鑄造工程基礎(chǔ)課件：鑄鐵-

鑄鐵3.1鑄鐵的基礎(chǔ)知識(shí) 3.2灰鑄鐵3.3球墨鑄鐵3.4蠕墨鑄鐵

3.5可鍛鑄鐵

3.6特殊性能鑄鐵

3.7鑄鐵的熔煉

3.1鑄鐵的基礎(chǔ)知識(shí)3.1.1鐵-碳合金雙重相圖由于鑄鐵中的碳（C）可能以石墨（以符號(hào)G表示）或滲碳體（Fe3C）兩種獨(dú)立相的形式存在，因而鐵碳合金系相圖存在著Fe-C（石墨）和Fe-Fe3C兩套體系，圖3.1所示為鐵碳合金雙重相圖，分別以虛線和實(shí)線表示。Fe-C（石墨）相圖和Fe-Fe3C相圖的主要不同之處在于：（1）穩(wěn)定平衡的共晶點(diǎn)C’的成分和溫度與C點(diǎn)不同（2）穩(wěn)定平衡的共析點(diǎn)S’的成分和溫度與S點(diǎn)不同從這里看出在穩(wěn)定平衡時(shí)的共晶溫度和共析溫度都比亞穩(wěn)定平衡的高一些。共晶溫度高出6℃，共析溫度高出9℃。在共晶溫度時(shí)和石墨平衡的奧氏體中的含碳量（相當(dāng)于E’）比和滲碳體平衡的奧氏體中的含碳量（相當(dāng)于E）亦要低些。3.1.2鐵-碳合金中的基本組成1.純鐵鐵的密度為7.8g/cm3。工業(yè)純鐵中約含有0.1%~0.2%的雜質(zhì)。純鐵的熔點(diǎn)或凝固點(diǎn)為1536℃，在1392℃和911℃有兩個(gè)同素異構(gòu)變化，其變化過(guò)程如圖3.2所示。其中α-Fe和δ-Fe為體心立方晶格，稱為鐵素體，也以F表示，γ-Fe為面心立方晶格，稱為奧氏體，也以A表示。2.滲碳體滲碳體是具有復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的間隙化合物，碳與鐵的原子半徑比為0.63，滲碳體的密度為7.67g/cm3。滲碳體晶格結(jié)構(gòu)為復(fù)雜的正交晶格，如圖3.3所示。三個(gè)鈾間夾角“α＝β＝γ＝90”，三個(gè)晶格常數(shù)“a≠b≠c”（a＝45.235nm，b＝50.888nm，c＝67.43lnm）。在每個(gè)晶胞中具有12個(gè)鐵原子、4個(gè)碳原子。因此滲碳體中鐵原子與碳原子的比例為3：1，所以用Fe3C表示。各層內(nèi)原子以共價(jià)鍵結(jié)合，層間原子則以金屬鍵結(jié)合。在c軸方向的生長(zhǎng)速度要比a軸和b軸方向低，因此滲碳體一般易長(zhǎng)成片狀。3.石墨石墨的密度為2.25g/cm3。石墨是碳的一種同素異構(gòu)體，屬六方晶系。石墨的晶體結(jié)構(gòu)如圖3.4所示。單元晶格包含兩個(gè)六方晶面（基面）和六個(gè)棱面，基面晶向通稱為c向，棱面晶向通稱為a向。4鐵-碳合金中的組成相(見(jiàn)表3-1)3.1.3合金元素對(duì)鐵-碳相圖的影響鑄鐵是以鐵元素為基的多元合金，除碳以外，其他合金元素對(duì)鑄鐵組織的形成亦會(huì)發(fā)生很大的影響，其中以硅的影響最大。表3-2定性地列舉了鑄鐵中的一些常見(jiàn)元素在一般含量范圍內(nèi)對(duì)鐵-碳雙重相圖上各臨界點(diǎn)的影響趨勢(shì)。圖3.5為常用合金元素對(duì)鐵-碳穩(wěn)定系平衡共晶溫度tEG和亞穩(wěn)定系平衡共晶溫度tEM的影響。3.1.4Fe-C-Si凝固相圖實(shí)際鑄鐵件的化學(xué)成分雜質(zhì)多，熔體凝固形核核心狀態(tài)復(fù)雜，冷卻速度又快，因此其結(jié)晶條件與建立在熱力學(xué)計(jì)算基礎(chǔ)上的平衡相圖、或者在特定環(huán)境下（冷卻速度緩慢為0.5~2.5℃/min，使用純凈原料、真空下熔煉）測(cè)定的Fe-C平衡相圖的條件有很大差別。這促使鑄鐵在凝固時(shí)容易在不平衡條件下從穩(wěn)定的Fe-C（石墨）系轉(zhuǎn)變到亞穩(wěn)定的Fe-Fe3C系結(jié)晶，故平衡相圖不太適用于實(shí)際鑄鐵件的凝固分析。圖3.6是Fe-C-Si穩(wěn)定系與亞穩(wěn)定系凝固相圖。Fe-C-Si鑄鐵凝固相圖上的奧氏體液相線、石墨、碳化物、共晶溫度、共晶成分的界限均可依熔化工藝、熔體處理、冷卻速度的改變而變化。（a）穩(wěn)定系（b）亞穩(wěn)定系圖3.6Fe-C-Si凝固相圖3.1.5鑄鐵的種類及其特征鑄鐵的分類方法較多，可按鑄鐵的使用性能、斷口特征或成分特征進(jìn)行分類，較為常用和方便的是將鑄鐵分為七大類，見(jiàn)表3-3(略)。3.1.6鑄鐵的凝固結(jié)晶過(guò)程鑄鐵從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)的一次結(jié)晶過(guò)程，包括初生相析出和共晶凝固兩個(gè)階段。具體包括初生石墨、初生滲碳體或初生奧氏體的形成及其形貌，共晶凝固以及共晶后期組織的形成。1初生相的析出1）初生石墨或初生滲碳體的結(jié)晶2）初生奧氏體的結(jié)晶2共晶凝固過(guò)程1）穩(wěn)定系的共晶轉(zhuǎn)變4）蠕蟲(chóng)狀石墨的形成過(guò)程2）片狀石墨的長(zhǎng)大5）亞穩(wěn)定系共晶轉(zhuǎn)變過(guò)程3）球狀石墨的形成過(guò)程過(guò)共晶白口鑄鐵的先析出相為初生滲碳體，滲碳體的晶格結(jié)構(gòu)如圖3.3所示，初生滲碳體的生長(zhǎng)特征及形態(tài)受晶體結(jié)構(gòu)中原子之間鍵能的各向異性影響。由于結(jié)晶時(shí)的溫度較高，生長(zhǎng)的時(shí)間較長(zhǎng)，又是在鐵液中自由地長(zhǎng)大，因而常常長(zhǎng)成粗大片狀，如圖3.8（a）過(guò)共晶鑄鐵凝固組織所示。圖3.7初生滲碳體板片狀樹(shù)枝晶（a）過(guò)共晶鑄鐵

