第七章 铸铁与铸钢 1. 理解并掌握铸铁的组织尤其是石墨的形态、分布,性能之间的规律。 2. 理解并掌握工程材料尤其是金属的结构，理解材料结构与性能之间的关系，尤其是强化工程材料性能的途径、基本原理与方法。 3. 掌握常用铸铁的种类、组织结构特点、性能和应用，了解其应用范围。 4. 结合实例，初步具备合理选择铸铁与铸钢材料、正确确定加工方法、妥善安排加工工艺路线的能力。 5. 了解铸钢与铸铁的技术现状，前沿动态及今后的发展方向。

7.1 概 述 铸铁是含碳量大于2.11%并含有较多硅、锰、硫、磷等元素的多元铁基合金。 铸铁具有许多优良的性能及生产简便、成本低廉等优点，因而是应用最广泛的材料之一。

例如，机床床身、内燃机的汽缸体、缸套、活塞环及轴瓦、曲轴等都可用铸铁制造. 内燃机汽缸 例如，机床床身、内燃机的汽缸体、缸套、活塞环及轴瓦、曲轴等都可用铸铁制造. 铸铁曲轴

最近10年是我国铸铁业发展最快、最好的时间。 我国铸件产量持续增长，其中，铸铁业以年均20%的速度增长，远高于同期GDP约10%的增长速率。我国铸铁件的材质结构持续改善，球铁在铸件中所占的比重由1998年的14％增至2009年的24.7％；球铁与灰铁的比例由0.226上升到0.51。 目前，我国年产铸铁件10000吨以上，

图1、1998～2009年我国铸件、灰铁件、球铁件的产量 （近10年来，我国铸件产量持续增长，其中，尤以铸铁件的产量增长最快）

图7-1中国2009年各材质铸件产量（万吨） 2009年我国铸件产量为3530万吨，其中，铸铁件产量占2630万吨（球墨铸铁产量为870万吨，灰铸铁产量1700万吨，蠕墨铸铁产量约30万吨），占我国铸件产量的74.5%，约占当年世界铸铁件产量的39.4％

1、Fe-Fe3C 和 Fe-G (石墨)双重相图 共晶白口铸铁 F基体球墨铸铁 一、铸铁的石墨化过程 1、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）

石墨是碳的单质之一，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

2、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。

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.

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

二、铸铁的特点及分类 工业上使用的铸铁主要是灰口铸铁。 1、铸铁的组织特点 钢的基体+G（石墨） 基体组织有铁素体、珠光体和铁素体加珠光体三种。 F+G F+P+G P+G

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。 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。 铸铁与铸钢的强度比较 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。

铸铁根据石墨的形态进行分类。铸铁中石墨的形态有片状、团絮状、球状和蠕虫状四种，其所对应的铸铁分别为灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁和蠕墨铸铁。

7.2 灰铸铁 碳大部分是以片状石墨存在，因其断口呈暗灰色而得名。灰铸铁生产工艺简单、价格低廉、应用广泛，其产量约占铸铁总产量的70％ 汽车业是灰铸铁的主要应用领域之一，近年来随着汽车轻量化要求的不断提高，薄壁高强度灰铸铁的应用迅速推进

(1)灰铸铁的组织

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

灰铸铁强度只有碳钢的30~50%，热处理强化效果不大。 (2)灰铸铁的热处理 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 灰铸铁件 汽缸套 活塞环

12.9L 6缸蠕铁柴油机缸体（2008，Brazil）

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。 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。 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)灰铸铁的牌号及用途 灰铸铁牌号中“HT”为灰铁汉语拼音字首，其后数字表示该材料的最低抗拉强度（MPa）。例如HT200表示抗拉强度σb≥200MPa的灰铸铁。灰铸铁的强度与铸件的壁厚大小有关系，因此在根据性能要求选择铸铁牌号时，必须注意到铸件的壁厚。如铸件的壁厚超出表中所列的尺寸时，应根据基体情况适当提高或降低铸铁的牌号。灰铸铁主要用于制造承受压力和振动的零部件。

