机械工程材料第七章

第7章铸铁铸铁是碳含量大于2.11％的铁碳合金。铸铁是以铁-碳-硅为主的多元铁基合金。普通铸铁的化学成分一般为2～4％碳，1～3％硅，0.02～0.25％硫，0.05～1.0％磷。

铸铁的铸造性能优良，因而通常采用铸造的方法制造成铸件使用，故称之为铸铁。

与钢相比：铸铁熔炼简单，成本低廉，虽然强度、塑性、韧性较低，但具有良好的铸造性能，很高的减磨、减震性能和切削加工性能，因此在机械制造业上得到了广范的应用。

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。铸铁的金属基体有珠光体、铁素体、铁素体＋珠光体，经热处理后有马氏体、贝氏体等组织，它们相当于钢的组织。

7.1铸铁的特点和分类铸铁中石墨的形态可分为六种:

Ⅰ型为片状石墨;

Ⅱ型为蟹状石墨;

Ⅲ型为蠕虫状石墨;

Ⅳ型为聚集状(团絮状)石墨;

Ⅴ型为不规则或开裂状石墨;

Ⅵ型为球状石墨。总之，铸铁的组织特点，是在钢的基体上分布着不同形状的石墨，见图7-1。图7-1铸铁中石墨的六种形态

2、铸铁的性能特点

铸铁的性能取决于铸铁的组织和成分。因此，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。石墨机械性能很低，硬度仅为HB3～5，抗拉强度为20Mpa，延伸率接近零石墨珠光体铁素体抗拉强度MPa20800～1000350～400

铸铁中的碳有以化合态的渗碳体Fe3C析出,也有以游离态的石墨析出。Fe3C

——

亚稳定相G

——稳定相铸铁之所以具有以上一系列优良的性能，一是因为它的含碳量高，二是因为碳大部分以游离的石墨状态存在；成分——w(C)=2.5~4.0%，

w(Si)=1.0~3.0%

7.2铸铁的石墨化石墨是碳的一种结晶形态，含碳量为100%，简单六方晶格，如图7-13所示)。底面中的原子间距较小

(0.142nm),故石墨沿着层面的生长速度比较快；而层与层之间碳原子的距离比较大(0.340nm),原子面间的结合力弱，因此沿着垂直于层面，即C轴方向，石墨的生长速度较慢，这就是石墨生长成片状的内在原因。石墨抗拉强度、硬度极低，延伸率接近于零图7-13石墨的晶体结构，

一、Fe-Fe3C和Fe-C双重状态图科学实验表明，Fe3C是一个介稳定的相，石墨是稳定相。反映铁-碳合金结晶过程和组织转变规律的状态图有两种：即Fe-Fe3C状态图(亦称为铁－碳合金亚稳定系状态图)和Fe-C状态图(亦称为铁－碳合金稳定系状态图)，研究铸铁时，通常把两者叠加在一起，得到铁－碳合金双重状态图，见图7-3。图中虚线表示铁-石墨系；实线表现铁-渗碳体系；虚线与实线重合的线条以实线表示。

图7-3铁碳和金双重状态图铸铁中碳原子的析出，并形成石墨的过程称为石墨化过程。在极缓慢冷却条件下，铸铁（2.5~4.0%）的石墨化过程可分为以下二个阶段：第一阶段：从液态铸铁中直接结晶出一次石墨和通过共晶反应形成G；（﹥1154℃和1148~1154℃）第二阶段：在1154~738℃范围内冷却时，从奥氏体中不断的析出的GⅡ；在738℃时通过共析反应而形成的G以及二次渗碳体、共析渗碳体在共析温度附近及以下温度分解而析出的石墨。灰口铸铁－即在第一、二阶段石墨化过程中得到了充分的石墨化的铸铁，碳全部或大部分以游离状态的石墨析出，凝固后断口呈灰色，故称为灰口铸铁。根据其第二阶段石墨化程度的不同，可得到三种不同基体组织的灰口铸铁，即F、F+P、P等三种基体组织的灰口铸铁。应用广泛。白口铸铁--即二个阶段的石墨化全部被抑制，碳除少量溶于铁素体外，其余全部以化合物状态的渗碳体析出,凝固后断口呈白亮的颜色，故称白口铸铁。白口铸铁的性质硬而脆，所以，工业上应用较少。麻口铸铁－即第一阶段石墨化过程进行不完全，碳既以化合状态渗碳体析出，又以游离状态石墨析出。凝固后断口夹杂着白亮的渗碳体和暗灰色的石墨，呈黑白相间的麻点，故称为麻口铸铁。硬脆，工业上很少用根据铸铁中的碳在结晶过程中的析出状态以及凝固后断口颜色的不同，状态可分为三大类：（２）铸铁的组织和分类名

