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

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1 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
=== 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

2 第8章 鑄鐵 在鼓風爐中生產出來的生鐵，通常把一部分送到煉鋼廠煉成鋼料，另外一部分鑄成生鐵塊（Pig iron）後，再以熔鐵爐（Cupola）熔化而鑄成鑄件。 鑄鐵使用的歷史相當久遠，過去的鑄鐵以日常用鑄品為主，並不注重強度。 近來由於冶金技術的進步，生產出更優質的高級鑄鐵、合金鑄鐵等特殊鑄鐵，使鑄鐵之組織與性質獲得進一步的改善。 目前的鑄鐵，使用在機械零件方面，已經相當普遍。

3 第8章 鑄鐵

4 第8章 鑄鐵 鑄鐵熔鑄之過程是先將生鐵塊、廢鑄鐵、廢鋼料等原料和焦炭、石灰石依所需比例陸續裝入熔鐵爐內，然後點火。
空氣從風嘴吹入爐內使焦炭燃燒，待原料熔化達一定量後，自出鐵口流出而進入盛桶，在熔融狀態時，再將其直接澆入砂模中，即得鑄鐵件，此種方法即為鑄造或稱為翻砂。 而石灰石與鐵鏽、焦炭灰及爐壁材料等結合成比重小、流動性良好的爐渣，懸浮在鐵液上面並由出渣口（此出鐵口的位置高）排出，如圖8-1 所示。

5 第8章 鑄鐵 冶煉生鐵所用的爐具為鼓風爐（又稱為高爐），煉鋼用爐為平爐、電爐或轉爐，而製造鑄鐵的爐具則為熔鐵爐。
冶煉鑄鐵的用料主要有原料、燃料、熔劑等，茲分述如下： 1.原料：冶煉鑄鐵的原料是以生鐵料、廢鐵料、廢鋼料混合處理。 2.燃料：燃料以焦碳為主。 3.熔劑：以石灰石（CaCO3）、長石、白雲石等作為助熔劑。

6 第8章 鑄鐵 熔鐵爐的構造，如圖8-1 所示。由圖8-1 中最底部有一個有鉸鍊的半圓形金屬爐底板，底板拉開可清理爐體內部；爐底板上鋪上一層砂床，以緩和上層之壓力；砂床的左側為出渣口，右側為成品出鐵口；焦炭與原料分層堆裝；熱風由鼓風管處吹入，入料由裝料門填入，爐內璧鋪設耐火磚，外璧為鋼殼圓柱體。

7 第8章 鑄鐵 其作業過程如下所述： 1.首先由裝料門將焦炭由爐底裝填到一定高度。
2.再把生鐵料、廢鋼料等鐵原料和焦炭、石灰石依重量比例分層加入。 3.比例依1 份焦炭及8~10 份鐵原料加入。 4.石灰石助熔劑的量依1 噸的鐵原料加入40kg 為原則。

8 第8章 鑄鐵 5.開始點火，空氣從風嘴吹入爐內使焦炭燃燒並進而使鐵原料熔化。 6.鑄鐵水流到爐底並累積至一定量後，打開出鐵口送出。
7.使鑄鐵熔液流入鐵杓子以供澆入砂模的模穴內。 8.熔化作業過程中，必須不斷的加入原料，保持連續作業。

9 第8章 鑄鐵 9.石灰石粉末會與鐵原料的鏽、焦炭的灰分及被侵蝕的爐壁材料等作用成為流動性良好的爐渣（Slag），浮於鑄鐵水表面並由出渣口排出。 10.熔鐵爐加料口冒出的爐氣可回收作為輸入空氣的預熱能源，可增加熔化的速度及節省能源。

10 第8章 鑄鐵 熔鐵爐並非連續操作，每澆鑄一批鑄件之後，必須開爐一次，每次約需3~4 小時，完畢後清理爐床及修整爐內部，等待下一次的澆鑄。
出爐後，需將熔鐵爐的出鐵口以耐火泥製成的圓錐形孔塞棒堵住，下一次出鐵時，敲破塞棒出鐵。 熔鐵爐的鑄造成品主要為普通鑄鐵，若原料的成分及焦炭的品質控制得當，亦可煉製展性鑄鐵與延性鑄鐵。

11 第8章 鑄鐵 然而對於特殊鑄鐵與合金鑄鐵等高級鑄鐵，尚難以作嚴密的控制，所以無法利用熔鐵爐來製造。
為了解決此一問題，以低週波感應電爐來取代熔鐵爐，可生產特殊鑄鐵與合金鑄鐵等高級鑄鐵。

12 第8章 鑄鐵 感應電爐的加熱方式可免除焦炭的使用，灰分不會產生；並可降低雜質元素對熔融鑄鐵液的影響，所以其生產容量漸漸提高，每次產量可達20 噸，用途非常廣泛。 如圖8-2 所示，為低週波感應電爐的示意圖。其他還有高週波感應爐、坩堝型或搖動型電阻爐及反射爐等熔化爐，已漸漸被採用。