（b）亞共晶鑄鐵圖3.8灰鑄鐵的非平衡凝固組織圖3.9示意說(shuō)明了亞共晶灰鑄鐵的共晶轉(zhuǎn)變過(guò)程。一些晶間夾雜物或硬化相則分散分布于共晶團(tuán)之間，被腐蝕后從而顯示出共晶團(tuán)的輪廓，如圖3.10（a）所示，圖3.10（b）為深腐蝕后灰鑄鐵共晶團(tuán)中片狀石墨的立體形貌。圖3.9亞共晶灰鑄鐵的結(jié)晶過(guò)程示意圖（a）共晶團(tuán)×10（b）深腐蝕后片狀石墨的立體形貌×1000圖3.10灰鑄鐵的共晶團(tuán)在石墨的基面上存在螺旋位錯(cuò)缺陷，為石墨的生長(zhǎng)提供大量的生長(zhǎng)臺(tái)階（圖3.11），石墨沿這些臺(tái)階生長(zhǎng)，看起來(lái)是沿著基面的a向生長(zhǎng)，其實(shí)還包括著向c向生長(zhǎng)的作用，即既有增大片狀面積的作用，又有增加石墨厚度的傾向。除此之外，在石墨晶體中還存在著旋轉(zhuǎn)晶界缺陷（圖3.12），同樣提供了晶體生長(zhǎng)所需的臺(tái)階，這種臺(tái)階可促進(jìn)石墨沿a向生長(zhǎng)。圖3.11石墨螺旋位錯(cuò)臺(tái)階示意圖圖3.12石墨以旋轉(zhuǎn)晶界臺(tái)階生長(zhǎng)的示意圖3.1.7鑄鐵的固態(tài)相變鑄鐵凝固后，隨著溫度的進(jìn)一步降低，將發(fā)生固態(tài)相變過(guò)程。在繼續(xù)冷卻過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生奧氏體中碳的脫溶和共析轉(zhuǎn)變。在鑄鐵熱處理時(shí)，會(huì)產(chǎn)生過(guò)冷奧氏體的中溫、低溫轉(zhuǎn)變。1.奧氏體中碳的脫溶

普通成分的鑄鐵，共晶轉(zhuǎn)變后組織為含碳約2.1％的奧氏體加石墨。如繼續(xù)冷卻，奧氏體中的含碳量將沿E’S’線（圖3.1）減小，以二次石墨的形式析出。如為白口鑄鐵，由于共晶轉(zhuǎn)變時(shí)按亞穩(wěn)定系轉(zhuǎn)變，則此時(shí)一般亦按亞穩(wěn)定系析出二次滲碳體。在固態(tài)連續(xù)冷卻的條件下，析出的高碳相往往不需要重新形核，而只是依附在共晶高碳相上。如對(duì)于灰鑄鐵來(lái)說(shuō)，由奧氏體脫溶而析出的二次石墨就堆積在共晶石墨上。2共析轉(zhuǎn)變