称石

墨

化

程

度显微组织基体灰口铸铁按Fe-G相图结晶、转变F

+G较高F+P+G中等P

+G麻口铸铁较低Le'+P+G白口铸铁按Fe-Fe3C相图结晶、转变Le'+P+Fe3C灰口铸铁的组织

——钢基体+G根据铸铁中石墨的态又可分为：普通灰铸铁--石墨为片状；(常被称为灰口铸铁)

球墨铸铁--石墨为球状；（纯镁或稀土镁合金）

可锻铸铁--石墨为团絮状；（白口铸铁长时间石墨化退火）

蠕墨铸铁--石墨为蠕虫状。（稀土硅铁、稀土镁态等）

三、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墨化和铸铁显微组织的主要因素。影响石墨化的因素化学成分

AL、C、Si、Ti、Cu、Ni、P促进石墨化

W、Mn、Mo、S、Cr、V、B阻止石墨化冷却速度

冷速慢有利石墨化铸铁的过热和高温静置的影响存在一个临界温度过高，则石墨形态变差，强度下降。1、化学成分的影响

①碳和硅的影响:硅和碳都是强烈促进石墨化的元素。硅促进石墨化的作用约相当于三分之一碳的作用随着碳、硅含量的增加组织由白口变为珠光体甚至铁素体基体灰口铸铁。（当铸件壁厚确定后，C、Si含量越高，石墨化程度越高）②锰的影响：锰是一个阻碍石墨化的元素。但Mn能与S结合生成MnS浮到渣中，消除硫的有害影响，间接地起到促进石墨化的作用③硫的影响：强烈阻碍石墨化的元素硫阻碍碳原子的扩散，是一个促进白口铸铁元素，不仅大大降低铸铁的机械性能，而且使铁水的流动性降低，收缩率增大。因此，硫是一个有害元素，其含量应控制在0.15%以下。

④磷的影响：

磷对石墨化的作用不明显。当P含量大于0.2%后，就会出现化合物Fe3P，它常以二元磷共晶(a+Fe3P)或三元磷共晶(a+Fe3P+Fe3C)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。作为有害元素，通常灰口铸铁的含P量应控制在0.2%以下。2.冷却速度对铸件石墨化的影响

铸件的冷却速度对石墨化过程也有明显的影响。一般来说，铸件冷却速度越缓慢，越有利于碳原子的扩散，对石墨的形核和成长有利，即过冷度较小时，越有利于按照Fe-C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，铸件快冷，则阻止石墨化。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，共析阶段的石墨化（即第二阶段的石墨化）难以完全进行。图7-11铸铁的共晶度与壁厚对组织的影响

铸件冷却速度是一个综合的因素，它与浇注温度、造型材料、铸造工艺和铸件壁厚都有关系。其中铸件壁厚是影响铸件冷却速度的主要因素。图7-11为铸铁的共晶度和铸件壁厚对铸铁组织的影响。（１）灰铸铁（２）球墨铸铁（３）蠕墨铸铁（４）可锻铸铁

根据铸铁中石墨结晶形态的不同，将铸铁分为

7.3灰铸铁

灰铸铁（或称灰口铸铁）是石墨呈片状分布的铸铁，它是应用最广的一类铸铁。在各类铸铁的总产量中，灰铸铁所占的比重最大，约占80％以上。

1、灰铸铁的组织

灰铸铁的组织是由片状石墨和金属基体所组成的。金属基体依照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，它们的显微组织如图所示。

珠光体灰口铸铁铁素体灰口铸铁铁素体＋珠光体灰口铸铁图7-12不同基体的灰口铸铁

灰铸铁件的机械性能与石墨片的分布、类型、大小有关。灰铸铁片状石墨的大小分为8级，以1级为最粗，8级为最细。石墨片越粗，其机械性能越差。为了获得细片状的石墨，通常采用孕育处理。称为孕育铸铁。