灰铸铁的牌号、力学性能、显微组织及用途 牌号 铸件壁厚/mm 力学性能 基体组织 Rm/MPa σbb/MPa σbc/MPa HBW HT100 所有尺寸 100 260 ＜140 F HT150 15～30 150 330 650 150～200 F+P HT200 200 400 750 170～220 P HT250 20～30 250 470 1000 190～240 HT300 300 540 1100 187～225 细P HT350 350 610 1200 197～269 HT400 680 － 207～269

实例7-1 乘用车的刹车盘通常是使用HT250或相近的低合金灰铸铁，要求材料具有良好的导热性和冷热疲劳性能，所以要求A型石墨，以利于热传导。国内发动机的一些缸体已采用HT300甚至HT350铸铁制作。我国一汽铸造公司已稳定地采用HT300生产6DL道依茨发动机缸体，同时也储备了HT350的生产技术，

7.3 球墨铸铁 中国从1950年开始研究和生产球铁，是世界上较早生产球铁的国家之一。 从2005年起，我国球铁产量连续五年居世界第一，2008年已达820万吨，约占当年世界球铁产量的1/3，比世界第2、3、4名美国（360万吨）、日本（200万吨）和德国（185万吨）的总和还多 2004到2008年，世界球铁铸件的产量从1870万吨增加到2384万吨，年均增长率为5.5%。中国球铁与灰铁的比例为0.50，世界平均水平为0.55，美国的比例为1.0。 我国球铁产量的提升空间还很大

图7-6 中国球铁件应用领域 其中铸管和管件年产量约280万吨，占33%；汽车铸件约280万吨，为33%，约占我国工程结构球铁产量（不包括铸管）的50%；其他如工程机械、农机、机床、建筑、冶金、矿山、能源工业部门等约占33%

DN 2600X 8150 热模法球铁管 （新兴铸管公司生产. 单重14.76吨，壁厚28mm）

东汽生产的QT400-18-LT风电球铁铸件要求低温冲击性能-20℃，V型缺口试样冲击韧性≥12

:一汽铸造公司用壳型背丸工艺生产的球铁曲轴 （尺寸精度高，外观精美，综合废品率在0.5%以下）

90吨重高延伸率和高低温冲击韧性球铁铸件

135吨机床球铁件

注塑机头板、二板与尾板

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

实例7-2 发动机曲轴是球铁在我国应用最典型的零件，研究开发最早，应用范围最广，产量最多。汽车、拖拉机、船用及工程机械上的许多发动机曲轴以及空压机、空调压缩机上的曲轴都是球墨铸铁的。据统计，我国年产用于发动机的各类球铁曲轴约20万吨，1000万根以上。一汽铸造公司用壳型背丸工艺年产球铁曲轴约50万只，综合废品率在0.2%以下。

(4)球墨铸铁的牌号及用途 球墨铸铁的牌号是由球铁汉语拼音字首“QT”及其后的两组数字组成。这两组数字分别表示该材料的最低抗拉强度（单位为MPa）和最低伸长率。例如QT600-3表示Rm≥600MPa，A≥3%的球墨铸铁。 球墨铸铁主要用于制造受力复杂，强度、韧性和耐磨性要求高的零件。如在机械制造业中，珠光体球墨铸铁常用于制造拖拉机或柴油机的曲轴、连杆、凸轮轴、各种齿轮、机床的主轴、蜗杆、蜗轮、轧钢机的轧辊、大齿轮及大型水压机的工作缸、缸套、活塞等；铁素体球墨铸铁常用于制造受压阀门、机器底座、汽车后轮壳等

表7-4 球墨铸铁的牌号、组织、力学性能及用途 表7-4 球墨铸铁的牌号、组织、力学性能及用途 牌号 Rm / MPa Rp0。2 /MPa A/ % 硬度／HBW 基体组织 应用举例 QT350-22L 350 220 22 ≤160 汽车、拖拉机底盘零件；阀门的阀体和阀盖等 QT350-22R QT350-22 QT400-18L 400 18 130～180 F QT400-18R 15 QT400-18 450 10 160～210 QT400-15 QT450-10 QT500-7 500 7 170～230 F+P 机油泵齿轮等 QT550-5 QT600-3 600 3 190～270 柴油机、汽油机的曲轴；磨床、铣床、车床的主轴；空压机、冷冻机的缸体、缸套 QT700-2 700 2 225～305 P QT800-2 800 245～335 P或回火组织 QT900-2 900 280～360 B或回火M 汽车、拖拉机传动齿轮等

