第八章 铸钢和铸铁金相检验

1、第八章 铸钢和铸铁的金相检验 铸钢主要用于制造铸钢主要用于制造形状复杂或大型形状复杂或大型，需要，需要一定强一定强度、塑性和韧性度、塑性和韧性的零部件，例如机车车辆、船舶、重型的零部件，例如机车车辆、船舶、重型机械齿轮、轴、轧辊、机座、缸体、外壳、阀体等。机械齿轮、轴、轧辊、机座、缸体、外壳、阀体等。第一节 铸钢的金相检验外壳外壳轧辊轧辊重型机械齿轮重型机械齿轮粗大的奥氏体晶粒粗大的奥氏体晶粒2、铸钢的组织特征和热处理、铸钢的组织特征和热处理u退火退火或或正火正火处理处理细小的细小的珠光体珠光体和和铁素体铁素体1、碳素铸钢的化学成分和机械性能、碳素铸钢的化学成分和机械性能（表（表3-19） 例

2、：例：ZG230-450、ZG270-500、ZG310-570 /ZG35 “ZG”，“铸钢铸钢”；35，平均碳质量分数，平均碳质量分数(万分数万分数)。u形成形成 “魏氏组织魏氏组织”：冷却时，冷却时，铁铁素体沿素体沿奥氏体奥氏体晶界晶界网状析出，沿一定网状析出，沿一定方向以片状生长，方向以片状生长，呈针状插入珠光体呈针状插入珠光体内内，塑性和韧性下降，不能直接使用。，塑性和韧性下降，不能直接使用。第二节 铸铁的金相检验铸铁的金相检验 铸铁是含碳量大于2.14%或组织中具共晶的铁碳合金。工业上所用的铸铁，实际上都不是简单的铁碳二元合金，而是以铁、碳、硅为主要元素的多元合金。3.3.2 铸铁

3、铸铁u铸铁是铸铁是含碳量大于含碳量大于2.11%并含有较多硅、锰、硫、磷等并含有较多硅、锰、硫、磷等元素的铁基合金。元素的铁基合金。u铸铁的生产设备和工艺简单，价格便宜，优良的使用性铸铁的生产设备和工艺简单，价格便宜，优良的使用性能和工艺性能，应用非常广泛。制造各种机器零件，如机能和工艺性能，应用非常广泛。制造各种机器零件，如机床床床身床身、床头箱；发动机的汽、床头箱；发动机的汽缸体缸体、缸套、活塞环、曲轴、缸套、活塞环、曲轴、凸轮轴；凸轮轴；轧辊及机器底座轧辊及机器底座等等1、碳的三种存在形式：、碳的三种存在形式：溶于溶于-Fe或或-Fe中形成中形成F 或或A ；形成渗碳体形成渗碳体(Fe3

4、C)；游离态游离态石墨石墨(G)。u石墨强度、硬度和塑性都很差石墨强度、硬度和塑性都很差。u石墨为稳定相。石墨为稳定相。 u渗碳体为亚稳相，渗碳体为亚稳相， Fe3C3Fe+C 3.3.2 铸铁铸铁（C2.11%）一、铸铁的的石墨化过程和特点一、铸铁的的石墨化过程和特点石墨的晶体结构石墨的晶体结构简单六方晶格简单六方晶格亚稳定平衡的亚稳定平衡的Fe-FeFe-Fe3 3C C相图相图和稳定平衡的和稳定平衡的Fe-GFe-G相图相图， 铸铁中碳原子析出并形成石墨的过程称为石墨化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，也可以通过渗碳石墨既可以从液体和奥氏体中析出，

5、也可以通过渗碳体分解来获得。体分解来获得。2 2、铸铁的石墨化过程、铸铁的石墨化过程u第一阶段：第一阶段： 1154 1154 一次石墨：一次石墨：过共晶铸铁液体结晶过共晶铸铁液体结晶 共晶石墨：共晶石墨： L L4.25 4.25 A A2.082.08+G+G( (共晶共晶) )u第二阶段：第二阶段： 1154 738 二次石墨：二次石墨：A Gu第三阶段第三阶段: 738 共析石墨：共析石墨： A0.68 Fp+G(共析共析)1154温度和冷却速度温度和冷却速度缓慢冷却，或在高温下长时间保温，均有利于石墨化。缓慢冷却，或在高温下长时间保温，均有利于石墨化。影响石墨化的主要因素：影响石墨化

