《金属材料与模具材料》-第7章

第7章铸铁

铸铁是碳的质量分数大于2.11%的铁碳合金。主要由铁(Fe)、碳(C)、硅(si)、锰(Mn)、硫(S)、磷(P)以及其他微量元素组成。它是将铸造生铁(部分炼钢生铁)在炉中重新熔化，并加进铁合金、废钢、回炉铁调整成分而得到。与生铁区别是铸铁是二次加工，大都加工成铸铁件。工业上常用的铸铁碳质量分数一般在2.5%~4.0%范围内。铸铁虽然力学性能较钢差，但具有优良的铸造性能、切削加工性能、耐磨性、减震性和低的缺口敏感性，并且熔炼铸造工艺简单，价格低廉，所以铸铁是机械制造工业中最重要的材料之一。返回7.1铸铁的分类

铸铁中的碳主要以石墨和渗碳体两种形式存在。

1.按碳分类根据碳存在形式的不同，可将铸铁分为以下3种。

(1)白口铸铁(白口铁)

碳主要以渗碳体形式存在，其断口呈银白色。白口铸铁硬度高、脆性大，很难进行切削加工，很少直接用来制造机械零件，只用于少数要求耐磨而不受冲击的制件，如拔丝模、球磨机铁球等。大多用作炼钢和可锻铸铁的坯料。下一页返回7.1铸铁的分类(2)灰铸铁(灰口铁)

碳大部分或全部以石墨的形式存在，其断口呈暗灰色。灰铸铁具有良好的铸造性能、切削加工性好、减震性、耐磨性好，加上它熔化配料简单，成本低，广泛用于制造结构复杂铸件和耐磨件。是目前工业上应用最广泛的一种铸铁

(3)麻口铸铁(麻口铁)

碳大部分以渗碳体形式存在，少部分以石墨的形式存在，断口呈灰白色。麻口铸铁脆性较大，工业上很少使用。下一页返回上一页7.1铸铁的分类2.按石、墨分类如图7-1所示，由于石墨的形状不同，铸铁可分为以下几种:(1)灰铸铁石墨以片状的形式存在于铸铁中。

(2)可锻铸铁石墨以不规则的团絮状形式存在于铸铁中，俗称马铁、玛钢

(3)球墨铸铁(球铁)

石墨以球状形式存在于铸铁中。

(4)虫需墨铸铁石墨以短小的蠕虫状形式存在于铸铁中。返回上一页7.2铸铁的石墨化及影响因素

铸铁中的碳以石墨的形态析出的过程称为铸铁的石墨化。在铸铁中，碳可能以渗碳体和石墨两种形式存在，其中渗碳体是一个亚稳定相，而石墨是稳定相。因此，根据铸铁结晶条件的不同，铁碳合金中可能会出现铁-渗碳体和铁-石墨两种不同的结晶方式。影响石墨化的主要因素是铸铁的成分和冷却速度。下一页返回7.2铸铁的石墨化及影响因素7.2.1成分的影响可以将铸铁中的各种元素按其对石墨化的作用不同，分为两大类。一类是促进石墨化的元素，如碳、硅、铝、镍、铜、钴等。其中碳和硅是强烈促进石墨化的元素。碳、硅的含量愈高，析出的石墨数量就愈多，石墨片的尺寸也就愈粗大，石墨化程度越允分。适当降低碳、硅含量能够使石墨细化。另一类是阻碍石墨化的元素，如铬、钨、钼、钒、锰、硫、磷等。它们均阻碍渗碳体的分解，即阻碍石墨化。下一页返回上一页7.2铸铁的石墨化及影响因素7.2.2冷却速度的影响当铸铁结晶时，缓慢冷却有利于扩散，石墨化过程可允分进行，结晶出来的石墨又多又大;反之，快冷则阻碍石墨化，促使白口化。下一页返回上一页7.2铸铁的石墨化及影响因素

