第七章++铸铁

第七章 铸铁

铸铁是wC＞2.11%的铁碳合金。它是以铁、碳、硅为主要组成元素，并比碳钢含有较多的锰、硫、磷等杂质元素的多元合金。铸铁件生产工艺简单，成本低廉，并且具有优良的铸造性、切削加工性、耐磨性和减振性等。因此，铸铁件广泛应用于机械制造、冶金、矿山及交通运输等部门。

第一节 概述

一、铸铁的成分及性能特点

与碳钢相比，铸铁的化学成分中除了含有较高C、Si等元素外，而且含有较多的S、P等杂质，在特殊性能铸铁中，还含有一些合金元素。这些元素含量的不同，将直接影响铸铁的组织和性能。

1、成分与组织特点

工业上常用铸铁的成分（质量分数）一般为含碳2.5%~4.0%、含硅1.0%~3.0%、含锰0.5%~1.4%、含磷0.01%~0.5%、含硫0.02%~0.2%。为了提高铸铁的力学性能或某些物理、化学性能，还可以添加一定量的Cr、Ni、Cu、Mo等合金元素，得到合金铸铁。

铸铁中的碳主要是以石墨（G）形式存在的，所以铸铁的组织是由钢的基体和石墨组成的。铸铁的基体有珠光体、铁素体、珠光体加铁素体三种，它们都是钢中的基体组织。因此，铸铁的组织特点，可以看作是在钢的基体上分布着不同形态的石墨。

2、铸铁的性能特点

铸铁的力学性能主要取决于铸铁的基体组织及石墨的数量、形状、大小和分布。石墨的硬度仅为3~5HBS，抗拉强度约为20MPa，伸长率接近于零，故分布于基体上的石墨可视为空洞或裂纹。由于石墨的存在，减少了铸件的有效承载面积，且受力时石墨尖端处产生应力集中，大大降低了基体强度的利用率。因此，铸铁的抗拉强度、塑性和韧性比碳钢低。

由于石墨的存在，使铸铁具有了一些碳钢所没有的性能，如良好的耐磨性、消振性、低的缺口敏感性以及优良的切削加工性能。此外，铸铁的成分接近共晶成分，因此铸铁的熔点低，约为1200℃左右，液态铸铁流动性好，此外由于石墨结晶时体积膨胀，所以铸造收缩率低，其铸造性能优于钢。

二、铸铁的石墨化及其影响因素 1、铁碳合金双重相图

碳在铸件中存在的形式有渗碳体（Fe3C）和游离状态的石墨（G）两种。渗碳体是由铁原子和碳原子所组成的金属化合物，它具有较复杂的晶格结构。石墨的晶体结构为简单六方晶格，如图7-1所示。晶体中碳原子呈层状排列，同一层上的原子间为共价键结合，原子间距为1.42 ?，结合力强。层与层之间为分子键，而间距为3.40 ?，结合力

较弱。

图7-1 石墨的晶体结构

若将渗碳体加热到高温，则可分解为铁素体或奥氏体与石墨，即Fe3C→F（A）+G。这表明石墨是稳定相，而渗碳体仅是介（亚）稳定相。成分相同的铁液在冷却时，冷却速度越慢，析出石墨的可能性越大；冷却速度越快，析出渗碳体的可能性越大。因此。描述铁碳合金结晶过程的相图应有两个，即前述的Fe-Fe3C相图（它说明了介稳定相Fe3C的析出规律）和Fe-G相图（它说明了稳定相石墨的析出规律）。为了便于比较和应用，习惯上把这两个相图合画在一起，称为铁碳合金双重相图。

图7-2 铁碳合金双重相图

2、石墨化过程

（1）石墨化方式 铸铁组织中石墨的形成过程称为石墨化(graphitization)过程。铸铁的石墨化有以下两种方式：

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①按照Fe-G相图，从液态和固态中直接析出石墨。在生产中经常出现的石墨飘浮现象，就证明了石墨可从铁液中直接析出。

②按照Fe-Fe3C相图结晶出渗碳体，随后渗碳体在一定条件下分解出石墨。在生产中，白口铸铁经高温退火后可获得可锻铸铁，就证实了石墨也可由渗碳体分解得到。

（2）石墨化过程 现以过共晶合金的铁液为例，当它以极缓慢的速度冷却，并全部按Fe-G相图进行结晶时，则铸铁的石墨化过程可分为三个阶段：

第一阶段 （液相—共晶阶段）：从液体中直接析出石墨，包括过共晶液相沿着液相线C’D’冷却时析出的一次石墨GI，以及共晶转变时形成的共晶石墨G共晶，其反应式可写成：L→LC+GI LC→ AE+G共晶