6、的主要因素：合金元素合金元素促进石墨化的元素促进石墨化的元素(C、Si、A1、Cu、Ni、Co等）等）阻碍石墨化的元素阻碍石墨化的元素(Cr、W、Mo、V、Mn等等)两大类。两大类。S强烈促进白口化，控制强烈促进白口化，控制0.15%生产中，调整碳、硅含量，是控制铸铁组织和性能的生产中，调整碳、硅含量，是控制铸铁组织和性能的基本措施。基本措施。 3 3、铸铁的组织特征和分类、铸铁的组织特征和分类名称名称石墨化程度石墨化程度显微组织显微组织第一阶段第一阶段第二阶段第二阶段第三阶段第三阶段灰口铸铁灰口铸铁充分进行充分进行充分进行充分进行充分进行充分进行充分进行充分进行充分进行充分进行充分进行充分进

7、行充分进行充分进行部分进行部分进行不进行不进行F+GF+GF+P+GF+P+GP+GP+G麻口铸铁麻口铸铁部分进行部分进行部分进行部分进行不进行不进行Le+P+GLe+P+G白口铸铁白口铸铁不进行不进行不进行不进行不进行不进行Le+P+FeLe+P+Fe3 3C C表表3-20 3-20 铸铁经不同程度石墨化后所得到的组织铸铁经不同程度石墨化后所得到的组织l根据根据石墨形态石墨形态：普通普通灰口铸铁灰口铸铁 片状片状；可锻铸铁可锻铸铁 团絮状团絮状；球墨铸铁球墨铸铁 球状球状；蠕墨铸铁蠕墨铸铁 蠕虫状蠕虫状。铸铁组织：铸铁组织：石墨石墨和和基体（基体（F、P、F+P）球状石墨球状石墨各种铸铁的

8、石墨形态（未腐蚀）各种铸铁的石墨形态（未腐蚀）片状石墨片状石墨団絮状石墨団絮状石墨蠕虫状石墨蠕虫状石墨由于石墨的存在，使铸铁具备下列由于石墨的存在，使铸铁具备下列特殊性能特殊性能：优良的切削加工性；优良的切削加工性；铸造性能好；铸造性能好；减磨性及耐磨性很高；减磨性及耐磨性很高；优异的消振性；优异的消振性；低的缺口敏感性。低的缺口敏感性。4、 铸铁的性能特点铸铁的性能特点石墨相当于钢基体上的裂纹或空洞，它减小基体的有效石墨相当于钢基体上的裂纹或空洞，它减小基体的有效截面，并引起应力集中。石墨对基体的严重割裂致灰口截面，并引起应力集中。石墨对基体的严重割裂致灰口铸铁的铸铁的抗拉强度和塑性都很低抗

9、拉强度和塑性都很低。压缩强度不受影响压缩强度不受影响二、常用的铸铁二、常用的铸铁 1、灰口铸铁（、灰口铸铁（80%）（1）牌号）牌号“HT”“灰铁灰铁”，数字，数字最低抗拉强度最低抗拉强度。HT100、HT200、HT300（表（表3-22）u性能：性能：强度较低，韧性较差强度较低，韧性较差u应用：应用：承压件承压件，如床身，机架，箱体，缸体，壳体，如床身，机架，箱体，缸体，壳体等等u、和和+三种基体三种基体图图3-14 灰口铸铁的显微组织灰口铸铁的显微组织F+G片F+P+G片P+G片石墨片的三维形貌石墨片的三维形貌（2 2）影响灰铸铁组织和性能的）影响灰铸铁组织和性能的因素因素 冷却速度冷却