铸铁的冷却速度主要取决于铸件壁厚和铸型材料。例如铸铁在砂型中冷却比在金属型中冷却速度慢;铸件越厚，冷却越慢。这样的铸件有利于石墨化。如图7-2所示为一般砂型铸造条件下铸铁的化学成分和冷却速度(铸件壁厚)与铸铁组织的关系。由图7-2中可知，对壁薄的铸件，容易形成白口铸铁组织，要得到白口铸铁组织需增加碳、硅质量分数，相反，厚大的铸件，为避免得到过多的石墨，应减少铸铁的碳、硅质量分数。返回上一页7.3灰铸铁

普通灰铸铁简称为灰铸铁，是应用最广泛的一种铸铁，其化学成分一般为，wC=2.8%~3.6%，wSi=1.0%~2.5%，wMn=0.5%~1.3%，wP≤0.3%，wS

≤0.15%。下一页返回7.3灰铸铁7.3.1灰铸铁的组织与性能灰铸铁的生产成本低，铸造性能优良，具有减震、耐磨和缺口敏感性低等优点。灰铸铁的组织由金属基体和片状石墨两部分组成。根据石墨化进程的不同，可分为铁素体灰铸铁(铁素体+片状石墨)、铁素体-珠光体灰铸铁(铁素体+珠光体+片状石墨)以及珠光体灰铸铁(珠光体+片状石墨)3种不同基体组织的灰铸铁。如图7-3所示为3种灰铸铁的显微组织图。下一页返回上一页7.3灰铸铁

通过对灰铸铁的组织分析可以看出，铸铁是在钢的基体上分布着一些片状的石墨。由于石墨的强度和塑性几乎为零，因此，石墨的存在就像在钢的基体上分布着许多细小的裂缝和空洞，破坏了金属基体的连续性，减小了有效承载面积，并且在石墨尖角处容易产生应力集中，所以灰铸铁的强度、塑性和韧性远不如钢。铸铁中石墨的数量越多，尺寸越大，分布越不均匀，对基体的割裂作用和应力集中现象就越严重，铸件的强度、塑性和韧性就越差，但是石墨的存在对抗压强度和硬度的影响不大。下一页返回上一页7.3灰铸铁7.3.2灰铸铁的孕育处理石墨虽然降低了铸铁的力学性能，但是由于石墨的存在，也使灰铸铁获得一些优异的性能，如良好的铸造性能和切削加工性能，较高的耐磨性、减震性及低的缺口敏感性。为了改善灰铸铁的性能，一方面要改变石墨的数量大小和分布;另一方面要增加基体中珠光体的数量。石墨片越细小，分布越均匀，铸铁的力学性能就越高。为了细化金属基体并增加珠光体数量，改变石墨片的形态和数量，生产中长采用孕育处理工艺。下一页返回上一页7.3灰铸铁

孕育处理就是在浇注前往铁水中加入少量的孕育剂(如硅铁、硅钙合金)，在铁水内产生大量的均匀分布的晶核，以促进石墨的形核和结晶，使石墨片及基体组织得到细化。孕育处理又称为变质处理。经过孕育处理后的铸铁称为孕育铸铁，其强度、塑性和韧性有很大程度的改善。所以这种处理方法适用于力学性能要求较高、截面尺寸变化较大的大型铸件。下一页返回上一页7.3灰铸铁7.3.3灰铸铁的牌号及用途灰铸铁的牌号由“灰”和“铁”两个字的汉语拼音字母的字头“HT”及后面一组数字组成。“HT”表示灰铸铁，数字为三位数字，表示最低抗拉强度，单位为MPa。例如HT200表示抗拉强度为200MPa的灰铸铁。灰铸铁的牌号和应用见表7-1。下一页返回上一页7.3灰铸铁7.3.4灰铸铁的热处理对灰铸铁进行热处理不能改变灰铸铁中片状石墨的形状和分布，但是可以消除铸件的内应力、消除白口组织和提高铸件表面的耐磨性。常用的热处理工艺有以下3种。下一页返回上一页7.3灰铸铁1.去应力退火铸件在冷却过程中，由于各部位的收缩和组织转变速度的不同，使铸件内部存在不同程度的内应力，容易使铸件发生变形甚至开裂。因此铸件在切削加工前要进行一次去应力退火，也称为人工时效处理。其典型的时效处理工艺曲线如图7-4所示下一页返回上一页7.3灰铸铁2.表面淬火对于需要提高表面耐磨性的铸铁，在机加工后可以用快速加热的方法对铸铁表面进行淬火处理。如机床导轨、缸体内壁。淬火后表面的硬度可达50~55HRC，得到的铸铁表面组织为马氏体+石墨。表面淬火的方法有感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火和电接触加热表面淬火等。下一页返回上一页7.3灰铸铁3.消除铸件白口，降低硬度的高温退火(石、墨化退火)

