鑄鐵的組織與性能

1、1 鑄鐵的組織與性能鑄鐵生產(chǎn)技術(shù)的基礎(chǔ)就是要研究與認(rèn)識：（1）鑄鐵的組織對鑄鐵的性能有什么影響？為什么說， 控制了鑄鐵的組織就是控制了鑄鐵的性能？（2）既然鑄鐵的組織如此重要， 那么就必須對其形成過程和形成條件進(jìn)行研究與認(rèn)識，從而達(dá)到控制組織的目的。（3）在生產(chǎn)實踐中，影響鑄鐵組織的不僅有化學(xué)成分與冷卻速度，還有鐵液溫度、爐料、氣體、孕育等因素。因此，作為鑄造技術(shù)人員必須具備兩方面的基礎(chǔ)知識：一是要了解與認(rèn)識鑄鐵組織對鑄鐵性能的影響規(guī)律， 即什么樣性能的鑄鐵需要什么樣的鑄鐵組織來保證；二是要了解對鑄鐵組織有影響的因素有哪些， 如何控制這些因素達(dá)到要求的鑄鐵組織，從而滿足鑄件性能要求。1.1鑄鐵

2、性能的分類圖 1 是以灰鑄鐵為例進(jìn)行的鑄鐵性能分類情況，由圖 1 可見，鑄鐵的性能包括物理性能、力學(xué)性能、使用性能和工藝性能，這些性能的與其組織息息相關(guān)。圖 1 灰鑄鐵性能分類1.2鑄鐵的組織既然鑄鐵的性能是由鑄鐵的組織所決定的，因此，控制了鑄鐵的組織就控制了它的性能。鑄鐵的組織由石墨、基體、共晶團(tuán)和晶界夾雜物 4 部分組成（見表1）。表 1 鑄鐵中的組織名稱類型石墨片狀石墨、蠕蟲狀石墨、團(tuán)絮狀石墨、球狀石墨片狀石墨還有 A、B、C、D、 E、 F 共 6 種分布類型基體鐵素體、珠光體、奧氏體、奧鐵體、滲碳體、馬氏體以每個石墨核心為中心形成的一個“石墨奧氏體”兩相共生共晶團(tuán)共長的共晶晶粒稱為共

3、晶團(tuán)。片狀石墨的灰鑄鐵拋光腐蝕后方能檢驗共晶團(tuán)數(shù)；球墨鑄鐵則以球墨數(shù)代表共晶團(tuán)數(shù)，一個石墨球代表一個共晶團(tuán)。晶界夾雜物共晶物（磷共晶、硫共晶） 、碳化物、非金屬夾雜物1.3 鑄鐵組織對性能的影響情況石墨對性能的影響在鑄鐵組織中，石墨對性能的影響最大。4 種類型的石墨可分為6 種分布形狀（見圖2），其應(yīng)用的典型鑄鐵類型見表2。圖 2 石墨的分類示意圖片狀石墨聚集的片狀石墨及蟹狀石墨 蠕蟲狀石墨 團(tuán)絮狀石墨 團(tuán)狀石墨 球狀石墨表 2鑄鐵中的 6 種石墨形狀石墨類型石墨形狀名稱典型鑄鐵類型片狀石墨灰鑄鐵聚集的片狀石墨快速冷卻的過共晶灰鑄蟹狀石墨鐵蠕蟲狀石墨蠕墨鑄鐵團(tuán)絮狀石墨可鍛鑄鐵團(tuán)狀石墨球墨鑄鐵蠕

