1、1鑄鐵的組織與性能鑄鐵生產技術的根底就是要研究與熟悉：(1)鑄鐵的組織對鑄鐵的性能有什么影響為什么說,限制了鑄鐵的組織就是限制了鑄鐵的性能(2)既然鑄鐵的組織如此重要,那么就必須對其形成過程和形成條件進行研究與熟悉,從而到達限制組織的目的.(3)在生產實踐中,影響鑄鐵組織的不僅有化學成分與冷卻速度,還有鐵液溫度、爐料、氣體、孕育等因素.因此,作為鑄造技術人員必須具備兩方面的根底知識：一是要了解與熟悉鑄鐵組織對鑄鐵性能的影響規律,即什么樣性能的鑄鐵需要什么樣的鑄鐵組織來保證；二是要了解對鑄鐵組織有影響的因素有哪些,如何限制這些因素到達要求的鑄鐵組織,從而滿足鑄件性能要求.1.1 鑄鐵性能的分類圖

2、1是以灰鑄鐵為例進行的鑄鐵性能分類情況,由圖1可見,鑄鐵的性能包括物理性能、力學性能、使用性能和工藝性能,這些性能的與其組織息息相關.現鑄鐵性能物理性能力學性能切削性能使用性能工藝性能吱霰性母補性能鑄造性能鑄應造力耐磨性抗扭強度抗W強度&的極限泊松比彈性模量斷裂的度圖1灰鑄鐵性能分類1.2 鑄鐵的組織既然鑄鐵的性能是由鑄鐵的組織所決定的,因此,限制了鑄鐵的組織就限制了它的性能.鑄鐵的組織由石墨、基體、共晶團和晶界夾雜物4局部組成見表1表1鑄鐵中的組織名稱石墨片狀石墨、蠕蟲狀右墨、團絮狀右墨、球狀石墨片狀石墨還有A、B、C、DE、F共6種分布類型基體鐵素體、珠光體、奧氏體、奧鐵體、滲碳體、馬氏體

3、共晶團以每個石墨核心為中央形成的一個“石墨一奧氏體兩相共生共長的共晶晶粒稱為共晶團.片狀石墨的灰鑄鐵拋光腐蝕前方官長檢驗共晶團數；球墨鑄鐵那么以球墨數代表共晶團數,一個石墨球代表一個共晶團.品界夾雜物共晶物磷共晶、硫共晶、碳化物、非金屬夾雜物1.3 鑄鐵組織對性能的影響情況1.3.1 石墨對性能的影響在鑄鐵組織中,石墨對性能的影響最大.4種類型的石墨可分為6種分布形狀見圖2,其應用的典型鑄鐵類型見表2.圖2石墨的分類示意圖I片狀石墨n聚集的片狀石墨及蟹狀石墨出蠕蟲狀石墨iv團絮狀石墨v團狀石墨VI球狀石墨表2鑄鐵中的6種石墨形狀石墨類型石墨形狀名稱典型鑄鐵類型I片狀石墨灰鑄鐵R聚集的片狀石墨蟹

4、狀石墨快速冷卻的過共晶灰鑄鐵m蠕蟲狀石墨蠕墨鑄鐵IV團絮狀石墨可鍛鑄鐵V團狀石墨球墨鑄鐵蠕墨鑄鐵VI球狀石墨球墨鑄鐵蠕墨鑄鐵(1)石墨形態對力學性能的影響鑄鐵與鋼最大的不同就是鑄鐵中有石墨.石墨對基體的割裂削弱了鑄鐵的強度,其中片狀石墨削弱程度最大、球狀石墨削弱程度最小；石墨形狀越趨于球狀的鑄鐵,強度越高.所以,在鑄鐵中,灰鑄鐵強度最低,球墨鑄鐵強度最高(見表3).由表3可知,石墨形態對鑄鐵力學性能起著決定性的作用.表3不同形態石墨鑄鐵的力學性能類別基體抗拉強度/MPa硬度(HBVV彈性模數/GPa片狀石墨的灰鑄鐵珠光體20040018726983.3137.2蠕蟲狀石墨的蠕墨鑄鐵珠光體庫關素