浇注前在铁水中加Si-Fe，Si-Ca等孕育剂，使P细化、G细而均匀，强度、塑韧性明显提高。

2、灰铸铁的牌号

灰铸铁的牌号用“灰铁”二字的汉语拼音的第一个大写字母“HT”和一组数字来表示，HT100表示最低抗拉强度100MPa。（GB967－67）

分类牌号铸件

尺寸σb(MPa)σbb(MPa)基体石墨应用普通灰铸铁HT100任意100260铁素体粗片机床座 普通灰铸铁HT20015～30200 400珠光体中等汽缸、飞轮孕育铸铁HT30015～30300 540珠光体较细重荷机床床身孕育铸铁HT40015～30400 680索氏体细小齿轮、高压泵壳3、灰铸铁的性能

1）、灰铸铁的组织对性能的影响灰铸铁的组织由金属基体和片状石墨组成。其性能取决于金属基体和片状石墨的数量、大小和分布。石墨的强度极低，在铸铁中相当于裂缝或空洞，减少铸铁基体的有效承载面积，片状石墨端部易引起应力集中，因此，灰铸铁的抗拉强度、塑性、韧性和反弹性都低于碳素铸钢，特别是塑性、韧性几乎等于零。

但灰铸铁中石墨的存在具有比铸钢优良的减振性，小的缺口敏感性和高的耐磨性。

灰铸铁的金属基体组织分为3种。

铁素体的强度、硬度低，而塑性、韧性高。铁素体基体灰铸铁机械强度低；而塑性、韧性由于石墨片割裂金属基体，致使延伸率和冲击韧性均很低。珠光体具有高的强度、硬度和耐磨性。珠光体基体灰铸铁的强度、硬度和耐磨性均优于铁素体基体灰铸铁，而塑性、韧性相差无几，所以珠光体基体灰铸铁获得了广泛的使用。实际生产中，获得百分之百珠光体基体组织的灰铸铁是比较困难的。故通常在灰铸铁铸态的基体组织都是珠光体加铁素体组织。

2、灰铸铁的机械性能

①抗拉强度：

灰口铸铁的抗拉强度比同样基体的钢要低得多。一般说来，石墨数量越多，石墨“共晶团”越粗大，石墨片的长度越长，石墨的两端越尖锐，则抗拉强度降低的数值越大。灰铸铁的金属基体中珠光体数量越多，珠光体中Fe3C片层越细密，则抗拉强度值越高。

灰铸铁经孕育处理，细化组织，可提高抗拉强度。随着共晶度SC的增加，试棒直径（相当于壁厚）增加，铸铁的石墨数量和石墨化倾向加大，抗拉强度就随之下降。

②抗压强度：

抗压强度σbc约为抗拉强度σb的2.5-4.0倍。灰铸铁的抗压强度显著地大于抗拉强度，这是灰铸铁的一种特性。因此，灰铸铁广泛地被用作机床底座、床身和支柱等耐压零件。③硬度：铸铁的硬度随其成分和组织的变化而变化，一般在HB130～270范围内变化。

随着共晶度增加，石墨增加，铸铁的硬度降低。④冲击韧性：铸铁是一种脆性材料，冲击韧性很差，对于缺口试样，冲击值为2～8J/cm2。灰铸铁中碳、硅总量越低，石墨数量越少，石墨片愈细小，冲击韧性值越高；反之，冲击韧性值越低。⑤耐磨性：铸铁的耐磨性比钢好。这是因为铸铁件中有石墨的存在，也就是说铸件工作表面的石墨易脱落而成为滑动面的润滑剂，从而能起减磨作用。此外，石墨脱落后所形成的显微孔洞能贮存润滑油，而且显微孔洞还是磨耗后所产生的微小磨粒的收容所。所以铸铁的耐磨性比钢好。

⑥减振性：物体吸收振动能的能力称为减振性。灰铸铁的减振性比钢约大6～10倍。抗拉强度越低，减振性越好。所以，灰铸铁适宜用作减振材料，用于机床床身有利于提高被加工零件的精度。