铸件上的薄壁处或表层，由于冷却速度快，常出现白口组织，给切削加工带来困难为了消除自由渗碳体，降低硬度，改善铸件的切削加工性能和力学性能，可以对铸件进行高温退火处理，使渗碳体在高温下分解成铁和石墨。图7-5所示为高温石墨化退火热处理的曲线。返回上一页7.4可锻铸铁

可锻铸铁俗称玛钢、马铁。它是白口铸铁通过石墨化退火，使渗碳体分解获得团絮状石墨的铸铁。由于石墨呈团絮状，减轻了石墨对金属基体的割裂作用和应力集中，因而可锻铸铁相对于灰铸铁有较高的强度、塑性和韧性。因为可锻铸铁具有一定的塑性变形能力，所以得名可锻铸铁，事实上并不可锻可锻铸铁的化学成分一般为wC=-2.2%~2.8%,wSi=1.0~1.8%，wMn=0.4%~1.2%，wP<0.2%，wS<0.18%。下一页返回7.4可锻铸铁7.4.1可锻铸铁的生产过程可锻铸铁的生产主要有以下两个步骤。①浇注白口铸件，第一步先浇注成白口铸铁的铸件毛坯。②对白口铸铁毛坯进行热处理，第二步将白口铸件毛坯经高温长时间石墨化退火(可锻化退火)，使渗碳体分解出团絮状石墨。下一页返回上一页7.4可锻铸铁7.4.2可锻铸铁的组织与性能在对白口铸铁的毛坯进行热处理的过程中，根据热处理的工艺不同，可得到不同的可锻铸铁。

1.黑心可锻铸铁黑心(铁素体)可锻铸铁是由白口铸铁经长时间石墨化退火而制成的。白口铸铁中的渗碳体在退火过程中完全石墨化，退火后的组织为铁素体上分布着团絮状石墨，成为铁素体可锻铸铁。因其断口呈暗灰色，故又称为黑心可锻铸铁。下一页返回上一页7.4可锻铸铁2.珠光体可锻铸铁如果冷却速度较快共析渗碳体来不及分解，则退火组织为珠光体上分布着团絮状石墨，称为珠光体可锻铸铁。如图7-6所示为可锻铸铁的显微组织。可锻铸铁的基体组织不同，其性能也不同，黑心可锻铸铁具有一定的强度、塑性与韧性。下一页返回上一页7.4可锻铸铁7.4.3可锻铸铁的牌号及用途可锻铸铁的牌号由三个字母及后面两组数字组成，前两个为“KT"，分别是“可”、“铁”两个字汉语拼音的第一个字母大写;第三个字母代表可锻铸铁的类别;后面两组数字分别代表最低抗拉强度和伸长率的数值。如KTH300-06表示最低抗拉强度为300MPa,最低伸长率为6%的黑心可锻铸铁。下一页返回上一页7.4可锻铸铁KTZ450-06表示最低抗拉强度为450MPa,最低伸长率为6%的珠光体可锻铸铁。见下表7-2，为我国黑心可锻铸铁的牌号、力学性能及应用可锻铸铁具有铁水处理简单、质量稳定、容易组织流水线生产、低温韧性好等优点，广泛应用于汽车、拖拉机制造行业，常用来制造形状复杂、承受冲击载荷的薄壁、中小型零件返回上一页7.5球墨铸铁

