铸铁是以铁-碳-硅为主的多元铁基合金普通铸铁的化学成.ppt

1、Chapter7 铸 铁,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24碳，13硅，0.020.25硫，0.051.0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。 铸铁是人类使用最早的金属材料之一。到目前为止，铸铁仍是一种被广泛使用的金属材料。从整个工业生产中使用金属材料的数量来看，铸铁的使用量仅次于钢材。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。,7.1 铸铁的特点和分类,一、铸铁的特点,1 成分特点 铸铁与碳钢相比较，有较高的碳和硅含量，还有较高的杂质元素硫和磷。 2 组织特点 铸铁中的碳主要有如下三种

2、分布形式： 溶于铁晶格的间隙中，形成间隙固溶体，如铁素体、奥氏体；与Fe生成化合物，如Fe3C碳化物；以游离的石墨形式析出。,铸铁中的碳主要是以石墨的形态存在，组织是由金属基体和石墨所组成的。 铸铁的金属基体有铁素体、铁素体珠光体、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。 铸铁中石墨的形态可分为四种：片状石墨、球状石墨、蠕虫状石墨、 团絮状石墨。,3、性能特点 （1）机械性能低 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。 石墨的机械性能很低，硬度仅为HB35，抗拉强度为20MPa，延伸率接近零。 石墨减小铸铁件的有效承载截面积，同时石墨尖端

3、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、塑性和韧性要比碳钢低。 （2）良好的耐磨性、高的消振性、低的缺口敏感性、优良的切削加工性和铸造性能。,二、铸铁的分类,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，可分为三大类： 白口铸铁：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； 麻口铸铁：碳既以化合状态的渗碳体析出，又以游离状态的石墨析出，凝固后断口夹杂着白亮的渗碳体和暗灰色的石墨 ； 灰口铸铁：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 。,灰口铸铁按石墨的形状又可分为： 灰口铸铁 石墨为片状； 球墨铸铁石墨

4、为球状；可锻铸铁石墨为团絮状；蠕墨铸铁石墨为蠕虫状。,7.2 铸铁的石墨化,一、Fe-Fe3C和Fe-C双重状态图,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。,二、铸铁的石墨化过程,铸铁中石墨的形成过程称为石墨化过程。 1、热力学条件 按Fe-C系相图进行结晶，铸铁冷却时的石墨化过程应包括： 从液体中析出一次石墨；由共晶反应生成共晶石墨；由奥氏体中析出二次石墨；由共析反应生成共析石墨。

5、铸铁加热时的石墨化过程：介稳定的渗碳体，当在比较高的温度下长时间加热时，会发生分解产生石墨化，即 Fe3C3Fe+C 第一阶段石墨化：无论是冷却时的石墨化过程或是加热时的石墨化过程，凡是发生在PSK线温度以上的石墨化。 第二阶段石墨化：凡是发生在PSK线温度以下的石墨化。,2、动力学条件 共晶成分铸铁的液相碳含量为4.3%，渗碳体的碳含量为6.67%，而石墨的碳含量接近于100，液相与渗碳体的碳浓度差较小。 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核的形成。 石墨形核和长大时，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

6、方向扩散，故石墨较难长大。 而渗碳体的结晶长大过程，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，从结晶的形核和长大过程的动力学条件来看都是有利于渗碳体的形成。当结晶冷却速度(过冷度)增大时，动力学条件的影响表现得更为强烈。,三、影响铸铁石墨化的因素,1、化学成分的影响 碳和硅 碳和硅都是强烈促进石墨化的元素。 石墨来源于碳，随着碳含量的提高，铁水中的碳浓度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。 硅与铁原子的结合力大于碳与铁原子之间的结合力。硅溶于铁水和铁的固溶体中，由于削弱了铁和碳原子之间的结合力，而促使石墨化。 硅还降低铸铁共晶成分的碳浓

