標準鑄鐵砝碼材料成分常識

鑄鐵砝碼是歷*使用得較早的材料，也是*的金屬材料之一，同時它具有很多優點。比如，在汽車發動機中，鑄鐵占80%。同鋼一樣，鑄鐵也是Fe、C元素為主的鐵基材料，但是它含碳量很高（碳含量大于2.11％），達到亞共晶、共晶或過共晶成分，而且鑄鐵成型制成零件毛坯只能用鑄造方法，不能用鍛造或軋制方法。

鑄鐵砝碼中碳元素按主要存在方式不同可分為兩大類：一是白口鑄鑄鐵（斷口呈現白色），碳的主要存在形式是化合物，如滲碳體，沒有石墨；另一是灰口鑄鐵（斷口呈現黑灰色），碳的主要存在形式是碳的單質，即游離狀態石墨。介于白口鑄鐵與灰口鑄鐵之間為麻口鑄鐵，其中的碳既有游離石墨又有滲碳體。白口鑄鐵的脆性特別大，又特別堅硬，作為零件在工業上很少用，只有少數的部門采用，例如農業上用的犁，除此之外多作為煉鋼用的原料，作為原料時，通常稱它為生鐵。在鑄鐵中還有一類特殊性能鑄鐵，如耐熱待鐵、耐蝕鑄鐵、耐磨鑄鐵等，它們都是為了改善鑄鐵的某些特殊性能加入一定的合金元素Cr、Ni、Mo、Si等，所以又把這類鑄鐵叫合金鑄鐵。
*節 鑄鐵的石墨化

一、Fe-Fe3C和Fe-C雙重相圖
在第四章中介紹過Fe-Fe3C相圖，按這張相圖自液態冷卻下來的Fe-C合金固態一般為鐵素體及滲碳體兩相。實際上滲碳體只是一個亞穩定相，石墨才是穩定相。因此描述鐵碳合金組織轉變的相圖實際上有兩個，一個是Fe-Fe3C系相圖，另一個是Fe-C系相圖。把兩者迭合在一起，就得到一個雙重相圖，見圖8-1。圖中的實線表示Fe-Fe3C系相圖，部分實線再加上虛線表示Fe-C系相圖。鑄鐵自液態冷卻到固態時，若按Fe-Fe3C相圖結晶，就得到白口鑄鐵，若是按Fe-C相圖結晶，就析出和形成石墨，即發生石墨化過程。若是鑄鐵自液態冷卻到室溫，既按Fe-Fe3C相圖，同時又按Fe-C相圖進行，則固態由鐵素體、滲碳體及石墨三相組成。

二、鑄鐵砝碼的石墨化過程

按Fe-C相圖鑄鐵液冷卻過程中，碳溶解于鐵素體外均以石墨形成析出。石墨形成（或石墨化）分為如下兩個階段：
*階段石墨化包括自低于液相線C￠D￠以下溫度冷卻自液體中析出“一次石墨"，低于共晶線E￠C￠F￠（溫度1154℃）共晶成分（C￠點含4.26％C），液體轉變為奧氏體與共晶石墨組成的共晶組織；以及低于共晶溫度E￠C￠F￠以下冷卻沿E￠S￠線從奧氏體中析出“二次石墨"。
第二階段：略低于共析溫度（738℃）的P￠S￠K￠線以下，共析成分（S￠點，含0.68%C）奧氏體轉變為由鐵素體與石墨組成的共析組織。理論上，在P￠S￠K￠溫度以下冷卻至室溫，還可能鐵素體中析出三次石墨，因為數量極微，常忽略。
如果按照上述兩個階段轉變，鑄鐵成型后由鐵素體與石墨（包括一次、共晶、二次、共析石墨）兩相組成。在實際生產中，由于化學成分、冷卻速度等各種工藝制度不同，各階段石墨化過程進行的程度也不同，從而可獲得各種不同金屬基體的鑄態組織。表8-1是一般鑄鐵經不同程度石墨化后所得到的組織。