共析轉(zhuǎn)變屬固態(tài)相變，由于原子擴(kuò)散緩慢，其轉(zhuǎn)變速度要比共晶凝固速度低得多，故共析轉(zhuǎn)變經(jīng)常有較大的過(guò)冷，甚至完全被抑止。當(dāng)奧氏體冷卻至共析溫度以下，并達(dá)到一定的過(guò)冷度后，就開(kāi)始共析轉(zhuǎn)變。共析轉(zhuǎn)變是決定鑄鐵基體組織的重要環(huán)節(jié)。與共晶轉(zhuǎn)變一樣，共析轉(zhuǎn)變也往往按成對(duì)長(zhǎng)大的方式進(jìn)行，即兩個(gè)固體相α與Fe3C相互協(xié)同地從第三個(gè)固體相長(zhǎng)大（見(jiàn)圖3.19）。普遍觀察到珠光體組織是在母相（奧氏體γ相）的界面上形核，并以球團(tuán)狀晶粒向母相內(nèi)長(zhǎng)大（圖3.20）。圖3.19珠光體長(zhǎng)大時(shí)碳的擴(kuò)散圖3.20珠光體團(tuán)由晶界向奧氏體晶內(nèi)長(zhǎng)大示意圖3過(guò)冷奧氏體的中溫及低溫轉(zhuǎn)變

如果把鑄鐵加熱到奧氏體區(qū)溫度，然后以較快的速度進(jìn)行連續(xù)冷卻或等溫冷卻，和鋼一樣亦可得到不同基體的鑄鐵。

如把鑄鐵加熱、保溫奧氏體化后，很快冷至450~250℃范圍，并在此溫度區(qū)進(jìn)行保溫，使過(guò)冷奧氏體進(jìn)行等溫分解，則其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為貝氏體組織，是由含碳過(guò)量的鐵素體和極細(xì)小的滲碳體混合而成。貝氏體比珠光體具有更高的強(qiáng)度和硬度。3.2灰鑄鐵3.2.1灰鑄鐵的石墨類型

由于鑄鐵的化學(xué)成分、冷卻速度、形核能力等凝固條件不同，灰鑄鐵中的片狀石墨可出現(xiàn)不同的分布及尺寸。我國(guó)把灰鑄鐵的石墨分為6種類型，如圖3.21所示，由于圖中顯示的是二維截面，因此直觀看來(lái)石墨片大多是不連續(xù)的。各種類型石墨的說(shuō)明和形成條件分別見(jiàn)表3-4和表3-5所示。（a）片狀（A型）（b）菊花狀（B型）（c）塊片狀（C型）

（d）枝晶點(diǎn)狀（D型）（e）枝晶片狀（E型）

（f）星狀（F型）3.2.2灰鑄鐵的性能特點(diǎn)及應(yīng)用灰鑄鐵通常是指具有片狀石墨的灰口鑄鐵，這種鑄鐵具有一定的力學(xué)性能、良好的鑄造性能以及其它多方面的優(yōu)良性能，因而在機(jī)械制造業(yè)中獲得了最廣泛的應(yīng)用。

灰鑄鐵具有一定的強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度約為100~400MPa，但塑性和韌性很低，這種性能特點(diǎn)與石墨本身的性能及其在鑄鐵組織中的存在形態(tài)有關(guān)。由于在石墨晶格的同一基面上碳原子之間與相鄰基面上對(duì)應(yīng)的碳原子之間在結(jié)合鍵能上相差很大，因而使石墨具有各向異性。3.2.3提高灰鑄鐵性能的方法為提高灰鑄鐵的性能，常采取下列各種措施：合理選定化學(xué)成分；孕育處理；微量或低合金化等。1合理選定化學(xué)成分在鑄鐵的凝固特性、組織結(jié)構(gòu)與材質(zhì)性能方面有如下的變化：

（1）組織中初生奧氏體量增加，有加固基體的作用；

（2）由于總碳量的降低，石墨量相應(yīng)減少，減少了石墨的割裂及縮減作用；

（3）固溶于鐵素體中的硅量增多，強(qiáng)化了鐵素體；

（4）提高了共析轉(zhuǎn)變溫度，珠光體在較高溫度下形成，易粗化，對(duì)強(qiáng)度性能不利；（5）提高了液相線凝固溫度，同時(shí)降低了共晶溫度，因而擴(kuò)大了凝固范圍，降低鐵液流動(dòng)性，增大了縮松滲漏傾向。經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用的結(jié)果，認(rèn)為在碳當(dāng)量較低時(shí)，適當(dāng)提高Si/C，強(qiáng)度性能會(huì)有所提高（圖3.22），切削性能有較大改善，但縮松、滲漏傾向可能會(huì)增高。（a）不加合金

