、冶金、矿山、石油化工、交通运输、建筑和国防生产
2、部门。根据碳机械制造、冶金、矿山、石油化工、交通运输、建筑和国防生产部门。根据碳的存在方式及石墨形态不同，工业铸铁分为白口铸铁、灰口铸铁、球墨铸铁、的存在方式及石墨形态不同，工业铸铁分为白口铸铁、灰口铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁、可锻铸铁及特殊性能铸铁。蠕墨铸铁、可锻铸铁及特殊性能铸铁。教学要求：本章让学生在学习了常用工业铸铁的分类、成分及组织特点教学要求：本章让学生在学习了常用工业铸铁的分类、成分及组织特点的基础上，通过比较和综合分析各种铸铁的性能特点，深入了解各种工业铸铁的基础上，通过比较和综合分析各种铸铁的性能特点，深入了解各种工业铸铁的适用场合，并通过对铸铁材料在工程应用实例的分析和课堂讨
3、论，进一步熟的适用场合，并通过对铸铁材料在工程应用实例的分析和课堂讨论，进一步熟悉和掌握在不同工况条件选择铸铁材料的一般原则和方法。悉和掌握在不同工况条件选择铸铁材料的一般原则和方法。1.3第第8 8章章 铸铸 铁铁1.38.1概概述述8.2常常用用铸铸铁铁小小结结本本章章习习题题本章内容本章内容1.4第第8 8章章 铸铸 铁铁1.48.1 概概 述述含碳量大于含碳量大于2.11%的铁碳合金称为铸铁，工业上常用的铸铁的成分范围的铁碳合金称为铸铁，工业上常用的铸铁的成分范围是：是：wC=2.5%4.0%，wSi=1.0%3.0%，wMn=0.5%1.4%，wP=0.01%0.50%，wS=0.0
4、2%0.20%，有时还含有一些合金元素，如：，有时还含有一些合金元素，如：Cr、Mo、V、Cu、Al等。铸铁与钢的主要区别是铸铁的含碳硅量较高，杂等。铸铁与钢的主要区别是铸铁的含碳硅量较高，杂质元素质元素S、P含量较多，在加工手段上铸铁制成零件毛坯只能用铸造方法，不含量较多，在加工手段上铸铁制成零件毛坯只能用铸造方法，不能用锻造或轧制方法。铸铁的机械性能能用锻造或轧制方法。铸铁的机械性能(抗拉强度、塑性、韧性抗拉强度、塑性、韧性)较低，但是较低，但是由于铸铁具有优良的铸造性能、可切削加工性、耐磨性、吸振性、生产工艺由于铸铁具有优良的铸造性能、可切削加工性、耐磨性、吸振性、生产工艺简单、成本低廉
5、等特点，因此被广泛地应用于机械制造、冶金、矿山、石油简单、成本低廉等特点，因此被广泛地应用于机械制造、冶金、矿山、石油化工、交通运输、建筑和国防生产部门，典型的应用是制造机床的床身、内化工、交通运输、建筑和国防生产部门，典型的应用是制造机床的床身、内燃机的汽缸、汽缸套、曲轴等。另外，通过在铸铁中添加合金元素或实施各燃机的汽缸、汽缸套、曲轴等。另外，通过在铸铁中添加合金元素或实施各种热处理，还可获得耐高温、耐热、耐蚀、耐磨、无磁性等各类特殊性能的种热处理，还可获得耐高温、耐热、耐蚀、耐磨、无磁性等各类特殊性能的铸铁。铸铁。1.5第第8 8章章 铸铸 铁铁1.58.1.1铸铁的特点和分类铸铁的特点
6、和分类1.铸铁的特点铸铁的特点1)成分与组织的特点成分与组织的特点铸铁与碳钢相比较，除了有较高的碳、硅含量外，还有较高含量的杂质硫和铸铁与碳钢相比较，除了有较高的碳、硅含量外，还有较高含量的杂质硫和磷。磷。由于铸铁中的碳主要是以石墨的形态存在，所以铸铁的组织是由金属基体和由于铸铁中的碳主要是以石墨的形态存在，所以铸铁的组织是由金属基体和石墨所组成的。铸铁的金属基体可以是铁素体、珠光体或铁素体加珠光体，经热石墨所组成的。铸铁的金属基体可以是铁素体、珠光体或铁素体加珠光体，经热处理后还可以是马氏体或贝氏体等组织，它们相当于钢的组织，因此可以把铸铁处理后还可以是马氏体或贝氏体等组织，它们相当于钢的组
7、织，因此可以把铸铁理解为在钢的组织基体上分布有不同形状、大小、数量的石墨。铸铁中石墨的形理解为在钢的组织基体上分布有不同形状、大小、数量的石墨。铸铁中石墨的形态可分为态可分为6种：片状、蟹状、开花状、蠕虫状、团絮状和球状，如图种：片状、蟹状、开花状、蠕虫状、团絮状和球状，如图8.1所示。所示。8.1 概概 述述1.6第第8 8章章 铸铸 铁铁1.6图图8.1铸铁中的石墨形态铸铁中的石墨形态8.1 概概 述述1.7第第8 8章章 铸铸 铁铁1.72)铸铁的性能特点铸铁的性能特点铸铁的机械性能主要取决于铸铁基体组织以及铸铁的机械性能主要取决于铸铁基体组织以及石墨的数量、形状、大小及分布特点。石墨机