三、鑄鐵砝碼影響石墨化程度的主要因素
由于鐵的晶體結構與石墨的晶體結構差異很大，而鐵與滲碳體的晶體結構要接近一些，所以普通鑄鐵在一般鑄造條件下只能得到白口鑄鐵，而不易獲得灰口鑄鐵。因此，必須通過添加合金元素和改善鑄造工藝等手段來促進鑄鐵石墨化，形成灰口鑄鐵。

1．化學成分的影響
碳、硅、錳、硫、磷對石墨化有不同影響。其中碳、硅、磷是促進石墨化的元素，錳和硫是阻礙石墨化的元素。在生產實際中，調整碳和硅的含量是控制鑄鐵組織和性能的基本措施之一。可以認為在一般鑄造條件下鑄鐵中較高的含碳量是石墨化的必要條件，保證一定量的硅是石墨化的充分條件，碳與硅含量越高越易石墨化。若碳、硅含量過低，易出現白口，機械性能與鑄造性能都較差。但如果碳、硅含量過高，將導致石墨數量多且粗大，基體內鐵素體量多，機械性能下降。因此，一般灰口鑄鐵的碳、硅含量控制在下列范圍：2.8%－3.5%C，1.4~2.7%Si。

2．溫度及冷卻速度的影響
鑄鐵中碳石墨化過程除受化學成分的影響外，還受鑄造過程中鑄件冷卻速度影響。在成分上保證了碳與硅含量必要而充分條件之后，冷卻速度過快石墨化仍不可能充分進行甚至不能進行。這是因為無論*還是第二階段石墨化，碳元素的擴散條件變成了制約因素。在高溫緩慢冷卻的條件下，由于原子具有較高的擴散能力，通常按Fe-C相圖進行，鑄鐵中的碳以游離態（石墨相）析出。當冷卻速度較快時，由液態析出的是滲碳體而不是石墨。這是因為滲碳體的含碳量（6.69%）比石墨（）更接近合金的含碳量（2.5%～4.0%），因此，一般鑄件冷卻速度越慢，石墨化進行愈充分。冷卻速度快，碳原子很難擴散，石墨化進行困難。

常用鑄鐵的牌號、組織與性能

鑄鐵砝碼中的石墨形態、尺寸以及分布狀況對性能影響很大。鑄鐵中石墨狀況主要受鑄鐵的化學成分及工藝過程的影響。通常，鑄鐵中石墨形態（片狀或球狀）在鑄造后即形成；也可將白口鑄鐵通過退火，讓其中部分或全部的碳化物轉化為團絮狀形態的石墨。工業上使用的鑄鐵很多，按石墨的形態和組織性能，可分為普通灰口鑄鐵、蠕墨鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵和特殊性能鑄鐵等。
一、鑄鐵砝碼 灰口鑄鐵
灰口鑄鐵是價格*、應用zui廣泛的一種鑄鐵，在各類鑄鐵的總產量中，灰口鑄鐵占80%以上。
1．灰口鑄鐵的化學成分和組織特征
在生產中，為澆注出合格的灰鑄鐵件，一般應根據所生產的鑄鐵牌號、鑄鐵壁厚、造型材料等因素來調節鑄鐵的化學成分，這是控制鑄鐵組織的基本方法。
灰口鑄鐵的成分大致范圍為：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。具有上述成分范圍的液體鐵水在進行緩慢冷卻凝固時，將發生石墨化，析出片狀石墨。其斷口的外貌呈淺煙灰色，所以稱為灰口鑄鐵。
普通灰口鑄鐵的組織是由片狀石墨和鋼的基體兩部分組成的。根據不同階段石墨化程度的不同，灰口鑄鐵有三種不同的基體組織，見圖8-2。

2．鑄鐵砝碼 灰口鑄鐵的牌號、性能及用途
灰口鑄鐵灰口鑄鐵的牌號、性能及用途如表8-2所示。牌號中“HT"表示“灰鐵"二字漢語拼音的大寫字頭，在“HT"后面的數字表示zui低抗拉強度值。