13 第8章 鑄鐵 熔鐵爐的優點為設備費用低廉、作業簡單、操作費用亦低廉等；然其操作時的汙染性頗為嚴重為其最大缺點。

14 8-1 鑄鐵之成分及組織 一般鑄鐵之成分是以碳、矽為主，另外含錳、磷、硫等元素。
而合金鑄鐵除上列元素外，尚添加鎳、鉻、鉬、鋁、釩等合金元素。 鑄鐵的特性為質脆鍛造性差，熔點較碳鋼為低，流動性良好，鑄造時的收縮率低，所以最適合鑄造。 同時，鑄鐵的價錢便宜，制震能大，故常用於機架、底座、氣缸、管、柱、輪及其他無法承受太大衝擊力的鑄件。

15 8-1 鑄鐵之成分及組織 鑄鐵的含碳量較高，從熔融狀態冷卻後，碳會以兩種狀態存在。
其一為化合狀態的碳化鐵（Fe3C）又稱為雪明碳鐵或化合碳（Combined carbon）； 另一種為游離狀態的石墨碳（Graphite），如圖8-3 所示。

16 8-1 鑄鐵之成分及組織 碳以石墨或碳化鐵出現之不同狀況而以平衡圖表示時，此平衡圖稱為複 平衡圖（Double diagram）。
圖8-3 中實線部分與第三章的鐵碳平衡圖相同，實線上碳的成分為鐵-雪明碳鐵系（Fe-Fe3C）為主；而虛線部分的碳即為鐵-石墨系（Fe-C）。 Fe-C 系表示最終之安定狀態，故稱為安定平衡圖。而Fe-Fe3C則稱為準安定平衡圖。

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18 8-1 鑄鐵之成分及組織 鑄鐵中之石墨碳及化合碳形成的原因為鑄鐵在熔融狀態若以緩慢的速度冷卻時，碳易析出成石墨，石墨質軟，呈片狀或球狀。
當冷卻速度較快時，碳和鐵容易化合形成化合碳（碳化鐵或雪明碳鐵），化合碳的質硬而脆。

19 8-1 鑄鐵之成分及組織 碳可與鐵結合成雪明碳鐵，亦可與純鐵結合成波來鐵，由此可見，鑄鐵是由純鐵、石墨、雪明碳鐵、波來鐵等所組成。
另外，鑄鐵內的石墨形狀主要有三種：(1)片狀；(2)塊狀；(3)球狀，如圖8-4 所示。

20 由鐵碳複平衡狀態圖中，石墨所生成的形態有六種形態，如圖8-5 所示，這與熱處理的過程有密切的關係。
8-1 鑄鐵之成分及組織 由鐵碳複平衡狀態圖中，石墨所生成的形態有六種形態，如圖8-5 所示，這與熱處理的過程有密切的關係。

21 8-1 鑄鐵之成分及組織 鑄鐵成分除了鐵與碳組成外，尚包含矽、錳、磷、硫等雜質，在鑄鐵的所有成分當中，尤以碳與矽的影響最為重要。
依鑄鐵的組織成分可將鑄鐵分成四種不同的型式，如下所述： 1.白鑄鐵：常用的鑄鐵之含碳量為2.5~4.0 %，假如這些碳全部和鐵化合成雪明碳鐵時，硬度大而甚難切削，這種鑄鐵之斷面呈白色，稱為白鑄鐵（White cast iron）。如圖8-6 所示，為顯微鏡組織示意圖（波來鐵＋雪明碳鐵）。

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23 8-1 鑄鐵之成分及組織 2.灰鑄鐵：鑄鐵中若另含有2~3% 矽時，雪明碳鐵容易被分解，組織中的石墨增多。灰鑄鐵硬度較低且質軟，易於切削，斷面因含多量的石墨而成灰色，稱為灰鑄鐵（Gray cast iron）。如圖8-7 所示，為顯微鏡組織示意圖（石墨＋肥粒鐵＋波來鐵）。 3.斑鑄鐵：此種鑄鐵之斷面呈白色與灰色混合之斑點狀態，其性質介於上述二者之間，稱為斑鑄鐵（Mottled cast iron）。

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25 8-1 鑄鐵之成分及組織 4.冷硬鑄鐵（Chill cast iron）：將含2.8~3.8%碳、0.5~0.7%矽、0.5~1.7%
錳、0.2~0.6%磷及<0.15%硫的熔融鑄鐵液澆入金屬模或設有金屬與石墨冷激件的砂模中，使其鑄件表面迅速冷凝，阻止石墨的晶出，表層幾乎為白鑄鐵組織，此種鑄件稱為冷激硬面鑄鐵或冷硬鑄鐵。