7、度，铸铁中加入硅可代替一部分碳，硅促进石墨化的作用约相当于碳的三分之一。,为了综合考虑碳和硅的影响，常用碳当量(CE)和共晶度(SC)表示。 碳当量是将硅含量折合成相当的碳量与实际碳含量之和， 即：CE=C%+1/3Si% 共晶度是指铸铁的碳含量与其共晶点碳含量的比值。在Fe-C-Si状态图中，共晶度随硅含量的变化而改变， 即：Sc = C%/(4.3%-1/3Si%) 当Sc1时，铸铁为共晶组织；Sc1时，铸铁为过共晶组织。铸铁的共晶度越接近于1，铸造性能越好。, 锰 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。 Mn能与S结合生成MnS，消除硫的有害

8、影响。 硫 硫是一个阻碍石墨化的元素。 S阻碍碳原子的扩散，而且降低铁水的流动性，增加铸件缺陷，恶化铸造性能。因此，硫是一个有害元素，其含量应控制在0.15%以下。, 磷 磷是一个促进石墨化不十分强烈的元素。通常灰口铸铁的含P量应控制在0.2%以下。 磷在奥氏体和铁素体中的固溶度很小，且随铸铁中碳含量的增加而减小。 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(+Fe3P)或三元磷共晶(+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。,2、冷却

9、速度对铸件石墨化的影响 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，铸件冷却速度快，就不利于石墨化的进行。 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。其中铸件壁厚是影响铸件冷却速度的主要因素。,7.3 灰口铸铁,一、灰铸铁的化学成分及显微组织,1、灰铸铁的化学成分 主要化学元素有C、Si、Mn、P、S等，其中C、Si、Mn是调节组织的元素，P是控制使用的元素，S是应该限制的元素。 灰铸铁的化学成分范围一般为：wC=2.7%3.6%，wSi=1.0%2.5%，wMn=0.5

10、%1.3%，wP0.3%，wS0.15%。,2、灰铸铁的显微组织 显微组织由片状石墨和金属基体组成，石墨镶嵌在金属基体内。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。,图7-1 石墨的晶体结构,在同一层晶面上碳原子间距比较小(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),原子间的作用力比较弱，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。,从灰铸铁金相照片中看到的片状石墨，实际上是一个立体的多枝石墨团。由于石墨各分枝都长成翘曲的薄片，在金相磨片上所看到的仅是这种多

11、枝石墨团的某一截面，因此呈孤立的长短不等的片状（或细条状）石墨。,图7-2 片状石墨的立体模型,图7-3 灰口铸铁的显微组织 （a）铁素体灰铸铁（b）铁素体+珠光体灰铸铁（c）珠光体灰铸铁,二、灰铸铁的牌号、性能和应用,1、 灰铸铁的牌号 灰铸铁的牌号以“灰铁”的汉语拼音字头“HT”为标志符号，后面三位数字表示直径为30mm单铸试棒测得的最低抗拉强度值（MPa）。表7-2为灰铸铁的牌号、基体组织、力学性能和用途举例。,2、灰铸铁的性能和应用 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

12、越大。 由于石墨的强度极低，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。 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。, 抗压强度 抗压强度约为抗拉强度的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。 硬度 灰铸铁的硬度随其成分和组织的变化而变化，一般在HB130270范围内变化，随着共晶度增加，铸铁的硬度降低。, 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28J/cm2。灰铸铁中碳、硅总量

13、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。 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。, 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610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。 铸造性能 灰口铸铁具有熔点低(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

14、室温其收缩率约为0.5-1)、铸件内应力小、易于铸造成型等特点。,切削加工性能 由于石墨使切削加工时易于形成断削，故灰口铸铁的切削加工性能优于钢。,3、基体组织对灰口铸铁机械性能的影响 铁素体的强度、硬度低，塑性、韧性高。而铁素体基体灰口铸铁由于石墨片割裂金属基体，致使强度、硬度、塑性和冲击韧性均很低。 珠光体具有高的强度、硬度和耐磨性，故珠光体基体灰口铸铁的强度、硬度和耐磨性均优于铁素体基体灰口铸铁，而塑性、韧性相差无几，所以珠光体基体灰口铸铁获得了广泛的使用。 灰口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。 在实际生产中，获得百分之百珠光体基体组织的灰口