铁水经过球化处理而使石墨大部分或者全部呈球状的铸铁称为球墨铸铁。其化学成分一般为wC=3.6%~4.0%，wSi=2.0%~3.2%，wMn=0.6%~0.9%，wP<0.1%，wS<0.07%，wMg=0.03%~0.05%，wRe<0.05%。下一页返回7.5球墨铸铁7.5.1球墨铸铁的生产过程在铁水浇注前加入少量的球化剂(如纯镁、镁合金、稀土硅铁镁合金)及孕育剂，使石墨以球状析出，这一过程也称为球化处理。下一页返回上一页7.5球墨铸铁7.5.2球墨铸铁的组织与性能与灰铸铁相比，它的碳、硅质量分数比较高，这样有利于石墨球化。铁素体按照其基体组织不同，可分为铁素体球墨铸铁、铁素体-珠光体球墨铸铁和珠光体球墨铸铁三种。其显微组织如图7-7所示。下一页返回上一页7.5球墨铸铁

球墨铸铁中铁水的硫含量越高，铁水中剩余的球化剂就越少，球化率就越低，甚至不能球化。所以球墨铸铁原铁水中的硫含量越少越好。最好控制在0.05%以下。为了提高球墨铸铁的力学性能，改善热处理效果，有时在球墨铸铁中还常加入钼(0.3%~0.5%)、铜(0.2%~0.6%)、钒(0.1%左右)等合金元素。球墨铸铁中的球状石墨直径越小越分散，球墨铸铁的力学性能越好。下一页返回上一页7.5球墨铸铁7.5.3球墨铸铁的牌号及用途球墨铸铁的牌号是由“球铁”两个字汉语拼音的第一个字母“QT”及两组数字组成，两组数字分别代表其最低抗拉强度和伸长率。如QT4oo-18表示最低抗拉强度为400MPa,最低伸长率为18%的球墨铸铁。表7-3为球墨铸铁的牌号、力学性能和应用。下一页返回上一页7.5球墨铸铁

由于球墨铸铁具有良好的力学性能和工艺性能，并能通过热处理使其力学性能在较大范围内变化，因此可以代替碳素铸钢、合金铸钢和可锻铸铁来制造一些形状复杂，强度、硬度、韧性和耐磨性要求较高的零件，如内燃机曲轴、凸轮轴、连杆、减速箱齿轮及轧钢机轧辊等。下一页返回上一页7.5球墨铸铁7.5.4球墨铸铁的热处理由于球状石墨对基体的割裂作用小，所以通过热处理改变球墨铸铁的基体组织，对提高其力学性能有重要作用。常用的热处理工艺有以下几种。

1.退火退火的主要目的是为了得到铁素体基体的球墨铸铁，以提高球墨铸铁的塑性和韧性，改善切削加工性能，消除内应力。主要的退火工艺有高温石墨化退火和低温石墨化退火两种。下一页返回上一页7.5球墨铸铁2.正火正火的目的是为了得到珠光体基体的球墨铸铁，从而提高其强度和耐磨性。

3.调质调质的目的是为了获得回火索氏体基体的球墨铸铁，从而提高球墨铸铁的强度、硬度和耐磨性。下一页返回上一页7.5球墨铸铁4.等温淬火等温淬火是为了得到下贝氏体基体的球墨铸铁，从而获得高硬度、高强度、高韧性的综合性能。一般用于要求综合力学性能较好而外形又较复杂，热处理容易变形和开裂的零件，如凸轮轴、齿轮、滚动轴承套等。返回上一页7.6蠕墨铸铁