5、體400450180240120160團絮狀石墨的口鍛鑄鐵珠光體-600195290163180球狀石墨的球墨鑄鐵珠光體700800225360156.8176.4(2)石墨大小、數量及分布狀態對力學性能的影響灰鑄鐵中的石墨灰鑄鐵中的石墨有A、B、C、D、E、F共6種分布類型,其中以無方向性、均勻分布的強度最高,含有D、E過冷石墨那么強度降低,出現粗大的C型石墨時性能最差.石墨數量在片狀時對鑄鐵的強度影響最大,所以灰鑄鐵的碳當量對力學性能的影響很關鍵.灰鑄鐵的碳當量越高,片狀石墨數量就越多,對基體削弱程度也越大.圖3為石墨數量對灰鑄鐵抗拉強度的影響情況,表4為各牌號灰鑄鐵的石墨數量.表4各牌號

6、灰鑄鐵的石墨量牌號HT100HT150HT200HT250HT300HT350石墨量*(%12-157-11694-7362-4*指石墨的體積分數.01.92.22.63.0石墨數量(%)oooOoooO4321Edw-H超照laig圖3石墨數量對灰鑄鐵抗拉強度的影響石墨的長度對力學性能也有影響.片狀石墨的鋒利前端使基體產生應力集中,對鑄鐵的抗拉強度、疲勞強度皆產生了不利的影響.石墨長度越長,影響加劇(見圖4、圖5).3.0.050.100.150.200.250.300.35石墨長度/mm圖4石墨長度與抗拉強度的關系30025020015010050010203040506070809010

7、0石墨長度x10-/mm圖5石墨長度對彎曲疲勞強度的影響有的鑄件需要在反復加熱與冷卻的條件下使用,因此要求其具有良好的熱疲勞強度,這就要求鑄件的組織除了珠光體基體外,石墨數量要多,石墨長度要長,且石墨分布呈A型.圖6、圖7、圖8分別為石墨數量、石墨長度、石墨分布類型對灰鑄鐵熱疲勞強度的影響情況.2.0射早灰要金裾眼驚霹金681012叫石墨X陶圖6灰鑄鐵的石墨量對熱疲勞性能的影響05010015020G石墨片平均長度加刖圖7石墨片平均長度與熱疲勞性能的關系50100200500HKJO循環次數/次,U3,O3,卜LO-圖8石墨分布類型與熱疲勞性能的關系蠕墨鑄鐵中的石墨蠕墨鑄鐵常被用作要求熱疲勞強

8、度良好的鑄件,但其組織并不是蠕化率越局越好；相反的是,蠕化率低的蠕鐵熱疲勞強度反而好于蠕化率高的蠕鐵.表5為蠕化率對蠕墨鑄鐵耐熱疲勞強度的影響,由表5可知,不限制組織是難以限制性能的.表5蠕化率與熱疲勞強度的關系類別熱循環溫度和產生首次裂紋的循環數/次250-500C250-700C250-950C蠕墨鑄鐵蠕蟲狀石墨量90%1125010001200450640蠕墨鑄鐵蠕蟲狀石墨量50%1450012501900640680注：蠕化劑為Re-SiCa-Fe合金可鍛鑄鐵中的石墨可鍛鑄鐵中的石墨并不是單一的團絮狀,還有球狀、團球狀、聚蟲狀等,這些形態石墨的存在比例直接影響著可鍛鑄鐵的力學性能,其中

9、以球狀、團球狀最好,團絮狀次之,聚蟲狀、枝晶狀最差.石墨數量對可鍛鑄鐵的斷后伸長率影響較大見圖9,但對其抗拉強度的影響甚微見圖1025201050100200300400石墨顆數/個(累運科卑罩電宦圖9石墨數量對斷后伸長率的影響330?3007k一E27W1100200300石墨顆數/個*mm-2圖10石墨數量對抗拉強度的影響球墨鑄鐵中的石墨要求疲勞強度高的鑄鐵件常采用等溫淬火球墨鑄鐵,此時對石墨球的球徑與球數要求較高,表6與圖11顯示了石墨球大小對基體顯微硬度與彎曲疲勞強度的影響情況.表6石墨球大小及球墨數量對等溫淬火球鐵顯微硬度與彎曲疲勞強度的影響平均石墨球徑(x103)/mm球墨數量/個

