简介

铸铁

含碳量在2%以上的铁碳合金。工业用铸铁一般含碳量为2.5%～3.5%。碳在铸铁中多以石墨形态存在，有时也以渗碳体形态存在。除碳外，铸铁中还含有1%～3%的硅，以及锰、磷、硫等元素。合金铸铁还含有镍、铬、钼、铝、铜、硼、钒等元素。碳、硅是影响铸铁显微组织和性能的主要元素。铸铁可分为：

①灰口铸铁。含碳量较高（2.7%～4.0%），碳主要以片状石墨形态存在，断口呈灰色，简称灰铁。熔点低（1145～1250℃），凝固时收缩量小，抗压强度和硬度接近碳素钢，减震性好。由于片状石墨存在，故耐磨性好。铸造性能和切削加工较好。用于制造机床床身、汽缸、箱体等结构件。其牌号以“HT”后面附两组数字。例如：HT20-40（数字表示抗拉强度，第二组数字表示抗弯强度）。

②白口铸铁。碳、硅含量较低，碳主要以渗碳体形态存在，断口呈银白色。凝固时收缩大，易产生缩孔、裂纹。硬度高，脆性大，不能承受冲击载荷。多用作可锻铸铁的坯件和制作耐磨损的零部件。

③可锻铸铁。由白口铸铁退火处理后获得，石墨呈团絮状分布，简称韧铁。其组织性能均匀，耐磨损，有良好的塑性和韧性。用于制造形状复杂、能承受强动载荷的零件。

④球墨铸铁。将灰口铸铁铁水经球化处理后获得，析出的石墨呈球状，简称球铁。碳全部或大部分以自由状态的球状石墨存在，断口成银灰色。比普通灰口铸铁有较高强度、较好韧性和塑性。其牌号以“QT”后面附两组数字表示，例如：QT45-5（组数字表示抗拉强度，第二组数字表示延伸率）。用于制造内燃机、汽车零部件及农机具等。

⑤蠕墨铸铁。将灰口铸铁铁水经蠕化处理后获得，析出的石墨呈蠕虫状。力学性能与球墨铸铁相近，铸造性能介于灰口铸铁与球墨铸铁之间。用于制造汽车的零部件。

⑥合金铸铁件。普通铸铁加入适量合金元素（如硅、锰、磷、镍、铬、钼、铜、铝、硼、钒、锡等）获得。合金元素使铸铁的基体组织发生变化，从而具有相应的耐热、耐磨、耐蚀、耐低温或无磁等特性。用于制造矿山、化工机械和仪器、仪表等的零部件。

灰铸铁

灰铸铁的组织与性能

Wc=2.5%~3.6%

1、灰铸铁的组织

（1）铁素体灰铸铁——石墨化过程充分进行；

（2）铁素体珠光体灰铸铁——、二阶段石墨化过程充分进行，第三阶段石墨化过程部分进行；

（3）珠光体灰珠铁——、二阶段石墨化过程充分进行，第三阶段石墨化过程完全没有进行；

2、灰铸铁的性能

1）灰铸铁的性能主要取决于基体的性能和石墨的数量、形状、大小、分布状况。其中以细晶粒的珠光体基体和细片状石墨组成的灰铸铁的性能，应用范围最广。

2）灰铸铁的抗拉强度和塑性大大低于具有相同基体的钢，但石墨片对灰铸铁的抗压强度影响不大，所以灰铸铁广泛用作承受压载荷的零件，如机座、轴承座等。

3）灰铸铁具有良好的铸造性能、切削加工性能，而且石墨的存在可以起到减磨、减震作用。

变质处理（孕育处理）——孕育铸铁

1、变质处理：浇注前向铁液中加入变质剂，促进晶粒细化。

常用变质剂为含硅75%的硅铁，加入量一般为铁液重量的0.4%左右。

2、性能：孕育铸铁的强度有很大提高，并且塑性、韧性也有所提高。

灰铸铁的热处理

灰铸铁的热处理仅能改变其基体组织，改变不了石墨形态，因此，热处理不能明显改变灰铸铁的力学性能，并且灰铸铁的低塑性又使快速冷却的热处理方法难以实施，所以灰铸铁的热处理受大一定的局限性。其热处理主要用于消除应力和改善切削加工性能等。