4、墨鑄鐵球狀石墨球墨鑄鐵蠕墨鑄鐵（ 1）石墨形態(tài)對力學(xué)性能的影響鑄鐵與鋼最大的不同就是鑄鐵中有石墨。石墨對基體的割裂削弱了鑄鐵的強(qiáng)度，其中片狀石墨削弱程度最大、 球狀石墨削弱程度最??；石墨形狀越趨于球狀的鑄鐵，強(qiáng)度越高。所以，在鑄鐵中，灰鑄鐵強(qiáng)度最低，球墨鑄鐵強(qiáng)度最高（見表3）。由表 3 可知，石墨形態(tài)對鑄鐵力學(xué)性能起著決定性的作用。表 3 不同形態(tài)石墨鑄鐵的力學(xué)性能類別基體抗拉強(qiáng)度 /MPa硬度（ HBW）彈性模數(shù) /GPa片狀石墨的灰鑄珠光體20040018726983.3137.2鐵蠕蟲狀石墨的蠕珠光體 +鐵400450180240120160墨鑄鐵素體團(tuán)絮狀石墨的可珠光體60019529

5、0163180鍛鑄鐵球狀石墨的球墨珠光體700800225360156.8176.4鑄鐵（2）石墨大小、數(shù)量及分布狀態(tài)對力學(xué)性能的影響灰鑄鐵中的石墨灰鑄鐵中的石墨有A、B、C、D、E、F 共 6 種分布類型，其中以無方向性、均勻分布的強(qiáng)度最高， 含有 D 、E 過冷石墨則強(qiáng)度降低，出現(xiàn)粗大的 C 型石墨時性能最差。石墨數(shù)量在片狀時對鑄鐵的強(qiáng)度影響最大，所以灰鑄鐵的碳當(dāng)量對力學(xué)性能的影響很關(guān)鍵。 灰鑄鐵的碳當(dāng)量越高， 片狀石墨數(shù)量就越多，對基體削弱程度也越大。 圖 3 為石墨數(shù)量對灰鑄鐵抗拉強(qiáng)度的影響情況，表 4 為各牌號灰鑄鐵的石墨數(shù)量。表 4 各牌號灰鑄鐵的石墨量牌號HT100HT150HT

6、200HT250HT300HT350石墨量 *121571169473624（ %）* 指石墨的體積分?jǐn)?shù)。圖 3 石墨數(shù)量對灰鑄鐵抗拉強(qiáng)度的影響石墨的長度對力學(xué)性能也有影響。 片狀石墨的尖銳前端使基體產(chǎn)生應(yīng)力集中，對鑄鐵的抗拉強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度皆產(chǎn)生了不利的影響。石墨長度越長，影響加劇（見圖 4、圖 5）。圖 4 石墨長度與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系圖 5 石墨長度對彎曲疲勞強(qiáng)度的影響有的鑄件需要在反復(fù)加熱與冷卻的條件下使用，因此要求其具有良好的熱疲勞強(qiáng)度， 這就要求鑄件的組織除了珠光體基體外， 石墨數(shù)量要多，石墨長度要長，且石墨分布呈 A 型。圖 6、圖 7、圖 8 分別為石墨數(shù)量、石墨長度、石墨分布類型對

7、灰鑄鐵熱疲勞強(qiáng)度的影響情況。圖 6 灰鑄鐵的石墨量對熱疲勞性能的影響圖 7 石墨片平均長度與熱疲勞性能的關(guān)系圖 8 石墨分布類型與熱疲勞性能的關(guān)系蠕墨鑄鐵中的石墨蠕墨鑄鐵常被用作要求熱疲勞強(qiáng)度良好的鑄件，但其組織并不是蠕化率越高越好； 相反的是，蠕化率低的蠕鐵熱疲勞強(qiáng)度反而好于蠕化率高的蠕鐵。 表 5 為蠕化率對蠕墨鑄鐵耐熱疲勞強(qiáng)度的影響，由表5 可知，不控制組織是難以控制性能的。表 5 蠕化率與熱疲勞強(qiáng)度的關(guān)系類別熱循環(huán)溫度和產(chǎn)生首次裂紋的循環(huán)數(shù)/ 次250500 250700 250950 蠕墨鑄鐵11 2501 0001 200450640（蠕蟲狀石墨量90%）蠕墨鑄鐵14 5001 2

