铸铁的显微组织及分析

铸铁的显微组织及分析
铸铁的显微组织及分析
1、前言
铸铁是一种铁碳合金，在机械制造业应用很广泛。

工业常用铸铁的成分范围是：2.5~4.0%C，1.0~3.0%Si，0.5~1.4%Mn，0.01~0.50%P，0.02~0.20%S，除此之外，有时会含有一定量的合金元素，如Cr、Mo、V、Cu、Al等。

最然铸铁的强度、塑性和韧性较差，不能进行锻造，但却具有一系列优良性能，如良好的铸造性、减磨性和切削加工性等，而且它的生产设备和工艺简单，加个低廉，因此铸铁在机械制造上得到了广泛的应用。

2、实验目的及设备
目的：识了解灰口铸铁、磨口铸铁、可锻铸铁和球墨铸铁的显微组织特征。

设备与材料：光学显微镜，普通灰口铸铁样品，变质灰口铸铁样品，可锻铸铁样品，球墨铸铁样品，麻口铸铁样品。

3、铸铁的石墨化
铸铁组织中石墨的形成叫做“石墨化”过程。

在铁碳合金中，碳可能以两种形式存在，即化合状态的渗碳体（Fe3C）和游离状态的石墨（常用G表示）石墨的晶格形式为简单六方，如图所示：
其面间距较大，结合力弱，故其结晶形态常易
发展成为片状，且强度、塑性和韧性极低，接
近于零。

在铁碳合金中，在高温下进行长时间加热
时，其中的渗碳体便会分解为铁和石墨。

可见，
碳呈化和状态存在的渗碳体并不是一种稳定的
相，它不过是一种亚稳定的状态。

而碳呈现游
离状态存在的石墨则是一种稳定的相。

如果全部按照Fe-C相图进行结晶，则铸铁（2.5~4.0%C）的石墨化过程可分为三个阶段：
第一阶段：即在1154℃时通过共晶反应而形成石墨：L C’→A E’+G
第二阶段：即在1154~738℃范围内冷却过程中，自奥氏体中不断析出二
次石墨G
Ⅱ。

第三阶段：即在738℃时通过共晶反应而形成石墨：A
S’→A
P’
+G
铁碳合
金相图
如左图
所示。

4、各类铸铁的性能及显微组织分析
4.1白口铸铁
白口铸铁其中碳除少量溶于铁素体外，绝大部分以渗碳体的形式存在于铸铁中。

白口铸铁的特点是硬而脆，很难加工。

为了提高白口铸铁的韧性及耐磨性，常加入一些合金元素如铬、钼、镍、钒、硼和稀土等。

在实际生产中，可利用白口铸铁硬度高的特点，制造一些高耐磨性的零件和工具。

另外还可铸成具有一定深度的白口表面层，而心部则为灰口组织的“冷硬铸铁件”普通白口铸铁的化学成分一般为：2.8%~3.6%C，0.5%~1.3%Si，0.4%~0.9%Mn，这样成分的白口铸铁被认为是白口铸铁发展中的第一代。

1928年研制成功的镍硬铸铁，是白口铸铁发展中的第二代：由于镍铬合金化的作用，得到马氏体基体和大约50%游离渗碳体的组织，由于硬度增高，抗磨性有很大的改善，但这种铸铁仍呈现其固有的脆性。

4.2 灰口铸铁
灰口铸铁的组织特点是具有片状的石墨，其基体组织则分为三种类型：铁素体、珠光体及铁素体+珠光体，如下图所示：
图（1）珠光体基灰口铸铁图（2）珠光体+铁素体基灰口铸铁图（3）铁素体基灰口铸
灰口铸铁的化学成分主要是C、Si、Mn、S、P等。

灰口铸铁内的基本组织主要有三种，即铁素体(F)、铁素体+珠光体(F+P)和珠光体(P)，它在显微镜下的结构如上图所示。

从组织可以看出活口铸铁中的碳大部或全部以片状石墨形式存在，这些结构相当于钢基体上加上片状石墨。

灰口铸铁中片状石墨的存在相当于基体中许多小的裂纹。

而石墨与钢的基体相比，其力学性能几乎可以看做为“0”，这就意味着石墨的存在不仅破坏基体的连续性，减少基体受力的有效面积，而且很容易在石墨片的尖端形成应力集中，是材料形成脆性断裂，所以灰铸铁的抗拉强度、塑性和韧性比钢低得多。