10、速度:铸件壁厚越薄，冷速越铸件壁厚越薄，冷速越快，越易形成白口铁快，越易形成白口铁化学成分化学成分:控制化学成分是控制铸铁组织和性能的基本方法控制化学成分是控制铸铁组织和性能的基本方法l主要主要C（2.54.0%）、Si（1.02.0%）。）。碳过低，易出现白口，使机碳过低，易出现白口，使机械性能、铸造性能较低；碳过高，石墨过多且粗大，降低铸件的性能械性能、铸造性能较低；碳过高，石墨过多且粗大，降低铸件的性能和质量；和质量；lMn （0.51.4%）：溶于）：溶于F和和Cm，增强，增强Fe、C结合力，结合力，A区，区，阻止阻止石墨化石墨化，促进，促进P基体的形成。生成基体的形成。生成MnS;l

11、P：强度强度(0.12%)，耐磨性耐磨性(0.3%);lS(0.15%):有害，强烈促进白口化。有害，强烈促进白口化。不同不同C+Si含量，不同壁厚（冷却速度）铸件的组织含量，不同壁厚（冷却速度）铸件的组织 （3）孕育铸铁）孕育铸铁 l经孕育处理（变质处理）后的灰铸铁叫孕育铸铁。经孕育处理（变质处理）后的灰铸铁叫孕育铸铁。 l孕育的目的：获得细小均匀的石墨片，细化基体组织，孕育的目的：获得细小均匀的石墨片，细化基体组织，提高强度和硬度提高强度和硬度l常用的孕育剂常用的孕育剂: :硅铁和硅钙合金、碳类硅铁和硅钙合金、碳类孕育处理前孕育处理前孕育处理后孕育处理后b消除铸件白口、降低硬度的退火（高温

12、退火）消除铸件白口、降低硬度的退火（高温退火） 在在共析温度以上共析温度以上进行，使渗碳体分解成石墨；进行，使渗碳体分解成石墨；c表面淬火表面淬火 高频、火焰、激光，高频、火焰、激光，50HRC55HRC（4）灰铸铁的热处理及应用）灰铸铁的热处理及应用a去应力退火（人工时效）去应力退火（人工时效） 500 550 ，防止变形和开裂防止变形和开裂消除铸件内应力、改善切削加工性能和提高表面耐磨性。消除铸件内应力、改善切削加工性能和提高表面耐磨性。船用柴油机汽缸体船用柴油机汽缸体(HT-300)铸铁的分类铸铁的分类 铸铁中的碳可以以渗碳体的形式存在，也可以石墨的形式存在。根据碳在铸铁中的存在形态的不

13、同，通常可将铸铁分为白口铁、灰口铸铁和麻口铸铁。而根据铸铁中石墨的形态不同，又可分为普通灰口铸铁，蠕虫状石墨铸铁，球墨铸铁以及可锻铸铁。二、灰铸铁二、灰铸铁 1灰口铸铁的石墨类型 灰口铸铁中石墨的大小、数量和分布对机械性能有很大的影响。为了便于比较，对铸铁中石墨进行了分类评级，我国按石墨的形成原因和分布特征，将其分为A、B、C、D、E和F六种类型 A A型石墨：型石墨： 石墨片的尺寸和分布都比较均匀，且无方向性。这种石墨是碳当量为共晶成份或接近共晶成分的铁水在共晶温度范围内从铁水中和奥氏体同时析出的，其生成条件是具有较小的过冷度，这样才能造成均匀生核和长大，使各处的结晶和生长速度相差不大，最后

14、得到大小和分布均匀的A型石墨。 A型石墨 100 B B型石墨：型石墨： 点状石墨被卷曲的片状石墨所包围，无方向性，具有菊花形态。称为菊花状石墨。这类石墨的特点是由于过冷度较大，首先从液相中析出细小的树枝状奥氏体，接着在树枝的间隙中产生奥氏体与石墨共晶，这时的石墨片分枝多而密，形成菊花中心的点状石墨。但是，因为不是在非常强烈的过冷条件下结晶，在初晶产物放出结晶潜热的条件下减慢了包围着初晶产物外层的铁水的结晶速度，而且又只能由沿着初生产物向外呈放射状的方向通过液体金属进行散热。所以外层石墨生长成为较粗大的曲片形，大致呈放射状分布，直至遇到邻近的共晶团为止。这类石墨常在碳、硅含量较高，过冷度较大的