1、消除内应力退火（时效处理）——低温退火。将铸件置于100~200℃的炉中，缓慢升温至500~600℃，保温4~8h缓冷。

2、改善切削性能的退火——高温退火，降低硬度将铸件加热至850~900℃，保温2~5h，缓冷至400~500℃出炉空冷。

3、表面淬火——提高硬度和耐磨性

灰铸铁的牌号及用途

共六个牌号：HT100、HT150、HT200、HT250、HT300、HT350

1、化学成分：Wc=2.4%~2.8%

2、制造方法：可锻铸铁是一定成分的白口铸铁经长时间石墨化退火而得到的具有团絮状结果的石墨的铸铁。

3、石墨化退火工艺：900~1000℃保温15 h后随炉缓慢冷却至650℃以下出炉空冷，可得到F基体的可锻铸铁。

球墨铸铁

球墨铸铁的主要成分

——与灰铸铁相比，主要特点是高C、高Si、低S。

球墨铸铁的显微组织

——基体+球状石墨。基体有F、P、F+P、B下四种。

球墨铸铁组织示意图，如图所示：

球墨铸铁的生产方法

——对铁液进行球化处理和孕育处理而得到。

球墨铸铁的性能

——球状石墨对基体的割裂作用影响最小，因而具有很高的强度、良好的韧性、塑性和切削加工性。

球墨铸铁的热处理

（1）退火——目的是为了获得铁素体基体组织和 消除铸造应力；

（2）正火——目的是为了获得P或P+F基体，细化组织、提高强度和耐磨性；

（3）调质——为了得到良好的综合力学性能；

（4）等温淬火——为了获得B下基体的球墨铸铁。

热处理

由于铸件壁厚不均匀，在加热，冷却及相变过程中，会产生效应力和组织应力。另外大型零件在机加工之后其内部也易残存应力，所有这些内应力都必须消除。去应力退火通常的加热温度为500～550℃保温时间为2～8h，然后炉冷（灰口铁)或空冷（球铁)。采用这种工艺可消除 铸件内应力的90～95%，但铸铁组织不发生变化。若温度超过550℃或保温时间过长，反而会引起石墨化，使铸件强度和硬度降低。

1.消除铸件白口的高温石墨化退火

铸件冷却时，表层及薄截面处，往往产生白口。白口组织硬而脆、加工性能差、易剥落。因此必须采用退火（或正火）的方法消除白口组织。退火工艺为：加热到550－950℃保温2～5 h，随后炉冷到500-550℃再出炉空冷。在高温保温期间 ，游离渗碳体和共晶渗二次渗碳体和共析渗碳体也分解，发生石墨化过程。由于渗碳体提高铸件的机械性能。有时正火也是球铁表面淬火在组织上的准备、正 火分高温正火和低温正火。高温正火温度一般不超过950～980℃，低温正火一般加热到共折温度区间820～860℃。正火之后一般还需进行回火处理，以消除正火时产生的内应力，以达到铸件白口的高温石漠化退火。

2.球铁的淬火及回火

为了提高球铁的机械性能，一般铸件加热到Afc1以上30～50℃（Afc1代表加热时A形成终了温度），保温后淬入油中，得到马氏体组织。为了适当降低淬火后的残余应力，一般淬火后应进行回火，低温回火组织为回火马氏作加残留贝氏体再加球状石墨。这种组织耐磨性好 ，用于要求高耐磨性，高强度的零件。中温回火温度为350-500℃回火后组织为回火屈氏体加球状石墨，适用于要求耐磨性好、具有一定效稳定性和弹性的厚件。高温 回火温度为500-60D℃，回火后组织为回火索氏作加球状石墨，具有韧性和强度结合良好的综合性能，因此在生产中广泛应用。