鑄鐵砝碼

從表8-2可以看出，在同一牌號中，隨鑄件壁厚的增加，其抗拉強度降低。因此，根據零件的性能要求選擇鑄鐵牌號時，必須同時注意到零件的壁厚尺寸。
灰口鑄鐵的性能與普通碳鋼相比，具有如下特點：
（1）機械性能低，其抗拉強度和塑性韌性都遠遠低于鋼。這是由于灰口鑄鐵中片狀石墨（相當于微裂紋）的存在，不僅在其處引起應力集中，而且破壞了基體的連續性，這是灰口鑄鐵抗拉強度很差，塑性和韌性幾乎為零的根本原因。但是，灰口鑄鐵在受壓時石墨片破壞基體連續性的影響則大為減輕，其抗壓強度是抗拉強度的2.5～4倍。所以常用灰口鑄鐵制造機床床身、底座等耐壓零部件。
（2）耐磨性與消震性好。由于鑄鐵中石墨有利于潤滑及貯油，所以耐磨性好。同樣，由于石墨的存在，灰口鑄鐵的消震性優于鋼。
（3）工藝性能好。由于灰口鑄鐵含碳量高，接近于共晶成分，故熔點比較低，流動性良好，收縮率小，因此適宜于鑄造結構復雜或薄壁鑄件。另外，由于石墨使切削加工時易于形成斷屑，所以灰口鑄鐵的可切削加工性優于鋼。

3．鑄鐵砝碼灰口鑄鐵的孕育處理
表8-2中HT250、HT300、HT350屬于較高強度的孕育鑄鐵（也稱變質鑄鐵），這是普通鑄鐵通過孕育處理而得到的。由于在鑄造之前向鐵液中加入了孕育劑（或稱變質劑），結晶時石墨晶核數目增多，石墨片尺寸變小，更為均勻地分布在基體中。所以其顯微組織是在細珠光體基體上分布著細小片狀石墨。鑄鐵變質劑或孕育劑一般為硅鐵合金或硅鈣合金小顆粒或粉，當加入鑄鐵液內后立即形成SiO2的固體小質點，鑄鐵中的碳以這些小質點為核心形成細小的片狀石墨。
鑄鐵經孕育處理后不僅強度有較大提高，而且塑性和韌性也有所改善。同時，由于孕育劑的加入，還可使鑄鐵對冷卻速度的敏感性顯著減少，使各部位都能得到均勻一致的組織。所以孕育鑄鐵常用來制造機械性能要求較高、截面尺寸變化較大的鑄件。

二、球墨鑄鐵
灰口鑄鐵經孕育處理后雖然細化了石墨片，但未能改變石墨的形態。改變石墨形態是大幅度提高鑄鐵機械性能的根本途徑，而球狀石墨則是zui為理想的一種石墨形態。為此，在澆注前向鐵水中加入球化劑和孕育劑進行球化處理和孕育處理，則可獲得石墨呈球狀分布的鑄鐵，稱為球墨鑄鐵，簡稱“球鐵"。

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圖8-3 球墨鑄鐵的顯微組織
（a）珠光體+鐵素體基球墨鑄鐵； （b）鐵素體基球墨鑄鐵

1．球墨鑄鐵的化學成分和組織特征
球墨鑄鐵常用的球化劑有鎂、稀土或稀土鎂，孕育劑常用的是硅鐵和硅鈣。球墨鑄鐵的大致化學成分范圍是：3.6～3.9%C，2.0～3.2%Si，0.3～0.8%Mn，<0.1%P，<0.07%S，0.03～0.08%Mg殘。由于球化劑的加入將阻礙石墨化，并使共晶點右移造成流動性下降，所以必須嚴格控制其含量。
球墨鑄鐵的顯微組織由球形石墨和金屬基體兩部分組成。隨著成分和冷卻速度的不同，球鐵在鑄態下的金屬基體可分為鐵素體、鐵素體加珠光體、珠光體三種，見圖8-3。