8、501 900640680（蠕蟲狀石墨量50%）注：蠕化劑為 Re Si Ca Fe 合金?？慑戣T鐵中的石墨可鍛鑄鐵中的石墨并不是單一的團(tuán)絮狀，還有球狀、團(tuán)球狀、聚蟲狀等，這些形態(tài)石墨的存在比例直接影響著可鍛鑄鐵的力學(xué)性能，其中以球狀、團(tuán)球狀最好，團(tuán)絮狀次之，聚蟲狀、枝晶狀最差。石墨數(shù)量對可鍛鑄鐵的斷后伸長率影響較大（見圖 9），但對其抗拉強(qiáng)度的影響甚微（見圖 10）。圖 9 石墨數(shù)量對斷后伸長率的影響圖 10 石墨數(shù)量對抗拉強(qiáng)度的影響球墨鑄鐵中的石墨要求疲勞強(qiáng)度高的鑄鐵件常采用等溫淬火球墨鑄鐵， 此時對石墨球的球徑與球數(shù)要求較高，表 6 與圖 11 顯示了石墨球大小對基體顯微硬度與彎曲疲勞強(qiáng)

9、度的影響情況。表 6 石墨球大小及球墨數(shù)量對等溫淬火球鐵顯微硬度與彎曲疲勞強(qiáng)度的影響平均石墨球徑球墨數(shù)量奧鐵體顯微硬度彎曲疲勞強(qiáng)度 3） /mm 2（HV）/MPa（× 10/ 個· mm28.43170.6951225026025.88172.0155228019.64262.08548350圖 11 石墨球大小和基體顯微硬度對球墨鑄鐵放置彎曲疲勞強(qiáng)度的影響在熔制低溫韌性的球鐵件時，球化率與石墨數(shù)皆對低溫時的沖擊性能有著重要影響，如圖 12 和圖 13 所示。圖 12 石墨球化率對 V 形缺口試樣沖擊吸收功的影響圖 13 石墨球數(shù)對鐵素體球墨鑄鐵V形缺口沖擊吸收功的影響基

10、體對性能的影響大部分鑄鐵的基體是珠光體與鐵素體，也有部分鑄鐵的基體是奧氏體、奧鐵體、馬氏體與萊氏體，各類基體的性能見表7。采用珠光體做基體， 主要是為了提高抗拉強(qiáng)度與耐磨性；而用鐵素體做基體，主要是為了提高塑性與韌性。 對于不同石墨形態(tài)的鑄鐵，基體對性能的提高幅度不同（見表8）。由表 8 可見 ,石墨形態(tài)越趨于球狀，基體對強(qiáng)度的影響就越大。對球墨鑄鐵進(jìn)行等溫淬火，可獲得具有超高強(qiáng)度并同時具有一定韌性的鑄鐵（見表9）。表 7 鑄鐵組織中的基體種類及其主要性能基體種類組織特征主要性能具有良好的塑性與韌性，抗拉強(qiáng)度鐵素體碳在 -Fe 中的固溶體200400 MPa，伸長率 25%60%，硬度 701

11、50 HBW鐵素體與滲碳體組成的機(jī)械具有較高的強(qiáng)度與耐靡性， 抗拉強(qiáng)度珠光體400800 MPa，伸長率 10%25%，硬混合體度 175330 HBW萊氏體珠光體 +滲碳體硬、脆、沖擊韌性低， 具有高的耐磨性能碳在 -Fe 中的固溶體；高具有良好的塑性與韌性，抗拉強(qiáng)度奧氏體Ni 、Mn 量時，在室溫下可形400800 MPa，伸長率 40%50%，硬成度 160230 HBW常存在于等淬球墨鑄鐵中， 是具有極高的強(qiáng)度和良好的綜合性能，奧鐵體針狀鐵素體與高碳奧氏體的等淬球鐵的抗拉強(qiáng)度可達(dá)1 0001機(jī)械混合物600 MPa，伸長率 3%14%塑性、韌性極低，通過不同的回火溫馬氏體過飽和的 -F