3.球铁的等温淬火

球铁经等温淬火后可以获得高强度，同时兼有较好的塑性和韧性。多温淬火加热温度的选择主要考虑使原始组织全部A化、不残留F，同时也避免A晶粒长大。加热温度一般采用Afc1以上30～50℃，等温处理温度为0～350℃以保证获得具有综合机械性能的下贝氏体组织。稀土镁铝球铁等 温淬火后σb=1200～1400MPa，αk=3～3.6J/cm2，HRC=47～51。但应注意等温淬火后再加一道回火工序。

4.表面淬火

为了提高某些铸件的表面硬度、耐磨性及疲劳强度，可采用表面淬火。灰铸铁及球铁铸件均可进行表面淬火。一般采用高（中） 频感应加热表面淬火和电接触表面淬火。

5.化学热处理

对于要求表面耐磨或抗氧化、耐腐蚀的铸件，可以采用类似于钢的化学热处理工艺，如气体软氯化、氯化、渗硼、渗硫等处理。

石墨化

一、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。铸铁组织形成的基本过程就是铸铁中石墨的形成过程。因此，了解石墨化过程的条件与影响因素对掌握铸铁材料的组织与性能是十分重要的。

根据Fe-C合金双重状态图，铸铁的石墨化过程可分为三个阶段：

阶段，即液相亚共晶结晶阶段。包括，从过共晶成分的液相中直接结晶出一次石墨，从共晶成分的液相中结晶出奥氏体加石墨，由一次渗碳体和共晶渗碳体在高温退火时分解形成的石墨。

中间阶段，即共晶转变亚共析转变之间阶段。包括从奥氏体中直接析出二次石墨和二次渗碳体在此温度区间分解形成的石墨。

第三阶段，即共析转变阶段。包括共折转变时，形成的共析石墨和共析渗碳体退火时分解形成的石墨。

二、影响铸铁石墨化的因素

铸铁的组织取决于石墨化进行的程度，为了获得所需要的组织，关键在于控制石墨化进行的程度。实践证明，铸铁化学成分、铸铁结晶的冷却速度及铁水的过热和静置等诸多因素都影响石墨化和铸铁的显微组织。

1.化学成分的影响

铸铁中常见的C，Si、Mn、P、S中，C，Si是强烈促进石墨化的元素，S是强烈阻碍石墨化的元素。实际上各元素对铸铁的石墨化能力的影响极为复杂。其影响与各元素本身的含量以及是否与其它元素发生作用有关 ，如Ti、Zr、B、Ce、Mg等都阻碍石墨化，但若其含量极低(如B、Ce<0.01%，Ti<0.08%)时，它们又表现出有促进石墨化的作用。

2.冷却速度的影响

一般来说，铸件冷却速度趋缓慢，就越有利于按照Fe-G稳定系状态图进行结晶与转变，充分进行石墨化;反之则有利于按照 Fe-Fe3C亚稳定系状态图进行结晶与转变，最终获得 白口铁。尤其是在共析阶段的石墨化，由于温度较低，冷却速度增大，原子扩散困难，所以通常情况下，共析阶段的石墨化难以充分进行。

铸铁的冷却速度是一个综合的因素，它与浇注温度、传型材料的导热能力以及铸件的壁厚等因素有关。而且通常这些因素对两个阶段的影响基本相同。

提高浇注温度能够延缓铸件的冷却速度，这样既促进了阶段的石墨化，也促进了第二阶段的石墨化。因此，提高浇注温度在一定程度上能使石墨粉化 ，也可增加共析转变。

3.铸铁的过热和高温静置的影响

在一定温度范围内，提高铁水的过热温度，延长高温静置的时间，都会导致铸铁中的石墨基体组织的细化，使铸铁强度提高。进一步提高过热度，铸铁的成核能力下降，因而使石墨形态变差，甚至出现自由渗联体，使强度反而下降，因而存在一个‘临界温度’。临界温度的高低，主要取决于铁水的化学成分及铸件的冷却速度.一般认为普通灰铸铁的临界温度约在1500一1550℃左右，所以总希望出铁温度高些。

