第 8 章 鑄 鐵 8-1 鑄鐵之成分及組織 8-2 影響鑄鐵組織及性質之因素 8-3 普通鑄鐵之性質及用途 8-4 特殊鑄鐵之種類及用途

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1 第 8 章 鑄 鐵 8-1 鑄鐵之成分及組織 8-2 影響鑄鐵組織及性質之因素 8-3 普通鑄鐵之性質及用途 8-4 特殊鑄鐵之種類及用途
第 8 章 鑄 鐵 8-1 鑄鐵之成分及組織 8-2 影響鑄鐵組織及性質之因素 8-3 普通鑄鐵之性質及用途 8-4 特殊鑄鐵之種類及用途 8-5 鑄鐵之熱處理 總目錄

2 鑄鐵之成分及組織 鑄鐵是指含碳量在 2.0 ～ 6.67% 之鐵碳合金，其中仍含有少量之錳、磷、硫、矽等雜質元素。因其熔點較低、流動性良好、價格便宜，特別適合複雜形狀機件之製造。 鑄鐵是將生鐵、廢鋼、廢鑄鐵等材料置入熔鐵爐內熔解，然後澆鑄倒入砂模或其他模型內，冷卻凝固獲得，圖 8-1是熔鐵爐構造局部剖面示意圖。 節目錄

3 《圖 熔鐵爐》 上一頁 節目錄

4 一、鑄鐵內部顯微組織 1. 肥粒體（ -Fe）：純鐵之結晶，質軟韌，含碳量小於 0.02%。
波來體：肥粒體與雪明碳體之層狀混合物，富延性，較肥粒體硬，比雪明碳體軟。 雪明碳體（Fe3C）：就是化合碳，質硬脆，具強磁性。 石墨：為純粹的碳，又稱為游離碳，夾雜於鑄鐵組織中的極小薄片，質脆弱。 上一頁 節目錄

5 二、鑄鐵含碳量 亞共晶鑄鐵：含碳量 2.0% ～ 4.3% 之間之鑄鐵。 共晶鑄鐵：含碳量 4.3% 之鑄鐵，又稱 為粒滴斑體。
過共晶鑄鐵：含碳量 4.3% ～ 6.67% 之 間之鑄鐵。 上一頁 節目錄

6 三、鑄鐵截面顏色 因冷卻速度快慢造成石墨和化合碳存在情形不同，鑄鐵截面呈現不同顏色，分為：
1. 白鑄鐵：因冷卻速率快，鑄鐵中的碳大部分以雪明碳體組織存在，其截面呈白色，其質硬脆，加工困難。 2. 灰鑄鐵：因冷卻速率慢，鑄鐵中的碳以片狀游離石墨組織存在，其截面呈灰色，其質軟，易加工。 上一頁 節目錄

7 斑鑄鐵：冷卻速率介於灰鑄鐵與白鑄鐵之 間，其組織為灰鑄鐵與白鑄鐵混雜，截面 呈現灰白混合，如圖 8-3 所示。
白鑄鐵（波來體 + 雪明碳體） 斑鑄鐵（波來體 + 雪明碳體 + 石墨） 波來體鑄鐵（波來體 + 石墨） 普通鑄鐵（波來體 + 肥粒體 + 石墨） 極軟鑄鐵（肥粒體 + 石墨） 《圖 Maurer馬氏鑄鐵組織圖》 上一頁 節目錄

8 8-2 影響鑄鐵組織及性質之因素 鑄鐵本身主要成分為鐵，還含有碳、矽、錳、磷、硫……等元素，其對鑄鐵組織及性質影響如表 8-1 所示。
影響鑄鐵組織及性質之因素 鑄鐵本身主要成分為鐵，還含有碳、矽、錳、磷、硫……等元素，其對鑄鐵組織及性質影響如表 8-1 所示。 《表 鑄鐵所含合金元素對其組織及性質影響》 合金元素 含量 對組織及性質影響 鋁 (Al) ＜ 2.0 使鐡水脫氧及清潔。 穩定肥粒體組織，增加並增大石墨。 降低硬度及冷激效果。 碳 (C) 2.5 ～ 4.5 化合碳增多，強度、硬度、密度、收縮量增加。 流動性及石墨減少。 節目錄