（b）加w（Cr）=0.3%，w（Cu）=0.4%

圖3.22硅碳比對(duì)灰鑄鐵抗拉強(qiáng)度的影響2進(jìn)行孕育處理

在高強(qiáng)度灰鑄鐵生產(chǎn)中，采用孕育處理是提高強(qiáng)度、改善石墨形狀及其分布的有效手段。把孕育劑加入鐵液中，以改變鐵液的冶金狀態(tài)，從而改善鑄鐵的組織和性能，而這種改變往往難以用化學(xué)成分的細(xì)微變化來(lái)解釋。隨著孕育劑及孕育方法的不斷發(fā)展，孕育處理環(huán)節(jié)已成為重要鑄鐵件生產(chǎn)時(shí)不可缺少的手段，得到了普遍應(yīng)用。

孕育處理的目的在于：①促進(jìn)石墨化，降低白口傾向；②改善斷面均勻性；③控制石墨形態(tài)，減少過(guò)冷石墨，促進(jìn)A型石墨的形成；④適當(dāng)增加共晶團(tuán)數(shù)和促進(jìn)細(xì)片狀珠光體的形成；⑤改善鑄鐵的力學(xué)性能及其它性能，如切削性能等。1）孕育處理對(duì)鐵液的要求（1）選擇合適的化學(xué)成分（2）鐵液要有一定的過(guò)熱溫度2）孕育劑的選用3）孕育方法4）孕育效果的評(píng)定（1）白口傾向的評(píng)定（2）共晶團(tuán)數(shù)（3）測(cè)定共晶過(guò)冷度5）孕育鑄鐵的組織和性能特點(diǎn)3進(jìn)行低合金化向一定成分的普通灰鑄鐵中加入少量合金元素，是提高灰鑄鐵力學(xué)性能的另一個(gè)有力手段。常在爐前進(jìn)行孕育處理而加以配合。由于加入量較少，因而在組織上仍然沒(méi)有脫離灰鑄鐵的范疇。由于合金元素的作用，常使灰鑄鐵的組織發(fā)生以下變化：①石墨有一定程度的細(xì)化；②鐵素體量減少甚至消失；③珠光體有一定程度的細(xì)化，而且其中的鐵素體由于溶有一定量的合金元素而得到固溶強(qiáng)化。因而這類鑄鐵總有較高的強(qiáng)度性能。由于一般不形成特殊的新相，故這種鑄鐵的鑄造性能和普通灰鑄鐵相比沒(méi)有多大差別。通常加入合金元素含量小于3%的灰鑄鐵稱為低合金鑄鐵。合金元素不僅貴，而且某些元素，尤其是碳化物穩(wěn)定元素在超過(guò)一定量后，不僅沒(méi)有好處，反而會(huì)增大白口傾向，促使基體內(nèi)有硬質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生。表3-8是低合金化灰鑄鐵經(jīng)常使用的合金量。表3-8常用合金元素加入量3.3球墨鑄鐵3.3.1球墨鑄鐵的組織1石墨球墨鑄鐵中允許出現(xiàn)的石墨形態(tài)，除了主要是球狀石墨以外，還可以有少量的非球狀石墨，如團(tuán)狀、團(tuán)絮狀、蠕蟲(chóng)狀等。我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)將球化等級(jí)分為六級(jí)，見(jiàn)表3-9和圖3.24。此外，還將石墨球大小分為六級(jí)，見(jiàn)表3-10。表3-9石墨球化分級(jí)表3-10石墨球大小分級(jí)圖3.24球狀石墨球化分級(jí)

×1002基體組織球墨鑄鐵的基體組織取決于化學(xué)成分、一次結(jié)晶和二次結(jié)晶過(guò)程，可以是鐵素體、珠光體（包括片間距細(xì)小的索氏體和托氏體）、奧氏體、貝氏體（包括上貝氏體和下貝氏體）和馬氏體。其中，在生產(chǎn)中大約有90%的球墨鑄鐵基體組織是由鐵素體和珠光體組成，包括一些球墨鑄鐵有純鐵素體或純珠光體基體組織。3.3.2球墨鑄鐵的性能特點(diǎn)及應(yīng)用球墨鑄鐵的發(fā)明使鑄鐵材料的性能產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍，因此在國(guó)內(nèi)外都發(fā)展得很快。我國(guó)從1950年就開(kāi)始生產(chǎn)球墨鑄鐵，結(jié)合我國(guó)豐富的稀土資源，20世紀(jì)60年代又發(fā)展了稀土鎂球墨鑄鐵，其使用范圍已遍及汽車、農(nóng)機(jī)、船舶、冶金、化工等部門(mén)，成為重要的鑄鐵材料。表3-11列出了球墨鑄鐵的牌號(hào)及力學(xué)性能。1珠光體球墨鑄鐵的性能及應(yīng)用