15、铸铁是比较困难的，通常灰口铸铁的基体组织都是珠光体加铁素体组织。,三、铸铁的石墨细化强化孕育处理,孕育处理就是在铸铁浇注前向铁液中加入一种物质（孕育剂）促进外来晶核的形成或激发自身晶核的产生，使晶核数目大量增加的一种处理工艺。 经孕育处理后的铸铁的组织为细珠光体基体加上细小均匀分布的片状石墨，这种铸铁又称为孕育铸铁。 生产上常用的孕育剂为硅铁（含75的硅）和硅钙合金，硅铁的粒度一般为310mm。,孕育剂的加入方法最常用的是冲入法，即将孕育剂均匀撒入铁槽的铁液流中，冲入铁液包，经充分搅拌后扒渣即可浇注。 在孕育处理时，孕育剂或它们的氧化物（如、等）在铁液中形成大量的高度弥散的难熔质点，悬浮在铁液

16、中而成为大量的石墨结晶核心，从而使石墨细化并均匀分布。 孕育铸铁的抗拉强度可达300400MPa、硬度可达HB170270。孕育铸铁主要用于动载荷较小，而静载强度要求较高的重要零件，例如汽缸、曲轴、凸轮和机床铸件等，尤其是断面比较厚大的铸件更为合适。,7.4 球墨铸铁,一、球墨铸铁的化学成分及显微组织,1、球墨铸铁的化学成分 与灰铸铁相比，其特点是碳和硅的含量高，锰含量较低，磷、硫含量低，并含有一定量的稀土与镁。 球墨铸铁的化学成分范围一般为：wC=3.6%4.0%，wSi=2.0%2.8%，wMn=0.6%0.8%，wP0.1%，wS0.04%，wRE残0.030.05%。,2、球墨铸铁的显

17、微组织 显微组织由球状石墨和钢基体两部分组成。根据化学成分和冷却速度的不同，基体组织在铸态下可以是铁素体、铁素体加珠光体、珠光体； 如果将铸件进行调质或等温淬火，则基体组织可转变为回火索氏体或下贝氏体组织。 球墨铸铁的显微组织如图7-4。,图7-4 球墨铸铁的显微组织 （a）铁素体球墨铸铁（b）铁素体+珠光体球墨铸铁（c）珠光体球墨铸铁,在光学显微镜下所观察到的石墨外观接近于圆形。 在扫描电子显微镜下，观察到球状石墨的立体形态呈现为一个多面体，并且在表面上存在着许多小的包状物（图7-5）。 球形石墨的内部结构具有辐射状和年轮层状的特征，即球墨中心有一个核心，从核心开始呈现辐射状向四面发展。最终

18、构成由许多角锥体组成的多晶体。每一个角锥体皆由垂直于半径方向、相互平行的石墨层面堆积而成。,图7-5 SEM观察的球状石墨的形态,二、球墨铸铁的牌号、性能和应用,1、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）；第二组数字代表最低延伸率(%)， 如QT400-18。 表7-3为球墨铸铁的牌号、基体组织、性能和用途。,2、球墨铸铁的性能及用途 抗拉强度、屈服强度 球墨铸铁与其它铸铁相比，不仅具有高的抗拉强度，而且其屈服强度也高。 球墨铸铁的屈强比(0.2/b)为0.7-0.8，远高于碳钢的0.50左右。 在一般机械设计中

19、，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。, 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815J/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1015时，可用于零下30375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。, 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

