第十章 铸铁 铸铁是含碳量大于2.11%，并含有硅、锰、硫、磷等杂质的铁碳合金。工业上常用的铸铁成分为：2.5%～4.0%C、1.0%～3.0%Si、0.5%～1.4%Mn、0.02%～0.20%S、0.01%～0.50%P。 铸铁是人类使用最早的金属材料之一，与钢相比虽然强度、塑性和韧性较差，但具有优良的工艺性能和使用性能，生产工艺简单，价格低廉。所以，目前工业生产中仍然广泛应用。

例如在船舶主、副柴油机和汽车、拖拉机制造中铸铁占总重量的50%～70%，机床制造业中占60%～90%。 内燃机汽缸 例如在船舶主、副柴油机和汽车、拖拉机制造中铸铁占总重量的50%～70%，机床制造业中占60%～90%。 铸铁曲轴

铸铁的分类 根据铸铁中碳的存在形式分为： （1）灰口铸铁：碳在铸铁中主要以游离态石墨形式存在，断口呈暗灰色，故称灰口铸铁。生产中广泛应用。 （2）白口铸铁：碳在铸铁中主要以化合态Fe3C形式存在，断口呈银白色，故称白口铸铁。生产中很少使用。 （3）麻口铸铁：铸铁中的碳以石墨和Fe3C形式存在，断口呈黑白相间的麻点，故称麻口铸铁。它是灰口铸铁与白口铸铁的过渡组织，性能介于二者之间，铸铁中应避免出现这种组织。 根据石墨的形态、大小不同，灰口铸铁又分为普通灰口铸铁、孕育铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁和蠕墨铸铁。此外，还有合金铸铁。

第一节 灰口铸铁生产 Fe-Fe3C 和 Fe-G (石墨)双重相图 Fe3C是亚稳相，在一定条件下将发生分解： 共晶白口铸铁 F基体球墨铸铁 第一节 灰口铸铁生产 Fe-Fe3C 和 Fe-G (石墨)双重相图 Fe3C是亚稳相，在一定条件下将发生分解： Fe3C→3Fe+C（石墨）

石墨其强度、塑性、韧性几乎为零。 铸铁中的碳除少量固溶于基体中外，主要以化合态的渗碳体(Fe3C)和游离态的石墨(G)两种形式存在。

存在两个铁碳相图： Fe-Fe3C和Fe-G双重相图 L+G L+Fe3C

铸铁中的碳原子析出形成石墨的过程称为石墨化。 铸铁的石墨化过程 铸铁中的碳原子析出形成石墨的过程称为石墨化。 铸铁中的石墨可以在结晶过程中直接析出,也可以由渗碳体加热时分解得到。 台车式石墨化退火炉

在P’S’K’线以上发生的石墨化称为第一阶段石墨化。 石墨化分两个阶段： 在P’S’K’线以上发生的石墨化称为第一阶段石墨化。 包括结晶时一次石墨、二次石墨、共晶石墨的析出和加热时一次渗碳体、二次渗碳体及共晶渗碳体的分解. P’

在P’S’K’线以下发生的石墨化称为第二阶段石墨化。包括冷却时共析石墨的析出和加热时共析渗碳体的分解。 石墨化程度不同，所得到的铸铁类型和组织也不同。 P’

铸铁的石墨化程度与其组织之间的关系 （以共晶铸铁为例） 石墨化进行程度 铸铁的显微组织 铸铁类型 第一阶段石墨化 第二阶段石墨化   完全进行 F+G 灰口铸铁 部分进行 F+P+G 未进行 P+G Le’+P+G 麻口铸铁 Le’ 白口铸铁

碳、硅含量过低，易出现白口组织，力学性能和铸造性能变差。 3、影响石墨化的因素 ⑴ 化学成分的影响 碳和硅是强烈促进石墨化的元素。 碳、硅含量过低，易出现白口组织，力学性能和铸造性能变差。 Si C 白口铸铁 灰口铸铁 麻口 铸 铁 共晶 碳、硅含量对铸铁石墨化的影响 碳、硅含量过高,会使石墨数量多且粗大，基体内铁素体量增多，降低铸件的性能.