珠光體球墨鑄鐵是以珠光體基體為主，余量為鐵素體的球墨鑄鐵，QT600-3、QT700-2和QT800-2屬于這一類型，一般可在鑄態(tài)或采用正火處理獲得。2鐵素體球墨鑄鐵的性能及應(yīng)用

鐵素體球墨鑄鐵指基體以鐵素體為主，其余為珠光體的球墨鑄鐵，典型牌號(hào)為QT400-18、QT400-15及QT450-10。其性能特點(diǎn)為塑性和韌性較高，強(qiáng)度較低。3混合基體型球墨鑄鐵的性能及應(yīng)用QT500-7屬鐵素體和珠光體混合基體的球墨鑄鐵，這種鑄鐵由于有較好的強(qiáng)度和韌性的配合，多用于汽車、農(nóng)業(yè)機(jī)械、冶金設(shè)備及柴油機(jī)中一些部件，通過(guò)鑄態(tài)控制或熱處理手段，可調(diào)整和改善組織中珠光體和鐵素體的相對(duì)數(shù)量及形態(tài)與分布，從而可在一定范圍內(nèi)改善和調(diào)整其強(qiáng)度和韌性的配合，以滿足各類部件的要求。4奧氏體-貝氏體球墨鑄鐵的性能及應(yīng)用奧氏體-貝氏體球墨鑄鐵開(kāi)發(fā)于20世紀(jì)70年代后期，與普通基體的球墨鑄鐵相比，它具有強(qiáng)度、塑性和韌性都很高的綜合力學(xué)性能，顯著地優(yōu)于珠光體球墨鑄鐵，也優(yōu)于傳統(tǒng)的經(jīng)調(diào)質(zhì)處理的球墨鑄鐵。3.3.3球墨鑄鐵的生產(chǎn)在球墨鑄鐵的生產(chǎn)過(guò)程中，熔煉優(yōu)質(zhì)鐵液和進(jìn)行有效的球化處理及孕育處理是生產(chǎn)的關(guān)鍵。球墨鑄鐵具有高的力學(xué)性能，是以石墨球化狀況良好為前提的，衡量石墨球化狀況的標(biāo)準(zhǔn)是球化率、石墨球徑和石墨球的圓整度。為了保證球墨鑄鐵的性能，要求有高的球化率、圓整而細(xì)小的球狀石墨，因此就需要熔煉出質(zhì)量良好的鐵液，并進(jìn)行良好的球化處理和孕育處理。1球墨鑄鐵的熔煉要求

優(yōu)質(zhì)的鐵液是獲得高質(zhì)量球墨鑄鐵的關(guān)鍵，適用于球墨鑄鐵生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)鐵液應(yīng)該是高溫、低硫、低磷和低的雜質(zhì)含量。2球化處理1）球化劑為使鑄鐵中的石墨結(jié)晶成球狀而加入鐵液中的添加劑叫作球化劑。目前，在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，主要的球化劑是鎂、稀土元素（以鈰、鑭為主的輕稀土和以釔為主的重稀土）和鈣。但至今，后兩者（稀土和鈣）已不單獨(dú)使用，而是與鎂復(fù)合使用作球化劑。2）球化處理方法自球墨鑄鐵問(wèn)世以來(lái)，發(fā)展了許多球化處理方法。其中沖入法是迄今國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的球化處理工藝。這種工藝要求原鐵液溫度不小于1450℃，硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.01%。一般采用稀土硅鐵鎂球化劑。3孕育處理

孕育處理是球墨鑄鐵生產(chǎn)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，孕育處理有以下幾個(gè)作用：

（I）消除結(jié)晶過(guò)冷傾向

球墨鑄鐵鐵液的結(jié)晶過(guò)冷傾向比灰鑄鐵大，而且球墨鑄鐵的結(jié)晶過(guò)冷傾向不隨鐵液碳硅含量的高低而變化，因此盡管球墨鑄鐵的碳硅含量比一般灰鑄鐵高，但仍有較大的白口傾向。