20、降低。 用途 球墨铸铁以可以代替部分锻钢、铸钢、某些合金钢及可锻铸铁等，用来制造一些受力复杂，强度、韧性和耐磨性要求较高的零件； 如具有高强度与高耐磨性的球墨铸铁常用来制造拖拉机或柴油机中的曲轴、连杆、凸轮轴、各种齿轮、机床的主轴、蜗杆、蜗轮、轧钢机的轧辊、大齿轮及大型水压机的工作钢、缸套、活塞等； 具有高韧性和一定塑性的铁素体球墨铸铁常用来制造受压阀门、机器底座、汽车的后桥壳等。,三、球墨铸铁的球化处理与孕育处理,1、球化处理 球墨铸铁生产中，铁水在临浇铸前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。 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

21、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。,2、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，通常所使用的球化剂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。 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，生成球径小、数量多、园整度好、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75Si的硅铁。,7.5 蠕墨铸铁,一、蠕墨铸铁的化学成分及显微组织,1、蠕墨铸铁的化学成分

22、 化学成分要求与球墨铸铁相似，即要求高碳、高硅、低硫、低磷，并含有一定量的稀土与镁。 蠕墨铸铁的成分范围一般为：wC=3.5%3.9%，wSi=2.1%2.8%，wMn=0.6%0.8%，wP0.1%，wS0.1%。 在上述成分的铁液中加入适量的蠕化剂进行蠕化处理和孕育剂进行孕育处理。,2、蠕墨铸铁的显微组织 由钢基体和蠕虫状石墨组成。蠕虫状石墨的长宽比值一般为210，有分叉，侧面高低不平，端部较钝、较圆。 通过对蠕虫状石墨的微观结构的分析，发现其结晶位相和球状石墨有较多的相似性，所以在大多数情况下，蠕虫状石墨总是与球状石墨共存。,图7-6 蠕墨铸铁的显微组织,二、蠕墨铸铁的牌号、性能和应用,

23、1、蠕墨铸铁的牌号 用“RuT”表示蠕墨铸铁，后面三位数字表示其最小抗拉强度值。 如RuT420表示最小抗拉强度为420MPa的蠕墨铸铁。,2、蠕墨铸铁的性能 力学性能介于相同基体组织的灰铸铁和球墨铸铁之间。其强度、韧性、疲劳极限、耐磨性及抗热疲劳性能都比灰铸铁高，而且对断面的敏感性也较小。但由于蠕虫状石墨大都是相互连接的，因此其塑性、韧性和强度都比球墨铸铁低。 铸造性能、减振性、导热性及切削加工性等均优于球墨铸铁，并与灰铸铁相近。因此蠕墨铸铁是一种具有良好综合性能的铸铁。 表7-4 常用蠕墨铸铁的牌号、基体组织和力学性能,表7-4 常用蠕墨铸铁的牌号、基体组织和力学性能,3、蠕墨铸铁的用途

24、由于蠕墨铸铁的综合性能好，组织致密，所以它主要应用在一些经受热循环载荷的铸件（如钢锭模、玻璃模具、柴油机缸盖、排气管、刹车件等）和组织致密零件（如一些液压阀的阀体、各种耐压泵的泵体等）以及一些结构复杂而设计又要求高强度的零件。 表7-5 常用蠕墨铸铁的性能特点与应用举例。,三、铸铁的石墨蠕化强化变质处理,将普通灰铸铁的液体铁水，在浇注前加入特定的变质剂进行变质处理，凝固后石墨的形态不再呈片状，而是呈蠕虫状。蠕虫状石墨的长宽比值远小于灰铸铁的长宽比值，且端部变得圆钝。 向铁水中加入的能使石墨改变形状为蠕虫状的变质元素称为蠕化剂。 蠕化剂一般同时包含球化元素和反球化元素。球化元素主要是镁和稀土元素