8、械性能石墨的数量、形状、大小及分布特点。石墨机械性能很低，硬度仅为很低，硬度仅为3HB5HB，抗拉强度为，抗拉强度为20MPa，延伸率接近零。石墨与基体相比，其强度和塑性都要延伸率接近零。石墨与基体相比，其强度和塑性都要小得多。石墨减小铸铁的有效承载截面积，同时石墨小得多。石墨减小铸铁的有效承载截面积，同时石墨尖端易使铸件在承载时产生应力集中，形成脆性断裂。尖端易使铸件在承载时产生应力集中，形成脆性断裂。因此，铸铁的抗拉强度、塑性和韧性都要比碳钢低。因此，铸铁的抗拉强度、塑性和韧性都要比碳钢低。一般说来，石墨的数量越少，分布越分散，形状越接一般说来，石墨的数量越少，分布越分散，形状越接近球形，
9、则铸铁的强度、塑性和韧性越高。近球形，则铸铁的强度、塑性和韧性越高。图图8.2为铸铁与钢的应力为铸铁与钢的应力-应变曲线比较示意图。应变曲线比较示意图。由图中可以看出，钢在断裂前，有明显的屈服阶段，由图中可以看出，钢在断裂前，有明显的屈服阶段，其延伸率较高，而铸铁则没有明显的屈服阶段，铁素其延伸率较高，而铸铁则没有明显的屈服阶段，铁素体加球状石墨铸铁的延伸率为体加球状石墨铸铁的延伸率为25%，片状石墨的普通，片状石墨的普通铸铁由于石墨边缘尖端产生应力集中，从而容易造成铸铁由于石墨边缘尖端产生应力集中，从而容易造成脆性断裂，延伸率约在脆性断裂，延伸率约在1%以下。以下。图图8.2铸铁与钢的应力铸
10、铁与钢的应力-应应变曲线的比较示意图变曲线的比较示意图8.1 概概 述述1.8第第8 8章章 铸铸 铁铁1.8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特殊性能：及的特殊性能：石墨造成脆性切削，铸铁的切削加工性能优异。石墨造成脆性切削，铸铁的切削加工性能优异。铸铁的铸造性能良好，铸件凝固时形成石墨产生的膨胀，减少铸件体积铸铁的铸造性能良好，铸件凝固时形成石墨产生的膨胀，减少铸件体积的收缩，降低铸件中的内应力。的收缩，降低铸件中的内应力。石墨有良好的润滑作用，并能储存润滑油，使铸件有很好的耐磨性能。石墨
11、有良好的润滑作用，并能储存润滑油，使铸件有很好的耐磨性能。石墨对振动的传递起削弱作用，使铸铁有很好的抗振性能。石墨对振动的传递起削弱作用，使铸铁有很好的抗振性能。大量石墨的割裂作用，使铸铁对缺口不敏感。大量石墨的割裂作用，使铸铁对缺口不敏感。2.铸铁的分类铸铁的分类按照凝固过程中热力学及动力学条件的不同，碳能以化合态渗碳体的形式存按照凝固过程中热力学及动力学条件的不同，碳能以化合态渗碳体的形式存在，或者以游离态的石墨存在。工业上广泛应用的铸铁中，碳主要是以游离态的在，或者以游离态的石墨存在。工业上广泛应用的铸铁中，碳主要是以游离态的石墨存在。根据铸铁中的碳在结晶过程中的析出状态以及凝固后断面颜
12、色的不同，石墨存在。根据铸铁中的碳在结晶过程中的析出状态以及凝固后断面颜色的不同，铸铁可分为以下几类：铸铁可分为以下几类：白口铸铁。凝固后断口呈现白亮色，除少量溶于铁素体外，碳的主要存白口铸铁。凝固后断口呈现白亮色，除少量溶于铁素体外，碳的主要存在形式是化合物渗碳体，没有石墨，因此白口铸铁硬度高，性脆，工业上很少应在形式是化合物渗碳体，没有石墨，因此白口铸铁硬度高，性脆，工业上很少应用，只有少数的部门采用，例如农业上用的犁，除此之外多作为炼钢用的原料和用，只有少数的部门采用，例如农业上用的犁，除此之外多作为炼钢用的原料和生产可锻铸铁，作为炼钢原料时，通常称它为生铁。生产可锻铸铁，作为炼钢原料时
13、，通常称它为生铁。8.1 概概 述述1.9第第8 8章章 铸铸 铁铁1.9灰铸铁。凝固后断口呈现黑灰色，碳绝大部分以游离态的片状石墨形式存灰铸铁。凝固后断口呈现黑灰色，碳绝大部分以游离态的片状石墨形式存在，根据石墨片的粗细不同，又可把灰口铸铁分为普通灰口铸铁和孕育铸铁两类。在，根据石墨片的粗细不同，又可把灰口铸铁分为普通灰口铸铁和孕育铸铁两类。球墨铸铁。铁液浇注前经过球化处理，碳大部分或全部以球状石墨形态存球墨铸铁。铁液浇注前经过球化处理，碳大部分或全部以球状石墨形态存在。在。蠕墨铸铁。铁液浇注前经过蠕化处理，碳以介于片状石墨和球状石墨之间蠕墨铸铁。铁液浇注前经过蠕化处理，碳以介于片状石墨和球
