铸铁金相性能及缺陷方面的知识

1、金相、机械性能方面：

铸铁组织：

铁素体：是碳在α-Fe中的固溶体，其性能接近于纯铁。

奥氏体：是碳在γ-Fe中的固溶体，其强度低、塑性好。

石墨：

（1）灰铸铁石墨：

A型石墨：均匀分布五方向性石墨，是理想的灰铸铁石墨。

B型石墨：片状和点状石墨聚集成菊花状，常在C、Si含量较高、冷却速度较大的近共晶或过共晶成分铸件中形成。开始过冷较大，成核条件。

C型石墨：初生的粗大直片状石墨。可以增加热导率，降低弹性模量，降低热应力，从而提高抗热冲击能力。过共晶成分形成（缓冷条件）。

D型石墨：细小卷曲的片状石墨在枝晶间无方向性分布。

不加合金往往伴随有铁素体的产生。石墨形核条件差，冷却速度大而造成过冷时形成，因而保留初生奥氏体的形态，石墨细小而分支发。

E型石墨：片状石墨在枝晶二次分支晶呈方向性分布。往

往在珠光体上得，其耐磨性像珠光体加A型石墨组织一样。容

易在CE较低（亚共晶层度大）奥氏体枝晶多而发达的铸铁中形

成，由于枝晶间共晶液少，析出共晶石墨只好沿枝晶方向分布，

故有方向性。

F型石墨：初生的星状与蜘蛛状石墨。过共晶成分快速冷却形成。

（2）球墨铸铁石墨：

球状石墨：球墨铸铁想要得到的理想石墨形态。

不规则状石墨：是指那些仍保持个体完整，但是外形很不规则、近视球状的石墨。球化元素残留量不足，稀土加入量过

多，强过共晶成分

异态球型石墨：包括开花型石墨、雪花型石墨、碎块型石墨、球虫型石墨、球片型石墨、蟹型石墨。

开花型石墨、雪花型石墨：都是由相互无联系的快形石墨组成。从形貌上看都是有石墨爆裂而生成，但爆裂程度不同。

在显微镜下观察区别：开花型石墨像是由很多个单晶体组成的花团，外表具有明显的螺旋生长的特征，它的外周大体保持圆整，雪花状石墨的爆裂程度较大，但是碎裂的石墨通过一个核心联系起来，外形已经不能保持圆整。

碎块状石墨：形状很不规则，在光学显微镜下呈厚度多变的条状、点状和扇状。

球虫状石墨和片状石墨：形貌相似，由球状石墨表面生长

出蠕虫状或片状石墨。

蟹状石墨：不规则的团状石墨表面，伸长出许多片状石墨分支，而形成蟹状，

渗碳体：是铁与碳的化合物，其晶格复杂、硬度高、脆性大，完全没有塑性和韧性。

珠光体：铸铁中铁素体和渗碳体常按一定比例组合在一起的混合物组织。

莱氏体：铸铁在共晶转变时形成的渗碳体和奥氏体的共晶体。

磷共晶：会增加铸铁的脆性，一般视为有害组织。

硫化物：少量会增加石墨形核，多了会形成硫化物夹渣。

影响组织的因素：

（1）化学成分：有促进石墨化元素和组织石墨化元素，会影响石墨的析出和形态。Mn、Cu、Mo等元素会影响珠光体的形成，

从而影响性能。P过量会形成磷共晶，增加铸件脆性。铬、

钒、钨都是缩小γ区元素，铅会促使魏氏石墨的形成。控制

化学成分至关重要，要从原辅材料的源头控制，一些有害的

合金元素主要是来至废钢，所以控制使用废钢纯净度，就可

以很大程度上杜绝有害元素的加入。

（2）冷却速度：冷却速度大，过冷度很大，形成细小的过冷石墨，但过冷度大会增加白口倾向，对铸件硬度影响很大。提高共

晶时的冷却速度，使石墨细化，并降低共析是的冷却速度，

可增加基体中铁素体的量。基体中的珠光体的比例随共析转

变冷速的提高而增加，珠光体的弥散度也随过冷度的增加而

增加。

（3）炉料构成：铸铁炉料具有遗传性（组织遗传、元素遗传），炉料的缺陷（如白口、气体元素和合金元素）会带到铸件里

面。可以通过过热和高温静置的方式减小或降低炉料的遗性。

（4）熔炼方式：冲天炉熔炼和电炉熔炼不同，电路熔炼可以得到更加纯净的铁液，可控性更强。

（5）铁液过热和高温静置：过热和高温静置可以净化液态金属，增加铸铁结晶是的过冷度，从而导致铸铁珠光体增加，细化

金属机体和石墨。过高的过热温度和长时间高温静置也有不

好，会烧损铁液中的一些化学成分，减少晶核，从而使组织

粗大。

（6）孕育、球化处理：孕育处理改善铸铁性能，降低白口倾向，增加石墨形核。球化处理会促进石墨成球。孕育和球化都会

衰退，衰退后就达不到理想的效果。

（7）热处理：热处理是利用加热的方法，有规律的改变铸铁的机体组织，从而使其具有和获得组织相应的性能，以满足需求。

热处理是改善铸件性能的手段。

总之：要想得到理想的铸件，就必须从影响组织的因素入手，控制好原辅材料的纯净度至关重要，目前主要的控制手段就是把控加入炉料的纯净度，回炉料和腐蚀较严重的废钢必须经过抛丸处理后使用，

球铁和灰铁的回炉料不能混合使用，把控加入合金元素的纯净度，从而降低有害元素的加入量，以保证铸件的质量稳定。精确定点测量铁液的温度从而控制浇注温度，控制出铁量，准确称量孕育剂球化剂。浇注过程也至关重要，要防止二次浇注等。