3、灰铸铁的铸造性能灰铸铁具有熔点低(约为1200℃)、流动性好、铸造收缩率小(一般从铁水注入铸型凝固冷却至室温其收缩率约为0.5-1％)、铸件内应力小、易于铸造成型并有适当的机械性能且成本低廉等特点，故灰铸铁获得广泛应用。4、灰铸铁的热处理

热处理只能改变灰铸铁的基体组织，不能改善石墨的形状和分布。灰铸铁经热处理的强化效果不如钢和球墨铸铁那样显著。到目前为止，灰铸铁热处理的目的主要局限于消除内应力和改变铸件硬度两方面。灰铸铁的热处理主要是退火、正火和表面热处理。1）、消除内应力退火消除内应力退火，通常是将铸件以60～100℃/h的速度缓慢加热到弹－塑性转变温度区（350～450℃）以上，经适当保温，使铸件各部位和表里温度均匀，残余应力在此加热温度下得到松弛和稳定化。然后以20～40℃/h的冷却速度缓冷至200℃左右出炉空冷。防止机加工、使用时变形或开裂。2）、高温退火——850~900℃,表面、薄壁处冷速快，易产生白口组织。

硬度↓,切削加工性↑Cm→G,——F+C；r+C

3）、表面淬火表面淬火的目的：改变铸件表层的基体组织，提高强度、硬度、耐磨性和疲劳强度。表面淬火的工艺：采用高、中频淬火法，把铸件表面快速加热到900～1000℃高温，然后进行喷水冷却。结果表面层获得一层淬硬层，其组织为马氏体＋石墨。（１）灰铸铁一、灰铸铁铸铁组织中的石墨呈片状牌号

——如HT100，HT-灰铁，100-最小抗拉强度表示b≥100MPa（直径＝30mm）。组织

——钢基体（F、F+P

、P）

+片状G性能

——与其它铸铁相比，力学性能差，其它性能好。分类牌号显微组织基体粗片普通灰铸铁HT100F+少量P粗片HT150F+P较粗片HT200P中等片孕育铸铁HT250细P较细片HT300S或T细片HT350HT400F+P基体+片状G×500F基体+片状GP基体+片状G孕育铸铁

——浇注前在铁水中加Si-Fe，Si-Ca等孕育剂，

使P细化、G细而均匀，强度、塑韧性明显提高。热处理水泵

叶轮

发动机飞轮去应力退火

——500~550℃，防止机加工、使用时变形或开裂。高温退火

——850~900℃,表面、薄壁等白口处Cm→G,硬度↓,切削加工性↑F+C；r+C表面淬火——

提高导轨表面、汽缸体内壁等的耐磨性。M+C应用

——

如，机床床身、导轨，汽缸体。7.4可锻铸铁

可锻铸铁是先将铁水浇铸成白口铸铁，然后经石墨化退火，使游离渗碳体发生分解形成团絮状石墨的一种高强度灰口铸铁。

由于团絮状石墨对铸铁金属基体的割裂和引起的应力集中作用比灰铸铁小得多，因此，可锻铸铁具有较高的强度，特别是塑性（延伸率δ可达～12%)比灰铸铁高得多，有一定的塑性变形能力，因而得名可锻铸铁（或展性铸铁，又称为马铁）。一、可锻铸铁的组织1、化学成分对可锻铸铁组织的影响可锻铸铁的生产是由两个相互矛盾的工艺过程所组成的。为了保证铸件浇铸后获得纯白口组织,其成分中碳、硅含量不能太高，否则，浇铸后将得不到纯白口组织，而称为麻口甚至灰口组织。但是，可锻铸铁的碳、硅含量亦不能太低，否则要延长石墨化退火周期，使生产率降低。常用可锻铸铁的大致化学成分范围如下：2.4-2.7%C,1.4-1.8%Si,0.5-0.7Mn,<0.08%P,<0.25%S,<0.06%Cr。2、石墨化退火工艺对组织的影响可锻铸铁石墨化是由白口铸铁经长时间石墨化退火而制得的，在退火过程中主要是发生石墨化。如果白口组织在退火过程中第一阶段和第二阶段石墨化充分进行，则退火后得到铁素体基体加团絮状石墨的组织，称为铁素体可锻铸铁。如果退火过程中经第一阶段和中间阶段石墨化后，以较快冷却速度冷却，使第二阶段石墨化未能进行，则退火后的组织为珠光体加团絮状石墨的组织，称为珠光体可锻铸铁。二、可锻铸铁的牌号、性能和用途