（2）促進(jìn)石墨球化

孕育處理能增加石墨核心，細(xì)化球狀石墨，提高球狀石墨生長(zhǎng)的相對(duì)穩(wěn)定性，提高石墨球的圓整度。

（3）減小晶間偏析

在球墨鑄鐵共晶團(tuán)的生長(zhǎng)過(guò)程中，一些產(chǎn)生正偏析的元素如錳、磷等，均在結(jié)晶前沿富集，并于凝固終了時(shí)，在晶間處形成脆性相，造成鑄鐵的塑性和韌性下降。4球墨鑄鐵的熱處理熱處理對(duì)于球墨鑄鐵具有特殊的重要作用。由于石墨的有利形狀，使得它對(duì)基體的破壞作用減到了最低限度，因此通過(guò)各種改變基體組織的熱處理手段，可大幅度地調(diào)整和改善球墨鑄鐵的性能，滿足不同服役條件的要求。1）球墨鑄鐵的退火處理2）球墨鑄鐵的正火處理3）球墨鑄鐵的等溫淬火處理3.4蠕墨鑄鐵3.4.1蠕墨鑄鐵的組織蠕墨鑄鐵是一種石墨形狀介于片狀和球狀之間的鑄鐵，其典型金相組織如圖3.27所示。蠕墨鑄鐵中的石墨比普通片狀石墨短而厚，呈彎曲狀，外形酷似蠕蟲(chóng)，故稱蠕蟲(chóng)狀石墨。又由于這種石墨的致密程度（即石墨形狀的寬長(zhǎng)比）遠(yuǎn)比灰鑄鐵中的片狀石墨大，故國(guó)外又稱致密石墨。石墨為球形，屬最致密的形狀。球狀石墨、蠕蟲(chóng)狀石墨及片狀石墨的l/d值見(jiàn)圖3.28。圖3.28石墨形狀與長(zhǎng)寬比值圖3.27蠕墨鑄鐵的典型組織3.4.2蠕墨鑄鐵的性能特點(diǎn)及應(yīng)用蠕墨鑄鐵的力學(xué)性能根據(jù)其蠕化程度介于相同基體組織的灰鑄鐵和球墨鑄鐵之間，我國(guó)的蠕墨鑄鐵牌號(hào)見(jiàn)表3-13，按其強(qiáng)度性能分為5個(gè)等級(jí)。表3-13蠕墨鑄鐵的牌號(hào)及力學(xué)性能3.4.3蠕墨鑄鐵的生產(chǎn)蠕墨鑄鐵的生產(chǎn)通常包含下列環(huán)節(jié)：①選擇合適的化學(xué)成分并熔煉合格的鐵液；②爐前處理（蠕化處理及孕育處理）；②爐前檢驗(yàn)及澆注。目前在生產(chǎn)中較難控制的環(huán)節(jié)為爐前處理工序。1蠕化處理

事實(shí)上所有能使石墨球化的元素均可使石墨蠕化，只要能夠有效地控制其加入量即可。最早期的蠕墨鑄鐵實(shí)際上就是由于球化元素加入量不足所產(chǎn)生的，這樣人們嘗試用減少球化劑加入量的方法來(lái)生產(chǎn)蠕墨鑄鐵，如采用單獨(dú)加入較少量鎂、稀土的方法，但在生產(chǎn)上的控制較為困難。2孕育處理由于蠕化處理后鐵液中鎂和稀土的作用，使鐵液亦具有結(jié)晶過(guò)冷和在組織中出現(xiàn)游離滲碳體的傾向，因此孕育處理亦是蠕墨鑄鐵生產(chǎn)中的一個(gè)必要環(huán)節(jié)，其作用至少有以下三方面：1）消除結(jié)晶過(guò)冷傾向，減少自由滲碳體；2）提供足夠的石墨晶核，增加共晶團(tuán)數(shù)，使石墨呈細(xì)小均勻分布，提高力學(xué)性能；3）延緩蠕化衰退。3.5可鍛鑄鐵3.5.1可鍛鑄鐵的性能特點(diǎn)及應(yīng)用可鍛鑄鐵是將一定成分的白口鑄件毛坯經(jīng)退火處理，使白口鑄鐵中的滲碳體分解成為團(tuán)絮狀石墨，從而得到由團(tuán)絮狀石墨和不同基體組織組成的鑄鐵。比起灰鑄鐵來(lái)說(shuō)，由于石墨形狀的改善，使這種鑄鐵具有較高的強(qiáng)度，同時(shí)還兼有良好的塑性和韌性。

當(dāng)將白口鑄件毛坯在密封的退火爐中進(jìn)行熱處理，即在中性爐氣氛條件下退火時(shí)，共晶滲碳體在高溫下分解成為團(tuán)絮狀石墨，隨后通過(guò)不同的熱處理制度可使基體組織成為鐵素體或珠光體組織。3.5.2可鍛鑄鐵的生產(chǎn)選用合適的化學(xué)成分和制定合理的退火規(guī)范，是保證可鍛鑄鐵性能和縮短退火時(shí)間的兩個(gè)重要方面。這兩方面往往有一定的聯(lián)系，故經(jīng)常予以綜合考慮?；瘜W(xué)成分是決定可鍛鑄鐵力學(xué)性能和熱處理時(shí)間的主要因素，化學(xué)成分的選定原則如下：（1）保證鑄件整個(gè)斷面上在鑄態(tài)時(shí)能獲得全白口，沒(méi)有麻點(diǎn)，否則會(huì)明顯降低力學(xué)性能。（2）石墨化過(guò)程要快，以保證在盡可能短的時(shí)間內(nèi)完成石墨化退火，縮短生產(chǎn)周期。（3）有利于提高力學(xué)性能，保證得到優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。（4）在保證力學(xué)性能的前提下，具有較好的鑄造性能，以利于得到健全鑄件。鐵素體可鍛鑄鐵退火過(guò)程可用圖3.29所示的退火曲線及組織變化示意圖來(lái)說(shuō)明?？梢?jiàn)由鑄態(tài)下珠光體加萊氏體的白口組織，經(jīng)退火后轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體加團(tuán)絮狀石墨（圖3.30）?？慑戣T鐵退火時(shí)間的長(zhǎng)短決定于自由滲碳體和珠光體全部分解完畢的快慢。3.6特殊性能鑄鐵3.6.1抗磨鑄鐵