26 8-1 鑄鐵之成分及組織 此外，鑄鐵在熔液狀態時，碳將熔於鐵中成為均勻的熔液。
此種熔液當冷卻得很慢時，按照Fe-C 系變化，碳會變為石墨，而在常溫時可以得到肥粒鐵基地內分布石墨的灰鑄鐵組織。 冷卻速度較快時則會產生白鑄鐵，其組織依照Fe-Fe3C 系的變化而變化。 而含碳量4.3%共晶點之合金稱為共晶鑄鐵，此組成之熔液冷至1148℃，將生成雪明碳鐵與沃斯田鐵之共晶組織，這種共晶組織稱為粒滴斑鐵（Ledeburite）。

27 8-1 鑄鐵之成分及組織 溫度續降至727℃（A1 線）時，共晶中之沃斯田鐵變態成為波來鐵，冷至常溫時可得到雪明碳鐵＋波來鐵混合之白鑄鐵組織。 含碳量低於4.3%之鑄鐵稱為亞共晶鑄鐵，其組織為波來鐵與雪明碳鐵的混合組織，波來鐵較多而雪明碳鐵較少。 含碳量高於4.3%之鑄鐵稱為過共晶鑄鐵，其組織亦為波來鐵＋雪明碳鐵的混合組織，波來鐵較少而雪明碳鐵較多。

28 8-1 鑄鐵之成分及組織 由以上之敘述可知鑄鐵的組織主要隨冷卻速度、碳及矽的含量多寡而改變。如圖8-8 所示，為冷卻速度一定時，碳及矽的含量對鑄鐵組織之影響。 此圖係由Maurer 所提出，故稱為Maurer 組織圖。圖8-8 是把碳及矽含量不同的各種鑄鐵組織從1250℃高溫時的熔融狀態，在冷卻速度一定的狀況下，直接澆注於直徑75mm的乾燥砂模內冷卻，再經顯微裝置觀察其內部組織之變化後，所得到的關係圖。圖8-8 對含碳量在1.7~4.3%的一般鑄鐵，大致可以適用。

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30 8-1 鑄鐵之成分及組織 圖8-8 中所標示的各區域，皆表示不同的組織。鑄鐵的組織可分為五個區域，圖中【A 點】為鐵碳平衡圖中含碳量4.3%C 之共晶點且含矽量為0。 【B 點】為白鑄鐵與灰鑄鐵的分界，含碳量為1%，含矽量為2%；在實際的作業中，於一定的冷卻速度下，此種成分以下的鑄鐵是不會晶出石墨的。 【C 點】的含碳量為1%，含矽量為7%，這種成分以上的鑄鐵它所含的碳全為石墨碳，而無雪明碳鐵產生。所以，【AB 線段】代表白鑄鐵與灰鑄鐵的分界，【AC 線段】代表普通鑄鐵與極軟鑄鐵的分界。

31 8-1 鑄鐵之成分及組織 另外，Maurer 把含碳量1.7%視為鋼與鑄鐵的分界點，圖中XY線段即表示含碳量為1.7%的線。
由B 點畫垂直線交XY 線段於B'點，並畫出AB'直線；由D 點畫垂直線交BC 線段於D'點，並畫出AD'直線。由AB、AB'、AD'、AC 等線可將其分成五個區域，各區域內的組織可如表8-1 所示。

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33 8-1 鑄鐵之成分及組織 例如：含碳量為3 %， 含矽量小於0.7 %時，則組織為白鑄鐵； 含矽量為0.7~1.0 %時，則組織為斑鑄鐵；
含矽量為1.0~2.0 %時，則組織為波來鐵組織； 含矽量為2.0~2.6 %時，組織為普通鑄鐵； 含矽量大於2.6 %時，組織為極軟鑄鐵。

34 8-1 鑄鐵之成分及組織 此外，【Ⅰ區】之白鑄鐵性質極硬，【Ⅲ區】之肥粒鐵型灰鑄鐵性質極軟。
所以，若要作為構造用鑄鐵，以【Ⅱ區】之波來鐵型灰鑄鐵性質最佳，尤其是 %碳、l %矽，附近之組成最佳，為強力之波來鐵型灰鑄鐵，一般所謂高級鑄鐵都屬此類。

35 8-2 影響鑄鐵組織及性質之因素 影響鑄鐵機械性質之因素很多，其中以石墨之形狀及基地的組織影響最大。另一重要因素是由碳、矽、磷所構成的碳當量。就化學組成而言，鑄鐵中碳為最主要之元素，其次為矽及磷。 為了瞭解這些元素對鑄鐵的影響，把碳以外的元素也換算為碳，而和原來的碳相加，所得到的值叫做碳當量（Carbon equivalent或C.E.）。此值常用來比較鑄鐵的各種性質。其值可以下列方式來表示

36 8-2 影響鑄鐵組織及性質之因素 鑄鐵的各項性質說明如下:
鑄鐵的物理性質不但隨其化學性質而變化，且受到肥粒鐵、波來鐵、石墨等分布之影響；一般鑄鐵的物理性質，如表8-2 所示。 鑄鐵的收縮率約為1%，低於碳鋼的收縮率，且對鹼性物質有相當高的耐蝕性。

