铁碳合金-铸铁（航空材料）

1.灰铸铁

1）灰铸铁的组织灰铸铁的组织可看成是碳钢的基体加片状石墨。按基体组织不同分为：铁素体基体灰铸铁、铁素体—珠光体基体灰铸铁、珠光体基体灰铸铁。其显微组织如图3-20所示

2）灰铸铁的性能（1）力学性能。因石墨的强度极低，相当于在钢的基体上分布了许多孔洞和裂纹，分割、破坏了基体的连续性，减小了基体的有效承载截面，而且石墨的尖角处易产生应力集中，所以灰铸铁的抗拉强度比相应基体的钢低很多，塑性、韧性极低。石墨片数量越多、尺寸越大、分布越不均匀，灰铸铁的抗拉强度越低。灰铸铁的抗压强度、硬度主要取决于基体，石墨对其影响不大，故灰铸铁的抗压强度和硬度与相同基体的钢相似。灰铸铁的抗压强度一般是其抗拉强度的3倍～4倍。当石墨存在形态一定时，铸铁的力学性能取决于基体组织，珠光体基体比铁素体基体灰铸铁的强度、硬度、耐磨性均高，但塑性、韧性低；铁素体—珠光体基体灰铸铁的性能介于两者之间。图3-20灰铸铁的显微组织(a)铁素体基体(b)铁素体-珠光体基体(c)珠光体基体（2）其他性能。铸铁具有下列优良性能:①铸造性好：灰铸铁熔点低、流动性好。在结晶过程中析出比体积（俗称比容）较大的石墨，部分补偿了基体的收缩，所以收缩率较小。②减振性好：石墨割裂了基体，阻止了振动的传播，并将振动能量转变为热能而消失，其减振能力比钢高10倍左右。③减摩性好：石墨本身有润滑作用，石墨从基体上剥落后所形成的孔隙有吸附和储存润滑油的作用，可减少磨损。④切削加工性能好：片状石墨割裂了基体，使切屑易脆断，且石墨有减摩作用，减小了刀具的磨损。⑤缺口敏感性低：铸铁中石墨的存在就相当于许多微裂纹，致使外来缺口的作用相对减弱。3）灰铸铁的孕育处理为提高灰铸铁的力学性能，生产中常采用孕育处理，即在浇注前向铁液中加入一定量的孕育剂，以获得大量、高度弥散的人工晶核，从而得到细小、均匀分布的片状石墨和细化的基体。经孕育处理后获得的亚共晶灰铸铁，称为孕育铸铁。孕育铸铁的结晶过程几乎是在全部铁液中同时进行，可以避免铸件边缘及薄壁处出现白口组织，使铸件各部位截面上的组织和性能均匀一致。孕育铸铁的强度较高，塑性和韧性有所提高，常用于力学性能要求较高、截面尺寸变化较大的大型铸件。4）灰铸铁的牌号及用途灰铸铁的牌号是由“HT”（为“灰铁”二字汉语拼音字首）和其后一组数字组成，数字表示30mm试棒的最小抗拉强度值（MPa）。灰铸铁的牌号、性能及用途见附表6。设计铸件时，应根据铸件受力处的主要壁厚或平均壁厚选择铸铁牌号。附表6灰铸铁牌号、不同壁厚铸件的力学性能和用途(摘自GB

9439—88)

(一)可锻铸铁的组织

可锻铸铁是将白口铸铁通过石墨化或氧化脱碳退火处理，改变其金相组织或成分而获得有较高韧性的铸铁，其石墨呈团絮状。

可锻铸铁的生产过程是：首先浇注成白口铸铁件，然后再经可锻化（石墨化）退火，使渗碳体分解为团絮状石墨，即可制成可锻铸铁。为保证在一般的冷却条件下铸件能获得全部白口，可锻铸铁中的碳、硅含量较低。可锻铸铁(二)可锻铸铁的分类按退火方法不同，可锻铸铁分为两种类型：①黑心可锻铸铁和珠光体可锻铸铁；②白心可锻铸铁。目前我国以生产黑心可锻铸铁为主，也生产少量珠光体可锻铸铁。(三)可锻铸铁的性能

