铸铁知识简介

一、铸铁的石墨化及影响因素

    铸铁是一系列主要由铁、碳和硅组成的合金总称。铸铁的含碳量超过WC=2.11%，在凝固过程中经历了共晶转变，比非合金钢（碳钢）含有较多的锰元素及硫、磷等杂质元素。

    在铸铁中，碳有渗碳体（Fe3C）和石墨（G）这两种存在形式。按其存在形式不同，铸铁可分为下列几种：

（1）白口铸铁。碳主要以渗碳体形式存在的铸铁，断口呈银白色。因其硬度高、脆性大难以切削加工，故很少直接用来制造机械零件。白口铸铁主要用作炼钢的原料、可锻铸铁的毛坯，以及不受冲击、要求硬度高和耐磨性好的零件，如轧辊、犁铧、球磨机的磨球等。

（2）灰口铸铁。碳主要以石墨形式出现的铸铁，断口呈灰色。这类铸铁有很多优良的性能，生产设备、生产工艺简单，成本低廉，广泛用于机械制造业。在一般机械中，灰口铸铁件约占机器重量的40～70%，在机床和重型机械中高达80～90%。根据石墨的形态不同，灰口铸铁又分为以下四种：

① 灰铸铁 碳主要以片状石墨的形式出现。

② 球墨铸铁 碳主要以球状石墨的形式出现。

③ 可锻铸铁 碳主要以团絮状石墨的形式出现。

④ 蠕墨铸铁 碳主要以蠕虫状石墨的形式出现。

（3）麻口铸铁 碳部分以渗碳体、部分以石墨形式存在的铸铁，断口呈灰白色相间。这类铸铁硬度高、脆性大，工业很少使用。

此外，为满足耐热、耐蚀、耐磨等特殊性能的需求，在铸铁中加入铬、钼、铜、铝、硅等合金元素就得到合金铸铁。

    石墨的形状、数量、大小及分布对灰口铸铁的组织和性能至关重要。因此，了解铸铁中石墨的形成过程及其影响因素是十分必要的。

1、铸铁的石墨化及影响因素

    铸铁中碳原子以石墨（G）形式析出的过程称为石墨化。石墨既可由铸铁液相或奥氏体中析出，也可由先析出的渗碳体分解而成。石墨是碳的一种结晶形式，具有六方晶格，其强度、硬度、塑性和韧性极低，接近于零，硬度仅为3～5HBS。

影响石墨化的因素

（1）化学成分的影响

    碳和硅是强烈促进石墨化的元素。铸铁中碳、硅的含量越高，越容易进行石墨化，得到灰口铸铁组织。但是，碳、硅的含量过高，会导致石墨片粗大，降低力学性能。

    硫是强烈阻止石墨化的元素。硫在铸铁中易使碳以渗碳体的形式析出，促使白口化；硫还会降低铁水的流动性，使铸造性能变差。

    锰是阻止石墨化的元素，但又是间接促进石墨化的元素。这主要是因为锰能与硫形成硫化锰，减弱硫对石墨化的不利影响。铸铁中的锰含量应适当，一般控制在WMn=0.6～1.3% 。

    磷是微弱促进石墨化的元素，能提高铁水的流动性，但又增加铸铁的冷裂的倾向，一般应把磷的含量控制在0.3%以内。

    生产中一般用碳当量WCE来评价铸铁成分的石墨化能力。

碳当量表示铸铁中硅、磷对铁碳共晶综合影响的指标，一般应控制在共晶成分附近。

（2）冷却速度的影响

    冷却速度越慢越有利于石墨化的进行。反之，冷却速度越快越有利于渗碳体的析出。

    影响铸铁冷却速度的因素主要有铸型材料、铸件壁厚、浇注温度等。如铸铁在砂型中冷却比在金属型中冷却慢；铸件壁越厚，冷却越慢；浇注温度越高，冷却速度越慢。

    实际生产中，通过选择适当的铸铁成分和必要的工艺措施，来控制铸铁的组织和性能。右图是砂型铸造时铸件壁厚（冷却速度）和化学成分对组织的影响。

二、灰铸铁

（1）灰铸铁的成分组织和性能

    灰铸铁的化学成分一般在共晶点附近，其组织可看成是碳钢的基体加片状石墨，按基体组织不同分为三类：铁素体基体灰铸铁；铁素体-珠光体基体灰铸铁；珠光体基体灰铸铁。其显微组织见下图所示。

    灰铸铁的性能主要取决于基体组织和石墨的形态、数量、大小和分布。由于石墨的强度、硬度、塑性极低，可以把石墨相当于是在钢的基体中存在的孔洞和裂纹。灰铸铁中的片状石墨分割和破坏了基体的连续性，减少了承受载荷的有效截面尺寸，且石墨的两端尖角处易产生应力集中，所以，灰铸铁的抗拉强度、塑性、韧性比钢低很多。石墨片越粗大，数量越多，分布越不均匀，灰铸铁的力学性能就越差。由于石墨对抗压强度和硬度影响不大，故灰铸铁的抗压强度和硬度接近于相同基体的钢。当石墨的形态、数量、大小和分布一定时，铸铁的力学性能取决于基体组织。基体中珠光体越多，强度、硬度越高，塑性、韧性越差。

    正是由于片状石墨的存在，使灰铸铁具有优良的铸造性能、优良的切削加工性能、良好的减振性、减摩性和低的缺口敏感性。

（2）灰铸铁的孕育处理

    孕育处理是提高灰铸铁力学性能的一种有效办法。他是在浇注前向铁水中加入少量孕育剂，使大量高度弥散的难熔质点成为石墨的结晶核心，以获得细小均匀的石墨片和细片珠光体。常用孕育剂是含硅量为75%的硅铁合金或硅钙合金。

    通过孕育处理得到的铸铁称为孕育铸铁。孕育铸铁有较高的强度，且铸件各部位截面上的组织和性能比较均匀，常用于力学性能要求较高、截面尺寸变化较大的零件，如发动机曲轴、齿轮、机床床身等。

（3）灰铸铁的牌号、性能及用途

    灰铸铁的牌号用“HT+数字”表示，HT是“灰铁”两字的汉语拼音字首；数字表示最低的抗拉强度值（MPa）。例如HT150，代表抗拉强度σb≥150Mpa的灰铸铁。

    灰铸铁的性能优越、生产简单，应用广泛，其产量占整个铸铁产量的80%以上。常用灰铸铁的牌号、性能及用途见下表。