9 《表8-1 鑄鐵所含合金元素對其組織及性質影響（續）》
《表 鑄鐵所含合金元素對其組織及性質影響（續）》 合金元素 含量 對組織及性質影響 鉻 (Cr) ＞ 0.15 增加硬度、耐磨性。 抑制石墨化，穩定雪明碳體。 促進冷激效果。 銅 (Cu) 0.5 ～ 2.0 韌化基地並增加流動性。 促進石墨化（1% Cu 相當於 0.35% Si）。 減少冷激效果。 錳 (Mn) 0.3 ～ 1.25 ＞ 1%增加化合碳，穩定沃斯田體。 細化晶粒、石墨、波來體。 使鐵水脫氧，增加流動性。 可去除硫元素。 鉬 (Mo) 0.3 ～ 1.0 強度增加。 細化石墨及波來體，抑制石墨化。 上一頁 節目錄

10 《表8-1 鑄鐵所含合金元素對其組織及性質影響（續）》
《表 鑄鐵所含合金元素對其組織及性質影響（續）》 合金元素 含量 對組織及性質影響 鎳 (Ni) ＞ 0.1 增加密度、韌性、高溫抗氧化性。 促進石墨化，穩定沃斯田體。 減少冷激效果。 磷 (P) 0.1 ～0.9 強度降低。 增加流動性、收縮率、硬度、化合碳。 硫 (S) 0.06 ～ 0.12 增加硬度、密度、收縮率、化合碳。 減少流動性、強度、石墨。 促進冷激效果。 矽 (Si) 0.5 ～ 3.5 增加強度、硬度、密度、收縮量。 促進石墨化，增加流動性、穩定肥粒體。 上一頁 節目錄

11 《表8-1 鑄鐵所含合金元素對其組織及性質影響（續）》
《表 鑄鐵所含合金元素對其組織及性質影響（續）》 合金元素 含量 對組織及性質影響 鈦 (Ti) 0.05 ～ 0.1 使鐵水脫氧。 增加並細化石墨，增加流動性。 減少冷激效果。 釩 (V) 0.15 ～ 0.5 增加硬度、耐磨性及耐熱性。 抑制石墨化。 促進冷激效果。 鋯 (Zr) 0.1 ～ 0.3 降低硬度。 促進石墨化，脫氧，增加流動性。 降低冷激效果。 註： (1) 其中促進石墨化能力依序為：Al ＞ Ti ＞ Ni ＞ Cu ＞ Co ＞ Zr。 (2) 促進冷激效果能力依序為：S ＞ V ＞ Cr ＞ Mo ＞ Mn。 上一頁 節目錄

12 一、碳當量（簡稱 C.E. ） 因鑄鐵成分複雜，含有大量碳、矽、磷等元素，為考慮對鑄鐵的影響，經實驗結果發現矽、磷在鑄鐵內的效果約相當於碳的 ，把碳含量及（矽＋磷）含量的 加在一起看做碳的相當量，稱為碳當量（ C.E. ）： C.E. ＝ C%＋ （Si%＋ P%） 上一頁 節目錄

13 C. E. 值會影響鑄鐵的凝固速度，對灰鑄鐵而言，C. E. 值愈高，則亞共晶鑄鐵之凝固溫度愈低。鑄鐵內石墨片大小會隨 C. E
C.E. 值會影響鑄鐵的凝固速度，對灰鑄鐵而言，C.E. 值愈高，則亞共晶鑄鐵之凝固溫度愈低。鑄鐵內石墨片大小會隨 C.E. 值愈高而增大，抗拉強度隨 C.E. 值增高而下降，如圖 8-4 所示。 《圖 C.E. 值對鑄鐵機械性質之影響》 上一頁 節目錄

14 《圖8-4 C.E. 值對鑄鐵機械性質之影響（續）》
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15 二、抗拉強度 石墨的分布、含量、大小及形態等對鑄鐵之強度有顯著的影響。鑄鐵中石墨分布愈均勻則強度愈高，肥粒體愈多則強度愈低，波來體愈多則強度愈大。 冷卻速度慢則石墨多但強度弱，熔解溫度愈高則石墨愈細，強度也愈大。 上一頁 節目錄

16 三、抗壓強度 普通鑄鐵的抗壓強度約為抗拉強度的 3 ～ 4 倍，而在普通金屬材料中，其抗壓與抗拉強度相差不多，主要是因鑄鐵其脆性高，故抗拉強度偏低，也因為如此，在設計上應盡量避免讓鑄件承受張力，所以鑄鐵多使用在機械上抗壓零件。 上一頁 節目錄