1、可锻铸铁的牌号及其机械性能指标

我国可锻铸铁的牌号用“可铁”两字汉语拼音的第一个大写字母“KT”表示，若其后加拼音“Z”，则表示珠光体可锻铸铁，随后两组数字分别表示最低抗拉强度（单位为MPa)和最低延伸率值(%)。2、可锻铸铁的性能特点及用途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越少，外形越规则，分布越细小均匀，其机械性能越高。三、可锻铸铁的退火

可锻铸铁的退火工艺见图7-15。图7-15可锻铸铁的退火工艺1、加热过程当原始组织为珠光体加共晶渗碳体的白口铸铁件缓慢加热到900～1000℃时，其原始组织便转变为奥氏体加共晶渗碳体。2、第一阶段石墨化

第一阶段石墨化是发生在900～1000℃的高温长时间保温过程中，共晶渗碳体分解为奥氏体加团絮状石墨.此过程温度越高，渗碳体分解速度越快，退火周期越短。但是，退火温度过高，还引起石墨团和奥氏体晶粒粗化。故第一阶段石墨化温度一般应控制在900～1000℃，最高不超过1050℃。3、中间阶段石墨化：

发生在第一阶段石墨化以后，自高温随炉冷却到750～720℃的过程中，从奥氏体中析出二次石墨。在此过程中冷却速度不宜过快，以避免析出二次渗碳体，一般以40～50℃/h为宜。4、第二阶段石墨化：发生在750～720℃，以3～5℃/h的冷却速度缓慢冷却通过共析转变温度区的过程中，奥氏体直接转变成铁素体加石墨。最终得到铁素体可锻铸铁。

5、冷却过程：经过第二阶段石墨化以后，铸件的组织已转变成为铁素体加团絮状石墨，在随后的冷却过程中将不发生相变。为了避免退火后产生脆性，通常应在退火冷却到650℃左右后打开炉门进行空冷。（４）可锻铸铁——

白口铸铁经长时间石墨化退火（900－960℃）而得牌号

——如KT300-6

，表示b≥300，≥6％。组织

——钢基体+团絮状G性能

——强度、塑韧性优于HT，低于QT。分类牌

号壁厚mmbMPa%硬度HBF基体KT300-6>123006120~163KT330-8>123308120~163KT350-10>1235010120~163KT370-12>1237012120~163P基体KT450-54505152~219KTZ500-45004179~241KTZ600-36003201~269KTZ700-27002240~270*试棒直径16mmF+P基×500F基×500F基×100应用——

管接头、低压阀门等。7.5球墨铸铁石墨呈球状分布的灰口铸铁称为球墨铸铁。

球墨铸铁和灰铸铁相似，也是由液态石墨化而获得的一种铸铁。

球状石墨对金属基体的损坏及应力集中等均比片状石墨的灰铸铁小得多。因此，具有比灰铸铁高得多的强度、塑性和韧性，并保持有耐磨、减振、缺口不敏感等灰口铸铁的特性。

球墨铸铁和可锻铸铁相比较，除了具有更高的机械性能外，还具有生产工艺简单，生产周期短且不受铸件尺寸限制的特点。球墨铸铁还可以像钢一样进行各种热处理以改善金属基体组织，进一步提高机械性能。

一、球墨铸铁的组织与化学成分：

1、球墨铸铁的组织

球墨铸铁的组织是由球状石墨与金属基体所组成的。

球墨铸铁中的石墨球通常是孤立地分布在金属基体中的。

但是，所观察到的石墨并非都是呈球状的。这往往是由于化学成分和铁水处理不当，改变了石墨的生长条件所致。在这种情况下，球墨铸铁中的石墨除了呈球状外，还可能出现团状、团片状、厚片状、开花状以及呈枝晶状等分布形态。

一般来说，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。球墨铸铁的金属基体组织与许多因素有关。除了化学成分的影响外，还与铁水处理和铁水的凝固条件以及热处理有关。球墨铸铁经正火或退火后的基体组织有珠光体、珠光体加铁素体和铁素体，分别称为珠光体球墨铸铁、珠光体加铁素体球墨铸铁和铁素体球墨铸铁。如图所示图7-16珠光体球墨铸铁、珠光体加铁素体球墨铸铁和铁素体球墨铸铁2、球墨铸铁的球化处理与孕育处理