2．球墨鑄鐵的牌號、性能特點及用途
球墨鑄鐵的牌號、機械性能及用途如表8-3所示。牌號中的“QT"表示“球鐵" 二字漢語拼音的大寫字頭，在“QT"后面兩組的數字分別表示zui低抗拉強度和zui低延伸率。

與灰口鑄鐵砝碼相比，球墨鑄鐵具有較高的抗拉強度和彎曲疲勞極限，也具有相當良好的塑性及韌性。這是由于球形石墨對金屬基體截面削弱作用較小，使得基體比較連續，且在拉伸時引起應力集中的效應明顯減弱，從而使基體的作用可以從灰口鑄鐵的30～50%提高到70～90%。另外，球鐵的剛性也比灰口鑄鐵好，但球鐵的消震能力比灰口鑄鐵低很多。
由于球鐵中金屬基體是決定球鐵機械性能的主要因素，所以球鐵可通過合金化和熱處理強化的方法進一步提高它的機械性能。因此，球鐵可以在一定條件下代替鑄鋼、鍛鋼等，用以制造受力復雜、負荷較大和要求耐磨的鑄件。如具有高強度與耐磨性的珠光體球鐵常用來制造內燃機曲軸、凸輪軸、軋鋼機軋輥等；具有高韌性和塑性的鐵素體球鐵常用來制造閥門、汽車后橋殼、犁鏵、收割機導架等。

三、蠕墨鑄鐵
蠕墨鑄鐵是近年來發展起來的一種新型工程材料。它是由液體鐵水經變質處理和孕育處理隨之冷卻凝固后所獲得的一種鑄鐵。通常采用的變質元素（又稱蠕化劑）有稀土硅鐵鎂合金、稀土硅鐵合金、稀土硅鐵鈣合金或混合稀土等。
1．蠕墨鑄鐵的化學成分和組織特征
蠕墨鑄鐵的石墨形態介于片狀和球狀石墨之間。灰口鑄鐵中石墨片的特征是片長、較薄、端部較尖。球鐵中的石墨大部分呈球狀，即使有少量團狀石墨，基本上也是互相分離的。而蠕墨鑄鐵的石墨形態在光學顯微鏡下看起來像片狀，但不同于灰口鑄鐵的是其片較短而厚、頭部較圓（形似蠕蟲）。所以可以認為，蠕蟲狀石墨是一種過渡型石墨。
蠕墨鑄鐵的化學成分一般為：3.4～3.6%C，2.4～3.0%Si，0.4～0.6%Mn，≤0.06%S，≤0.07%P。對于珠光體蠕墨鑄鐵，要加入珠光體穩定元素，使鑄態珠光體量提高。
2．蠕墨鑄鐵的牌號、性能特點及用途
蠕墨鑄鐵的牌號、機械性能及用途如表8-4所示。牌號中“RuT"表示“蠕鐵" 二字漢語拼音的大寫字頭，在“RuT"后面的數字表示zui低抗拉強度。表中的“蠕化率"為在有代表性的顯微視野內，蠕蟲狀石墨數目與全部石墨數目的百分比。

由于蠕墨鑄鐵的組織是介于灰口鑄鐵與球墨鑄鐵之間的中間狀態，所以蠕墨鑄鐵的性能也介于兩者之間，即強度和韌性高于灰口鑄鐵，但不如球墨鑄鐵。蠕墨鑄鐵的耐磨性較好，它適用于制造重型機床床身、機座、活塞環、液壓件等。
蠕墨鑄鐵的導熱性比球墨鑄鐵要高得多，幾乎接近于灰口鑄鐵，它的高溫強度、熱疲勞性能大大優于灰口鑄鐵，適用于制造承受交變熱負荷的零件，如鋼錠模、結晶器、排氣管和汽缸蓋等。蠕墨鑄鐵的減震能力優于球墨鑄鐵，鑄造性能接近于灰口鑄鐵，鑄造工藝簡便，成品率高。