25、等，而反球化元素主要有S、O、Pb、Bi、Sn、As、Ti、Sb、Al等。,7.6 可锻铸铁,一、可锻铸铁的化学成分及显微组织,1、可锻铸铁的生产工艺 由含碳、硅量不高的白口铸铁件经长时间石墨化退火而制得的。 可锻铸铁的生产过程通常包含两个步骤： 第一步先浇铸成白口铸铁，第二步再经高温长时间的石墨化退火使渗碳体分解出团絮状石墨。,2、可锻铸铁的化学成分 较低的含碳量和含硅量。 若含碳量和含硅量过高，由于它们都是强烈促进石墨化元素，所以铸铁的铸态组织中就有片状石墨形成，并在随后的石墨化退火过程中，从渗碳体分解出的石墨将会附着在片状石墨上析出而得不到团絮状石墨；同时石墨数量也增多，使铸铁的力学性能

26、下降。 如果含碳量和含硅量太低，则不仅使石墨化退火困难，延长退火周期，而且还使熔炼困难和铸造性能变差。 锰可消除硫的有害影响，但锰又是促进石墨化元素，含锰量过高也会延长退火周期。 化学成分范围一般为：wC=2.2%2.8%，wSi=1.0%1.8%，wMn=0.4%1.2%，wP0.2%，wS0.18%。,3、可锻铸铁的组织 黑心可锻铸铁： 如果白口铸铁在退火过程中第一阶段石墨化和第二阶段石墨化都能充分进行，则退火后得到铁素体加团絮状石墨组织。 其断口颜色为：心部由于石墨析出而呈黑色，表面因退火时有些脱碳而呈白亮色。 珠光体可锻铸铁： 如果退火过程中使第二阶段石墨化不进行，则退火后的组织为珠光

27、体加团絮状石墨的组织。,3、可锻铸铁的组织 白心可锻铸铁： 如果白口铸铁在长时间退火过程中主要发生氧化脱碳过程，故经退火后在一定深度的表层得到铁素体组织，而心部由于脱碳不完全则得到珠光体加团絮状石墨组织，甚至残留少量未分解的游离渗碳体。 其断口颜色为表层呈黑绒色，而心部呈白色。,二、可锻铸铁的牌号、性能和应用,1、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， 其后面的H表示黑心可锻铸铁；Z表示珠光体可锻铸铁；B表示白心可锻铸铁；符号后面的两组数字分别表示其最小的抗拉强度和伸长率。如KTH300-06 ， KTZ450-06，KTB350-04。,2、可锻铸铁的性能和应用

28、 可锻铸铁的力学性能优于灰铸铁，并接近于同类基体的球墨铸铁，尤其是珠光体基体可锻铸铁，强度可与铸钢比美。 可锻铸铁与球墨铸铁相比，还具有铁水处理简易、质量稳定、废品率低等优点。所以可锻铸铁常用于制作一些截面较薄而形状复杂、工作时受振动而强度、韧性要求较高的零件。 珠光体可锻铸铁的可切削加工性在铁基合金中是最优良的，可进行高精度切削加工。 珠光体可锻铸铁还可以通过火焰加热或感应加热进行表面淬火。,黑心可锻铸铁强度虽然不高，但具有良好的塑性和韧性，常用来制作汽车、拖拉机的后桥外壳、机床扳手、低压阀门、管接头、农具等承受冲击、振动和扭转载荷的零件。 白心可锻铸铁表里组织不同、力学性能差，特别是韧性较

29、低，故应用较少。 可锻铸铁的牌号、性能、特性及应用如表76和表77。,三、可锻铸铁的石墨化退火,一般可锻铸铁的退火周期长达6080h。为了缩短退火周期和提高力学性能，最有效的办法是孕育处理。 常用的孕育剂元素是Si、B、Bi、Al等。孕育剂的加入一方面能强烈地阻止液体结晶时的石墨化过程，防止白口铸件中出现片状石墨，另一方面又能在退火过程中形成极大量的石墨化晶核，最终得到具有细小石墨团的可锻铸铁。,图7-12 可锻铸铁的石墨化退火工艺,7.7 铸铁的合金化及特殊性能铸铁,铸铁合金化的目的： 一是为了强化铸铁组织中金属基体部分并辅之以热处理以获得高强度铸铁； 另一个目的是赋予铸铁以特殊的性能，如耐