球化处理：在浇铸前向铁水加入一定量的球化剂，以促使石墨结晶时生长为球状的工艺操作称为球化处理。目前，国外广泛应用的球化剂是镁系列球化剂，如纯镁、硅铁－镁、铜－镁等，也有用稀土硅钙和稀土元素铈、镧、钇等作球化剂。国内最常用的球化剂有镁、稀土－硅铁合金和稀土－硅－铁－镁合金三种。

孕育处理：球化处理只能在铁水中有石墨核心产生时才能促使石墨生长成球状。但是，Mg和RE等都是强烈阻碍石墨化的元素，球化处理后铁水的白口倾向显著增大，难以产生石墨核心。因此，在球化处理的同时必须进行孕育处理（亦称为石墨化处理），以促使石墨生核片生成球径小、数量多、圆整度好、分布均匀的球状石墨，从而改善球墨铸铁的机械性能。孕育处理所使用的孕育剂必须是含有强烈促进石墨化元素的物质，其中应用最多的是含75％Si的硅铁。（Si铁、Si-Ca合金和Al等）3、球墨铸铁和化学成分球墨铸铁的化学成分特点是：碳、硅含量较高，锰含量较低，硫、磷含量低。球墨铸铁与灰铸铁的化学成分见下表。WCWSiWMnWPWS球铁3.5-3.92.0-2.10.3-0.8<0.08<0.03灰铁2.9-3.51.4-2.10.6-1.00.1-0.150.1-0.12

二、球墨铸铁的牌号、性能及用途

1、球墨铸铁的牌号

我国球墨铸铁的牌号用“球铁”二字的汉语拼音的第一个字母“QT”加两组数字表示，第一组数字代表最低抗拉强度（单位为MPa×10）；第二组数字代表最低延伸率(%)。例如：QT40-17(F);QT50-5(F+G);QT80-2(P+S回);QT120-1(B下或T回或M回)2.球墨铸铁的性能及用途球墨铸铁中的石墨呈球状，它对金属基体的破坏作用小。基体强度利用率可达70～90％。因此，球墨铸铁的机械性能主要取决于基体组织的性能。①抗拉强度：不同基体组织的球墨铸铁的应力-应变曲线如图7-17所示。可以看出，球墨铸铁基体组织的硬度越高，其抗拉强度越高，而延伸率越低。图7-17不同基体组织的球墨铸铁的应力-应变曲线球墨铸铁与其它铸铁相比，不仅具有高的抗拉强度，而且其屈服强度(σ0.2)也超过任何一种铁碳合金，比钢还要高得多。球墨铸铁的屈强比(σ0.2/σb)为0.7-0.8，几乎为钢(0.35-0.50)的两倍。在一般机械设计中，材料的许用应力是根据材料的屈服强度来确定的，因此，对于承受静负荷的零件，用球墨铸铁代替铸钢，可以减轻机器的重量。②塑性与韧性：球墨铸铁因组织中有石墨存在，且呈球状，故其塑性与韧性虽低于钢，但却高于其它各类铸铁。用球墨铸铁制造发动机曲轴，当其冲击值ak达8～15J/cm2时已能获得良好的使用性能。当铁素体球墨铸铁的延伸率达10～15％时，可用于-30～375℃温度范围内，代替25铸钢制造中压阀门。球墨铸铁在一定范围内可以代替铸钢，制造塑性和韧性要求较高的铸件。③疲劳强度：铸铁的疲劳强度在很大程度上取决于石墨的形状。球状的疲劳强度最高，团絮状的次之，片状的最低，且随石墨数量增多，铸铁的疲劳强度降低。由图可知，要求扭转疲劳强度大的曲轴采用球墨铸铁是可行的。图7-18疲劳强度和抗拉强度的关系。3、球墨铸铁的热处理

球墨铸铁的组织可以看作是钢的组织加球状石墨所组成，而且其机械性能又主要取决于金属基体，因此,象钢一样，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。①球墨铸铁热处理特点：通过改变加热温度来控制其基体组织，从而获得不同的机械性能。球墨铸铁是以铁－碳－硅为主的多元铁基合金，共析转变是发生在一个温度区间内，在此温度区间内，可以存在铁素体，奥氏体和石墨的三相稳定平衡，亦可以存在铁素体、奥氏体和渗碳体的三相介稳定平衡。在此共析温度区间内的不同温度，都对应着铁素体和奥氏体平衡的相对量。