四、鑄鐵砝碼可鍛鑄鐵
可鍛鑄鐵是由白口鑄鐵經長時間石墨化退火而獲得的一種高強度鑄鐵，又叫瑪鋼。白口鑄鐵中的滲碳體在退火過程中分解出團絮狀石墨，所以明顯減輕了石墨對基體的割裂。與灰口鑄鐵相比，可鍛鑄鐵的強度和韌性有明顯提高。

1．可鍛鑄鐵的化學成分和組織特征
可鍛鑄鐵的制作過程是：先鑄造成白口鑄鐵，再進行“可鍛化"退火將滲碳體分解為團絮狀石墨，得到鐵素體基體加團絮狀石墨或珠光體（亦或珠光體及少量鐵素體）基體加團絮狀石墨。鐵素體基體＋團絮狀石墨的可鍛鑄鐵斷口呈黑灰色，俗稱黑心可鍛鑄鐵，這種鑄鐵件的強度與延性均較灰口鑄鐵的高，非常適合鑄造薄壁零件，是zui為常用的一種可鍛鑄鐵。珠光體基體或珠光體與少量鐵素體共存的基體加團絮狀石墨的可鍛鑄鐵件斷口呈白色俗稱白心可鍛鑄鐵，這種可鍛鑄鐵應用不多。
由于生產可鍛鑄鐵的先決條件是澆注出白口鑄鐵，若鑄鐵沒有*白口化而出現了片狀石墨，則在隨后的退火過程中，會因為從滲碳體中分解出的石墨沿片狀石墨析出而得不到團絮狀石墨。所以可鍛鑄鐵的碳硅含量不能太高，以促使鑄鐵*白口化；但碳、硅含量也不能太低，否則使石墨化退火困難，退火周期增長。可鍛鑄鐵的化學成分大致為：2.5~3.2%C，0.6~1.3%Si，0.4~0.6%Mn，0.1~0.26％P，0.05~1.0%S。

2．可鍛鑄鐵砝碼的牌號、性能特點及用途
可鍛鑄鐵的牌號、機械性能及用途見表8-5。牌號中的“KT"表示“可鐵"二字漢語拼音的大寫字頭，“H"表示“黑心"，“Z"表示珠光體基體。牌號后面的兩組數字分別表示zui低抗拉強度和zui低延伸率。

可鍛鑄鐵不能用鍛造方法制成零件，只是因為石墨的形態改造為團絮狀，不如灰口鑄鐵的石墨片分割基體嚴重，因而強度與韌性比灰口鑄鐵高。
可鍛鑄鐵的機械性能介于灰口鑄鐵與球墨鑄鐵之間，有較好的耐蝕性，但由于退火時間長，生產效率極低，使用受到限制，故一般用于制造形狀復雜，承受沖擊，并且壁厚<25mm的鑄件（如汽車、拖拉機的后橋殼、輪殼等）。可鍛鑄鐵亦適用于制造在潮濕空氣、爐氣和水等介質中工作的零件，如管接頭、閥門等。

3．可鍛鑄鐵的石墨化退火
可鍛鑄鐵的石墨是通過白口鑄件退火形成的。通常是先形成的白口鑄件加熱到900~980℃溫度，一般保溫60－80小時，爐冷使其中滲碳體分解讓“*階段石墨化"充分進行形成團絮狀石墨。待爐冷至770－650℃再長時間保溫讓“第二階段石墨化"充分進行，這樣處理后獲得“黑心可鍛鑄鐵"。若取消第二階段的770－650℃長時間保溫，只讓*階段石墨化充分進行爐冷后便獲得珠光體基體或珠光體與少量鐵素體共存的基體加團絮狀石墨的“白心可鍛鑄鐵"。
可鍛鑄件的問題是：可鍛化退火時間太長，生產效率太低，退火后在600~400℃之間緩冷后鑄鐵件脆性大。解決問題的辦法是：避免退火后在600~400℃之間緩冷；向鑄鐵液中引入少量Bi、B元素并可適當提高硅的含量可有效地縮短退火時間。我國有的廠家已將可鍛化退火時間縮短到20h。