由于石墨形状的改变，减轻了石墨对基体的割裂作用。与灰铸铁相比，可锻铸铁的强度高，塑性和韧性好，但不能锻造。与球墨铸铁相比，可锻铸铁具有质量稳定、铁液处理简单、易于组织流水线生产等优点。(四)可锻铸铁的牌号及用途

可锻铸铁的牌号、性能及用途见附表8。牌号中“KT”为“可铁”二字的汉语拼音字首，后面的“H”表示“黑心”，“Z”表示“珠光体”基体，两组数字分别表示最低抗拉强度和最低伸长率。附表8黑心可锻铸铁和珠光体可锻铸铁的牌号、性能及用途(摘自GB9440—88)

球墨铸铁

1）球墨铸铁的组织球墨铸铁是铁液经球化处理而不是在凝固后经过热处理，使石墨大部分或全部呈球状，有时少量为团絮状的铸铁。按基体组织不同，常用球墨铸铁有铁素体球墨铸铁、铁素体—珠光体球墨铸铁、珠光体球墨铸铁和贝氏体球墨铸铁（经等温淬火获得的），其显微组织如图3-21所示。图3-21球墨铸铁的显微组织(a)铁素体基体(b)铁素体-珠光体基体

(c)珠光体基体(d)下贝氏体基体2）球墨铸铁的性能由于球状石墨对基体的割裂作用和引起应力集中现象明显减小，故球墨铸铁的力学性能比灰铸铁高得多。它的某些性能可和相应组织的铸钢相媲美，如疲劳强度与中碳钢接近，耐磨性优于表面淬火钢，屈强比（σ0.2/σb）为0.7～0.8，比钢约高一倍，但塑性、韧性比钢低。此外，球墨铸铁同样具有灰铸铁的某些优点，如较好的铸造性能、减振性、减磨性、切削加工性及低的缺口敏感性等。但球墨铸铁的过冷倾向较大，易产生白口组织，而且其液态收缩和凝固收缩较大，易形成缩孔和缩松，故其熔炼工艺和铸造工艺都比灰铸铁要求高。3）球墨铸铁的牌号及用途球墨铸铁的牌号由“QT”（为“球铁”二字汉语拼音字首）和其后的两组数字组成，两组数字分别表示最低抗拉强度和最低伸长率。例如QT600–3表示σb≥600MPa、δ≥3%的球墨铸铁。球墨铸铁的牌号、性能及用途见附表7。附表7球墨铸铁的牌号、力学性能和用途(摘自GB1348—88)铸铁的石墨化及其影响因素1.铸铁的石墨化过程铸铁中，碳原子以石墨形式析出的过程称为石墨化。渗碳体为亚稳定相。若将渗碳体加热到高温，可分解为铁和石墨，即Fe3C→3Fe+C（G），而游离态的石墨为稳定相。因此，描述铁碳合金的结晶过程有亚稳定平衡的Fe–Fe3C相图（它说明了Fe3C的析出规律）和稳定平衡的Fe–C（G）两种相图。将两者叠合在一起，便形成铁—碳合金双重相图，如图3-18所示。图中实线表示Fe–Fe3C相图，虚线表示Fe–C（G）相图。根据合金的成分和结晶条件不同，铁碳合金的石墨化可以全部或部分地按照其中的一种相图进行。图3-18铁-碳合金双重相图

按Fe–C（G）相图，铸铁的石墨化过程可分为以下三个阶段。第一阶段：包括从铸铁液相中结晶出一次石墨（过共晶铸铁）和在1154℃通过共晶转变形成的共晶石墨（LC′1154℃AE′+G共晶）。第二阶段：在共晶温度和共析温度之间（1154℃～738℃），奥氏体沿E′S′线析出二次石墨。第三阶段：在738℃，通过共析转变而析出共析石墨（AS′738℃FP′+G共析）。