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；类似于中碳钢的铁素体＋珠光体基体；甚至高碳钢的珠光体基体组织，因此，球墨铸铁热处理后，既可以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。

石墨虽然在热处理过程中也参加相变，但热处理不能改变石墨的形状和分布。因此，石墨的形状对热处理效果有决定性作用。球墨铸铁中因石墨呈球状，故热处理效果非常好。因此，凡是对钢有效的热处理工艺都适用于球墨铸铁。②退火对于形状复杂、壁厚不均匀的铸件，可进行去应力退火。为了消除游离渗碳体，改善切削性能，可进行高温石墨化退火。为了提高塑性，获得单一的铁素体基体，可进行低温石墨化退火。③正火高温正火：球墨铸铁高温正火的目的是增加基体组织中的珠光体量，提高强度、硬度和耐磨性，同时还可以消除游离渗碳体。球墨铸铁高温正火是把铸件加热到Ac1以上50～70℃，保温1～3h，使原始基体组织完全奥氏体化后出炉空冷（风冷或喷雾冷却）。高温正火后的基体组织为珠光体或珠光体加少量牛眼状铁素体。

一般来说，高温正火温度越高，奥氏体碳浓度越高，正火后可以增加球墨铸铁基体的珠光体含量。但是，若高温正火加热温度过高，不仅会引起奥氏体晶粒粗化，而且还因奥氏体碳浓度过高，而在正火冷却过程中促使二次渗碳体沿奥氏体晶界呈网状析出，使机械性能降低。正火温度对珠光体量和机械性能的影响如图7-19所示。

图7-19正火温度对珠光体量和机械性能的影响低温正火：球墨铸铁低温正火的目的是获得较高的塑性，韧性与一定的强度，即获得较好的综合机械性能。低温正火是把铸件加热到共析转变温度Ac1区间，在此温度保温1～3小时，使球墨铸铁的组织处于奥氏体、铁素体和球状石墨三相平衡区，并获得一定比例的奥氏体与铁素体数量（即部分奥氏体化），然后出炉空冷。低温正火加热温度越接近于共析转变温度Ac1上限，则基体组织转变为奥氏体的数量越多，铁素体量越少。④等温淬火

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高强度，同时具有较高的塑性、韧性，因而具备良好的综合机械性能和耐磨性。此外，还具有热处理变形小的特点。

球墨铸铁等温淬火工艺与钢相似，即把铸件加热到临界点Ac1以上30～50℃，经一定时间保温，使基体组织转变为化学成分均匀的奥氏体，然后将铸件迅速淬入到保持在Ms点以上某一温度（一般为300℃左右）热浴中，等温停留一定时间，使过冷奥氏体等温转变成下贝氏体组织，然后取出空冷，球墨铸铁等温淬火工艺曲线如图所示。图7-20球墨铸铁等温淬火工艺

⑤调质处理球墨铸铁象钢一样，经淬火加高温回火，即调质处理后，具有较好的综合机械性能。它的机械性能比正火后的高，而热处理工艺及设备则比等温淬火简单，且被切削加工性比较好。故球墨铸铁经调质处理后，可代替部分铸钢和锻钢制造一些重要的结构零件，如连杆、曲轴以及内燃机车万向轴等。球墨铸铁的调质处理工艺与钢相类似，在Ac1以上30～50℃加热、保温，淬入油中冷却，然后在550～600℃高温回火。⑥感应加热表面淬火对于某些球墨铸铁铸件，如在动载荷与摩擦条件下工作的齿轮、曲轴、凸轮轴以及主轴等，它们除要求具有良好的综合机械性能外，同时还要求工作表面具有较高的硬度和耐磨性以及疲劳强度。因此，对于这类球墨铸铁件往往都需要进行表面淬火，如火焰加热表面淬火，中频或高频感应加热表面淬火等，其中，应用较多的是感应加热表面淬火。

球墨铸铁进行感应加热表面淬火时，把铸件表面层快速加热到900～1000℃，转变为奥氏体加球状石墨，然后喷