2、铸铁的冶金缺陷及其防止：

（1）针孔（氢气引起的）：它们属于皮下气孔，一般在机加工后才显露出来，在灰铁和球体都会出现，常以圆球状出现在铸件表皮之下。由于气孔的内壁被石墨所覆盖，因此检查的时候气孔内壁是黑色和发亮的。有几种因素能够引起单个的氢或成片的氢气针孔，最主要的原因就是铁液中的Al或钛与来自型砂、潮湿的工具，或潮湿的耐火材料中的水汽发生反应。水汽的其它来源可能是湿的空气或者被有污染的炉料、铁锈，型砂中积聚的死粘土也会使型砂的水分升高。

（2）氮气孔：系统中氮含量高是造成裂隙状氮气孔的主要原因。氮气孔和裂隙状氮气孔一般形状不规则（与圆的的氢气孔相比较），垂直于铸件表面，可深入铸件表面以下几个mm。

（3）缩孔、缩松：缩孔的内壁表面有点型的树枝张枝晶，但是内壁没有石墨膜，石墨膜的出现一般与铸件的气孔缺陷有关。

灰铸铁产生缩孔的机理：

在共晶凝固过程中，石墨的析出将产生体积膨胀，以及凝固层冷却所引起的体积减小，将阻止铸件产生缩孔，或者减少铸件产生缩孔的可能性。因此当灰铸铁的液态收缩和凝固收缩的综合大于石墨析出

所产生的膨胀和固态收缩的总和时，铸件还会产生缩孔，相反铸件将不会产生缩孔。

球墨铸铁产生缩孔的机理：

球墨铸铁由于共晶凝固是以“粥状”的方式进行的，而且在凝固后期存在比灰铁更加明显的膨胀，同时在这一阶段里，球墨铸铁还不能形成一个完整的固体外壳。石墨析出引起的膨胀，将对型壁产生一定的压力。这时如果型壁刚度较差，就可能出现型壁移动和型腔扩大的现象。因此球墨铸铁缩孔的形成不仅与液态收缩、凝固收缩、石墨化膨胀、固态收缩有关，而且与型砂的刚度有关。

影响铸件缩松缩孔的因素很多，从产生原理看，凡是增加金属或合金的液态收缩和凝固收缩、增加铸件的需要补缩量，以及阻碍铸件补缩的因素，都将使铸件产生缩孔或缩松。

（4）魏氏石墨：当微量元素如Pb、Bi、Sb的含量高时易在铸铁组织中发现，特别是铸件的壁厚比较大时，在有氢的存在条件下，Sb 促进魏氏体石墨的形成。Bi和Sb的作用一样。魏氏体石墨对灰铸铁的力学性能有着灾难性的影响，石墨上的尖钉起着裂纹的作用，极大的降低了灰铸铁的抗拉强度。

（5）磷共晶：是一种磷化铁的析出物，一般被认为是一种铸造缺陷。当铸铁中的磷在合适的范围之内，磷能够提高铁液的流动性和铸件的耐磨性，少于的0.04%的可能导致铸件渗漏，大于0.04的磷会使在晶界上析出连续的斯氏体，这会使铸铁产生收缩缺陷和使铸铁变脆。

除了降低原材料中磷的含量之外，还可以通过加大孕育量和冷却速率来减少铸铁中斯氏体的含量。

应该仔细检查废钢和原材料避免家庭供暖用铸件作为炉料，还应该对生铁的磷含量作分析，因为有些品牌的生铁磷含量比较高。

（6）夹渣、夹砂：熔炼和浇注过程中扒渣不充分或者由于渣在在浇包和出铁口的累积是造成夹渣的主要原因。当铁液以较高的高度落到直浇口底部时，就会引起周围松软砂子的冲蚀。尖锐的圆角也是引起冲砂的一个普遍原因。合箱之前应该仔细清理掉型腔内和分型面上的松砂和仔细检查造型机型板确保型板上没有突出物伸入到砂型之中。

要求的铁素体机体球墨铸铁中含珠光体量过多。分析原因如下：

首先分析影响珠光体形成的因素有如下三个方面：

（1）化学成分：如Mn、Mo、Cu等元素都会促进珠光体的形成。

（2）孕育处理：孕育处理主要通过间接影响珠光体含量，孕育处理改变石墨球数。

石墨球数增加使奥氏体转变产物中的铁素体增加，珠光体量相对减少，这是因为奥氏体转变时，碳只需移动较短的距离就能扩散并沉积在石墨表面，奥氏体大部分转变为铁素体。故影响石墨球数的都可以影响珠光体含量。

（3）铸件开箱时间：缓慢凝固和冷却能使扩散时间加长，扩散进行充分，共析转变过冷度减少，奥氏体在a+r+G三相共存区内大部分转变完成。因此r→a的转变十分充分，生成的珠光体很少，故开箱时间太早有可能导致机体珠光体含量增加。

解决方法

球墨铸铁铁素体化退火：

球墨铸铁铁素体化退火分两种:

（1）高温石墨化退火：存在游离渗碳体的铸件需要进行高温石墨化退火。

即把铸件加热到共析区以上温度，经过充分保温，使碳化物充分分解，然后降温至共析组织分解温度（920-980℃）范围，并保温使共析碳化物分解，再冷却到室温。经过高温石墨化退火后，球铁具有铁素体+球状石墨组织。

（2）低温石墨化退火：不存在游离渗碳体的铸件进行低温石墨化退火。

这种退火过程是加热铸件到接近共析区的温度（720-740℃），并作适当的保温，使珠光体分解后，缓冷一段（炉冷到600℃，特别复杂件炉冷到300℃）再空冷到室温（空冷目的是避免回火脆性），大

部分共析渗碳体即可消除，获得铁素体+球状石墨组织。

江来

2014-12-22