生產(chǎn)中應(yīng)用的抗磨鑄鐵大多是白口鑄鐵，白口鑄鐵含有較多的硬質(zhì)相——共晶碳化物，可滿足高硬度的要求。常用的白口鑄鐵有普通白口鑄鐵、鎳硬鑄鐵和鉻系白口鑄鐵。1普通白口鑄鐵

普通白口鑄鐵的耐磨性不是很好，但因其價(jià)格低廉，生產(chǎn)簡(jiǎn)便，目前還應(yīng)用在某些場(chǎng)合。普通白口鑄鐵可作為一般的抗磨材料，如犁鏵、面粉機(jī)磨輥、清理設(shè)備中的鐵丸等。普通白口鑄鐵的化學(xué)成分具有高碳低硅的特點(diǎn)。增加含碳量，將增加白口鑄鐵的硬度。一般普通白口鑄鐵的含碳量為2.2%~3.6%，含硅量小于1%。普通白口鑄鐵中一般不含或只含少量合金元素。其組織中不含石墨，僅由珠光體和滲碳體組成。較多的情況下，普通白口鑄鐵的共晶組織是萊氏體形，如圖3.31（a）所示；而有些時(shí)候，滲碳體是板條形，如圖3.31（b）所示。兩種共晶組織常共存于同一鑄件中。（a）萊氏體共晶組織

（b）板條形共晶組織圖3.31亞共晶白口鑄鐵的金相組織2鎳硬白口鑄鐵鎳硬白口鑄鐵主要指含鎳的白口鑄鐵。鎳硬鑄鐵中含有大量的鎳，鎳是一種短缺而昂貴的元素，尤其在我國(guó)更是如此，故在我國(guó)鎳硬鑄鐵的應(yīng)用很少。3鉻系白口鑄鐵1）低鉻白口鑄鐵為擴(kuò)大普通白口鑄鐵的應(yīng)用范圍，提高其韌性與耐磨性，在普通白口鑄鐵中加入Cr1%~5％，就形成了低鉻鑄鐵。低鉻鑄鐵一般以珠光體狀態(tài)使用，因此其碳化物類型、數(shù)量、形態(tài)和分布是很重要的參量。2）中鉻白口鑄鐵3）高鉻白口鑄鐵表3-15給出了高鉻鑄鐵的應(yīng)用概貌。表3-15高鉻鑄鐵應(yīng)用一覽3.6.2耐熱鑄鐵鑄鐵在高溫條件下工作，會(huì)發(fā)生表面氧化和體積不可逆脹大（即生長(zhǎng)）現(xiàn)象。氧化將減少鑄件的有效斷面積，降低鑄件的承載能力；生長(zhǎng)則在造成鑄件尺寸不可逆增大的同時(shí)，大大降低力學(xué)性能。故應(yīng)盡可能減小鑄鐵氧化和生長(zhǎng)帶來(lái)的危害，這就導(dǎo)致了耐熱鑄鐵的產(chǎn)生。所謂耐熱鑄鐵即指在高溫條件下具有一定的抗氧化和抗生長(zhǎng)性能，并能承受一定載荷的鑄鐵。各類耐熱鑄鐵的化學(xué)成分和常溫力學(xué)性能見(jiàn)表3-16。由表中可見(jiàn)，我國(guó)耐熱鑄鐵主要可以分為三個(gè)系列，即硅系、鋁系和鉻系耐熱鑄鐵，以下分別予以介紹。表3-16耐熱鑄鐵的化學(xué)成分和力學(xué)性能1中硅耐熱鑄鐵

中硅鑄鐵是一種應(yīng)用較廣泛的耐熱鑄鐵，常用在不受沖擊和溫度低于800～950℃的鍋爐爐柵、橫梁、換熱器、節(jié)氣閥等零件上。2含鋁耐熱鑄鐵鋁在高溫下可形成比SiO2更致密的Al2O3氧化膜，因而具有更高的抗氧化性，含鋁5％以上的鑄鐵，基體組織為單一鐵素體組織，消除了珠光體分解所造成的體積生長(zhǎng)，故抗生長(zhǎng)性也好；此外鋁提高相變溫度，每增加1％的含鋁量可使A1點(diǎn)升高50℃。3含鉻耐熱鑄鐵