37 8-2 影響鑄鐵組織及性質之因素

38 8-2 影響鑄鐵組織及性質之因素 如表8-3 所示，為普通鑄鐵的機械性質。鑄鐵的機械性質依其內部組織而不同，尤其受到石墨的分布、含碳量、晶粒大小及形狀等的影響最大。 鑄鐵中之石墨分布愈均勻則強度愈高。肥粒鐵愈多強度愈低，波來鐵愈多則強度愈大。又冷卻速度慢則石墨多而強度低。溶解溫度愈高石墨愈細強度亦愈大。 因此，機械性質亦受化學成分、冷卻速率及溶解條件等的影響。

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42 8-2 影響鑄鐵組織及性質之因素 鑄鐵的抗拉強度由石墨的分布情形與基地的強度而定。而化學成分中與機械性質有較大關係者為碳、矽、磷。把此三元素換算成碳當量後，即可判斷其強度。碳當量為4.3 %時，液態的鑄鐵在共晶溫度會同時晶出石墨或雪明碳鐵及沃斯田鐵。 就化學成分的影響而言，碳當量值增加時石墨會變粗大，使強度及硬度降低，而碳當量降低則強度增加，如圖8-9 所示。

43 8-2 影響鑄鐵組織及性質之因素 另外，錳的含量若低於1%時，可提高鑄鐵的抗拉強度。銅、鎳、鉻、鉬等亦能提高其抗拉強度。普通鑄鐵的抗拉強度約為150~250N/mm2，高級鑄鐵約可達250~350N/mm2，而特殊鑄鐵約可達400~500N/mm2。

44 8-2 影響鑄鐵組織及性質之因素 石墨多時硬度低，雪明碳鐵多則硬度大。矽能促進石墨化，故矽多時硬度低。而鉻會促進碳化物的生成，有提高硬度的作用。 適量的磷、硫亦會增高硬度。而鎳、銅會使鑄鐵硬度增大卻不生白鑄鐵，可增加切削性，利於加工。就碳當量與硬度的關係而言，碳當量增大時，硬度會降低。同一碳當量時，厚度較大者，因為冷卻速度較慢，石墨愈多，故亦較軟。

45 8-2 影響鑄鐵組織及性質之因素 鑄鐵之抗壓強度約為其本身抗拉強度的3~4 倍，故鑄鐵常作為耐壓材料。
但是愈高級之鑄鐵其抗壓與抗拉強度之差會比較小。 在衝擊值方面，鑄鐵因脆性大，故衝擊值低。 若加入磷、硫則會降低衝擊值，增加切削性。

46 8-2 影響鑄鐵組織及性質之因素 鑄鐵的耐磨耗性良好，主要原因是鑄鐵中所含之石墨具有潤滑作用。
若添加潤滑油時，石墨會吸油並具儲油效果，可減少運動時的摩擦現象。 而鑄鐵中含磷量超過0.7%以上時，可形成史帝田鐵（Steadite，為Fe-Fe3C-Fe3P 之三元共晶組織），此種組織更為耐磨。

47 8-2 影響鑄鐵組織及性質之因素 物體受到震動時，會吸收震動的能量而使得震動逐漸減弱，這種可吸收震動的能力稱為制震能（Damping capacity）。鑄鐵的制震能受石墨大小和形狀的影響很大，通常石墨愈大，形狀愈複雜，其制震能愈大。因此片狀石墨鑄鐵之制震能將優於球狀石墨鑄鐵。 與其他鋼鐵材料比較，鑄鐵的制震能相當大，所以可用來製造受震動較大的飛輪（Flywheel）、曲柄軸及機器設備的底座等。

48 8-2 影響鑄鐵組織及性質之因素 鑄鐵內的雪明碳鐵在高溫時成為不安定的化合物，當鑄鐵被加熱至500℃左右時，鐵與碳開始分解，至750~800℃時完全分解，此現象稱為雪明碳鐵的石墨化Graphitization）。 但是鑄鐵在高溫時其耐磨性則不致降低。鑄鐵因為有這些特點，所以內燃機的汽缸或活塞環等，常以鑄鐵製造。

49 8-2 影響鑄鐵組織及性質之因素 但是鑄鐵在A1 變態點以上反覆進行加熱與冷卻時，加熱期間所膨脹的量在冷卻時無法完全恢復；當反覆加熱的次數增加時，其長度也漸漸增加，終而發生裂痕，強度降低，最後導致破壞，此種缺點稱為鑄鐵的成長（Growth）現象。 因此在高溫下使用鑄鐵時宜特別留意。如圖8-10所示，為灰鑄鐵在650~950℃反覆加熱9次，其線膨脹率的情形；由第1 次到第9次長度逐次增加，最後產生裂縫而破壞，並使其強度降低。

50 8-2 影響鑄鐵組織及性質之因素

51 8-2 影響鑄鐵組織及性質之因素 綜合言之，鑄鐵的成長是鑄鐵在高溫時所發生的最嚴重問題之一，為了防止鑄鐵的成長，可以下列方法加以改善：
1.添加鋁、矽等可促進石墨化的元素，儘量減少雪明碳鐵的生成。 2.添加鉻元素作為雪明碳鐵的安定劑，以防止高溫反覆加熱時的石墨化。使矽含量減少，或以鎳來代替一部分的矽。