(1)球墨铸铁的组织 由基体和球状石墨组成的，铸态下的基体有三种。球状石墨是液态铁水经球化处理得到的。加入到铁水中能使石墨结晶成球形的物质称为球化剂，常用的球化剂为稀土镁合金

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

(2)球墨铸铁的性能 由于球状石墨，对基体的割裂作用和产生的应力集中小，基体强度利用率可达70％～90％，接近于碳钢，塑性和韧性比灰铸铁和可锻铸铁都高。球墨铸铁的突出特点是屈强比(σs/σb)高，约为0.7～0.8，而钢一般只有0.3～0.5。 球墨铸铁还具有较高的疲劳强度。带孔和带台肩球墨铸铁件的疲劳强度与45钢的相当(表7-3)。因此，多数带孔和台肩的重要零件可用球墨铸铁代替钢来制造。试验还表明，球墨铸铁的扭转疲劳强度甚至超过45钢

表7-3 球墨铸铁和45钢的疲劳强度 材 料 对称弯曲疲劳强度/MPa 光滑试样 光滑带孔试样 带台肩试样 带孔、带台肩试样 珠光体球墨铸铁 表7-3 球墨铸铁和45钢的疲劳强度 材 料 对称弯曲疲劳强度/MPa 光滑试样 光滑带孔试样 带台肩试样 带孔、带台肩试样 珠光体球墨铸铁 255 205 175 155 45钢 305 225 195

(3)球墨铸铁的热处理 球墨铸铁可进行各种热处理,如退火、正火、淬火加回火、等温淬火等。

球墨铸铁的热处理特点是： ① 奥氏体化温度比碳钢高，由于硅含量高; ② 淬透性比碳钢高; ③ 奥氏体中碳含量可控。 制品(轧辊与辊环) 组织 贝氏体基球墨铸铁 球墨铸铁的热处理特点是： ① 奥氏体化温度比碳钢高，由于硅含量高; ② 淬透性比碳钢高; ③ 奥氏体中碳含量可控。

Austempered Ductile Iron 简称ADI ADI是一种具有较高性价比的新型工程材料，等温淬火热处理后有很好的综合性能。与同等韧性的普通球墨铸铁相比，其强度提高一倍，与合金钢相当，但其弹性模量最低20%（减少接触应力），且减震性及抗磨性好等许多优点，发展很快，应用范围逐步扩大，产量不断增加，2007年世界产量已近30万吨，其中美国最多，达20万吨，欧洲2.5万吨，中国约7万吨；去年我国ADI年产量约8万吨，约占世界年产量50万吨的1/6～1/5；

我国所生产的ADI铸件中，要求不高的抗磨件如磨球、衬板、锤头等占35%，重型卡车底盘上悬挂件、支架件、拖钩件等零件、铁路机车衬套、支架、垫板、风镐缸体、榨油机榨螺，小型柴油机曲轴、凸轮轴等一般机械承载件占50%，精度要求较高的齿轮和增压发动机曲轴等不到5%。 在北美和欧洲ADI应用市场中，汽车占了主要位置，约占ADI总量的50%以上，特别是重卡的底盘零件，应用很多。美国每辆重卡至少有500公斤以上的ADI零件；欧洲ADI在风力发电零件和工程机械上的应用取得较大进展。

ADI取代原球墨铸铁件、铸钢件、锻钢焊接件和某些铝合金件，在载重汽车、小轿车、柴油机、建筑机械、铁路（机车）、农业机械、闸门工程等领域得到越来越多的应用，用来制造曲轴、齿轮、齿轮架、钢板弹簧支架、支撑座、衬套、发动机固定支架、连杆、缸体、风镐机头、万向连轴节、闸瓦、火车斜楔、销套、磨耗板、汽车轮毂等要求高强度、耐冲击、耐磨和有疲劳性能要求的零件。