14、状石墨之间的蠕虫形态存在。的蠕虫形态存在。可锻铸铁。其由白口铸铁经石墨化退火后制成，碳大部分或全部以团絮状可锻铸铁。其由白口铸铁经石墨化退火后制成，碳大部分或全部以团絮状形态存在。形态存在。特殊性能铸铁。为了改善铸铁的某些特殊性能如耐磨、耐热和耐蚀等，而特殊性能铸铁。为了改善铸铁的某些特殊性能如耐磨、耐热和耐蚀等，而加入一定的合金元素加入一定的合金元素Cr、Ni、Mo、Si，所以又把这类铸铁叫合金铸铁。，所以又把这类铸铁叫合金铸铁。8.1.2铸铁的石墨化铸铁的石墨化1.铁碳合金的双重相图铁碳合金的双重相图铸铁中碳以石墨和渗碳体两种形式出现，石墨是稳定相，渗碳体是一个亚稳铸铁中碳以石墨和渗碳体两
15、种形式出现，石墨是稳定相，渗碳体是一个亚稳定相，其在热力学上是不稳定的，在一定条件下其将分解为石墨。因此描述铁碳定相，其在热力学上是不稳定的，在一定条件下其将分解为石墨。因此描述铁碳合金结晶过程和组织转变的相图实际上有两个，一个是合金结晶过程和组织转变的相图实际上有两个，一个是Fe-Fe3C系相图系相图(铁铁-碳合碳合金亚稳定系状态图金亚稳定系状态图)，另一个是，另一个是Fe-G(石墨石墨)系相图系相图(铁碳合金稳定系状态图铁碳合金稳定系状态图)。8.1 概概 述述1.10第第8 8章章 铸铸 铁铁1.10研究铸铁时，通常把两者叠合在一起，就得到铁碳合金的双重相图研究铸铁时，通常把两者叠合在一
16、起，就得到铁碳合金的双重相图(见图见图8.3)。图中的实线表示。图中的实线表示Fe-Fe3C系相图，部分实线再加上虚线表示系相图，部分实线再加上虚线表示Fe-G系系相图，虚线与实线重合的线条以实线表示。由图中可以看出：虚线都位于相图，虚线与实线重合的线条以实线表示。由图中可以看出：虚线都位于实线的上方和左上方；在实线的上方和左上方；在Fe-G系中，碳在液态合金、奥氏体和铁素体中的系中，碳在液态合金、奥氏体和铁素体中的溶解度都较在溶解度都较在Fe-Fe3C系中的溶解度小；发生石墨转变的共晶温度和共析系中的溶解度小；发生石墨转变的共晶温度和共析温度都比发生渗碳体转变的共晶温度和共析温度高。铸铁自液
17、态冷却到固温度都比发生渗碳体转变的共晶温度和共析温度高。铸铁自液态冷却到固态时，若按态时，若按Fe-Fe3C相图结晶，就得到白口铸铁，若是按相图结晶，就得到白口铸铁，若是按Fe-G相图结晶，相图结晶，就析出石墨，即发生石墨化过程。若是铸铁自液态冷却到室温，既按就析出石墨，即发生石墨化过程。若是铸铁自液态冷却到室温，既按Fe-Fe3C相图，同时又按相图，同时又按Fe-G相图进行，则固态由铁素体、渗碳体及石墨三相相图进行，则固态由铁素体、渗碳体及石墨三相组成。组成。2.铸铁石墨化过程的热力学和动力学条件铸铁石墨化过程的热力学和动力学条件1)热力学条件热力学条件图图8.4是铸铁中各种组织自由能随温度
18、而变化的曲线。由图中可以看出：是铸铁中各种组织自由能随温度而变化的曲线。由图中可以看出：8.1 概概 述述1.11第第8 8章章 铸铸 铁铁1.11图图8.3铁碳合金双重相图铁碳合金双重相图图图8.4铸铁中各种组织自由能随温铸铁中各种组织自由能随温度而变化的曲线度而变化的曲线8.1 概概 述述1.12第第8 8章章 铸铸 铁铁1.12当温度高于当温度高于1154时，由于共晶液体的自由能值时，由于共晶液体的自由能值FL最低，因此不会发生任最低，因此不会发生任何相变。何相变。当合金过冷到当合金过冷到11541148范围时，共晶液体自由能范围时，共晶液体自由能FL高于高于(奥氏体石奥氏体石墨墨)共晶
19、体的自由能共晶体的自由能F+G，因此发生液体，因此发生液体奥氏体奥氏体+石墨的共晶转变。石墨的共晶转变。当合金过冷到当合金过冷到1148温度以下时，共晶液体的自由能温度以下时，共晶液体的自由能FL高于高于(奥氏体石墨奥氏体石墨)共晶体的自由能共晶体的自由能F+G，也高于，也高于(奥氏体奥氏体+渗碳体渗碳体)共晶体的自由能共晶体的自由能F+Fe3C，而形，而形成奥氏体石墨，自由能差更大，热力学条件对铸铁石墨化有利。成奥氏体石墨，自由能差更大，热力学条件对铸铁石墨化有利。由上述可知，从热力学上讲碳在结晶过程中倾向于形成石墨，但凝固过程不仅仅取由上述可知，从热力学上讲碳在结晶过程中倾向于形成石墨，但
