第十一章 铸铁

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2、动力学条件 对石墨形核，需要的浓度条件是：C必需从4.3%集
中C从到41.30%0%集C中；到而6对.7F%eC3C。的同形时核，的石C墨浓长度大起时伏，条不件仅是： 需要碳原子通过扩散而集中，还要求铁原子从石墨 长大的前沿作相反方向扩散，故石墨较难长大。而 渗碳体的长大过程，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。 这样从动力学条件看：有利于Fe3C的形成。 3、石墨形成的条件 要从液体铁水中结晶出奥氏体+石墨共晶，则必须使 液量体石不 墨要 化过 元冷 素到Si的Tc存温在度，以可下以。在实很际大过过程冷中度，的由情于况大 下得到铸铁。
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。
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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。
工艺性能：铸造性能、切削性能、导热性能不如灰 铸铁
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珠光体基体
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(四)、蠕墨铸铁的基本特征
定义：铁水经变质和孕育处理所获得的一种铸铁。变 质剂或蠕化剂有：稀土硅铁镁合金、稀土硅铁合金。
显微组织：金属基体+蠕虫状石墨。金属基体较易获 得铁素体基体。大多数情况下，蠕墨铸铁中蠕虫状石 墨与球形石墨共存。
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§11-1 铸铁的分类及各类铸铁的特征
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一、铸铁中石墨的形态与分类
(一) 铸铁中C的分布形式及石墨的形态 铸铁中C有三种分布形式： ①溶于铁晶格的间隙中，形成间隙固溶体，如铁素体、
奥③氏、以体游；离②的、石与墨金形属式生析成出化。合物，如Fe3C、TiC等；
力学性能：抗拉强度、延伸率、弹性模量、弯曲强度、 均优于灰口铸铁，接近铁素体基体的球墨铸铁。
其他性能：导热性、铸造性、可切削加工性均优于球 墨铸铁，与灰口铸铁接近，是综合性能优良的铸铁。
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(五)、可锻铸铁
定义：由C、Si含量不高(2.4~2.7%C, 1.4~1.8%Si)的白口铸铁经长时间石墨化退 火而得到铸铁
应用：用量仅次于钢。按重量计，机床中铸 铁件约占60～90%；汽车、拖拉机中，铸件 约占50～70%。
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本章主要内容： 各类铸铁的特征 铸铁的石墨化 提高铸铁性能的途径 铸铁的合金及其热处理 本章的重点和难点：铸铁的石墨化和提高
铸铁性能的途径
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五、影响铸铁石墨化的因素
铸铁的成分取决于石墨化进行的程度。化学成分和结 晶时的冷却速度是影响石墨化和铸铁组织的主要因素。
(一)、化学成分的影响
1、C、Si及C当量与共晶度的影响：
碳和硅都是强烈促进石墨化的元素。碳含量↑，有利 于石墨形核，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
➢ 例：QTMMn8-300、HT-300、QTANi30Cr3、HTMCu1CrMo
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二、灰口铸铁的基本特征
(一)、灰口铸铁的显微组织
灰口铸铁的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。金属基体有铁素体F、珠 光体P和F+P三种。见图11-2.
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(一)、灰口铸铁的石墨化过程
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(二)、可锻铸铁 的石墨化过程
可断铸铁是白口 铸铁经石墨化 退火得到的， 其退火工艺见 图11-12。
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四、各类铸铁的形成条件（见表11-5) 第一阶段石墨化：凡是发生在P′S′K′线温度以上的石墨化。 第二阶段石墨化：凡是发生在P′S′K′线温度以下的石墨化。
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 ；
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(三)、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，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。
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CE影和响Sc对灰铸铁强度与硬度的
在生产统计的范围内，CE和 S度c、↑硬，度则皆抗直弯线强↓度。、见抗公拉式强 11-4~6和图11-14。
总之：随CE和Sc↑，石墨数 量↑，石墨变大，铁素体↓， 灰口铸铁性能↓。
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显微组织：球形石墨+金属基体。金属基体可分为铁 素体基体、铁素体+珠光体基体、珠光体基体、索氏 体基体、贝氏体基体等。典型显微组织见图11-5.
力学性能：与灰口铸铁相比，因石墨呈球形，故具 有较高的抗拉强度、疲劳强度、塑性及韧性
热处理：因金属基体是决定了其机械性能的主要因 素，故可以象钢那样通过合金化及热处理的办法提 高其机械性能。
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(二)、灰口铸铁的性能及其与组织的关系
1、机械性能：
➢ ①、抗拉强度比同样基体的钢要低得多。产生的原 因是交错的片状石墨网对基体产生的割裂作用；
➢ ②、石墨数量越多，石墨“共晶团”越大，石墨片 越长，片的两端越尖锐，则灰口铸铁的强度越低；
➢ ③、其强度还与基体的强度有密切关系。珠光体的 数量越多，珠光体中Fe3C的片层越细密，则强度越 高；孕育处理能细化其组织，故能明显提高其强度。
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三、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。
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。
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 Fe3C→3Fe+C
态图。
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二、铸铁石墨化过程的热 力学与动力学条件
1、热力学条件
铸铁中各组织的自由能 随温度的变化曲线见图 11-11。其中1148℃又 称为Tc。
由图可见：当共晶液体 结晶时，从热力学条件 来说，对石墨化过程总 是有利的。
➢ 问题：钢种C含量上升，强度上升。那么对铸铁而言， C含量上升，其强度是否上升？
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2、灰口铸铁的工艺性能
(1)、铸造性：因成分接近共晶点，铁水流动性好， 具有优良的铸造性能；
(2)、可切削加工性：因石墨的断屑和润滑作用，具 有优良的可切削加工性；
(3)、焊接性：因C、Si 、Mn含量高，淬透性好， 极易出现脆性马氏体，故焊接性很差；
2、P的影响
P是促进石墨化的元素，但作用不如C、Si强 烈。当P>0.2%，出现二元或三元磷共晶。 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。 故，除耐 磨铸铁的P含量可达0.5～1%之外，一般灰 铸铁含P量应控制在0.2%以下
碳当量是将硅和P含量折合成相当的碳量与实 际碳含量之和，即：CE=C%+1/3(Si%+P%)
共晶度是指铸铁的碳含量与其共晶点碳含量的 比值。即：Sc = C%/(4.3%- 1/3(Si%+P%) )
当Sc＝1时，铸铁为共晶组织；Sc<1时，铸铁 为亚共晶组织；Sc>1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。
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3、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，消除硫的有害影响。
4、 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。
（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。
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(四)、铸铁的表示方法：
➢ 参照GBT5612-2008《铸铁牌号表示方法》。说明：
➢ 合金元素含量大于1时，用整数表示；
➢ 当以力学性能表示铸铁的牌号时，力学性能值排列在铸铁代号 后面；
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定义：是以Fe 、C、Si为主要成分，在凝固 过程存在共晶转变的多元铁基合金。其铸造 性能优良，通常采用铸造的方法制成铸件使 用，故称为铸铁。其化学成分一般为：