实例7-4 东风汽车公司在5吨高机动性越野车试制中，采用ADI代替传统的45号铸钢的底盘零件，使14个零件采用ADI后，总重量由630.62kg减轻至380kg，减重率达39.6%，并在后续的改进中进一步增加ADI零件的数量，使整车ADI件重量达到了550.4kg。

7.4蠕墨铸铁 国外（主要是欧洲）每年生产大约50万台内燃机用的缸体、缸盖等蠕铁件，重量约10万吨，约占欧洲蠕铁产量的2/3，其余是钢锭模、排气管、支架、飞轮、制动毂、液压阀等。在欧洲，柴油发动机的比例比较高，约占50%

蠕墨铸铁是20世纪60年代发展起来的一种新型铸铁. 四、蠕墨铸铁 蠕墨铸铁是20世纪60年代发展起来的一种新型铸铁. 蠕墨铸铁是液态铁水经蠕化处理和孕育处理得到的. 蠕化剂为稀土硅铁镁合金、 蠕墨铸铁中的石墨 稀土硅铁合金、稀土硅铁钙合金等。 蠕墨铸铁的组织： 基体（F、F+P、P）+ 蠕虫状G

蠕墨铸铁中的石墨 珠光体基体 铁素体基体 蠕墨铸铁的显微组织

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 返 回

7.5 可锻铸铁 石墨呈团絮状的灰口 铸铁，是由白口铸铁 经石墨化退火获得的。 1、组织： 基体(F、P)＋团絮状G 7.5 可锻铸铁 石墨呈团絮状的灰口 铸铁，是由白口铸铁 经石墨化退火获得的。 1、组织： 基体(F、P)＋团絮状G 铁素体基体可锻铸铁又称黑心可锻铸铁。 2、性能：强度为碳钢的４0~７0%，接近于铸钢。 名为可锻，实不可锻 可锻铸铁石墨化退火工艺曲线

可锻铸铁的显微组织 黑心可锻铸铁 珠光体可锻铸铁 可锻铸铁的石墨化退火

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。 3、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

表7-6 黑心可锻铸铁的牌号、力学性能及用途 牌 号 试样直径／mm Rmb/ MPa ReLs/ MPa A/% 硬度/HBW 应用举例 KTH300-06 12 或 15 300 6 ≤150 弯头、接头、三通、中压阀门 KTH330-08 330 8 各种扳手、犁刀、犁柱、车轮壳等 KTH350-10 350 200 10 汽车拖拉机前后轮壳、减速器壳、转向节壳、制动器等 KTH370-12 370

工业铸铁的成分范围与组织 返 回 温度 工业铸铁的成分范围 快冷 中速冷却 缓冷 白口铸铁 珠光体灰铸铁 铁素体灰铸铁 铁素体 球墨铸铁 可锻铸铁 石墨化退火 蠕墨铸铁 Si/Mg/Ce 工业铸铁的成分范围与组织 返 回

7.6 铸钢 冶炼后直接铸造成形的钢材。主要用于制造一些形状复杂难以锻造或切削加工，又要求较高强度和塑性，并承受冲击载荷的零件，如轧钢机机架、水压机横梁、重型机械齿轮、轴、轧辊、机座、缸体、外壳、阀体等。 由于铸钢的铸造性能不佳，炼钢设备价格昂贵，故近来有以球墨铸铁部分代替铸钢趋势。 五吨铸造大齿轮 外壳 轧辊

铸钢件 2.5吨大齿轮铸件 返回

世界最大三峡水轮机转轮

轧钢机机架（铸钢，400吨）

世界最大的 （左图）油压机18500t 下图横梁(550t)

一般工程用铸造碳钢力学性能 牌 号 屈服强度 RmMPa 抗拉强度 ReLs/MPa 伸长率A5/% 根据合同选择 断面收缩率Z/% 牌 号 屈服强度 RmMPa 抗拉强度 ReLs/MPa 伸长率A5/% 根据合同选择 断面收缩率Z/% 冲击吸收功AAV/J 冲击吸收功AKU/J/ ZG200-400 200 400 25 40 30 47 ZG230-450 230 450 22 32 35 ZG270-500 270 500 18 27 ZG310-570 310 570 15 21 24 ZG340-640 340 640 10 16