52 8-2 影響鑄鐵組織及性質之因素 鑄鐵由熔融狀態冷卻至常溫固體狀態時，會發生三個階段的體積收縮即：(1)液體隨溫度下降時的收縮（液體收縮）；(2)凝固期間的收縮（凝固收縮）；(3)凝固後冷卻到常溫的收縮（固體收縮），如圖8-11 所示。

53 8-2 影響鑄鐵組織及性質之因素 液體收縮與凝固收縮可由鑄造時冒口、澆口等的設置加以改善；而固體收縮的防止，只能在製作鑄模時先將尺寸放大。
不同材質的鑄件其固體收縮量各不相同；冷卻速度愈快時其收縮愈大，這是因為石墨的含量會減少的緣故。 灰鑄鐵因有石墨晶出，所以其固體收縮量較白鑄鐵或其他金屬來得小。

54 8-2 影響鑄鐵組織及性質之因素 一般鑄鐵的收縮量約為1 %為宜。
為了補救鑄鐵之收縮，經常在製作模型時把所定之尺寸放大。此放大的尺寸量稱為收縮裕度（Shrinkage allowance）。

55 8-3 普通鑄鐵之性質及用途 普通鑄鐵通常是指不大重視強度或硬度的灰鑄鐵而言，灰鑄鐵的組織多為肥粒鐵、石墨和波來鐵等的混合組織，它的組織成分大致為含3.2~3.8%碳、1.4~2.5%矽、0.4~l.0%錳、0.1~0.3%磷、0.05~0.15%硫，其餘為鐵。 如表8-4所示，為普通灰鑄鐵的機械性質。

56 8-3 普通鑄鐵之性質及用途

57 8-3 普通鑄鐵之性質及用途

58 8-3 普通鑄鐵之性質及用途 表8-4 中FC100、150、200 屬於普通鑄鐵，抗拉強度介於100~200 N/mm2之間，其中FC100 常用來製造家庭用鑄件，FC150、200 常作為機械外殼底座及零件用。 而FC250、300、350 為高級鑄鐵。 普通鑄鐵之特點為價格便宜，鑄造容易且加工方便。

59 8-3 普通鑄鐵之性質及用途 鑄件的製造與煉鋼不同，鑄造鑄件時，有賴於對熔化的原料作適當選擇，正確比例配合，控制澆鑄溫度與冷卻速度，加上良好的鑄模條件，才能獲得所需的鑄件成分、組織和性質。 除了價廉與切削費用低廉外，灰鑄鐵尚有下列之特性： 1.高抗壓強度：抗壓強度為450~1320N/mm2之間，極適合製造機械本體與底座或構架。

60 8-3 普通鑄鐵之性質及用途 2.高制震能：鑄鐵中含片狀石墨組織，能吸收震動，其制震能高於其他任何鐵金屬材料，適合製造齒輪、飛輪、曲柄軸及凸輪軸等。 3.低凹痕敏感度（Notch sensitivity）：其疲勞限界受缺口或凹痕的影響較少。 4.良好耐磨性：特別在正常潤滑下金屬面與金屬面之間的摩擦，鑄鐵耐磨耗性良好，廣用於汽缸、活塞、工具機之床面等。

61 8-3 普通鑄鐵之性質及用途 白鑄鐵是利用調節鑄鐵成分和澆鑄後急速冷卻而得，因鑄鐵中的碳形成碳化鐵（即雪明碳鐵）的組織，使其呈白色狀，為鑄鐵中最堅硬的組織。 白鑄鐵主要是用於生產展性鑄鐵的中間原料；或者用於使鑄件表面形成一層薄的白鑄鐵，以增加鑄件的表面硬度及耐磨性。

62 8-3 普通鑄鐵之性質及用途 機械的活動配合部位經常須有強度大且耐磨性佳的機件，高級鑄鐵就非常適用，主要用於製造汽缸、活塞、活塞環等內燃機機件，如表8-4 中的FC250、FC300、FC350 等高級鑄鐵。 高級鑄鐵又稱為高強度鑄鐵，一般以電 爐或反射爐煉製，高級鑄鐵的含碳量較低，石墨的分布較為均勻且細緻，若再配合矽、錳、鎳、銅及鉻等，其耐磨性更佳。理想的高級鑄鐵屬於波來鐵系灰鑄鐵，其組織是由細小的石墨均勻地分布在波來鐵的基地內。

63 8-3 普通鑄鐵之性質及用途 在鑄鐵熔液中，加入接種劑（Inoculant），同樣可改善其組織及機械性質。
接種劑有矽鐵、碳化矽、矽化鈣、錳矽及其他含錳、鎳、矽、鋯等元素。 接種劑可以減少初析肥粒鐵及同方向集中的石墨群，使石墨成為亂向均布的小球狀或小片狀，可防止冷硬（Chilling）與大塊碳化鐵生成。