通常，铸铁在高温冷却过程中，由于原子扩散能力较强，故第一阶段、第二阶段石墨化容易进行，凝固后至共析转变前的组织为A+G。第三阶段石墨化是在较低温度下进行的，在低温时（共析转变温度），碳原子扩散能力较差，石墨化过程往往难以进行。铸铁的最终组织取决于石墨化程度。若石墨化能充分进行，则形成F+G的组织；若石墨化部分进行，则形成F+P+G的组织；若石墨化被全部抑制，则形成P+G的组织。根据石墨化程度的不同，可获得不同的铸铁。三个阶段石墨化均被抑制，得到的是白口铸铁；第一阶段、第二阶段石墨化充分进行，得到灰口铸铁；第一阶段、第二阶段石墨化部分进行，第三阶段石墨化被抑制，则得到麻口铸铁。2.影响石墨化的因素影响石墨化的主要因素是化学成分和冷却速度。

1）化学成分的影响

碳和硅是强烈促进石墨化的元素，碳、硅含量越高，越易获得灰口组织。这是因为随含碳量的增加，液态铸铁中结晶出的石墨越多、越粗大，故促进了石墨化；硅与铁的结合力较强，削弱了铁、碳原子间的结合力，硅还会使共晶点的含碳量降低，共晶转变温度升高，有利于石墨的析出。但碳、硅含量过高时，易生成过多且粗大的石墨，降低铸件的性能。因此，灰口铸铁中的碳、硅含量一般控制在wＣ=2.5%～4.0%，wSi=1.0%～2.5%。

硫是强烈阻碍石墨化的元素。硫使铸铁白口化，而且还降低铸铁的铸造性能和力学性能，故应严格控制其含量，一般wS＜0.15%。锰是阻碍石墨化的元素。但锰可与硫形成硫化锰，减弱硫的有害作用，间接促进石墨化。故铸铁中含锰量应适当，一般wMn=0.5%～1.4%。磷是微弱促进石墨化的元素，可提高铁液的流动性。当wP＞0.3%时，会形成磷共晶体。磷共晶体硬而脆，降低铸铁的强度，增加铸铁的冷裂倾向，但可提高铸铁的耐磨性。所以，要求铸铁有较高强度时，wP＜0.12%，若要求铸铁有较高耐磨性时，含磷量可增加至0.5%。一般情况下，wP＜0.3%。2）冷却速度的影响一定成分的铸铁，其石墨化程度取决于冷却速度。冷却速度越慢，越有利于碳原子的扩散，促使石墨化进行。冷却速度越快，析出渗碳体的可能性就越大。这是由于渗碳体的含碳量（6.69%）比石墨（100%）更接近于合金的含碳量（2.5%～4.0%）。影响铸铁冷却速度的因素主要有浇注温度、铸件壁厚、铸型材料等。当其他条件相同时，提高浇注温度，可使铸型温度升高，冷速减慢；铸件壁厚越大，冷速越慢；铸型材料导热性越差，冷速越慢。如图3-19所示，铸件壁越薄，碳、硅含量越低，越易形成白口组织。因此，调整碳、硅含量及冷却速度是控制铸铁组织和性能的重要措施。图3-19铸铁成分wc+si和冷却速度(铸件壁厚)对铸铁组织的影响

铸铁是指含碳量大于2.11%的铁碳合金。铸铁中的碳可以以渗碳体（结合态）和石墨（游离态）两种形式存在：如果以结合态存在，则会得到莱氏体共晶，称为白口铸铁；若以游离态石墨存在，则会得到断口暗灰的灰口铸铁。工业上常用的铸铁组织是在铁素体、珠光体基体上分布着形状、尺寸、数量不等的石墨。简言之，铸铁即是钢的基体加石墨。石墨的存在形态（即形状、尺寸、数量及分布）是决定铸铁组织和性能的关键。因此，了解铸铁中石墨的形成过程及其影响因素是十分必要的。铸铁及其分类1.根据碳在铸铁中的存在形式分类（1）白口铸铁。碳除少数溶入铁素体外，其余的全部以渗碳体的形式存在于铸铁中。其断口呈银白色，故称为白口铸铁。（2）灰口铸铁。碳全部或大部分以石墨形式存在于铸铁中，其断口呈暗灰色