焊接性

铸铁含碳量高，塑性差，组织不均匀，焊接性很差，在焊接时，一般容易出现以下问题：

1、焊后易产生白口组织

2、焊后易出现裂纹

3、焊后易产生气孔

因此，在生产中，铸铁是不作为焊接材料的.一般只用来焊补铸铁件的铸造缺陷以及局部破坏的铸铁件。铸铁的焊补一般采用气焊或焊条电弧焊。

铸件焊补常分为热焊法和冷焊法两种。

种类及性能

1.  铸铁焊接的应用

1、 铸造缺陷的焊接修复

中国各种铸铁的年产量现约为800万吨，有各种铸造缺陷的铸件约占铸铁年产量的10%~15%，即通常所说的废品率为10%~15%，若这些铸件工报废，以1997年铸铁平均价格计算 ，其损失每年高达10亿元以上。采用焊接方法修复这些有缺陷的铸铁件，由于焊接成本低，不仅可获得巨大的经济效益，而且有利于及时完成生产任务。

2、 已损坏的铸铁成品件的焊接修复。

由于各种原因，铸铁成品件在使用过程中会受到损坏，出现裂纹等缺陷，使其报废。若要更换新的，用铸铁成品件都经过各种机械加工，价格往往较贵。特别是一些重型铸铁成品件，如锻造设备的铸铁机座一旦使用不当而出现裂纹，就得停止生产，若要更换新的锻造设备，不仅价格昂贵，且从订货、运货到安装调试往往需要很长时间，所要很长时间处于停产状态。这方面的损失是巨大的。若能用焊接方法及时修复出现的裂纹。

3、 零部件的生产

这是指用焊接的方法将铸铁（主要是球墨铸铁）件与铸铁件、各种钢件或有色金属焊接起来而生产出零件。现今中国在这方面比较落后，处于刚起步阶段。如中国山东某厂已用高效离心铸造的大直径球墨铸铁管与一般铸造方法生产的变直径球墨铸铁法兰用焊接方法连接而制成产品。制造中铸铁焊接已成为中国下一步发展铸铁焊接技术的方向。它往往具有巨大的经济效益。

1.  铸铁分类

按碳在铸铁中存在的状态及形式的不同，可将铸铁分为：

白口铸铁：碳绝大部分以在渗碳体状态存在，断口亮白色，渗碳体硬而脆，机械中较少应用。

灰铸铁：石墨片状存在

可锻铸铁：团絮状

球墨铸铁：圆球状

蠕墨铸铁：蠕虫状

在相同基体组织情况下，其中以球墨铸铁的力学性能（强度、塑性、韧性）为，可锻铸铁次之，蠕墨铸铁又次之，灰铸铁最差。但由于灰铸铁成本低廉，并具有铸造性、可加工性、耐磨性及减震性均优良的特点，是工业中应用最广泛的一种铸铁。

灰铸铁抗拉强度及硬度的变化是由于机体组织及石墨大小、数量不同的结果。

纯铁素体为基体的灰铸铁：强度、硬度

纯珠光体为基体的灰铸铁：强度、硬度较高

改变基体中铁素体及珠光体相对含量，可得不同的抗拉强度及硬度的HT，石墨呈粗片状的灰铸铁，抗拉强度较低，石墨呈细片状的灰铸铁其抗拉强度较高。

灰铸铁中碳的存在状态及其基体组织决定于铸件冷却速度

①铁水以很快速度冷却时，阶段石墨化过程（共析温度以上）及第二阶段石墨化过程（共析温度下）完全被抑止将得到共晶渗碳体+二次渗碳体+珠光体组织，即白口铸铁组织。[铁碳相图：铁水当温度冷却到液相时，开始从液相析出（γ）。1147共析温度。L→γ+Fe3C（共晶渗碳体） 温度下降，A的饱和固溶碳量随温度下降而降低，因而析出二次渗碳体，此反应持续到共析温度。在共析反应中，A转变为珠光体。冷却到室温后，组织由共晶渗碳体+二次渗碳体+珠光体组成]。

②铁水以很慢的速度冷却时由于渗C体是不稳定相，而石墨是稳定相。阶段和第二阶段石墨化过程都进行得很充分，最后得纯铁素体的灰铸铁组织。

③若石墨化的阶段进行很完全，第二阶段石墨化过程进行得不完全，则得珠光体+铁素体、灰铸铁。

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