17 四、硬度 鑄鐵中含有大量之碳（2.0 wt%以上），碳存在於鑄鐵基地之型態（石墨或雪明碳體），會決定對鑄鐵硬度之影響。如鑄鐵中含石墨較多時則硬度降低，而添加矽能促進鑄鐵石墨化，所以鑄鐵硬度會隨含矽量增加而下降；鎳、銅的添加會提高鑄鐵硬度，但不會生成白鑄鐵，故仍舊容易加工。 上一頁 節目錄

18 五、衝擊強度 鑄鐵的衝擊強度及含碳量與碳在鑄鐵中存在狀態有關，通常金屬材料強度大其衝擊值亦大，但鑄鐵性脆，故其衝擊值極低。添加高量磷、硫的鑄鐵其衝擊值隨著含量增多而降低。 上一頁 節目錄

19 六、耐磨耗性 含石墨之鑄鐵耐磨性良好，因石墨在使用之過程中會自基地脫落，形成固體潤滑劑，而脫落處之基地會因毛細作用將油吸附儲存，減少摩擦，故耐磨。 鑄鐵中添加小於 0.7% 的磷時，容易產生史帝田體（Fe-Fe3C-Fe3P，三元共晶組織）能提高耐磨耗性，適合製造內燃機汽缸、活塞、活塞環等材料。 上一頁 節目錄

20 七、制振能 鑄鐵的制振能由石墨形狀及大小支配著，通常石墨愈小，形狀愈簡單，其制振能愈佳。灰鑄鐵抗拉強度愈小制振能愈大。一般鑄鐵制振能極大，可用來製造受振動較大的飛輪、曲柄軸、車床床身等，圖 8-5 為鑄鐵與鋼的制振能比較。 上一頁 節目錄

21 《圖 鑄鐵與鋼的制振能比較》 上一頁 節目錄

22 八、鑄鐵的收縮 鑄鐵澆鑄時有三階段會發生收縮，即液體收縮、凝固收縮及固體收縮。收縮量與冷卻速度、所含成分、鑄件形狀、鑄件大小有關。澆鑄時若鑄鐵中的碳以石墨狀態存在，收縮量會較少，故灰鑄鐵比白鑄鐵收縮量小。冷卻速度快，收縮愈大；截面積大者冷卻速度慢，收縮小；截面積小者冷卻速度快，收縮大。欲解決因收縮而產生的尺寸變化，只有在製作模型時事先予以放大尺寸。 上一頁 節目錄

23 九、鑄鐵的生長 鑄鐵在 600℃ 以上反覆加熱，強度會突然降低而伸長率增加，即體積會逐漸增加，這種現象稱為鑄鐵的成長，如圖 8-6 所示。鑄鐵加熱到 500℃ 左右時，仍有相當強度，雖然處於較高溫狀態，仍能保持高度耐磨性，故適合製造內燃機汽缸、活塞等。 上一頁 節目錄

24 《圖 鑄鐵的生長情形》 上一頁 節目錄

25 8-3 普通鑄鐵之性質及用途 一般所謂的普通鑄鐵是指不考慮強度及硬度 的灰鑄鐵，其成分大致為碳 3.2 ～ 3.8%、矽
普通鑄鐵之性質及用途 一般所謂的普通鑄鐵是指不考慮強度及硬度 的灰鑄鐵，其成分大致為碳 3.2 ～ 3.8%、矽 1.4 ～ 2.5%、錳 0.4 ～ 1.0%、磷 1 ～ 0.3%、 硫 0.05 ～ 0.15%，組織為片狀石墨、肥粒體 及波來體混合組織。 節目錄

26 1. 高抗壓強度：約在 450 ～ 1320 N/mm2 之間，適用於製造機械本體、底座及構架。
灰鑄鐵價廉，鑄造及機械加工容易，加工所需費用較低，也稱為普通鑄鐵，常用於農具、飛輪、皮帶輪、蒸氣機汽缸、重機械底座、家庭器具鑄件、機械用鑄件等，灰鑄鐵一般具有： 1. 高抗壓強度：約在 450 ～ 1320 N/mm2 之間，適用於製造機械本體、底座及構架。 上一頁 節目錄