Al、Cu、Ni、Co等元素对石墨化有促进作用。 S、Mn、Cr、W、Mo、V等元素阻碍石墨化。 碳、硅量控制范围：2.5~4.0%C，1.0~3.0%Si。 Al、Cu、Ni、Co等元素对石墨化有促进作用。 S、Mn、Cr、W、Mo、V等元素阻碍石墨化。 铸铁中的磷共晶 磷虽然可促进石墨化,但其含量高时易在晶界上形成硬而脆的磷共晶，降低铸铁的强度，只有耐磨铸铁中磷含量偏高 (达0.3%以上)。

铸件冷却缓慢，有利于碳原子的充分扩散，结晶将按Fe - G相图进行，因而促进石墨化。 ⑵ 冷却速度的影响 铸件冷却缓慢，有利于碳原子的充分扩散，结晶将按Fe - G相图进行，因而促进石墨化。 快冷时由于过冷度大，结晶将按 Fe-Fe3C相图进行, 不利于石墨化. WC + Wsi (%) 铸件壁厚和碳硅含量对铸铁组织的影响

⑴ 力学性能低。由于石墨相当于钢基体中的裂纹或空洞，破坏了基体的连续性，且易导致应力集中。 铸铁与铸钢的强度比较 2、铸铁的性能特点 ⑴ 力学性能低。由于石墨相当于钢基体中的裂纹或空洞，破坏了基体的连续性，且易导致应力集中。 ⑵ 耐磨性能好。由于石墨本身有润滑作用。 ⑶ 消振性能好。由于石墨可以吸收振动能量。 ⑷ 铸造性能好。由于铸铁硅含量高, 成分接近于共晶. ⑸ 切削性能好。由于石墨使车屑容易脆断，不粘刀。

第二节 灰口铸铁 一、普通灰口铸铁 1．灰口铸铁的成分与牌号 第二节 灰口铸铁 一、普通灰口铸铁 1．灰口铸铁的成分与牌号 灰口铸铁的化学成分：2.7%～3.9%C、1.1%～2.8%Si、0.5%～1.4Mn、＜0.1%～0.3%P、≤0.04%～0.15%S。 “HT”--“灰铁”二字的汉语拼音首字母，数字表示最低抗拉强度σb值。 2．组织与性能 灰口铸铁的组织由基体组织和片状石墨组成。基体组织有铁素体、铁素体＋珠光体、珠光体三种。除HT100为F基体、HT150为F+P基体外，其余均为P基体。

灰 铸铁 的显 微组 织 铁素体灰铸铁 珠光体灰铸铁 铁素体加珠光体灰铸铁 石墨片的三维形貌

这三种基体分别为工业纯铁、亚共析钢和共析钢的组织。 所以灰口铸铁的组织实为在钢的基体上分布着片状石墨，或把灰口铸铁视为具有无数“微裂缝的钢”。 灰口铸铁与钢相比，强度、塑性和韧性均较低。但灰口铸铁具有优良的铸造性，因其含碳量较高接近共晶成分，熔点低和流动性好；有优良的切削加工性、耐磨性、消振性，其消振性能为钢的10倍；低的缺口敏感性。

二、孕育铸铁 为了提高灰口铸铁的机械性能，应改善石墨片的大小和分布。为此采用孕育处理（变质处理）来细化组织。 在熔融的铁水中加入孕育剂--工业上用含硅量为75%的硅铁或硅钙合金（60%～65%Si＋25%～35%Ca）。硅钙合金的石墨化能力较硅铁高1.5～2倍，但价格贵。 孕育铸铁的石墨片细小，对基体的削弱作用减轻，使孕育铸铁的强度和硬度提高，但塑性无明显改善。常用于铸造柴油机气缸套、活塞环、机床导轨等。