10、mm2奧鐵體顯微硬度(HV彎曲疲勞強度/MPa28.43170.6951225026025.88172.0155228019.64262.08548350甥鞭般塔珥如群蜀200300400500600700800雄氏硬度值(HV)圖11石墨球大小和基體顯微硬度對球墨鑄鐵放置彎曲疲勞強度的影響在熔制低溫韌性的球鐵件時,球化率與石墨數皆對低溫時的沖擊性能有著重要影響,如圖12和圖13所示.-60-40-20020溫度,七4060圖12石墨球化率對V形缺口試樣沖擊吸收功的影響175與親電更20-20圖13石墨球數對鐵素體球墨鑄鐵V形缺口沖擊吸收功的影響1.3.2 基體對性能的影響大局部鑄鐵的基體是珠

11、光體與鐵素體,也有局部鑄鐵的基體是奧氏體、奧鐵體、馬氏體與萊氏體,各類基體的性能見表7.采用珠光體做基體,主要是為了提升抗拉強度與耐磨性；而用鐵素體做基體,主要是為了提升塑性與韌性.對于不同石墨形態的鑄鐵,基體對性能的提升幅度不同見表8.由表8可見,石墨形態越趨于球狀,基體對強度的影響就越大.對球墨鑄鐵進行等溫淬火,可獲得具有超高強度并同時具有一定韌性的鑄鐵見表9.表7鑄鐵組織中的基體種類及其主要性能基體種類組織特征主要性能鐵素體碳在a-Fe中的固溶體具有良好的塑性與韌性,抗拉強度200-400MPa,伸長率25%60%硬度70150HBW珠光體鐵素體與滲碳體組成的機械混合體具有較高的強度與耐

12、靡性,抗拉強度400-800MPa,伸長率10%25%硬度175330HBW萊氏體珠光體+滲碳體硬、脆、沖擊韌性低,具啟高的耐磨性能奧氏體碳在y-Fe中的固溶體；高Ni、Mn量時,在室溫卜可形成具有良好的塑性與韌性,抗拉強度400-800MPa,率40%50%硬度160230HBW奧鐵體常存在于等淬球墨鑄鐵中,是針狀鐵素體與高碳奧氏體的機械混合物具有極高的強度和良好的綜合性能,等淬球鐵的抗拉強度可達10001600MPa,率3%14%馬氏體過飽和的a-Fe固溶體塑性、韌性極低,通過/、同的回火溫度可得回火托氏體、回火索氏體,從而改善其性能表8基體對鑄鐵力學性能的影響鑄鐵不恢性能基體類別鐵素體珠

13、光體+鐵系體珠光體灰鑄鐵抗拉強度/MPa/118177177392伸長率%/硬度HBVV/100140180269蠕墨鑄鐵抗拉強度/MPa300350400450500伸長率%211.50.51.0硬度HBVV140210P160-240220260可鍛鑄鐵抗拉強度/MPa275370350400450700伸長率%5-124-52-4硬度HBVV150200230230290球墨鑄鐵抗拉強度/MPa350500600700900伸長率%10-18372硬度HBVV120210170270225360表9等溫淬火球墨鑄鐵的力學性能牌號750-500-11等級750900-650-09等級900

14、1050-700-07等級10501200-850-04等級12001400-1100-01等級14001600-1300-00等級1600抗拉強度/MPa7869661139131115181656伸長率%141110753硬度(HBVV(B.L.D/mm)270(3.70)302(3.50)340(3.30)387(3.10)418(3.00)460(2.85)有缺口沖擊韌度21C/J141210.69.38.68.0萊氏體常用作抗磨鑄鐵的基體,可提升其耐磨性,如抗磨白口鑄鐵、合金白口鑄鐵等.在鑄鐵中參加Mn和Ni,可使奧氏體一直穩定到室溫而不發生轉變,從而獲得奧氏體鑄鐵.這種鑄鐵具有較高