15、亚共晶灰铸铁中出现，B型石墨由于呈聚集分布，因而使铸铁的强度有所降低。 B型石墨 100 C C型石墨：型石墨： 是由大片状的初生石墨与较细小的共晶石墨所组成。石墨大小相差很大，但分布比较均匀，无方向性 。这种类型的石墨主要出现在过共晶程度较大，冷却速度较慢的厚壁铸件中，由于缓慢冷却，共晶结晶前形成的初生石墨在铁水中能充分长大，形成粗片状石墨。随着初生石墨的析出，铁水的含碳量逐渐降低，在共晶温度下，具有共晶成分的铁水发生共晶转变而析出共晶石墨，结果形成粗片状的初生石墨和细小的共晶石墨片混杂分布的形式。粗大石墨片的存在，使铸铁的机械性能显著降低。 C型石墨 100 D D型石墨：型石墨： 点状与

16、小片状的石墨无方向性的分布。它是在较大过冷条件下生成的共晶石墨。这类石墨往往出现在碳、硅含量较低，过冷度较大的亚共晶灰口铸铁中。结晶时，首先形成树枝状的奥氏体，由于过冷度较大，分布于枝晶间隙中的剩余铁水发生共晶转变时，几乎同时生成大量的石墨核心，这些石墨核心只能作微小的生长，产生多而密的分枝，所以在显微镜下，石墨呈点。片状分布在奥氏体的树枝间隙中，除了低碳和强烈过冷外，铁水过热也是D型石墨生成的条件。因为过热会使石墨生成的核心减少，石墨结晶困难，需要有较大的过冷度。这类石墨由于密集分布，也使机械性能有所下降。 D型石墨 100 E E型石墨：型石墨： 在初生奥氏体的晶间分布着有方向性的短片石墨

17、，其特征和成因与D型石墨基本相同，只是E型石墨的分布具有明显的方向性。在实际生产中，D型和E型石墨通常不作严格区分，分称D、E型石墨，也称过冷石墨或枝晶石墨。E型石墨因分布的方向性较强，它对机械性能的影响也较D型石墨大一些。 E型石墨 100 F F型石墨型石墨： 其特点是星状（或蜘蛛状）与短片状石墨混合均匀布 ，F型石墨是过共晶铁水在较大过冷度的条件下形成的。大块的为初生石墨，片状石墨在其上生长。 F型石墨 100 灰口铸铁的基体组织灰口铸铁的基体组织 实际生产中应用的灰口铸铁主要是以珠光体为基体的，随着基体中珠光体含量的增加和细化，铸铁的强度、硬度和耐磨性提高。珠光体的细化程度与奥氏体的成

18、分、晶粒度、分解温度有关，灰口铸铁中珠光体类型组织的形成过程与钢相似，不再重述。灰口铸铁的基体组织为铁素体、铁素体珠光体、珠光体组织。 灰铸铁正火 400 铁素体片状石墨 灰铸铁铸态 400 珠光体铁素体片状石墨 灰铸铁退火 400 珠光体片状石墨 磷共晶磷共晶： 铸铁经常含有较多的磷，它在奥氏体或铁素体中溶解度很小；在古陶纯铁中的溶解12%，而含碳3.5%的铸铁中只能溶解0.3%。再加上结晶偏析的结果。虽然含磷量比上述数值小，也总有磷共晶出现。铸铁中含有0.1%磷，组织中就会出现1%的二元磷共晶。但铸铁中的磷共晶往往既有二元的也有三元的，有时还有碳化物组成磷共晶碳化物复合物，其数量超过铸铁中

19、磷含量的10倍，主题中促进石墨的因素，大多促进二元磷共晶的生成，促进碳化物形成的因素，则促进三元磷共晶的生成。二二元磷共晶元磷共晶：由磷化三铁和点状铁素体多成 ；三元磷共三元磷共晶晶：由磷化三铁，碳化三铁和点状铁素体所组成 ；磷磷共晶共晶碳化物复合物，在二元或三元磷共晶上镶有较大的碳化物条或块 。 经硝酸酒精溶液浸蚀后，磷共晶为白亮的，磷化三铁的基体上发表着粒状铁素体，有时粒状呈鱼骨状规则地排列在基体上。 二元磷共晶 500 三元磷共晶 500 三元磷共晶复合磷共晶 500 金相图谱比对金相图谱比对 灰铁灰铁 A +25%B 85%B +A A型石墨 A +35%D 65%D +25%E +A