蠕墨铸铁是近十几年来发展起来的新型铸铁，它是在铁水中加人一定量的蠕化剂，如稀土合金、稀土硅铁合金或稀土镁钙合金等，使得石墨形态介于片状与球状之间，形似蠕虫状的铸铁，如图7-8所示。蠕墨铸铁的化学成分一般为wC=3.5%-3.9%，wSi=2.1~2.8%，wMn=0.4%~0.8%，wP<0.1%,wS<0.1%蠕墨铸铁在铸态时的铁素体质量分数为50%或更高，加入稳定元素如Cu、Ni、Sn等后，珠光体质量分数可提高到70%左右，若再经过正火处理，珠光体质量分数可达90%~95%。下一页返回7.6蠕墨铸铁

蠕墨铸铁的牌号用“蠕铁”二字的汉语拼音字首“RuT”加最小抗拉强度表示。如图7-8铁素体蠕墨铸铁的显微组织RuT340表示最小抗拉强度为340MPa，各牌号铸铁的主要区别在于基体组织。蠕墨铸铁的力学性能介于相同基体组织的灰铸铁和球墨铸铁之间，强度和韧性高于灰铸铁，接近球墨铸铁，其导热性、减震性、铸造性和切削加工性能与灰铸铁接近，它的抗氧化性、耐磨性均高于灰铸铁。广泛应用与机械制造业，如制造大功率柴油机汽缸盖、气缸套、电动机外壳，制动鼓、阀体、机床床身、起重机卷筒、钢锭模等零件。返回上一页7.7合金铸铁

合金铸铁是在铸铁中加入数量不等的合金元素，从而改善铸铁的物理、化学和力学性能，如耐磨性、耐蚀性和耐热性等。下一页返回7.7合金铸铁7.7.1耐磨铸铁耐磨铸铁包括减磨铸铁和抗磨铸铁两种。

1.减磨铸铁在有润滑的条件下工作的耐磨铸铁为减磨铸铁。如机床的导轨、发动机的气缸套及活塞等。减磨铸铁在工作时不仅要求磨损少，而且还要有较小的摩擦系数和较高的导热性以及良好的加工性。常见的减磨铸铁有以下两种。下一页返回上一页7.7合金铸铁(1)磷铸铁磷铸铁主要用作车床、铣床、镗床的床身及工作台。

(2)铬钼铜铸铁铬钼铜铸铁主要用于制造汽车、拖拉机的气缸套及活塞环等零件，以及精密机床零件。

2.抗磨铸铁在干摩擦条件下工作的各种耐磨铸铁。如轧辊、球磨机的磨球等。抗磨铸铁要求铸件的硬度高，组织均匀。下一页返回上一页7.7合金铸铁

常用的抗磨铸铁有以下3种。

(1)合金白口铁在普通白口铁的基础上加入少量的铬、钼、铜、钒、硼等。常用于制造复杂的泵类零件。

(2)中锰球墨铸铁将锰的质量分数提高到5%~9%,增加奥氏体的稳定性，也提高了淬透性。适宜制造受冲击载荷的耐磨损件，如农机上的犁桦、拖拉机上的履带板等。下一页返回上一页7.7合金铸铁(3)冷硬铸铁将含有少量的B、Cr、Mo、Ni等元素的低合金铁水，注入放有冷铁的金属模中成型，使表面获得有一定深度的白口层，而内部为灰铸铁的冷硬铸铁。其表面具有高硬度、高耐磨性，心部具有一定的韧性和强度，主要用于制造冶金轧辊、发动机凸轮等。下一页返回上一页7.7合金铸铁7.7.2耐热铸铁铸件抗氧化与抗生长的性能称为耐热性。具有良好耐热性的铸铁叫做耐热铸铁(铸铁的生长:在高温下工作的铸件由于氧化性气体容易通过微孔、裂纹或沿石墨边界