硅铁 硅钙 孕育处理前 孕育处理后

灰铸铁强度只有碳钢的30~50%，热处理强化效果不大。 灰铸铁件 汽缸套 活塞环 2、热处理 热处理只改变基体组织，不改变石墨形态。 灰铸铁强度只有碳钢的30~50%，热处理强化效果不大。 灰铸铁常用的热处理有： ① 消除内应力退火(又称人工时效) ② 消除白口组织退火 ③ 表面淬火

制造承受压力和震动的零件,如机床床身、各种箱体、壳体、泵体、缸体。 大型船用柴油机汽缸体(HT-300) 重型机床床身(HT-250) 变速箱体 3、用途 制造承受压力和震动的零件,如机床床身、各种箱体、壳体、泵体、缸体。

第三节 可锻铸铁 可锻铸铁优于孕育铸铁，具有较高的强度、塑性和冲击韧性，但不能锻造。 一．可锻铸铁的生产 第三节 可锻铸铁 可锻铸铁优于孕育铸铁，具有较高的强度、塑性和冲击韧性，但不能锻造。 一．可锻铸铁的生产 可锻铸铁是由白口铸铁经石墨化退火得到的一种具有团絮状石墨的铸铁。由于团絮状石墨对铸铁基体割裂作用的降低，使可锻铸铁机械性能大大提高，延伸率可达12%，冲击韧性达30J/cm2。 可锻铸铁的生产分为两步：首先，浇铸纯白口铸件，为此降低铸铁的碳、硅含量和加快冷却速度；其次，进行长时间的石墨化退火。为了缩短退火时间和细化组织，提高机械性能，在铸造时进行孕育处理，常使用的孕育剂有硼、铋、铝等。

由于石墨化退火的工艺不同，可获得铁素体基体＋团絮状石墨的可锻铸铁，因断口呈黑灰色，称黑心可锻铸铁；珠光体基体＋团絮状石墨的可锻铸铁，称珠光体可锻铸铁；铁素体＋珠光体＋少量渗碳体＋团絮状石墨的可锻铸铁，因断口白亮，称白心可锻铸铁。

黑心可锻铸铁 珠光体可锻铸铁 可锻铸铁的石墨化退火 可锻铸铁的显微组织

二．可锻铸铁的牌号、性能和用途 “KTH”表示黑心可锻铸铁；“KTZ”表示珠光体可锻铸铁；“KTB”表示白心可锻铸铁。第一组数字表示最低抗拉强度，第二组数字表示最低延伸率。 黑心可锻铸铁具有一定的强度，较高的塑性与韧性，用于制造承受冲击和振动的零件，如船用电机机壳、船舶管系接头、水箱等。 珠光体可锻铸铁具有较高的强度和硬度，但塑性和韧性不如前者。用于制造承受高载荷、耐磨损和有一定冲击的零件，如小型曲轴、连杆、轮轴及齿轮等。 白心可锻铸铁生产工艺复杂且生产周期长，强度及耐磨性较差，工业中应用较少。

用于制造形状复杂且承受振动载荷的薄壁小型件，如汽车、拖拉机的前后轮壳、管接头、低压阀门等。 用途 用于制造形状复杂且承受振动载荷的薄壁小型件，如汽车、拖拉机的前后轮壳、管接头、低压阀门等。 可锻铸铁管件

第四节 球墨铸铁 球墨铸铁是20世纪50年代发展起来的一种高强度铸铁。铸铁中石墨呈球状，对基体的割裂作用大大降低，使基体强度利用率达70%～90%。石墨球引起基体的应力集中也最小。所以球墨铸铁具有很高的强度，良好的塑性和韧性，优良的铸造性，且成本低廉，是工业上广泛应用的材料。 一．球墨铸铁的生产 球墨铸铁的化学成分：3.6%～3.9%C、2.0%～2.8%Si、0.6%～0.8%Mn、＜0.1%P、＜0.07%S、0.03%～0.05%Mg、0.02%～0.04%Re（稀土元素）。比灰口铸铁的碳、硅含量高，锰、硫、磷含量低，并含有稀土元素。