20、 55%E+A A +10%F 三、球墨铸铁球墨铸铁 球墨铸铁的组织是由球状石墨和金属基体所组成。石墨球通常是孤立地分布在金属基体中的、石墨的圆整度越好、球径越小，分布越均匀，则球墨铸铁的机械性能亦越高，球墨铸铁的基体组织在铸态下变化较大，一般很难获得单一的基体组织，其组织：“珠光体+铁素体+球状石墨” 。 球墨铸铁球墨铸铁 石墨呈球状石墨呈球状，综合机械性能接近钢且铸造性好，成本，综合机械性能接近钢且铸造性好，成本低廉；低廉；（1）球墨铸铁的成分和球化处理）球墨铸铁的成分和球化处理成分要求比较严格：成分要求比较严格： 3.63.9%C，2.22.8%Si，0.60.8%Mn, 0.07%S，

21、0.1%P球化处理必须伴随着孕育处理球化处理必须伴随着孕育处理球化剂球化剂（稀土镁），石墨球化（稀土镁），石墨球化孕育剂孕育剂（硅铁和硅钙），石墨球细小、均匀分布（硅铁和硅钙），石墨球细小、均匀分布图图3-16 球墨铸铁的显微组织球墨铸铁的显微组织例：例：QT420-10、QT600-2、QT800-2“QT”，球铁球铁， 最低抗拉强度最低抗拉强度和和延伸率延伸率。（2 2）球墨铸铁的牌号、组织和性能）球墨铸铁的牌号、组织和性能 u性能特点：抗拉强度高，性能特点：抗拉强度高，屈强比高屈强比高，疲劳强度较好疲劳强度较好牌号牌号基体基体机械性能机械性能 bMPa0.2MPa5%akkJ/m2HB

22、QT400-17F40025017600179 QT420-10F42027010300207QT500-5F+P5003505147-241QT600-2P6004202229-302QT700-2P7004902229-302QT800-2P8005602241-321 QT1200-1下下B12008401300 38HRCu可用球铁可用球铁代替钢代替钢制造某些重要零件，如制造某些重要零件，如曲轴曲轴、连杆、凸轮轴、轧辊等。、连杆、凸轮轴、轧辊等。(3) 球墨铸铁的热处理球墨铸铁的热处理 退火：退火：，高温退火或低温退火，高温退火或低温退火正火：正火：，并细化组织，提高强度和耐磨性，并细

23、化组织，提高强度和耐磨性 高温正火高温正火(完全完全A化化)和低温正火和低温正火(不完全不完全A化化)调质：调质：回火回火，好的综合性能，好的综合性能等温淬火：等温淬火：下下，高强度及良好的塑韧性，高强度及良好的塑韧性球墨铸铁管道接口球墨铸铁管道接口 球墨铸铁 铸态 400 珠光体球状石墨 球墨铸铁的组织可以看成是钢的组织加球状石墨所组成，而机械性能又主要取决于金属基体，因此，像钢一样，通过热处理可以改变其基体组织，从而显著地改善球墨铸铁的性能。球墨铸铁虽然碳含量比钢高得多，但通过热处理控制其不同的石墨化程度、不仅可以获得类似于低碳钢的铁素体基体 和类似于中、高碳钢的铁素体+珠光体，甚至珠光体

24、基体组织，而且还可以获得不同相对量和形态的铁素体+珠光体基体组织 。因此，球墨铸铁热处理后，即可获得相当于低碳钢的机械性能，又可获得相当于中、高碳钢的机械性能，这是钢的热处理所达不到的。此外等温淬火是目前发挥球墨铸铁材料潜力最有效的一种热处理方法，球墨铸铁等温淬火后，可以获得高强度或超强度，同时具有较高的塑性韧性和具备良好的综合机械性能及耐磨性，还有热处理变形小的特点。所以，经适当的等温处理的球墨铸铁可以满足日益发展的高速、大马达、受力复杂机件的性能要求，从而扩大了球墨铸铁的使用范围。调质处理后的球墨铸铁，具有较好的综合机械性能，而热处理工艺及设备则比等温淬火简单，且被切割加工性比较好，球墨铸