鉻與硅、鋁一樣，也能在鑄鐵表面形成良好的Cr2O3保護(hù)膜。含鉻耐熱鑄鐵中，可分成低鉻耐熱鑄鐵RTCr、RTCr2和高鉻耐熱鑄鐵RTCrl6。3.6.3耐蝕鑄鐵提高鑄鐵的耐蝕性主要靠加入合金元素，以得到有利的組織和形成良好的保護(hù)膜。鑄鐵的基體組織最好是致密均勻的單相組織，即奧氏體或鐵素體，因?yàn)槎嘞嘟M織會(huì)形成較多的原電池，有利于電化學(xué)腐蝕的進(jìn)行。1高硅耐蝕鑄鐵硅是提高鑄鐵耐酸性的重要元素。硅的大量加入，可在鑄鐵表面形成比較致密與完整的SiO2保護(hù)膜，這種膜具有很高的電阻率和較高的化學(xué)穩(wěn)定性。2高鉻耐蝕鑄鐵

含鉻24％～35％的白口鑄鐵稱為高鉻耐蝕鑄鐵。其顯微組織為奧氏體或鐵素體加碳化物。一般說(shuō)來(lái)，對(duì)于不含一定量穩(wěn)定奧氏體合金元素（Ni、Cu、N）的高鉻鑄鐵來(lái)說(shuō)，含碳量低（C＜1.3％）時(shí)易獲得鐵素體基體；反之，易獲得奧氏體基體。硅是提高鑄鐵耐酸性的重要元素。硅的大量加入，可在鑄鐵表面形成比較致密與完整的SiO2保護(hù)膜，這種膜具有很高的電阻率和較高的化學(xué)穩(wěn)定性。硅含量大于14.4％時(shí)，鑄鐵在硫酸和鹽酸中的耐蝕性均明顯提高（圖3.33和圖3.34）；3高鎳耐蝕鑄鐵含鎳量在13.5％~36％的鑄鐵為奧氏體鑄鐵。鎳的熱力學(xué)穩(wěn)定性比鐵高，屬易鈍化金屬。加入鎳的主要作用是使腐蝕電位向正方向移動(dòng)，正移程度與鎳含量相對(duì)應(yīng)，即鎳含量越高，鑄鐵的腐蝕電位正移程度越大。因此，在還原性腐蝕介質(zhì)中都能提高鑄鐵的耐蝕性。如在燒堿、鹽鹵、海水、海洋大氣、還原性無(wú)機(jī)酸、脂肪酸等介質(zhì)中都具有高的耐蝕性。但對(duì)硝酸等氧化性酸類的耐蝕性不好。常用的幾種高鎳鑄鐵化學(xué)成分和力學(xué)性能見(jiàn)表3-18。高鎳鑄鐵的組織是由單一的奧氏體基體與分布于其上的石墨所組成，還含有5％~8％的碳化物。表3-18高鎳耐蝕鑄鐵的化學(xué)成分及力學(xué)性能3.7鑄鐵的熔煉鑄鐵熔煉可使用的熔爐種類很多，其中以沖天爐和感應(yīng)電爐應(yīng)用最廣。沖天爐的熱能來(lái)自燃料——焦炭的燃燒熱，而感應(yīng)電爐是以電能作為熱源。下面對(duì)沖天爐和感應(yīng)電爐的熔煉原理進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。3.7.1沖天爐熔煉1沖天爐的構(gòu)造及其工作原理沖天爐的基本構(gòu)造如圖3.36所示。爐體及煙囪等用鋼板焊成。爐體內(nèi)部砌以耐火磚層，以便抵御焦炭燃燒產(chǎn)生的高溫作用。為了保存鐵液，多數(shù)沖天爐都配有前爐。2沖天爐中高溫的產(chǎn)生及熱交換1）焦炭的燃燒及爐氣溫度分布沖天爐用焦炭作燃料。焦炭的基本成分是碳，此外還含有少量的灰分和硫等雜質(zhì)元素。因此焦炭的燃燒可作為固體碳的燃燒反應(yīng)來(lái)分析。在焦炭的燃燒過(guò)程中，進(jìn)行以下反應(yīng)：由于焦炭的燃燒是在爐氣自下而上運(yùn)動(dòng)過(guò)程中進(jìn)行的，因此爐氣成分沿爐身高度方向是不斷變化的。其一般情況如圖3.37所示。在圖3.37上還畫(huà)出爐氣溫度分布曲線。2）爐料的熔化及鐵液的過(guò)熱沖天爐中爐氣溫度從風(fēng)口處向上沿爐身高度方向急劇升高，一般在距風(fēng)口中心線向上300mm左右處達(dá)到最高溫度，再往上爐氣溫度逐漸下降（圖3.37）。3）底焦高度、焦鐵比及層焦厚度對(duì)沖天爐熔化過(guò)程的影晌沖天爐的底焦高度對(duì)鐵液的過(guò)熱溫度及熔化率有重要影響。適宜的底焦高度應(yīng)使其頂面處鐵料的實(shí)