球墨铸铁是熔融铁水经球化处理和孕育处理获得。使铁水中的石墨结晶成球化的物质称为球化剂，我国常用的球化剂有镁、稀土元素、稀土镁合金和稀土硅铁合金。 浇注前在铁水中加入一定量的球化剂使石墨结晶成球的操作称球化处理。我国多用稀土镁合金作为球化剂，克服分别采用镁和稀土元素的缺点，提高球化铸铁的机械性能。但镁和稀土元素是强烈阻碍石墨化的元素，故在球化处理后立即进行孕育处理，以获得形状圆整、分布均匀的细小石墨球和防止出现白口。常用75%的硅铁和硅钙合金作孕育剂。 硅铁 硅钙 稀土镁

二．球墨铸铁的牌号、性能和用途 “QT”为“球铁”二字的汉语拼音首字母，第一组数字表示最低抗拉强度，第二组数字表示最小延伸率。 球墨铸铁的组织是由基体和球状石墨组成。依基体不同，有铁素体基体球墨铸铁、珠光体基体球墨铸铁、铁素体＋珠光体基体球墨铸铁。 球墨铸铁除具有灰口铸铁的各种优点外，还具有较高的强度、疲劳强度。尤其屈强比高，为0.7～0.8，而碳钢仅为0.3～0.5。因此，可以代替某些碳钢和低合金钢零件的材料。例如用珠光体基体球墨铸铁制造中、高速柴油机的曲轴、连杆等，此外还可制作气缸套、气缸体等。

球墨铸铁的显微组织 铁素体加珠光体球墨铸铁 铁素体球墨铸铁 珠光体球墨铸铁 球墨铸铁中的石墨球

承受震动、载荷大的零件，如曲轴、传动齿轮等。 核燃料贮存运输容器(QT350-22) 铸铁曲轴 3、用途 承受震动、载荷大的零件，如曲轴、传动齿轮等。

第五节 蠕墨铸铁 蠕墨铸铁是近十几年来新开发的一种高强度铸铁，目前已在生产中大量应用，较成功地应用于制造气缸盖、气缸套、钢锭模、液压阀等铸件。 蠕墨铸铁是用一定成分的铁水经蠕化剂处理和孕育处理后所获得的一种铸铁。蠕化剂主要采用稀土硅铁合金、镁钛稀土硅铁合金和稀土硅铁钙合金等。 蠕墨铸铁的显微组织是由基体组织和蠕虫状石墨组成。组织中蠕虫状石墨占全部石墨的比例称蠕化率。铁素体基体较为容易获得，蠕虫状石墨大多与球状石墨共存。

蠕墨铸铁中的石墨 蠕墨铸铁的强度接近球墨铸铁，并具有一定的塑性、弹性模数和弯曲疲劳强度，有较高的耐磨性。蠕墨铸铁的导热性、铸造性、切削加工性均优于球墨铸铁，与灰口铸铁相近。因此，蠕墨铸铁是一种组织致密，综合机械性能良好的铸铁。蠕墨铸铁的牌号为RuTσb，“RuT”为“蠕铁”的汉语拼音首字母，σb表示最低抗拉强度值。