25、铁经调质处理后，组织为素氏体+球状石墨，可代替部分铸钢和锻钢制造一些重要的结构零件，如连杆、曲轴等。对球墨铸铁进行感应加热表面淬火，使它们除具有良好的综合机械性能外，同时工作表面具有较高的硬度和耐磨性以及疲劳强度。根据某些球墨铸铁件往往需要在强烈的磨损或在氧化、腐蚀介质的条件下工作的需要，必须进行化学热处理，如：氮化、软氮化、渗硼等。球墨铸铁退火态 400 铁素体球状石墨 球墨铸铁正火态 400 珠光体铁素体球状石墨 球墨铸铁球墨铸铁 金相图谱金相图谱 四、四、 蠕墨铸铁蠕墨铸铁 蠕墨铸铁的石墨形态是蠕虫状和球状石墨共存的混合形态，蠕虫状石墨是介于片状石墨和球状石墨之间的中间石墨形态 。其基体

26、组织为铁素体，其力学性能介于灰铸铁与球墨铸铁之间，其铸造性能比球墨铸铁好，与灰铸铁接近。因此形状复杂的铸铁也能用蠕墨铸铁制造。 蠕墨铸铁蠕墨铸铁u牌号牌号RuT300、RuT420RuT，蠕铁；，蠕铁；最低抗拉强度最低抗拉强度u蠕化剂（镁钛合金）蠕化剂（镁钛合金）u组织：蠕虫状组织：蠕虫状，短片较钝，短片较钝蠕墨铸铁蠕墨铸铁u新型高强铸铁材料。强度接近于球墨铸铁，一新型高强铸铁材料。强度接近于球墨铸铁，一定的韧性、较高的耐磨性；和灰口铸铁一样的定的韧性、较高的耐磨性；和灰口铸铁一样的良好的铸造性能和导热性。良好的铸造性能和导热性。 蠕虫状石墨金属基体 100 蠕墨铸铁蠕墨铸铁 金相图谱金相图谱

27、 五、可锻铸铁可锻铸铁 可锻铸铁的生产过程是先浇注成白口铸铁件，然后再退火成灰口组织。可锻铸铁中的石墨呈团絮状分布 ,对金属基体的割裂和破坏较小、石墨尖端引起的应力集中小，金属基体的强度、塑性及韧性可较大程度地发挥作用。故可锻铸铁的机械性能比灰铸铁高、特别是塑性、韧性要高得多。可锻铸铁中的团絮状石墨数量愈少、外形越规则，分布愈细小均匀，其机械性能愈多。可锻铸铁的机械性能除与石墨团的形状、大小、数量和分布有关外、还与金属基体的组织有很大的关系，可锻铸铁的基体有铁素体基体和珠光体基体两种，铁素体基体具有一定的强度和较多的塑性与韧性，主要用作承受冲击和震动的铸件。珠光体基体具有高的强度、硬度和耐磨性

28、以及一定的塑性、韧性，主要用以要求高强度、硬度、耐磨的铸件。 由白口铸铁通过退火处理得到的由白口铸铁通过退火处理得到的较高的强度、塑性和冲击韧性，不可锻，部分代替碳钢较高的强度、塑性和冲击韧性，不可锻，部分代替碳钢石墨石墨团絮状团絮状可锻铸铁可锻铸铁u牌号牌号KT350-10 ，可锻铸铁；可锻铸铁；KTZ600-3，可锻铸铁可锻铸铁u可锻铸铁常用来制造形状复杂、承受冲击和振动载荷的可锻铸铁常用来制造形状复杂、承受冲击和振动载荷的薄薄壁零件壁零件，如轮毂，减速器壳、汽车拖拉机的后桥外壳、管接，如轮毂，减速器壳、汽车拖拉机的后桥外壳、管接头、低压阀门等。头、低压阀门等。 可锻铸铁管件可锻铸铁管件u可锻铸铁的可锻铸铁的生产和热处理：生产和热处理：第一步，铸造纯白口铸铁第一步，铸造纯白口铸铁第二步，长时间石墨化退火处理第二步，长时间石墨化退火处理G完全由渗碳完全由渗碳体分解得到体分解得到 团絮状石