20、凝固过程不仅仅取决于热力学条件，还和动力学条件有关。决于热力学条件，还和动力学条件有关。2)动力学条件动力学条件铸铁能否进行石墨化除了取决于热力学条件外，还取决于和石墨化有关的动力铸铁能否进行石墨化除了取决于热力学条件外，还取决于和石墨化有关的动力学条件。共晶成分铸铁的液相含碳量为学条件。共晶成分铸铁的液相含碳量为4.3%，渗碳体的含碳量为，渗碳体的含碳量为6.67%，而石墨的，而石墨的含碳量接近于含碳量接近于100%，液相与渗碳体的含碳量差较小。从晶体结构的相似程度来分，液相与渗碳体的含碳量差较小。从晶体结构的相似程度来分析，渗碳体的晶体结构比石墨更相近于液相。因而，液相结晶时有利于渗碳体晶
21、核析，渗碳体的晶体结构比石墨更相近于液相。因而，液相结晶时有利于渗碳体晶核的形成。与此相反，石墨的形核和长大时，不仅需要碳原子通过扩散而集中，还要的形成。与此相反，石墨的形核和长大时，不仅需要碳原子通过扩散而集中，还要求铁原子从石墨长大的前沿作相反方向扩散，故石墨较难长大。而渗碳体的结晶求铁原子从石墨长大的前沿作相反方向扩散，故石墨较难长大。而渗碳体的结晶8.1 概概 述述1.13第第8 8章章 铸铸 铁铁1.13长大过程，主要依赖于碳原子的扩散，并不要求铁原子作长距离的迁移，所以长大长大过程，主要依赖于碳原子的扩散，并不要求铁原子作长距离的迁移，所以长大速度快。可见，结晶形核和长大过程的动力
22、学条件都是有利于渗碳体的形成。当结速度快。可见，结晶形核和长大过程的动力学条件都是有利于渗碳体的形成。当结晶冷却速度晶冷却速度(过冷度过冷度)增大时，动力学条件的影响表现得更为强烈。增大时，动力学条件的影响表现得更为强烈。3.铸铁的石墨化过程铸铁的石墨化过程铸铁中碳原子析出并形成石墨的过程称为石墨化。石墨既可以从液体和奥氏体铸铁中碳原子析出并形成石墨的过程称为石墨化。石墨既可以从液体和奥氏体中析出，也可以通过渗碳体分解来获得。灰铸铁和球墨铸铁中的石墨主要是从液体中析出，也可以通过渗碳体分解来获得。灰铸铁和球墨铸铁中的石墨主要是从液体中析出；可锻铸铁中的石墨则完全由白口铸铁经长时间退火，由渗碳体
23、分解而得到。中析出；可锻铸铁中的石墨则完全由白口铸铁经长时间退火，由渗碳体分解而得到。灰铸铁的石墨化过程按灰铸铁的石墨化过程按Fe-G图进行图进行(见图见图8.5)。(a)共晶灰铸铁共晶灰铸铁(wC=4.26%)的石墨化过程的石墨化过程(b)亚共晶灰铸铁亚共晶灰铸铁(wC=3.0%)的石墨化过程的石墨化过程8.1 概概 述述1.14第第8 8章章 铸铸 铁铁1.14(c)过共晶灰铸铁过共晶灰铸铁(wC=4.5%)的石墨化过程。的石墨化过程。图图8.5不同成分灰铸铁的石墨化过程不同成分灰铸铁的石墨化过程蠕墨铸铁和球墨铸铁的石墨化过程和灰铸铁的石墨化过程类似，所不同的只蠕墨铸铁和球墨铸铁的石墨化过
24、程和灰铸铁的石墨化过程类似，所不同的只是石墨的形态不同而已。是石墨的形态不同而已。铸铁的石墨化过程可以分为高温、中温、低温三个阶段。高温石墨化阶段包铸铁的石墨化过程可以分为高温、中温、低温三个阶段。高温石墨化阶段包括低于液相线括低于液相线CD以下温度冷却自液体中析出的以下温度冷却自液体中析出的“一次石墨一次石墨”G1和低于共晶线和低于共晶线ECF(温度温度1154)的共晶成分的共晶成分(C点点wC=4.26%)发生共晶反应结晶出共晶石墨发生共晶反应结晶出共晶石墨G；中温石墨化阶段包括低于共晶温度中温石墨化阶段包括低于共晶温度ECF以下冷却沿以下冷却沿ES线从奥氏体中析出线从奥氏体中析出“二次石
25、二次石墨墨”G；低温石墨化阶段包括略低于共析温度；低温石墨化阶段包括略低于共析温度(738)PSK线以下的共析成分线以下的共析成分(S点点wC=0.68%)奥氏体发生共析转变析出的奥氏体发生共析转变析出的G。理论上，在。理论上，在PSK温度以下冷却至室温度以下冷却至室温，还可能铁素体中析出三次石墨，因为数量极微，常忽略。温，还可能铁素体中析出三次石墨，因为数量极微，常忽略。8.1 概概 述述1.15第第8 8章章 铸铸 铁铁1.15在高温、中温阶段，碳原子的扩散能力强，石墨化过程比较容易进行；在低温在高温、中温阶段，碳原子的扩散能力强，石墨化过程比较容易进行；在低温阶段，碳原子的扩散能力较弱，