64 8-3 普通鑄鐵之性質及用途 因此，接種鑄鐵的組織以波來鐵為基地，使微細之石墨亂向均布，其抗拉強度和抗壓強度因而增大。
白鑄鐵或斑鑄鐵加入接種劑後，因接種劑加入而產生石墨，使得硬度降低；原來含有多量之初析肥粒鐵的灰鑄鐵，因接種劑加入而成為波來鐵基地，硬度反而升高。

65 8-3 普通鑄鐵之性質及用途 接種鑄鐵以米漢納鑄鐵（Meehanite cast iron）為代表，其型式約有20 種，其方式為在白鑄鐵或斑鑄鐵中加入矽化鈣接種劑，則鑄鐵中矽內晶出的石墨較少，其內部組織波來鐵的含量約為90%以上，細小之石墨極少量，故鑄件無脆性發生。

66 8-3 普通鑄鐵之性質及用途 米漢納鑄鐵的特性為： 1.韌性大 2.耐磨性高 3.抗蝕性強 4.較高的淬火硬度

67 8-3 普通鑄鐵之性質及用途 5.潛變量低 6.沒有回火脆性及加工脆性等
7.抗拉強度高，約為350N/mm2；抗壓強度亦大，約為1220N/mm2；硬度為HB207 以上。 8.其用途為生產強化塑膠品用的工具機模具或工具機本體且須耐磨耗之表面等。表8-5 所示，為米漢納鑄鐵的種類及機械性質。

68 8-3 普通鑄鐵之性質及用途

69 8-4 特殊鑄鐵之種類及用途 合金鑄鐵是鑄鐵中加入鎳、鉻、鉬、鋁、釩等特殊元素以改良鑄鐵某些 性質如抗拉強度、耐磨耗性、耐蝕性、耐熱性等。
如圖8-12 所示，為各種合金的添加量對鑄鐵抗拉強度的影響。 由圖8-12 可知，鉬對提高鑄鐵的抗拉強度最為顯著。

70 8-4 特殊鑄鐵之種類及用途

71 8-4 特殊鑄鐵之種類及用途 此外，合金鑄鐵依照所加入之合金元素主要可分為下列幾種，茲分述如下:
鑄鐵中加入適量的鎳、鉻、鉬等元素，能增加鑄鐵之強度並可以改良鑄鐵的其他性質。這些元素對鑄鐵性質之影響分別說明如下: (1)鎳：會促進石墨化，並使波來鐵組織及石墨微細化，鎳亦能改善切削性。除加入鎳之外，若再加入鉻、鉬時其機械性質更為良好。

72 8-4 特殊鑄鐵之種類及用途 (2)鉻：鑄鐵中含鉻量若為0.15~1.0 %，能增加硬度及耐磨耗性，亦可增加耐熱性，但是會減低切削性。
(3)鉬：含量1.5%以下時能增加鑄鐵之硬度、抗拉強度及韌性，唯含量太高時會妨害石墨化。

73 8-4 特殊鑄鐵之種類及用途 由上列合金元素所形成的高強度合金鑄鐵可分為兩種主要的類型：
(1)鎳鉻鑄鐵：在鑄鐵中加入鎳及鉻，可使波來鐵組織細微化，改良機械性質，鎳更可使厚度不同的鑄件得到均勻的組織，使切削加工性更佳。鎳與鉻均可促進石墨化，其效果約為矽的 ，若含鎳量在10%以上時，可得到更好的耐熱性、耐蝕性與耐磨性。添加鉻可提高耐熱性與耐蝕性，強度與硬度增加及組織細微化。鎳鉻鑄鐵一般均用於高溫的內燃機的活塞與汽缸之使用。

74 8-4 特殊鑄鐵之種類及用途 (2)鎳鉬鑄鐵：鑄鐵中加入鉬可使組織細密且容易加工，並可大量的提高強度與耐磨性，若添加鎳則更可增加鉬的效果，使鑄鐵之機械性質更佳。

75 8-4 特殊鑄鐵之種類及用途 一般來說，高強度合金鑄鐵常用於鑄造汽車零件、機械鑄件及耐磨耗鑄件等，如表8-6 所示，為高強度合金鑄鐵的應用實例。

76 8-4 特殊鑄鐵之種類及用途 前面曾提及鑄鐵在高溫下反覆加熱會發生成長現象。耐熱鑄鐵是在鑄鐵內添加合金元素並且提高某些元素的含量（如：鋁、矽、鎳、鉻等）以增加鑄鐵的耐熱性，使其在長時間加熱時能耐氧化及減少成長現象。如表8-7 所示，為耐熱鑄鐵的主要性質。