蠕墨铸铁的强度、塑性和抗疲劳性能优于灰铸铁，其力学性能介于灰铸铁与球墨铸铁之间。

蠕墨铸铁常用于制造承受热循环载荷的零件和结构复杂、强度要求高的铸件。如钢锭模、玻璃模具、柴油机汽缸、汽缸盖、排气阀、液压阀的阀体、耐压泵的泵体等。 制动鼓

第六节 特殊性能铸铁 为了使铸铁具有某些特殊性能以满足工业生产的需要，在灰口铸铁或球墨铸铁中加入一定量的合金元素，如P、Cu、Mo、Cr、Mn等以获得特殊性能铸铁。常用的特殊性能铸铁有耐磨铸铁、耐热铸铁、耐蚀铸铁等。 一．耐磨铸铁 船用柴油机气缸套、活塞环等都是在润滑条件下工作的铸铁零件。为了进一步提高铸铁的耐磨性，使在软基体上牢固嵌有硬的组成物，当软基体磨损后就会形成凹陷的沟槽以利贮存润滑油并保持油膜，仅使硬的组成物参与摩擦。

珠光体基体灰口铸铁即是符合上述要求的材料，珠光体是铁素体与渗碳体的层片状组织：铁素体为软基体，渗碳体片为硬的组成物。铁素体磨损后形成贮油沟槽，石墨片也起润滑作用并在脱落后有贮油作用，所以有较好的耐磨性。 （1）高磷耐磨铸铁。高磷耐磨铸铁是在珠光体灰口铸铁（如HT250、HT300）中加入0.3%～0.6%的磷制成的特殊性能铸铁。 一般情况下，磷在铸铁中的溶解度仅为0.2%。当含磷量超过0.2%时，就会生产Fe3P，并常以二元磷共晶（Fe3P＋F）或三元磷共晶（Fe3P＋Fe3C＋F）的形式存在。磷共晶硬而脆，在铸铁的珠光体软基体上呈细小不连续网状时，可以显著增强铸铁的耐磨性，即称为软基体上镶嵌硬的组成物。

（2）其他耐磨合金铸铁。在珠光体灰口铸铁中还可以加入其他合金元素，如V、Cr、Cu、Mo、Sb、Re等，形成各种耐磨合金铸铁。 合金元素可使组基体的珠光体增多并使之细化，也使石墨细化，从而使铸铁的强度、硬度升高，显微组织得到改善。使铸铁具有良好润滑性和抗咬合性能，耐磨性显著提高。这类铸铁有铬钼耐磨铸铁、磷铜钛耐磨铸铁等，广泛应用于气缸套、活塞环、机床导轨等。 二．耐热铸铁 船舶蒸汽锅炉中的炉条和牵条、换热器、废气管道等零件都是在高温条件下工作的铸铁件，而普通灰口铸铁只能在400℃以下工作，因此必须选用耐热铸铁。

普通灰口铸铁件在高温下不仅会发生表面氧化，而且还会发生“热生长”（或“热长大”），即铸铁件体积增大。热生长现象主要是由于铸铁内的渗碳体高温分解产生石墨和氧化性气体，并沿微小裂缝及石墨边界渗入铸铁内部进行氧化，使铸件变形和裂纹。为了提高铸铁的耐热性，在灰口铸铁中加入硅、铝、铬等合金元素，一方面可以在铸件表面生成SiO2、Al2O3、Cr2O3致密的氧化膜，防止铸件表面继续氧化；另一方面硅、铝、铬可以提高铸铁的临界温度，使铸铁为单相铁素体基体，在使用温度内不发生固态相变，以减少基体变化及显微裂纹。 耐热铸铁大多为单相铁素体基体的球墨铸铁。耐热铸铁用“RT”表示“热铁”的汉语拼音首字母。

三．耐蚀铸铁 在腐蚀介质中工作的铸铁件，应具有抗腐蚀性能。然而灰口铸铁的抗腐蚀性能极差，因为铸铁组织中的石墨电极电位最高，构成阴极，铁素体电极电位最低，构成阳极，在电解质溶液中就会发生电化学腐蚀，铁素体不断被溶解。 铸铁中加入合金元素Si、Al、Cr、Mo、Cu、Ni等，可使基体电极电位或在铸件表面形成保护膜，最好获得单相基体，从而可以大大提高铸铁的耐腐蚀性能。常用的耐蚀铸铁有高硅、高铝和高铬耐蚀铸铁。