26、石墨化过程进行困难。在高温、中温和低温阶段石阶段，碳原子的扩散能力较弱，石墨化过程进行困难。在高温、中温和低温阶段石墨化过程都没有实现，碳以墨化过程都没有实现，碳以Fe3C形式存在则称为白口铸铁。在高温、中温阶段，形式存在则称为白口铸铁。在高温、中温阶段，石墨化过程得以实现，碳主要以石墨化过程得以实现，碳主要以G形式存在的铸铁，称为灰铸铁。在高温阶段石墨形式存在的铸铁，称为灰铸铁。在高温阶段石墨化过程得以实现，而中温、低温阶段石墨化过程没有实现，碳以化过程得以实现，而中温、低温阶段石墨化过程没有实现，碳以G和和Fe3C两种形两种形式存在的铸铁，称为麻口铸铁。式存在的铸铁，称为麻口铸铁。如果按照
27、平衡过程转变，铸铁成形后由铁素体与石墨如果按照平衡过程转变，铸铁成形后由铁素体与石墨(包括一次、共晶、二次、包括一次、共晶、二次、共析石墨共析石墨)两相组成。在实际生产中，由于化学成分、冷却速度等各种工艺制度不两相组成。在实际生产中，由于化学成分、冷却速度等各种工艺制度不同，各阶段石墨化过程进行的程度也不同，从而可获得各种不同金属基体的铸态组同，各阶段石墨化过程进行的程度也不同，从而可获得各种不同金属基体的铸态组织，铸铁石墨化过程进行的程度与铸铁组织的关系见表织，铸铁石墨化过程进行的程度与铸铁组织的关系见表8-1。表表8-1铸铁石墨化过程进行的程度与铸铁组织铸铁石墨化过程进行的程度与铸铁组织铸
28、铁名称铸铁名称石墨化进行的程度石墨化进行的程度铸铁显微组织铸铁显微组织第一阶段石墨化第一阶段石墨化第二阶段石墨化第二阶段石墨化灰口铸铁灰口铸铁完全进行完全进行完全进行完全进行部分进行部分进行未进行未进行F+G片片F+P+G片片P+G片片8.1 概概 述述1.16第第8 8章章 铸铸 铁铁1.16铸铁名称铸铁名称石墨化进行的程度石墨化进行的程度铸铁显微组织铸铁显微组织第一阶段石墨化第一阶段石墨化第二阶段石墨化第二阶段石墨化球墨铸铁球墨铸铁完全进行完全进行完全进行完全进行部分进行部分进行未进行未进行F+G球球F+P+G球球P+G球球蠕墨铸铁蠕墨铸铁完全进行完全进行完全进行完全进行部分进行部分进行F
29、+G蠕虫蠕虫F+P+G蠕虫蠕虫可锻铸铁可锻铸铁完全进行完全进行完全进行完全进行未进行未进行F+G团絮团絮P+G团絮团絮8.1 概概 述述1.17第第8 8章章 铸铸 铁铁1.174.影响石墨化的因素影响石墨化的因素铸铁的组织取决于石墨化进行的程度，为了获得所需的组织，就必须恰当铸铁的组织取决于石墨化进行的程度，为了获得所需的组织，就必须恰当地控制铸铁的石墨化。实践证明，铸铁的化学成分和结晶时的冷却速度是影响石地控制铸铁的石墨化。实践证明，铸铁的化学成分和结晶时的冷却速度是影响石墨化和铸铁显微组织的主要因素。墨化和铸铁显微组织的主要因素。1)化学成分的影响化学成分的影响碳和硅的影响：硅和碳都是强
30、烈促进石墨化的元素，在铸铁生产中，正碳和硅的影响：硅和碳都是强烈促进石墨化的元素，在铸铁生产中，正确控制含碳、硅量是获得所需组织和性能的重要措施之一。石墨来源于碳。随着确控制含碳、硅量是获得所需组织和性能的重要措施之一。石墨来源于碳。随着含碳量的提高，铁液中的含碳量和未溶解的石墨微粒增多，有利于石墨形核，从含碳量的提高，铁液中的含碳量和未溶解的石墨微粒增多，有利于石墨形核，从而促进了石墨化。但含碳量过高会促使石墨数量增多而降低铸铁的力学性能。而促进了石墨化。但含碳量过高会促使石墨数量增多而降低铸铁的力学性能。硅与铁原子的结合力大于碳与铁原子之间的结合力。硅溶于铁液和铁的固硅与铁原子的结合力大于
31、碳与铁原子之间的结合力。硅溶于铁液和铁的固溶体中，由于削弱了铁和碳原子之间的结合力，而促使石墨化。硅还降低铸铁的溶体中，由于削弱了铁和碳原子之间的结合力，而促使石墨化。硅还降低铸铁的共晶成分和共析成分的含碳量，铸铁中加入硅可代替一部分碳，又不至于引起过共晶成分和共析成分的含碳量，铸铁中加入硅可代替一部分碳，又不至于引起过多的石墨，硅促进石墨化的作用约相当于三分之一碳的作用。多的石墨，硅促进石墨化的作用约相当于三分之一碳的作用。为了综合考虑碳和硅的影响，常用碳当量为了综合考虑碳和硅的影响，常用碳当量(CE)和共晶度和共晶度(SC)表示。碳当量是将含表示。碳当量是将含硅量折合成相当的碳量与实际含碳
32、量之和，即硅量折合成相当的碳量与实际含碳量之和，即CE=wC%+1/3wSi%8.1 概概 述述1.18第第8 8章章 铸铸 铁铁1.18共晶度是指铸铁的含碳量与其共晶点含碳量的比值。在共晶度是指铸铁的含碳量与其共晶点含碳量的比值。在Fe-C-Si相图中，共晶相图中，共晶度随含硅量的变化而改变，即度随含硅量的变化而改变，即SC=wC%/(4.3%-1/3wSi%)共晶度表示铸铁的含碳量接近共晶点含碳量的程度，当共晶度表示铸铁的含碳量接近共晶点含碳量的程度，当SC1时，铸铁为共晶时，铸铁为共晶组织；组织；SC1时，铸铁为亚共晶组织；时，铸铁为亚共晶组织；SC1时，铸铁为过共晶组织。铸铁的共晶时，