27 高制振能：灰鑄鐵中含有片狀石墨組織，能吸收振動，其制振能高於其他任何金屬材料，適合製造齒輪、飛輪、曲軸、凸輪軸等機件。
低凹痕敏感度：其疲勞限界受缺口或凹痕影響較少。 良好耐磨性：在正常潤滑下金屬面與金屬面間的摩擦，灰鑄鐵件耐磨耗性良好，特別是含少量鎳、鉻合金，適用於汽缸、活塞、工具機之床面等。 上一頁 節目錄

28 特殊鑄鐵之種類及用途 所謂特殊鑄鐵是將普通鑄鐵中單獨或數種組合添加鎳、鉻、鉬、鋁、釩等特殊合金元素，以改善其機械性質或耐蝕、耐熱、耐磨耗等特性。其種類有： 1. 高強度合金鑄鐵 2. 冷硬鑄鐵 3. 展性鑄鐵 4. 延性鑄鐵 節目錄

29 一、高強度合金鑄鐵 在普通鑄鐵中添加少量合金元素，使其強度大幅提高，得到高強度鑄鐵，此即為高強度合金鑄鐵，機械工業常用的高強度合金鑄鐵有下列數種。 1. 鉻鑄鐵：硬度較普通鑄鐵高、耐磨性佳。含鉻量增多，耐熱性優良，切削性則降低。 2. 鎳鑄鐵：抗拉強度高、耐磨性佳、改善切削性。鎳量增加則硬度增高，用於鑄造內燃機汽缸、活塞環及工作機械臺座等。 上一頁 節目錄

30 鎳鉻鑄鐵：切削加工性良好，含鎳超過 10%，可增進耐熱性、耐蝕性、耐磨耗，用於高溫使用的內燃機之活塞、汽缸等。
鎳鉬鑄鐵：組織細密且容易加工，提高強度與耐磨耗性，強度極高，用於製造曲柄軸、凸輪軸及其他機械零件。 上一頁 節目錄

31 二、冷硬鑄鐵 鑄鐵於鑄造時特別使其表面急速冷卻，促使其表面堅硬耐磨，內部質軟而柔韌之鑄件，此稱為冷硬鑄鐵。冷激硬面鑄鐵其表面硬度達 60 ～ 75HS，若添加鎳、鉻等元素，則 HS 可達 80 以上。一般可用於軋延、軋輥、齒輪、車輪等材料。 上一頁 節目錄

32 三、展性鑄鐵 將堅硬的白鑄鐵藉由高溫，經長時間退火 脫碳處理，可以增加韌性及延性之鑄鐵， 稱為展性鑄鐵或可鍛鑄鐵。
展性鑄鐵依其表面脫碳情形可分為二種， 黑心展性鑄鐵及白心展性鑄鐵。 上一頁 節目錄

33 1. 黑心展性鑄鐵 將白鑄鐵件置於耐熱鑄鐵匣中，填入惰性材料，例如砂、黏土、鐵渣等來防止鑄件氧化及變形，置入爐中退火，進行展性化處理，可獲得黑心展性鑄鐵，如圖 8-7。 2. 白心展性鑄鐵 將白鑄鐵鑄件與鐵礦石、鐵屑等，一同封閉於退火用鑄鐵匣內，加熱至 950℃，保持 70 ～ 100 小時，可使鑄件表層脫碳至相當之深度而獲得白心展性鑄鐵。 上一頁 節目錄

34 《圖 黑心展性鑄鐵之石墨化退火法》 上一頁 節目錄

35 四、延性鑄鐵 又稱為球狀石墨鑄鐵，在熔解的鑄鐵液中，添加 Mg、Ce 等合金元素做為球化劑，用矽鐵施以接種處理，在鑄造狀態即可獲得球狀石墨組織。又適當調節鑄鐵成分時，可使其基地成為波來體或肥粒體，得到和鋼差不多強韌的鑄件，這種鑄鐵稱延性鑄鐵或球狀石墨鑄鐵，如表 8-10 所示。 上一頁 節目錄

36 《表8-10 延性鑄鐵 4 種組織形式及其成因和性質》
《表 延性鑄鐵 4 種組織形式及其成因和性質》 形式名稱 形成原因 性質 雪明碳體型（雪明碳體析出） Mg 添加量多時。 含 C、Si 量低時，特別是 Si 量少。 冷卻速率大時。 勃氏硬度 ＞ 220HB。 沒有延性。 波來體型（基地為波來體） 介於雪明碳體與肥粒體二者中間。 強韌，抗拉強度 600 ～ 700 N/mm2。 伸長率約 2% 左右。 勃氏硬度 200 ～ 240HB。 上一頁 節目錄