77 8-4 特殊鑄鐵之種類及用途

78 8-4 特殊鑄鐵之種類及用途 如圖8-13 所示，為加入合金元素後各種鑄鐵成長的比較，其中，高鎳鑄鐵的成長最小。

79 8-4 特殊鑄鐵之種類及用途 在耐熱鑄鐵中加入18%以上的鎳，可得到沃斯田鐵組織，能耐酸、耐鹼及耐高溫等特性，此種鑄鐵稱為高鎳鑄鐵。
灰鑄鐵因組織較疏鬆，故耐酸性較白鑄鐵為差。就一般而言，耐熱鑄鐵之組織較密，其對酸類之抵抗亦大。如表8-8 所示，為耐酸鑄鐵的化學成分，其中高矽鑄鐵耐酸性極高，唯質脆。高鉻鑄鐵性質堅硬。二者之切削加工均甚困難，一般多以研磨法加工。

80 8-4 特殊鑄鐵之種類及用途

81 8-4 特殊鑄鐵之種類及用途 冷硬鑄鐵又稱為冷激硬面鑄鐵（Chilled cast iron），是表層堅硬而內部柔韌的鑄鐵。鑄鐵在鑄造時，鑄件需要冷硬處理的部分使用金屬鑄 模，其他部分則使用砂模。熔液之表層與金屬模接觸部分因傳熱快而急速冷卻，得到堅硬耐磨的白鑄鐵組織。而砂模內部因冷速較慢而得到柔韌的灰鑄鐵組織。 此種鑄鐵冷硬層之硬度可達HB ，同時耐磨性與耐壓性亦甚為良好。而其內部則係韌性較高之灰鑄鐵，可防止整個鑄件的脆裂。軋延滾筒、齒輪、火車輪等零件常用冷硬方法鑄造。

82 8-4 特殊鑄鐵之種類及用途 展性鑄鐵（Malleable cast iron）又稱為可鍛鑄鐵。 普通的鑄鐵質脆，幾無延展性可言。
展性鑄鐵是把白鑄鐵鑄件施以適當的熱處理（如退火），使之發生脫碳或使雪明碳鐵石墨化而稍具展性者。 而所謂的可鍛鑄鐵並非可供鍛造之用，只是其強度、伸長率等接近軟鋼而已。

83 8-4 特殊鑄鐵之種類及用途 展性鑄鐵根據熱處理條件或斷面顏色的不同可分成黑心展性鑄鐵（Black heart malleable cast iron）和白心展性鑄鐵（White heart malleablecast iron）兩種，其化學成分如表8-9 所示。

84 8-4 特殊鑄鐵之種類及用途

85 8-4 特殊鑄鐵之種類及用途 (1)黑心展性鑄鐵 將白鑄鐵裝入退火箱中施以退火處理，促使鑄鐵中之雪明碳鐵石墨化，可得黑心展性鑄鐵。退火分兩階段進行，第一階段加 熱於 ℃，第二階段加熱至 ℃，各階段均保持30 40 小時。

86 8-4 特殊鑄鐵之種類及用途 第一階段退火時，白鑄鐵中之共晶雪明碳鐵會分解產生粒狀石墨（又名回火碳），使組織變為波來鐵和石墨，這種鑄鐵稱為波來鐵展性鑄鐵（Pearlite malleable cast iron），強度甚高。 第二階段退火時，波來鐵內的雪明碳鐵會石墨化。此時鑄鐵變為肥粒鐵和石墨的組織，其表層因脫碳形成肥粒鐵，而心部因含石墨而呈黑色，因此稱為黑心展性鑄鐵。如圖8-14 所示，為黑心展性鑄鐵之組織示意圖。

87 8-4 特殊鑄鐵之種類及用途

88 8-4 特殊鑄鐵之種類及用途 (2)白心展性鑄鐵 將白鑄鐵和氧化鐵或鐵礦石等脫碳劑的粉末同時裝入退火箱中，加熱於900~1000℃，約40~50 小時後緩緩冷卻，則可得到鑄件表面脫碳程度相當深的白心展性鑄鐵。如圖8-15 所示，為白心展性鑄鐵之組織示意圖，其表層因脫碳變為肥粒鐵而內部為波來鐵和回火碳（石墨），這種鑄件的斷面呈白色。如表8-10 及8-11所示，各為黑心及白心展性鑄鐵之機械性質。

89 8-4 特殊鑄鐵之種類及用途

90 8-4 特殊鑄鐵之種類及用途

91 8-4 特殊鑄鐵之種類及用途

92 8-4 特殊鑄鐵之種類及用途 鑄鐵之所以鬆脆而無韌性，主要是因為石墨呈片狀的緣故，而展性鑄鐵之所以具有較大的韌性係因石墨為顆粒狀。
近年來在熔化的鑄鐵熔液中加入鎂或鎂合金作為球化劑（Spheroidizer），同時添加矽鐵作為接種劑，在鑄造狀態下就能得到球狀石墨組織。基地可為肥粒鐵或波來鐵，其機械性質（如強度、韌性、伸長率等）與鋼非常相似。這種鑄鐵稱為延性鑄鐵（Ductile cast iron）或球狀石墨鑄鐵（Spheroidal graphite cast iron）。