33、铸铁为过共晶组织。铸铁的共晶度越接近于度越接近于1，铸造性能越好。但随共晶度，铸造性能越好。但随共晶度SC值的增加，铸铁组织中的石墨数量增值的增加，铸铁组织中的石墨数量增多，其抗拉强度、抗弯强度、硬度皆呈线性下降趋势。多，其抗拉强度、抗弯强度、硬度皆呈线性下降趋势。碳、硅含量与铸铁组织关系如图碳、硅含量与铸铁组织关系如图8.6所示。随着碳、硅含量的增加，铸铁的组所示。随着碳、硅含量的增加，铸铁的组织由白口转变为珠光体甚至铁素体基体的灰铸铁。通常为了获得全部是珠光体的普织由白口转变为珠光体甚至铁素体基体的灰铸铁。通常为了获得全部是珠光体的普通灰铸铁，其碳、硅含量应该控制在通灰铸铁，其碳、硅含量应
34、该控制在2.6%3.5%C，1.0%2.5%Si的范围内，厚的范围内，厚壁逐渐取下限，薄壁铸件取上限。壁逐渐取下限，薄壁铸件取上限。图图8.6碳、硅含量对铸铁组织的影响碳、硅含量对铸铁组织的影响I白口铸铁白口铸铁IIa马口铸铁马口铸铁II珠光珠光体铸铁体铸铁IIb珠光体珠光体铁素体铁铁素体铁III铁素体铁铁素体铁8.1 概概 述述1.19第第8 8章章 铸铸 铁铁1.19锰的影响：锰是一个阻碍石墨化的元素。锰能溶于铁素体和渗碳体，起固锰的影响：锰是一个阻碍石墨化的元素。锰能溶于铁素体和渗碳体，起固定碳的作用，从而阻碍石墨化。当铸铁中含锰量较低时，它主要是阻碍共析阶段定碳的作用，从而阻碍石墨化。
35、当铸铁中含锰量较低时，它主要是阻碍共析阶段的石墨化，有利于获得珠光体基体铸铁。锰还能与硫结合生成的石墨化，有利于获得珠光体基体铸铁。锰还能与硫结合生成MnS，消除硫的有，消除硫的有害影响，所以是一个有益元素。普通灰铸铁的含锰量一般在害影响，所以是一个有益元素。普通灰铸铁的含锰量一般在0.5%1.4%范围内，范围内，若要获得铁素体基体，则取下限。若要获得珠光体基体，则取上限。过高的含锰若要获得铁素体基体，则取下限。若要获得珠光体基体，则取上限。过高的含锰量易产生游离渗碳体，增加铸铁的脆性。量易产生游离渗碳体，增加铸铁的脆性。硫的影响：硫阻碍碳原子的扩散，是一个促进形成白口铸铁的元素，而且硫的影响
36、：硫阻碍碳原子的扩散，是一个促进形成白口铸铁的元素，而且降低铁液的流动性，恶化铸造性能，增加铸件缩松缺陷。因此，硫是一个有害元降低铁液的流动性，恶化铸造性能，增加铸件缩松缺陷。因此，硫是一个有害元素，其含量应控制在素，其含量应控制在0.15%以下。以下。磷的影响：磷是一个促进石墨化不十分强烈的元素。磷在奥氏体和铁素体磷的影响：磷是一个促进石墨化不十分强烈的元素。磷在奥氏体和铁素体中的固溶度很小，且随铸铁中含碳量的增加而减小。当含中的固溶度很小，且随铸铁中含碳量的增加而减小。当含P量大于量大于0.2%后，就会后，就会出现化合物出现化合物Fe3P，它常以二元磷共晶，它常以二元磷共晶(+Fe3P)或
37、三元磷共晶或三元磷共晶(+Fe3P+Fe3C)的形态的形态存在。磷共晶的性质硬而脆，在铸铁组织中呈孤立、细小、均匀分布时，可以提存在。磷共晶的性质硬而脆，在铸铁组织中呈孤立、细小、均匀分布时，可以提高铸铁件的耐磨性。反之，若以粗大连续网状分布时，将降低铸件的强度，增加高铸铁件的耐磨性。反之，若以粗大连续网状分布时，将降低铸件的强度，增加铸件的脆性。通常灰口铸铁的含铸件的脆性。通常灰口铸铁的含P量应控制在量应控制在0.2%以下。以下。2)冷却速度的影响冷却速度的影响8.1 概概 述述1.20第第8 8章章 铸铸 铁铁1.20铸件的冷却速度对石墨化过程也有明显的影响。一般来说，铸件冷却速度越铸件的
38、冷却速度对石墨化过程也有明显的影响。一般来说，铸件冷却速度越缓慢，即过冷度较小时，越有利于按照缓慢，即过冷度较小时，越有利于按照Fe-G系状态图进行结晶和转变，即越有利系状态图进行结晶和转变，即越有利于石墨化过程的充分进行。反之，铸件冷却速度快，就不利于石墨化的进行。在于石墨化过程的充分进行。反之，铸件冷却速度快，就不利于石墨化的进行。在共析阶段，由于温度低，冷却速度增大，原子扩散更加困难，所以在通常情况下，共析阶段，由于温度低，冷却速度增大，原子扩散更加困难，所以在通常情况下，共析阶段的石墨化共析阶段的石墨化(即第二阶段的石墨化即第二阶段的石墨化)难以完全进行。铸件冷却速度是一个综难以完全进