12、e 固溶體度可得回火托氏體、 回火索氏體，從而改善其性能表 8 基體對鑄鐵力學(xué)性能的影響基體類別鑄鐵種類性能鐵素體珠光體 +鐵素珠光體體抗拉強(qiáng)度 /MPa/118177177392灰鑄鐵伸長率（ %）/硬度（ HBW）/100140180269抗拉強(qiáng)度 /MPa300350400450500蠕墨鑄鐵伸長率（ %）211.50.51.0硬度（ HBW）140210160240220260抗拉強(qiáng)度 /MPa275370350400450700可鍛鑄鐵伸長率（ %）5124524硬度（ HBW） 150200230230290抗拉強(qiáng)度 /MPa350500600700900球墨鑄鐵伸長率（ %）10

13、18372硬度（ HBW）120210170270225360表 9 等溫淬火球墨鑄鐵的力學(xué)性能750-500-1 900-650-01050-700 1200-850 1400-1101600-130牌號-07 等級-04 等級0-01 等級0-00 等級1 等級 7509 等級 9001050120014001600抗拉強(qiáng)度 /MPa7869661 1391 3111 5181 656伸長率（ %）141110753硬度（ HBW）270302340387418460（B.L.D/mm）（3.70 ）（ 3.50 ）（3.30 ）（3.10 ）（ 3.00 ）（ 2.85 ）有缺口沖擊韌1

14、41210 6938 68 0度（ 21 ） /J萊氏體常用作抗磨鑄鐵的基體， 可提高其耐磨性， 如抗磨白口鑄鐵、合金白口鑄鐵等。在鑄鐵中加入 Mn 和 Ni ，可使奧氏體一直穩(wěn)定到室溫而不發(fā)生轉(zhuǎn)變，從而獲得奧氏體鑄鐵。 這種鑄鐵具有較高的耐腐蝕性能與耐高溫性能，如柴油機(jī)增壓器的渦殼鑄件就是采用的奧氏體基體球墨鑄鐵。馬氏體是將鑄鐵加熱至奧氏體區(qū)后， 用更低的溫度進(jìn)行淬火獲得的基體，其性能堅硬、耐磨，常用于抗磨件中，如用馬氏體抗磨球墨鑄鐵生產(chǎn)的磨球等抗磨件。共晶團(tuán)對性能的影響鑄鐵冷卻到共晶溫度時， 共晶成分的鐵液首先產(chǎn)生石墨核心，然后由石墨領(lǐng)先，石墨與奧氏體從晶核出發(fā)，互相促進(jìn)，交叉生長，最后形

15、成奧氏體與石墨的共晶組織。 這個以石墨核心為中心形成的奧氏體和石墨兩相共生共長的共晶晶粒稱為共晶團(tuán)。圖 14 為亞共晶灰鑄鐵共晶結(jié)晶時一個共晶團(tuán)正在成長的示意圖。由圖可見，石墨片端部凸出，前沿部分伸入鐵液中，始終與鐵液相接觸，奧氏體與石墨相互交叉生長。圖 15 示意地表現(xiàn)了亞共晶灰鑄鐵的共晶轉(zhuǎn)變過程。 當(dāng)共晶結(jié)晶結(jié)束時， 共晶團(tuán)或共晶團(tuán)晶界與初生奧氏體相互銜接形成整體，此時共晶轉(zhuǎn)變完成。圖 14 一個共晶團(tuán)成長的示意圖圖 15 亞共晶灰鑄鐵共晶轉(zhuǎn)變過程示意圖共晶團(tuán)的粗細(xì)對鑄鐵的強(qiáng)度影響很大。晶粒細(xì)，則晶界多，晶界處的晶格排列極不一致，相互交錯、互相咬合，加強(qiáng)了晶粒間的結(jié)合力，從而提高了強(qiáng)度?；?/p>