93 8-4 特殊鑄鐵之種類及用途 如圖8-16 所示，為延性鑄鐵的顯微鏡組織示意圖，由圖8-16 中可知各組織的基地不同，圖(a)為波來鐵基地，圖(b)也是波來鐵基地，但球狀石墨被肥粒鐵所包圍而成為所謂的牛眼（Bull's eye）組織，而圖(c)基地為肥粒鐵。

94 8-4 特殊鑄鐵之種類及用途

95 8-4 特殊鑄鐵之種類及用途 延性鑄鐵中低矽、高錳者，基地多為波來鐵組織，鑄造狀態的抗拉強度達450N/mm2 以上，而伸長率低於5%。高矽、低錳時易生牛眼組織。 如果矽再增多，錳再減少時會成為圖8-16(c)所示的肥粒鐵組織，此時組織之抗拉強度會降到300N/mm2 左右，而伸長率可增加到10~20%。

96 8-4 特殊鑄鐵之種類及用途 延性鑄鐵的組織除受矽、錳含量之不同而變化外，亦可利用熱處理來改變基地的組織，例如鑄造狀態為波來鐵基地時，可於900~950℃退火，而於700~725℃附近緩緩冷卻，即可得到質軟的肥粒鐵組織。 若欲得到球狀石墨鑄鐵，就必須慎選雜質含量較少的原料，其中，對石墨球化有妨害的元素包含錫、鉛、銻、鉍、砷、鋁、鈦等應避免加入。目前製造的延性鑄鐵成分大致為3.3~3.9%碳、2.0~3.0%矽、0.2~0.6%錳、0.02~0.15%磷、0.005~0.015%硫。

97 8-4 特殊鑄鐵之種類及用途 在熔鐵的過程中，所添加的球化劑除金屬鎂外，還有鎳鎂合金、矽鎂合金及鈣矽鎂合金等，它們都能使鑄鐵獲得100%的球化率。 如表8-12 所示，為球狀石墨鑄鐵的機械性質，當符號種類的數字愈大，則抗拉強度、降伏點、伸長率及硬度均較大。

98 8-4 特殊鑄鐵之種類及用途 各種鑄鐵與構造用合金鋼的機械性質相比較，球狀石墨鑄鐵的抗拉強度、降伏點、硬度值與抗壓強度均為最優之狀況。

99 8-5 鑄鐵之熱處理 鑄鐵在常溫的組織主要受其加熱溫度、加熱時間及冷卻速度的影響而變化，其機械性質也因組織之不同而有明顯的差異。雖然鑄鐵的熱處理方式與鋼的熱處理方式相近，唯因鑄鐵具有下列特性，所以鑄鐵的熱處理就較為特殊。 1.片狀石墨存在。 2.加熱與冷卻時容易發生雪明碳鐵石墨化的現象。 3.石墨於加熱期間會再滲入基地內。

100 8-5 鑄鐵之熱處理 鑄鐵退火之目的有兩點，其一是除去鑄造時所產生的內部應力；其二是使鑄鐵軟化以改善切削性。
當澆鑄液流入模內時，鑄件各部分的冷卻速度將不會一致，因此有殘留應力存留於鑄件內，容易引起日後的變形及破裂。 消除內部應力的方法是把鑄件加熱在500~550℃，約3~6 小時，然後置於爐中緩緩冷卻，此即為退火。

101 8-5 鑄鐵之熱處理 大型鑄件在爐中加熱確實不易，因此可將鑄件長時間置於屋外，鑄鐵的應力會慢慢消除而避免以後的變形，此種自然退火現
象謂之季化（Seasoning）。 基地為波來鐵組織的鑄鐵較不易切削，為了改善切削性，可加熱於750~800℃，約2~3 小時，可使雪明碳鐵石墨化，而達到 軟化的目的。

102 8-5 鑄鐵之熱處理 普通鑄鐵（灰鑄鐵）的組織內有片狀石墨，並且含有促進石墨化的元素1~3% 矽，同時鑄件之形狀也較為複雜。因此要對普通鑄鐵施行淬火、回火之熱處理，以改良其性質是很不容易的。

103 8-5 鑄鐵之熱處理 但是低碳低矽的灰鑄鐵以及含鎳、鉻、鉬、釩、銅等的合金鑄鐵施以淬火（即將鑄件加熱至 ℃後油中冷卻）時可使其硬化。 淬火後的鑄件必要時可在 ℃之間施以回火，以增加其韌性。

104 8-5 鑄鐵之熱處理 球狀石墨鑄鐵中，基地為波來鐵組織，其硬度高而延性低。這時若施以適當的熱處理，則可得到適當的延性及硬度。例如：將它加熱至ACl（723℃）附近溫度，可使其波來鐵組織內的雪明碳鐵石墨化，而得到軟質的肥粒鐵基地，但若要得到高硬度及高強度的鑄件，則可依下列方法得之： (1)加熱至870~900℃後空冷。 (2)加熱到870~900℃後爐冷至800℃左右再空冷。 (3)加熱至870~900℃後淬火於油中，再回火於 ℃後空冷。