39、行。铸件冷却速度是一个综合的因素，它与浇注温度、造型材料、铸造方法和铸件壁厚都有关系。图合的因素，它与浇注温度、造型材料、铸造方法和铸件壁厚都有关系。图8.7说明说明铸铁的含碳、硅量和冷却速度对铸铁组织的综合影响。可以看出，对于一些壁厚铸铁的含碳、硅量和冷却速度对铸铁组织的综合影响。可以看出，对于一些壁厚不均匀的铸件要求获得均匀一致的组织是比较困难的不均匀的铸件要求获得均匀一致的组织是比较困难的(见图见图8.8)。在铸铁的薄壁处，。在铸铁的薄壁处，由于冷却速度较快，过冷度大，动力学条件有利于按照由于冷却速度较快，过冷度大，动力学条件有利于按照Fe-Fe3C亚稳系转变成白亚稳系转变成白口铸铁。为
40、了获得组织均匀的铸件，往往通过孕育处理来防止白口或借助于热处口铸铁。为了获得组织均匀的铸件，往往通过孕育处理来防止白口或借助于热处理来消除白口，以改善铸件性能。随着铸件壁厚的增加，石墨片的数量和尺寸都理来消除白口，以改善铸件性能。随着铸件壁厚的增加，石墨片的数量和尺寸都增大，铸铁强度、硬度反而下降。这一现象称为壁厚敏感性。在实际生产中，一增大，铸铁强度、硬度反而下降。这一现象称为壁厚敏感性。在实际生产中，一般是根据铸件的壁厚般是根据铸件的壁厚(主要部位的壁厚主要部位的壁厚)，选择适当的化学成分，选择适当的化学成分(主要指碳、硅主要指碳、硅)，以获得所需要的组织。以获得所需要的组织。8.1 概概
41、 述述1.21第第8 8章章 铸铸 铁铁1.21图图8.7碳硅含量和冷却速度对铸件组织的影响碳硅含量和冷却速度对铸件组织的影响图图8.8壁厚不均匀的铸件的壁厚不均匀的铸件的组织组织8.1 概概 述述1.22第第8 8章章 铸铸 铁铁1.228.2 常常 用用 铸铸 铁铁铸铁中的石墨形态、尺寸以及分布状况对性能影响很大。铸铁中石墨状况主铸铁中的石墨形态、尺寸以及分布状况对性能影响很大。铸铁中石墨状况主要受铸铁的化学成分及工艺过程的影响。通常铸铁中石墨形态要受铸铁的化学成分及工艺过程的影响。通常铸铁中石墨形态(片状或球状片状或球状)在铸在铸造后即形成，也可将白口铸铁通过退火，让其中部分或全部的碳化
42、物转化为团絮造后即形成，也可将白口铸铁通过退火，让其中部分或全部的碳化物转化为团絮状形态的石墨。状形态的石墨。1.23第第8 8章章 铸铸 铁铁1.238.2.1灰铸铁灰铸铁灰铸铁是价格最便宜、应用最广泛的一种铸铁，在各类铸铁的总产量中，灰铸铁是价格最便宜、应用最广泛的一种铸铁，在各类铸铁的总产量中，灰铸铁占灰铸铁占80%以上。以上。1.灰铸铁的片状石墨形态灰铸铁的片状石墨形态石墨的晶体结构为六方点阵和层状结晶，如图石墨的晶体结构为六方点阵和层状结晶，如图8.9(a)、(b)所示，是一个所示，是一个由低指数面包围的小面晶体，由铁碳溶液中析出的石墨，其可能的长大方向由低指数面包围的小面晶体，由铁
43、碳溶液中析出的石墨，其可能的长大方向为为A和和C，如图，如图8.9(c)所示。在铸铁凝固过程中，石墨无论以何种方式生长，所示。在铸铁凝固过程中，石墨无论以何种方式生长，其最终形貌首先取决于石墨所处溶体的热力学条件。在不存在硫等表面活性其最终形貌首先取决于石墨所处溶体的热力学条件。在不存在硫等表面活性元素以及其他杂质的情况下，石墨的正常生长形态应该是球状的，其生长方元素以及其他杂质的情况下，石墨的正常生长形态应该是球状的，其生长方向是沿着垂直于基面向是沿着垂直于基面A方向进行的。但是，当铁液中存在硫和其他表面活性元方向进行的。但是，当铁液中存在硫和其他表面活性元素时，铁液与石墨的界面能在石墨的两
44、个晶面上都减小，但在棱面上减小的素时，铁液与石墨的界面能在石墨的两个晶面上都减小，但在棱面上减小的较大，结果使棱面界面低于基面界面能，石墨沿棱面的方向较大，结果使棱面界面低于基面界面能，石墨沿棱面的方向C生长成片状石墨。生长成片状石墨。8.2 常常 用用 铸铸 铁铁1.24第第8 8章章 铸铸 铁铁1.24基面上碳原子间靠共价键结合，其结合力为基面上碳原子间靠共价键结合，其结合力为4.191055105J/mol，结合力，结合力强；而基面层与层之间则靠分子键结合，结合力只有强；而基面层与层之间则靠分子键结合，结合力只有4.191038.35103J/mol，结合力较弱，故石墨的强度很低。由铁液
