第五章 铸 铁 第一节 铸铁中石墨马形态的控制 第二节 常见石墨 第三节 合金铸铁

铸铁是含碳量大于2.11％（一般为2.5 ～4.0％）的铁碳合金，同时还含较多数量的Si、Mn、S、P等元素。

工业上常用铸铁的成份范围大致为：C(2. 5～4. 0)%、Si(1. 0～3. 0)%、Mn(0. 5～1. 4)%、P(0. 01～0 工业上常用铸铁的成份范围大致为：C(2.5～4.0)%、Si(1.0～3.0)%、Mn(0.5～1.4)%、P(0.01～0.5)%、S(0.02～0.20)%等，还可以加入一定量的合金元素以改善和提高铸铁的力学及物理化学性能。 由于铸铁成本低廉，生产工艺简单并具有优良的铸造性能和切削加工性能，有很高的耐磨减摩性和消震性以及低的缺口敏感性等，使其目前仍然是机械制造业中最重要的材料之一。

第一节 铸铁中石墨的形态控制 铸铁的石墨化过程 第一节 铸铁中石墨的形态控制 铸铁的石墨化过程 ① 铸铁在冷却过程中即可以从液态中或奥氏体中直接析出Fe3C；Fe3C在一定条件下也可以分解出石墨，即Fe3C → 3Fe + G（石墨）。 ② 可以直接析出石墨。 铸铁组织中石墨的形成过程称为石墨化过程。可分为两个阶段：第一阶段，从过共晶的铁液中直接析出的初生（一次）石墨、在共晶转变过程中形成的共晶石墨及奥氏体冷却析出的二次石墨；第二阶段，共析转变过程中形成的共析石墨。

① 第二阶段石墨化进行充分时：铁素体+石墨； ② 第二阶段石墨化部分进行时：（铁素体+珠光体） 基体+石墨； 石墨化过程是一个原子扩散过程。第一阶段的石墨化温度较高，原子容易扩散，进行得完全；第二阶段石墨化温度较低，扩散困难，进行不充分，只能部分进行。冷却速度增大，第二阶段的石墨化便完全不能进行。 ① 第二阶段石墨化进行充分时：铁素体+石墨； ② 第二阶段石墨化部分进行时：（铁素体+珠光体） 基体+石墨； ③ 第二阶段石墨化不能进行时：珠光体+石墨。 当冷速过快，两个阶段的石墨化均被抑制，会得到白 口铸铁。若第一阶段石墨化部分进行，得到麻口铸铁。

影响铸铁石墨化的因素 冷却速度的影响 化学成分的影响 在化学成分相同的情况下，缓慢冷却有利于石墨化的充分进行，易得到灰口铸铁；冷却速度加快，不利于石墨化，甚至使石墨化来不及进行，得到白口铸铁。 化学成分的影响 碳和硅对铸铁的石墨化有决定性作用。含碳量越多越易形成石墨晶核，而硅促进石墨成核。 综合考虑碳和硅对铸铁的影响，将硅量折合成相当的碳量，把实际的含碳量与折合成的碳量之和称为碳当量。根据碳当量不同确定其组织。

铸铁组织中石墨的常见形态 片层状石墨 依赖于石墨自身的晶体结构，均匀形核的结果。

球状石墨 加入球化剂（如硅铁粒等）等，属于非均匀形核。

蠕虫石墨 通过结晶奥氏体壳上的沟槽形核长大。

第二节 常 见 铸 铁 铸铁的分类 白口铸铁 碳以Fe3C的形式存在于铸铁中，断口呈银白色，组织硬而脆，难以切削加工。很少直接用来制造机械零件，可利用它硬而耐磨的特性，制成耐磨零件（如轧辊等）。 灰口铸铁 碳全部或大部分以游离状态的石墨形式存在，断口呈暗灰色，生产工艺简单，价格低廉，应用广泛。

1）普通灰口铸铁 石墨以片状存在，主要用于制造车辆气缸、摩擦片，以及机床的床身、底座等。 2）可锻铸铁（俗称马钢） 将白口铸铁坯件经高温、常时间的石墨化退火后，使渗碳体在固体下分解而获得具有团絮状石墨的组织。 可锻铸铁具有较高的强度、塑性和韧性，多用于制造受震动、强度和韧性要求较高的小型零件。

3）球墨铸铁 球墨铸铁是石墨呈球状分布的灰口铸铁，简称球铁。与片状石墨和团絮状石墨相比，圆球状石墨对基体的割裂和应力集中作用最小，球墨铸铁是各种铸铁中力学性能最好的一种。 生产球墨铸铁要进行脱硫处理、球化处理（浇注前必须先往铁液中加入能促使石墨结晶成球状的球化剂）和孕育处理（球化处理后立即加入石墨化元素而进行的处理）。

普通灰口铸铁：HT(灰铁）+数字（最低抗拉强度） HT100表示最低抗拉强度为100MP的普通灰口铸铁。 铸铁的牌号 普通灰口铸铁：HT(灰铁）+数字（最低抗拉强度） HT100表示最低抗拉强度为100MP的普通灰口铸铁。 可锻铸铁：KT(可锻）+数字（同上）－数字（延伸率百分数） KT300-06表示最低抗拉强度为300MP，延伸率为6％的可锻铸铁。 球墨铸铁：QT(球铁）+数字（同上）－数字（同上） QT450-05表示最低抗拉强度为450MP，延伸率为5％的球墨铸铁。