16、鑄鐵的共晶團(tuán)數(shù)與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系見表10。球墨鑄鐵的共晶團(tuán)數(shù)可以用石墨球數(shù)來代表，即一個石墨球就是一個共晶團(tuán)，表 11 為球數(shù)對等溫淬火球鐵彎曲疲勞強(qiáng)度的影響。 可鍛鑄鐵也可用石墨數(shù)量來代表共晶團(tuán)數(shù)，隨著石墨數(shù)量的增多，可鍛鑄鐵的伸長率增加。表 10 灰鑄鐵的共晶團(tuán)數(shù)與抗拉強(qiáng)度共晶團(tuán)數(shù)320335517772865 2/ 個· cm抗拉強(qiáng)度 /MPa258278288292318表 11 球墨鑄鐵中的石墨球數(shù)與彎曲強(qiáng)度2彎曲疲勞強(qiáng)度 /MPa石墨球數(shù) / 個· mm170250260172280262350共晶團(tuán)數(shù)在大斷面球墨鑄鐵中的作用十分重要。薄壁球鐵件孕育良好時，代表共

17、晶團(tuán)數(shù)的石墨數(shù)在 1 mm2 面積上可達(dá) 1 500 個，或更多，但在 250 mm 壁厚的大斷面中心部位卻僅有 5 個（見表 12）。石墨球數(shù)的減少常伴有團(tuán)塊狀、團(tuán)片狀、近片狀石墨的出現(xiàn)，導(dǎo)致強(qiáng)度下降。研究表明，若每1 mm2 面積上的石墨球數(shù)量超過70 個時，石墨不會發(fā)生畸變； 因此，不少企業(yè)生產(chǎn)風(fēng)電鑄件時往往規(guī)定石墨球數(shù)要在 90150 個/mm2。但是，對厚大的球鐵件來說， 孕育量不可過大，如孕育的核心數(shù)過多， 則會早期形成石墨球， 包圍它的奧氏體殼很薄弱，將致使石墨早期畸變。表 12大斷面球墨鑄鐵中的石墨球數(shù)與壁厚的關(guān)系鑄件類型尺寸 /mm化學(xué)成分（ %）2w（ ）w（Si球數(shù) /

18、個·mmC立方體1253.503.702.102.3060125立方體2003.512.6280球體直徑 3003.291.6210在生產(chǎn)實踐中， 共晶團(tuán)數(shù)的作用并不止于在力學(xué)性能方面， 在孕育方面可以用其來檢驗孕育效果； 而且，可用控制共晶團(tuán)數(shù)來防止出現(xiàn)縮松缺陷，還可用檢驗熱處理前后共晶團(tuán)數(shù)的變化來觀察晶粒是否得到細(xì)化、晶界夾雜物是否更加分散， 從而推測鑄件的沖擊韌性是否得以提高。晶間夾雜物對性能的影響晶間夾雜物的組成有共晶物（磷共晶、硫共晶）、碳化物和非金0.01%，但其分散數(shù)量巨屬夾雜物。通常， 晶間夾雜物對鑄鐵的性能有著不利的影響，尤其是對沖擊韌性。因此，生產(chǎn)中往往采用低硫、低磷，以減少磷共晶、硫共晶的產(chǎn)生；限制合金元素含量及強(qiáng)化孕育，防止碳化物產(chǎn)生；采用凈料和高溫熔煉鋼、 扒渣、過濾網(wǎng)等，減少并防止非金屬夾雜物產(chǎn)生。不過，在特定情況下，某些晶界間夾雜物還是有用的，如利用磷共晶生產(chǎn)耐磨的高磷鑄鐵等。值得一提的是非金屬夾雜物這一項。目前，在金相檢驗標(biāo)準(zhǔn)中，沒有非金屬夾雜物這一項目， 這是因為長期以來的觀點認(rèn)為， 石墨是鑄鐵中最大的夾雜物， 它對鑄鐵性能的影響是決定性的， 但隨著對灰鑄鐵質(zhì)量要求越來越高， 如機(jī)床的淬火鑄鐵導(dǎo)軌、 汽車缸體和缸蓋等鑄件，在對石墨的限制已