石墨虽然降低了铸铁的力学性能，但使铸铁获得了许多钢没有的优良性能。

主要有以下几点：良好的切削加工性，良好的铸造性能，良好的减磨性，较低的缺口敏感性。

影响灰口铸铁组织和性能的因素主要有铸铁成分和冷却速度。

4.3 可锻铸铁：
可锻铸铁又称展性铸铁，是一种强度和韧性都较高的铸铁，由白口铸铁经石墨化退货后制成，其中碳以团絮状石墨形式存在。

可锻铸铁分白心可锻铸铁和黑心可锻铸铁两种。

制造白心可锻铸铁时将铸成的白口铸件放置到退火箱中围以氧化介质，密封后放在炉内加热退火。

加热的目的在于使铸铁中的碳扩散到铸件表面，借碳在铸件表面的氧化将铸铁中的碳大部分脱除，使得铸件的组织和含碳量与钢相近，其断口呈白色。

生产时，为使铸铁中大部分碳脱除，需要在退火时加热到较高的温度（980~1050℃），同时保温时间要相当长（3～5天），因而这种生产方法只适用于薄件。

制造黑心可锻铸铁时将铸成的白口铸铁置于箱中围以中性介质，密封后放在炉内加热退火。

退火的目的在于使铸件中的渗碳体发生分解、形成团絮状石墨。

这种可锻铸件，在折断后，断口的心部呈暗黑色，断口的边缘因那里的碳被脱除而呈灰白色。

生产时，只要求渗碳体发生分解，在铸铁内部形成石墨。

因此，加热温度可以稍低（870～950℃），加热时间也较短。

这种生产方法适用于壁厚较大一点的铸件。

且黑心可锻铸铁比白心可锻铸铁应用较广。

由于团絮状石墨对金属基体连续性的破坏比片状石墨的轻，因而可锻铸铁
的强度和范性的配合视基体组织而定。

铁素体可锻铸铁的强度虽然不高，但是范性和韧性比较好。

而珠光体可锻铸铁虽然在范性和韧性方面不如铁素体可锻铸铁，但是它的强度和硬度比较高，耐磨性好。

由于团絮状石墨的缺口效应不像片状石墨那样严重，因此不同于灰口铸铁。

可锻铸铁的范性与韧性能够随着基体中珠光体相对量减少而增大。

若要求高强度时仍像灰口铸铁那样尽量使基
体成为珠光体，而在主要要求高范性和韧性时，尽量使基体成铁素体。

图（4）铁素体基可锻铸铁图（5）铁素体+珠光体基可锻铸铁
4.4 球墨铸铁
球墨铸铁的石墨呈球状，使其具有很高的强度，又有良好的塑性和韧性。

其综合机械性能接近于钢，因其铸造性能好，成本低廉，生产方便，在工业中得到了广泛的应用。

球墨铸铁中应用最广泛的是铁素体球墨铸铁和珠光体球墨铸铁，其显微组织如下图所示：
图（6）珠光体基球墨铸铁图（7）铁素体+珠光体基球墨铸铁图（8）铁素体基球墨铸铁球墨铸铁在浇铸前向铁水中加入一定量的球化剂（如镁、钙或稀土元素等）进行球化处理，并加入少量孕育剂（硅铁或硅钙合金），以促进石墨化，在浇铸后即可直接获得具有石墨结晶的铸铁，即球墨铸铁。

球墨铸铁不仅具有远远超过灰口铸铁的机械性能，而且同样也具有灰口铸铁的一系列优点，如良好的铸造性、减震性、切削加工性及低的缺口敏感性等；甚至在某些性能方面与可锻钢媲美，如疲劳强度大致与中碳钢相近，耐磨性优于表面表面淬火钢等。

5、总结
铸铁的强度和韧性较差，不能进行锻造，但它却具有一系列优良的性能，如良好的段造性、减磨性和切削加工性,而且它的生产设备和工艺简单，价格低廉，因此铸铁在机械制造业上得到了广泛的应用。

铸铁含碳量高，接近于共晶合金成分，使得它的熔点低，、流动性好以外，而且还因为它的含碳量和含硅量较高，使得它其中的碳大部分不再以化和状态（Fe3C）而以游离的石墨形式存在。

铸铁组织的一个特点就是其中含有石墨，而石墨本身具有润滑作用，因而是铸铁具有良好的减磨性和切削加工性。

本次试验鉴于铸铁的优良性能，我们就不同石墨类型的显微组织进行了观察分析，对不同种类的铸铁进行了了解。

学习了其内部结构和成分对其性能和外观的一系列影响。

通过此次实验，对铸铁的性能及组织结构做了系统性的学
习，受益匪浅。

【参考文献】
[1] 李长龙、赵忠魁、王洁岱编著，《铸铁》，化学工业出版社，北京，2007.3
[2]宋维锡编著，《金属学》（修订版），高等教育出版社，北京，2006.5
[3] 任怀亮主编，《金相实验技术》，冶金工业出版社，北京1986.5
[4]周飞、贾秀颖主编，《金属材料与热处理》，电子工业出版社，北京，2007.8。