30、热性、耐磨性及耐蚀性等。铸铁的合金化既适于灰铸铁，也适于球墨铸铁和蠕墨铸铁。下面仅介绍一些常用的特殊性能铸铁。,一、耐热合金铸铁,1、铸铁的耐热性 铸铁的耐热性主要是指铸铁在高温下抗氧化和抗热生长的能力。 铸铁的热生长是指普通铸铁加热到450以上，随着加热温度的提高和加热时间的延长以及反复加热次数的增多，除了在铸铁表面发生氧化外，铸铁在每次加热冷却后其体积都发生膨胀的现象。 铸铁发生热长大的结果使铸铁强度降低，组织变松发脆，从而引起微裂纹，导致铸件失效。,铸铁产生热生长的原因主要不是由于石墨化的缘故，而是铸铁的内氧化引起的。 内氧化是指空气中的氧气通过石墨的边界或微小裂纹渗入到铸铁内部与铁和石

31、墨发生化学作用（氧与铁作用生成不致密的氧化物，氧与石墨作用会产生气体）。 工作温度越高，冷热变化越大以及在有水汽的条件下工作等，都会加速铸铁的热生长。严重时可胀大到10左右。,2、提高铸铁耐热性的途径 在铸铁中加入Si、Al、Cr等合金元素，可在铸铁表面形成一层致密的、牢固的、匀整的氧化膜，阻止氧化性气氛进一步渗入铸铁内部发生内氧化，从而抑制了铸铁的热生长； 提高铸铁基体金属的连续性也可以提高铸铁的耐热性。球墨铸铁与蠕墨铸铁的耐热性比灰铸铁好。,3、常用耐热铸铁 耐热铸铁系列大致可分为铬系、硅系、铝系和硅铝系等。 铬系耐热铸铁的价格较高，铝系耐热铸铁的脆性大，温度急剧变化时易裂，且熔炼困难，铸

32、造性能也较差。 常用的几种耐热铸铁的牌号、化学成分、性能、使用条件及应用举例如表7-8、7-9所示。 牌号中的RT代表耐热铸铁代号，即“热铁”汉语拼音的第一个字母；RQT为耐热球墨铸铁的代号，即“热球铁”汉语拼音的第一个字母；合金元素符号后面的数字表示该合金元素平均质量分数的百倍。,二、耐磨合金铸铁,耐磨铸铁根据工作条件的不同，可分为减摩铸铁和抗磨铸铁两类。 减摩铸铁是在有润滑、受粘着磨损的条件下工作，例如机床导轨和拖板、发动机的缸套和活塞环、各种滑块和轴承等，这类铸铁希望摩擦系数要小。 抗磨铸铁是在无润滑、受磨料磨损的条件下工作，例如轧锟、犁铧、抛丸机叶片、球磨机磨球等，这类铸铁眼球摩擦系数

33、要大。,1、减摩铸铁 减摩铸铁的组织一般为软基体上分布有坚硬的强化相。软基体在磨损后形成的沟槽可保持油膜，有利于润滑；同时坚硬的强化相可承受摩擦。细层珠光体灰铸铁就能满足这一要求，其中铁素体为软基体，渗碳体为坚硬的强化相，同时石墨也起贮油和润滑作用。 进一步提高减摩类铸铁的耐磨性的途径主要是合金化和孕育处理，常用的合金元素为Cu、Mo、稀土、Mn、Si、P、Cr、Ti等，常用的孕育剂为硅铁合金。 目前生产中常用的合金减摩铸铁有：高磷铸铁、磷铜钛铸铁、铬钼铜铸铁、铬铜铸铁、钪铜铸铁、铜钪钛铸铁、稀土钪钛铸铁等。,2、抗磨铸铁 通常金相组织应为莱氏体、贝氏体或马氏体。 抗磨白口铸铁是在普通白口铸铁