15、的耐腐蝕性能與耐高溫性能,如柴油機增壓器的渦殼鑄件就是采用的奧氏體基體球墨鑄鐵.馬氏體是將鑄鐵加熱至奧氏體區后,用更低的溫度進行淬火獲得的基體,其性能堅硬、耐磨,常用于抗磨件中,如用馬氏體抗磨球墨鑄鐵生產的磨球等抗磨件.1.3.3 共晶團對性能的影響鑄鐵冷卻到共晶溫度時,共晶成分的鐵液首先產生石墨核心,然后由石墨領先,石墨與奧氏體從晶核出發,互相促進,交叉生長,最后形成奧氏體與石墨的共晶組織.這個以石墨核心為中央形成的奧氏體和石墨兩相共生共長的共晶晶粒稱為共晶團.圖14為亞共晶灰鑄鐵共晶結晶時一個共晶團正在成長的示意圖.由圖可見,石墨片端部凸出,前沿局部伸入鐵液中,始終與鐵液相接觸,奧氏體與石

16、墨相互交叉生長.圖15示意地表現了亞共晶灰鑄鐵的共晶轉變過程.當共晶結晶結束時,共晶團或共晶團晶界與初生奧氏體相互銜接形成整體,此時共晶轉變完成.圖14一個共晶團成長的示意圖卅二立印1士3!一我累【小剩余液相共晶團品界圖15亞共晶灰鑄鐵共晶轉變過程示意圖共晶團的粗細對鑄鐵的強度影響很大.晶粒細,那么晶界多,晶界處的晶格排列極不一致,相互交錯、互相咬合,增強了晶粒間的結合力,從而提升了強度.灰鑄鐵的共晶團數與抗拉強度的關系見表10.球墨鑄鐵的共晶團數可以用石墨球數來代表,即一個石墨球就是一個共晶團,表11為球數對等溫淬火球鐵彎曲疲勞強度的影響.可鍛鑄鐵也可用石墨數量來代表共晶團數,隨著石墨數量的

17、增多,可鍛鑄鐵的伸長率增加.表10灰鑄鐵的共晶團數與抗拉強度共晶團數/個cm2320335517772865抗拉強度/MPa258278288292318表11球墨鑄鐵中的石墨球數與彎曲強度石墨球數/個mm2彎曲疲勞強度/MPa170250260172280262350共晶團數在大斷面球墨鑄鐵中的作用十分重要.薄壁球鐵件孕育良好時,代表共晶團數的石墨數在1mm2面積上可達1500個,或更多,但在250mm壁厚的大斷面中央部位卻僅有5個見表12.石墨球數的減少常伴有團塊狀、團片狀、近片狀石墨的出現,導致強度下降.研究說明,假設每1mm2面積上的石墨球數量超過70個時,石墨不會發生畸變；因此,不少

18、企業生產風電鑄件時往往規定石墨球數要在90150個/mm2.但是,對厚大的球鐵件來說,孕育量不可過大,如孕育的核心數過多,那么會早期形成石墨球,包圍它的奧氏體殼很薄弱,將致使石墨早期畸變.表12大斷面球墨鑄鐵中的石墨球數與壁厚的關系鑄件類型尺寸/mm化學成分為球數/個mmw(C)w(Si)立力體1253.503.702.102.3060125立力體2003.512.6280球體直徑3003.291.6210在生產實踐中,共晶團數的作用并不止于在力學性能方面,在孕育方面可以用其來檢驗孕育效果；而且,可用限制共晶團數來預防出現縮松缺陷,還可用檢驗熱處理前后共晶團數的變化來觀察晶粒是否得到細化、晶界

19、夾雜物是否更加分散,從而推測鑄件的沖擊韌性是否得以提升.1.3.4 晶間夾雜物對性能的影響晶間夾雜物的組成有共晶物磷共晶、硫共晶、碳化物和非金屬夾雜物.通常,晶間夾雜物對鑄鐵的性能有著不利的影響,尤其是對沖擊韌性.因此,生產中往往采用低硫、低磷,以減少磷共晶、硫共晶的產生；限制合金元素含量及強化孕育,預防碳化物產生；采用凈料和高溫熔煉鋼、扒渣、過濾網等,減少并預防非金屬夾雜物產生.不過,在特定情況下,某些晶界間夾雜物還是有用的,如利用磷共晶生產耐磨的高磷鑄鐵等.值得一提的是非金屬夾雜物這一項.目前,在金相檢驗標準中,沒有非金屬夾雜物這一工程,這是由于長期以來的觀點認為,石墨是鑄鐵中最大的夾雜物,它對鑄鐵性能的影響是決定性的,但隨著對灰鑄鐵質量要求越來越高,如機床的淬火