第二阶段（共晶—共析阶段）：过饱和奥氏体沿着E’S’线冷却时析出的二次石墨GⅡ，其反应式可写成：AE，→ AS’ +GⅡ

第三阶段（共析阶段）：在共析转变阶段，由奥氏体转变为铁素体和共析石墨G共

析

，

，

，

，其反应式可写成：AS，→ FP，+G共析

3、影响石墨化的因素

影响铸铁石墨化的主要因素是化学成分和结晶过程中的冷却速度。

（1）化学成分的影响 主要为碳、硅、锰、硫、磷的影响，具体影响如下： ①碳和硅 碳和硅是强烈促进石墨化的元素，铸铁中碳和硅的含量愈高，便越容易

石墨化。这是因为随着含碳量的增加，液态铸铁中石墨晶核数增多，所以促进了石墨化。硅与铁原子的结合力较强，硅溶于铁素体中，不仅会削弱铁、碳原子间的结合力，而且还会使共晶点的含碳量降低，共晶温度提高，这都有利于石墨的析出。

实践表明，铸铁中硅的质量分数每增加1%，共晶点碳的质量分数相应降低0.33%。为了综合考虑碳和硅的影响，通常把含硅量折合成相当的含碳量，并把这个碳的总量称为碳当量wCE即：wCE?wC?13wSi

用碳当量代替Fe-G相图的横坐标中含碳量，就可以近似地估算出铸铁在Fe-G相图上的实际位置。因此调整铸铁的碳含量，是控制其组织与性能的基本措施之一。由于共晶成分的铸铁具有最佳的铸造性能，因此在灰铸铁中，一般将其碳当量控制在4%左右。

②锰 锰是阻止石墨化的元素。但锰与硫能形成硫化锰，减弱了硫的有害作用，结果又间接地起着促进石墨化的作用，因此，铸铁中含锰量要适当。

③硫 硫是强烈阻止石墨化的元素，硫不仅增强铁、碳原子的结合力，而且形成硫化物后，常以共晶体形式分布在晶界上，阻碍碳原子的扩散。此外，硫还降低铁液的流

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动性和促使高温铸件开裂。所以硫是有害元素，铸铁中含硫量愈低愈好。

④磷 磷是微弱促进石墨化的元素，同时它能提高铁液的流动性，但形成的Fe3P常以共晶体形式分布在晶界上，增加铸铁的脆性，使铸铁在冷却过程中易于开裂，所以一般铸铁中磷含量也应严格控制。

（2）冷却速度的影响 在实际生产中，往往存在同一铸件厚壁处为灰铸铁，而薄壁处却出现白口铸铁。这种情况说明，在化学成分相同的情况下，铸铁结晶时，厚壁处由于冷却速度慢，有利于石墨化过程的进行，薄壁处由于冷却速度快，不利于石墨化过程的进行。

冷却速度对石墨化程度的影响，可用铁碳合金双重相图进行解释：由于Fe-G相图较Fe-Fe3C相图更为稳定，因此成分相同的铁液在冷却时，冷却速度越缓慢，即过冷度较小时，越有利于按Fe-G相图结晶，析出稳定相石墨的可能性就愈大。相反，冷却速度越快，即过冷度增大时，越有利于按Fe-Fe3C相图结晶，析出介稳定相渗碳体的可能性就越大。

根据上述影响石墨化的因素可知，当铁液的碳当量较高，结晶过程中的冷却速度较慢时，易于形成灰铸铁。相反，则易形成白口铸铁。生产中铸铁冷却速度可由铸件的壁厚来调态，图7-3综合了铸铁化学成分和冷却速度对铸铁组织的影响，可见，碳硅含量增加，壁厚增加易得到灰口组织，石墨化愈完全；反之，碳硅含量减少，壁厚愈小，愈易得到白口组织，石墨化过程越不易进行。

图7-3 铸件壁厚（冷速）和化学成分对铸件组织的影响

三、铸铁的分类 1、按石墨化程度分类

根据铸铁在结晶过程中石墨化过程进行的程度可分为三类：

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