清华大学工程材料铸铁

Graphitization of Cast Iron
一、Fe-Fe3C和Fe-C双重相图 在前面介绍过Fe-Fe3C相图，按这张相图自液态冷却下来的Fe-C
合金固态一般为铁素体及渗碳体两相。实际上渗碳体只是一个亚稳定 相，石墨才是稳定相。因此描述铁碳合金组织转变的相图实际上有两 个，一个是Fe-Fe3C系相图，另一个是Fe-C系相图。把两者迭合在一 起，就得到一个双重相图，
• 灰口铸铁的孕育处理
HT250、HT300、HT350属于较高强度的孕育铸铁（也称变质铸 铁），这是普通铸铁通过孕育处理而得到的。由于在铸造之前向铁液 中加入了孕育剂（或称变质剂），结晶时石墨晶核数目增多，石墨片 尺寸变小，更为均匀地分布在基体中。所以其显微组织是在细珠光体 基体上分布着细小片状石墨。铸铁变质剂或孕育剂一般为硅铁合金或 硅钙合金小颗粒或粉，当加入铸铁液内后立即形成SiO2的固体小质点， 铸铁中的碳以这些小质点为核心形成细小的片状石墨。
第九章 铸铁
Cast Iron
铸铁是历史上使用得较早的材料，也是最便宜的金属材料之一， 同时它具有很多优点。比如，在汽车发动机中，铸铁占80%。同钢 一 样 ， 铸 铁 也 是 Fe 、 C 元 素 为 主 的 铁 基 材 料 ， 但 是 它 含 碳 量 很 高 （碳含量大于2.11％），达到亚共晶、共晶或过共晶成分，而且铸铁 成型制成零件毛坯只能用铸造方法，不能用锻造或轧制方法。
（2）耐磨性与消震性好。由于铸铁中石墨有利于润滑及贮油，所 以耐磨性好。同样，由于石墨的存在，灰口铸铁的消震性优于钢。
（3）工艺性能好。由于灰口铸铁含碳量高，接近于共晶成分，故 熔点比较低，流动性良好，收缩率小，因此适宜于铸造结构复杂或薄 壁铸件。另外，由于石墨使切削加工时易于形成断屑，所以灰口铸铁 的可切削加工性优于钢。
第二节 常用铸铁
Usual Cast Iron
• 铸铁中的石墨形态、尺寸以及分布状况对性能影响很大。 铸铁中石墨状况主要受铸铁的化学成分及工艺过程的影响。 通常，铸铁中石墨形态（片状或球状）在铸造后即形成； 也可将白口铸铁通过退火，让其中部分或全部的碳化物转 化为团絮状形态的石墨。工业上使用的铸铁很多，按石墨 的形态和组织性能，可分为普通灰口铸铁、蠕墨铸铁、球 墨铸铁、可锻铸铁和特殊性能铸铁等。
铸铁中碳元素按主要存在方式不同可分为两大类：一是白口铸 铸铁（断口呈现白色），碳的主要存在形式是化合物，如渗碳体， 没有石墨；另一是灰口铸铁（断口呈现黑灰色），碳的主要存在形 式是碳的单质，即游离状态石墨。介于白口铸铁与灰口铸铁之间为 麻口铸铁，其中的碳既有游离石墨又有渗碳体。
第一节 铸铁的石墨化
灰口铸铁的成分大致范围为：2.5～4.0%C，1.0～3.0%Si， 0.25～1.0%Mn，0.02～0.20%S，0.05～0.50%P。具有上述成分范 围的液体铁水在进行缓慢冷却凝固时，将发生石墨化，析出片状石墨。 其断口的外貌呈浅烟灰色，所以称为灰口铸铁。
普通灰口铸铁的组织是由片状石墨和钢的基体两部分组成的。根 据不同阶段石墨化程度的不同，灰口铸铁有三种不同的基体组织：铁 素体基、珠光体基、铁素体＋珠光体基。
• 化学成分的影响 碳、硅、锰、硫、磷对石墨化有不同影响。其中碳、硅、磷是促进
石墨化的元素，锰和硫是阻碍石墨化的元素。
• 温度及冷却速度的影响 铸铁中碳石墨化过程除受化学成分的影响外，还受铸造过程中铸件
冷却速度影响。当冷却速度较快时，由液态析出的是渗碳体而不是石墨。 一般铸件冷却速度越慢，石墨化进行愈充分。冷却速度快，碳原子很难 扩散，石墨化进行困难。
名称
灰口铸铁 麻口铸铁 白口铸铁
石墨化程度
第一阶段 第二阶段
完全石墨化 完全石墨化 完全石墨化 部分石墨化
未石墨化
完全石墨化 部分石墨化
未石墨化 未石墨化 未石墨化
显微组织
铁素体＋石墨 铁素体＋珠光体＋石墨
珠光体＋石墨 莱氏体＋珠光体＋石墨 莱氏体＋珠光体＋渗碳体
三、影响石墨化程度的主要因素
由于铁的晶体结构与石墨的晶体结构差异很大，而铁与渗碳体的晶 体结构要接近一些，所以普通铸铁在一般铸造条件下只能得到白口铸铁， 而不易获得灰口铸铁。因此，必须通过添加合金元素和改善铸造工艺等 手段来促进铸铁石墨化，形成灰口铸铁。
一、灰口铸铁 灰口铸铁是价格最便宜、应用最广泛的一种铸铁，在各类铸铁的
总产量中，灰口铸铁占80%以上。
25μ 铁素体基灰口铸铁的显微组织
• 灰口铸铁的化学成分和组织特征 在生产中，为浇注出合格的灰铸铁件，一般应根据所生产的铸铁
牌号、铸铁壁厚、造型材料等因素来调节铸铁的化学成分，这是控制 铸铁组织的基本方法。
第 一 阶 段 ： 包 括 自 低 于 液 相 线 CD 以 下 温 度 冷 却 自 液 体 中 析 出 “一次石墨”，低于共晶线ECF（温度1154℃）共晶成分（C点含 4.26％C），液体转变为奥氏体与共晶石墨组成的共晶组织；以及低 于共晶温度ECF以下冷却沿ES线从奥氏体中析出“二次石墨”。
第二阶段：略低于共析温度（738℃）的PSK线以下，共析成分 （S点，含0.68%C）奥氏体转变为由铁素体与石墨组成的共析组织。
L＋δ H
A
δ 1400
J
B
N
L＋γ
温 1200 度
γ＋ δ
E′ E
℃ 1000 Gγ
γ ＋
80P0′αS′ PS
600 Q
400 α
C′ C γ＋Fe3C
α＋Fe3C
200
Fe 1 2 3 4
5
C/%
Fe-Fe3C和Fe-C双重相图
D ′ D F′ F
K ′
6 6.69
二、铸铁的石墨化过程
按Fe-C相图铸铁液冷却过程中，碳溶解于铁素体外均以石墨形成 析出。石墨形成（或石墨化）分为如下两个阶段：
• 灰口铸铁的牌号、性能及用途 灰口铸铁灰口铸铁的牌号以“HT+数字”的方式表示。 灰口铸铁的性能与普通碳钢相比，具有如下特点：
（1）力学性能低，其抗拉强度和塑性韧性都远远低于钢。但是， 灰口铸铁在受压时石墨片破坏基体连续性的影响则大为减轻，其抗压 强度是抗拉强度的2.5～4倍。所以常用灰口铸铁制造机床床身、底座 等耐压零部件。