34、的基础上加入适量的Cr、Mo、Cu、W、Ni、Mn等合金元素形成。 抗磨白口铸铁的牌号用汉语拼音字母“KmTB”表示，后面为合金元素及其含量。 抗磨白口铸铁在铸态下的硬度都高于46HRC，淬火后硬度还可进一步提高，适用于在磨料磨损条件下工作。 含锰量为5.0%9.5%、含硅量为3.3%5.0%的中锰球墨铸铁，其铸态组织为马氏体、奥氏体、碳化物和球状石墨，它除了具有良好的抗磨性能外，还具有较好的韧性与强度，适用于制造在冲击载荷和磨损条件下工作的零件。,三、耐蚀合金铸铁,1、提高铸铁的耐蚀性的主要途径 加入合金元素以得到有利的组织和形成良好的保护膜。 铸铁的基体组织最好是致密的、均匀的单相组织，中

35、等大小而又不相互连贯的石墨对提高耐蚀性有利。至于石墨的形状则以球状或团絮状为好。 提高铸铁的耐蚀性的合金化主要是加入Si、Al、Cr、Ni、Cu、Mo等合金元素。合金元素Cr、Mo、Cu、Ni、Si等的加入可以提高铸铁基体的电极电位；同时，Si、Al、Cr等的加入能使铸铁表面、形成一层致密完整而牢固的保护膜；此外，加入的合金元素还可改善铸铁组织中石墨的形状、大小和分布，以减小原电池的数量和降低电动势的大小而提高铸铁的耐蚀性。,2、耐蚀铸铁的成分、力学性能和用途 耐蚀铸铁的牌号用“蚀铁”两字汉语拼音的第一个字母“ST”表示，后面为合金元素及其含量。 表7-13、表7-14为常用高硅耐蚀铸铁的成分

36、、力学性能和用途。 高硅耐蚀铸铁在含氟酸类（如硝酸、硫酸）中的耐蚀性能不亚于1Cr18Ni9钢，而在碱性介质和盐酸、氢氟酸中，由于铸铁表面的Fe2SO4保护膜受到破坏而使耐蚀性能下降。,7.8 铸铁的热处理,铸铁热处理的主要目的是通过改善铸铁的基体组织，从而提高铸件的性能。 铸铁的热处理一般不能改善原始组织中石墨的形态和分布状况。,一、消除应力退火,由于铸件壁厚不均匀，在冷却及发生组织转变的过程中会产生热应力和组织应力，这些内应力的存在将导致铸件在机械加工后发生变形，从而不能保证加工精度。 大型铸件在机械加工以后，其内部也易残存应力。所有这些铸件都需要在粗加工后进行消除应力退火。 铸件的消除应

37、力退火通常是将铸件以50100/h的速度加热到500550，保温28h，然后炉冷（灰铸铁）或空冷（球墨铸铁）。,二、消除铸铁白口以改善切削加工性的退火,铸铁在冷却时，表层及一些薄截面处往往容易产生白口。白口组织硬而脆，不好切削，同时也容易剥落，因此必须采用退火（或正火）的方法消除这种白口组织。 退火工艺一般为：将铸件加热到850950，保温25h，随后炉冷到500550，再出炉空冷。在高温保温期间，游离的渗碳体和共晶渗碳体分解为奥氏体和石墨，在随后炉冷过程中，二次渗碳体和共析渗碳体也分解，发生石墨化过程。由于渗碳体的分解导致硬度下降，从而提高了可切削加工性能。,三、球墨铸铁的正火,正火的目的是为了获得珠光体基体组织，并可使晶粒细化，组织均匀，以提高铸件的机械性能。有时，正火是为表面淬火作组织上的准备。 在正火时，正火加热温度愈高，保温时间愈长，正火冷却速度愈快，则基体组织中珠光体的数量愈多。 正火温度一般不应超过950980，否则会引起奥氏体晶粒长大。 正火之后，一般还需进行回火，以消除正火时产生的内应力。,图7-14（a） 高温正火后的组织， 珠光体+球状石墨,图7-14（b） 低温正火后的组织， 珠光体+铁素体+球状石墨,四、球墨铸铁的