37 《表8-10 延性鑄鐵 4 種組織形式及其成因和性質（續）》
《表 延性鑄鐵 4 種組織形式及其成因和性質（續）》 形式名稱 形成原因 性質 肥粒體型（肥粒體析出） Mg 添加適當時。 含 C、Si 量高時，特別是 Si 量多。 冷卻速率遲緩。 退火後。 伸長率約 6 ～ 20%左右。 勃氏硬度 150 ～ 200HB。 Si 含量 ＞ 3%，則質脆。 變韌體型（基地為變韌體） 添加 Ni、Mo、Co、Cu 促進硬化能元素，使波來體鼻右移，變韌體鼻出現。 可由鑄造程序或沃斯回火處理獲得。 伸長率約 3 ～ 10% 左右。 勃氏硬度 35 ～ 45HB。 抗拉強度 800 ～ 2000 N/mm2。 降伏強度 700 ～ 1800 N/mm2。 上一頁 節目錄

38 延性鑄鐵為極優秀的一種鑄鐵，藉由成分及 組織的調整，可獲得相當廣泛的應用。雪明 碳體型極硬無延性；肥粒體型質軟延性大 （伸長率達 20% ）；波來體型兼具硬度及延 性，其耐磨耗性相當大。牛眼組織之延性鑄 鐵性質介於肥粒體型與波來體型兩者之間。 延性鑄鐵耐熱性、耐氧化性比普通鑄鐵佳， 且生長現象不如灰鑄鐵者嚴重。延性鑄鐵之 機械性質可藉由熱處理如淬火、回火、退火 及正常化改善。 上一頁 節目錄

39 8-5 鑄鐵之熱處理 熔融狀態之鑄鐵液體，凝固時常因冷卻速度不均勻而產生內應力，或其組織多呈樹枝狀，機械性質差，需施以熱處理改善。
鑄鐵之熱處理 熔融狀態之鑄鐵液體，凝固時常因冷卻速度不均勻而產生內應力，或其組織多呈樹枝狀，機械性質差，需施以熱處理改善。 常實施的熱處理方式有弛力退火、完全退火、淬火及回火、沃斯回火、季化及特殊熱處理等 6 種。 節目錄

40 弛力退火：目的在於消除殘留應力。將鑄件加熱於 425 ～ 590℃ 間，恆溫 30 分鐘至 5 小時（每 2
弛力退火：目的在於消除殘留應力。將鑄件加熱於 425 ～ 590℃ 間，恆溫 30 分鐘至 5 小時（每 2.5cm 厚度需 1 小時），爐中徐冷。 完全退火：目的在於使鑄件軟化易於切削。退火溫度為 760 ～815℃，亦可在 650 ～ 675℃，高合金鑄鐵需於更高溫退火（約 980℃），保溫時間每 cm 厚度需 1 小時，爐冷需防止鑄件氧化。 上一頁 節目錄

41 3. 淬火及回火：欲提高強度與硬度，必須 進行淬火及回火熱處理。普通鑄鐵加熱於淬火溫度時，需保持較長時間，使石墨或化合碳能固熔於沃斯田體中。常用淬火溫度在 800 ～ 870℃ 之間，加熱均勻淬火於油中。淬火後鑄鐵強度及硬度僅比鑄造狀態者略增加，因含有多量殘留沃斯田體，經回火（不超過 200℃）後強度會增大，因組織變為回火麻田散體。 上一頁 節目錄

42 4. 沃斯回火：鑄鐵之沃斯回火與鋼相同，通常是用延性球墨鑄鐵之基地處理成變韌體。
5. 季化：消除鑄件在鑄造冷卻過程或粗加工後所產生的內應力，將鑄件長時間放置（小於 2 個月），以徹底消除鑄件內部應力。 上一頁 節目錄

43 6. 特殊熱處理：鑄鐵之特殊熱處理有表面硬化及展性化處理（於展性鑄鐵已說明）二種。一般鑄件若需一硬質表面及內部強韌狀態，則需施以表面硬化處理，包括火焰硬化法、感應硬化法及氮化法等，延性鑄鐵件若施以表面硬化，則可增加其表面耐磨性。 上一頁 節目錄