第三节 合 金 铸 铁 耐磨合金铸铁 1) 耐磨灰口铸铁： 在灰口铸铁中加入少量合金元素磷、钒、铬、钼、锑、稀土等，可以增加金属基体中珠光体数量，且使珠光体细化；同时也细化了石墨，使铸铁的强度和硬度升高，大大提高了铸铁的耐磨性。 这类铸铁如磷铜钛铸铁、铬钼铜铸铁、稀土磷铸铁等，具有良好润滑性和抗咬合抗擦伤能力，可广泛用于制造要求高耐磨的机床导轨、汽缸套、活塞环、凸轮轴等零件。

2) 抗磨白口铸铁：通过控制化学成分（如加入Cr、Mo、V等促进白口化元素）和增加铸件冷却速度，可以使铸件获得没有游离石墨而只有珠光体，渗碳体和碳化物组成的组织，这种白口组织具有高硬度和高耐磨性。 例如，含铬大于12%的高铬白口铸铁，经热处理后基体可为高强度的马氏体；加上高硬度的铬碳化物，具有优异的抗磨料磨损性能。 广泛应用于制造犁铧、杂质泵叶轮、泵体、各种磨煤机、矿石破碎机、水泥磨机、磨球、叶片等零件。

(3) 冷硬铸铁（激冷铸铁）：冷硬铸铁实质上是一种加入少量硼、铬、钼、碲等元素的低合金铸铁经表面激冷处理（工艺中用冷的金属铸模成型即可）获得的，其表面有一定深度的白口层，而心部仍为正常铸铁组织。 如冶金轧辊、发动机凸轮、汽门摇臂及挺杆等零件，要求表面应具有高硬度和耐磨性且心部应具有一定的韧性，就可以采用冷硬铸铁制造。

(4) 中锰抗磨球墨铸铁： 当含锰量在(5～7)%时，基体部分主要为马氏体；当含锰量增加到(7～9)%时，基体部分主要为奥氏体；同时组织中还存在有复合型的碳化物（Fe，Mn)3C。马氏体和碳化物具有高的硬度，是一种良好的抗磨组织；奥氏体加工硬化显著，使铸件表面硬度升高，提高耐磨性，而其心部仍具有一定韧性。 所以中锰抗磨球铁具有较高机械性能，良好的抗冲击性和抗磨性。中锰抗磨球墨铸铁可用于制造磨球、煤粉机锤头、机引犁铧、拖拉机履带板等耐冲击、耐磨零件。

耐热合金铸铁 普通灰铸铁的耐热性较差，工作温度小于400℃。 研究表明，普通铸铁的高温失效形式主要有：在反复加热冷却过程中相变和氧化引起铸铁的生长和微裂纹形成扩展以致失效. 其中铸铁生长是指其在反复加热冷却时产生的不可逆体积长大现象，其主要原因是氧化性气体沿石墨边界或裂纹渗入内部产生内氧化，或铸铁中的渗碳体高温分解为密度小体积大的石墨和铸铁基体的其它组织转变引起的。

提高铸铁耐热性的途径可以采取如下几方面措施： (1) 合金化：在铸铁中加入硅、铝、铬等合金元素，可使铸铁表面形成一层致密的稳定性很高的氧化膜，阻止氧化气氛渗入铸铁内部产生内氧化；通过合金化获得单相铁素体或奥氏体基体，使其在工作温度范围内不发生相变，从而减少因相变而引起的铸铁生长和微裂纹。 (2) 球化处理或变质处理：经过球化处理或变质处理，使石墨转变成球状和蠕虫状，提高铸铁金属基体的连续性，减少氧化气氛渗入铸铁内部的可能性，有利于防止铸铁内氧化和生长。

常用耐热铸铁有：中硅耐热铸铁（RTSi-5. 5），中硅球墨铸铁（RTQSi-5 常用耐热铸铁有：中硅耐热铸铁（RTSi-5.5），中硅球墨铸铁（RTQSi-5.5），高铝耐热铸铁（RTA1-22），高铝球墨铸铁（RTQA1-22），低铬耐热铸铁（RTCr-1.5）和高铬耐热铸铁（RTCr-28）等。常用作炉栅、水泥培烧炉零件、辐射管、退火罐、炉体定位板、中间架、炼油厂加热耐热件、锅炉燃烧嘴等。

耐蚀合金铸铁 提高铸铁耐蚀性的主要途径是合金化。 1）加入硅、铝、铬等合金元素，能在铸铁表面形成一层连续致密的保护膜； 2）加入铬、硅、钼、铜、镍、磷等合金元素，可提高铁素体的电极电位； 3）通过合金化还可以获得单相金属基体组织，减少了铸铁中的腐蚀微电池。

目前应用较多的耐蚀铸铁有高硅铸铁（STSi15）、高硅钼铸铁（STSi15Mo4）、铝铸铁（STA15）、铬铸铁（STCr28）、抗碱球铁（STQNiCrRE）等。 例如，高硅铸铁有优良的耐酸性（但不耐热的盐酸），常用作耐酸泵、蒸馏塔等；高铬铸铁具有耐酸耐热耐磨的特点，用于化工机械零件（如离心泵、冷凝器等）的制造。