五、特殊性能鑄鐵
工業上除了要求鑄鐵有一定的機械性能外，有時還要求它具有較高的耐磨性以及耐熱性、耐蝕性。為此，在普通鑄鐵的基礎上加入一定量的合金元素，制成特殊性能鑄鐵（合金鑄鐵）。它與特殊性能鋼相比，熔煉簡便，成本較低。缺點是脆性較大，綜合機械性能不如鋼。
1．耐磨鑄鐵
有些零件如機床的導軌、托板，發動機的缸套，球蘑機的襯板、磨球等，要求更高的耐磨性，一般鑄鐵滿足不了工作條件的要求，應當選用耐磨鑄鐵，耐磨鑄鐵根據組織可分為下面幾類。
（1）耐磨灰口鑄鐵
在灰口鑄鐵中加入少量合金元素（如磷、釩、鉻、鉬、銻、稀土等）可以增加金屬基體中珠光體數量，且使珠光體細化，同時也細化了石墨。由于鑄鐵的強度和硬度升高，顯微組織得到改善，使得這種灰口鑄鐵具有良好的潤滑性和抗咬合抗擦傷的能力。耐磨灰口鑄鐵廣泛用于制造機床導軌、汽缸套、活塞環、凸輪軸等零件。
（2）中錳球墨鑄鐵
在稀土-鎂球鐵中加入5.0～9.5%Mn，控制3.3～5.0%Si，其組織為馬氏體+奧氏體+滲碳體+貝氏體+球狀石墨，具有較高的沖擊韌性和強度，適用于同時承受沖擊和磨損條件下使用，可代替部分高錳鋼和鍛鋼。中錳球鐵常用于農機具耙片、犁鏵、球蘑機磨球等零件。

2．耐熱鑄鐵
普通灰口鑄鐵的耐熱性較差，只能在小于400℃左右的溫度下工作。耐熱鑄鐵是指在高溫下具有良好的抗氧化和抗生長能力的鑄鐵。所謂熱生長是指氧化性氣氛沿石墨片邊界和裂紋滲入鑄鐵內部，形成內氧化以及因滲碳體分解成石墨而引起體積的不可逆膨脹。結果將使鑄件失去精度和產生顯微裂紋。
在鑄鐵中加入硅、鋁、鉻等合金元素，使之在高溫下形成一層致密的氧化膜：SiO、AlO、CrO等，使其內部不再繼續氧化。此外，這些元素還會提高鑄鐵的臨界點，使其在所使用的溫度范圍內不發生固態相變，以減少由此造成的體積變化，防止顯微裂紋的產生。
耐熱鑄鐵按其成分可分為硅系、鋁系、硅鋁系及鉻系等。其中鋁系耐熱鑄鐵脆性較大，而鉻系耐熱鑄鐵的價格較貴，所以我國多采用硅系和硅鋁系耐熱鑄鐵。

3．耐蝕鑄鐵
提高鑄鐵耐蝕性的主要途徑是合金化。在鑄鐵中加入硅、鋁、鉻等合金元素，能在鑄鐵表面形成一層連續致密的保護膜，可有效地提高鑄鐵的抗蝕性。而在鑄鐵中加入鉻、硅、鉬、銅、鎳、磷等合金元素，可提高鐵素體的電極電位，以提高抗蝕性。另外，通過合金化，還可獲得單相金屬基體組織，減少鑄鐵中的微電池，從而提高其抗蝕性。
目前應用較多的耐蝕鑄鐵有高硅鑄鐵（STSi15）、高硅鉬鑄鐵（STSi15Mo4）、鋁鑄鐵（STA15）、鉻鑄鐵（STCr28）抗堿球鐵（STQNiCrR）等。