45、中析出的石墨易形成片状，主要取决于石结合力较弱，故石墨的强度很低。由铁液中析出的石墨易形成片状，主要取决于石墨的晶体结构。基面上密排的碳原子间键力已经饱和，而侧面上碳原子密度小，原墨的晶体结构。基面上密排的碳原子间键力已经饱和，而侧面上碳原子密度小，原子键力未饱和，容易吸收碳原子，因而石墨沿侧向生长快，这也是石墨生长成片状子键力未饱和，容易吸收碳原子，因而石墨沿侧向生长快，这也是石墨生长成片状的原因。铸铁中石墨的生长方式和最终形貌还受到碳原子的扩散这一动力学因素的的原因。铸铁中石墨的生长方式和最终形貌还受到碳原子的扩散这一动力学因素的限制。在石墨的生长过程中，石墨两侧被奥氏体包围，碳原子向石墨
46、两侧的扩散受限制。在石墨的生长过程中，石墨两侧被奥氏体包围，碳原子向石墨两侧的扩散受到严重阻碍，而石墨端部直接与铁液接触，能够不断地得到碳原子的堆砌，生长很到严重阻碍，而石墨端部直接与铁液接触，能够不断地得到碳原子的堆砌，生长很快，最终形成片状石墨。快，最终形成片状石墨。由于铸铁的碳当量一般都在共晶点附近，因此石墨往往并非孤立的长大成片状由于铸铁的碳当量一般都在共晶点附近，因此石墨往往并非孤立的长大成片状石墨单晶体，而是作为共晶体的一部分与共晶奥氏体一起长大，呈现花瓣状的空间石墨单晶体，而是作为共晶体的一部分与共晶奥氏体一起长大，呈现花瓣状的空间立体形态立体形态(见图见图8.10)。在金相显微
47、镜下，花瓣状的石墨呈细条状，每一细条石墨就。在金相显微镜下，花瓣状的石墨呈细条状，每一细条石墨就是花瓣状石墨多晶集合体的一片石墨，由于铸铁化学成分和冷却条件的不同，从而是花瓣状石墨多晶集合体的一片石墨，由于铸铁化学成分和冷却条件的不同，从而改变了石墨化过程的动力学条件，导致石墨类型、大小与分布不同。灰铸铁件的机改变了石墨化过程的动力学条件，导致石墨类型、大小与分布不同。灰铸铁件的机械性能不仅与石墨片的分布类型有关，而且还与石墨片的大小有关。灰铸铁片状石械性能不仅与石墨片的分布类型有关，而且还与石墨片的大小有关。灰铸铁片状石墨的大小分为墨的大小分为8级，以级，以1级为最粗，级为最粗，8级为最细。
48、石墨片越粗，其级为最细。石墨片越粗，其8.2 常常 用用 铸铸 铁铁1.25第第8 8章章 铸铸 铁铁1.25力学性能越差。为了获得细片状的石墨，通常采用孕育处理。经过孕育处理的灰力学性能越差。为了获得细片状的石墨，通常采用孕育处理。经过孕育处理的灰铸铁，称为孕育铸铁。灰铸铁的金属基体和碳钢的组织相似，依化学成分、工艺铸铁，称为孕育铸铁。灰铸铁的金属基体和碳钢的组织相似，依化学成分、工艺条件和热处理状态不同，可以分别获得铁素体、珠光体、索氏体、屈氏体、马氏条件和热处理状态不同，可以分别获得铁素体、珠光体、索氏体、屈氏体、马氏体等组织，其性能也和钢的组织类似。体等组织，其性能也和钢的组织类似。图
49、图8.9石墨的晶体结构石墨的晶体结构图图8.10灰铸铁的共晶组织灰铸铁的共晶组织8.2 常常 用用 铸铸 铁铁1.26第第8 8章章 铸铸 铁铁1.262.灰铸铁的化学成分和组织特征灰铸铁的化学成分和组织特征在生产中，为浇注出合格的灰铸铁件，一般应根据所生产的铸铁牌号、铸在生产中，为浇注出合格的灰铸铁件，一般应根据所生产的铸铁牌号、铸铁壁厚、造型材料等因素来调节铸铁的化学成分，这是控制铸铁组织的基本方法。铁壁厚、造型材料等因素来调节铸铁的化学成分，这是控制铸铁组织的基本方法。灰铸铁的成分大致范围为：灰铸铁的成分大致范围为：wC=2.5%4.0%，wSi=1.0%3.0%，wMn=0.25%1.
50、0%，wS=0.02%0.20%，wP=0.05%0.50%。具有上述成分。具有上述成分范围的液体铁液在进行缓慢冷却凝固时，将发生石墨化，析出片状石墨。其断口范围的液体铁液在进行缓慢冷却凝固时，将发生石墨化，析出片状石墨。其断口的外貌呈灰色，所以称为灰铸铁。的外貌呈灰色，所以称为灰铸铁。普通灰铸铁的组织是由片状石墨和钢的基体两部分组成的。根据不同阶段石普通灰铸铁的组织是由片状石墨和钢的基体两部分组成的。根据不同阶段石墨化程度的不同金属基体可分为铁素体，铁素体珠光体和珠光体三种，相应地墨化程度的不同金属基体可分为铁素体，铁素体珠光体和珠光体三种，相应地便有三种不同基体组织的灰铸铁，它们的显微组织