鑄鐵[目標]1.了解鑄鐵特點;

2.掌握鑄鐵分類和用途;

[重點]1.了解鑄鐵成分與性能特點；

2.掌握鑄鐵分類；

3.常用鑄鐵熱處理工藝和性能；

4.常用鑄鐵的應用；

[難點]

1.鑄鐵性能特點及原因；2.常用鑄鐵熱處理工藝及組織形成。鑄鐵鑄鐵是?C＞2.11%的鐵碳合金。以鐵、碳、硅為主要組成元素，并比碳鋼含有較多的錳、硫、磷等雜質元素的多元合金。鑄鐵件生產工藝簡單，成本低廉，并且具有優良的鑄造性、切削加工性、耐磨性和減振性等。鑄鐵件廣泛應用于機械制造、冶金、礦山及交通運輸等部門。鑄鐵8.1鑄鐵的分類

鑄鐵中多余的碳存在的形式有：滲碳體（Fe3C）、游離狀態石墨（G）。

石墨中碳原子層狀排列，層間容易滑動，其強度、硬度、塑性、韌性均極低，Rm＜19.6MPa，3~5HBW，A≈0。

若將滲碳體加熱到高溫，則可分解為鐵素體或奧氏體與石墨，即Fe3C→F（A）+G。

這表明石墨是穩定相，而滲碳體僅是介（亞）穩定相。石墨的晶體結構8.1鑄鐵的分類（1）白口鑄鐵

碳幾乎全部以Fe3C形式存在，斷口白亮。鑄鐵組織中存在大量萊氏體，性能硬而脆，切削加工較困難，主要用作煉鋼原料。（2）灰口鑄鐵

碳主要以石墨形式存在，斷口呈暗灰色，是工業上應用最多最廣的鑄鐵。按碳存在的形式分類（3）麻口鑄鐵

一部分碳以石墨形式存在，另一部分以Fe3C形式存在，斷口呈黑白相間構成麻點。該鑄鐵中滲碳體較多，性能與白口鑄鐵相似，故工業上使用也較少。

最常用鑄鐵中的碳主要以石墨存在。

鑄鐵組織中石墨的形成過程稱為石墨化。主要因素是化學成分和結晶冷卻速度。1.化學成分（1）碳和硅

強烈促進石墨化的元素。隨?c的增加，液態中石墨晶核數量增多；硅與鐵的結合力較強，可削弱鐵、碳原子的結合力，而且還會使共晶點的含碳量降低，共晶溫度提高，這都有利于石墨的析出。

通常把含硅量折合成相當的含碳量，并把這個碳的總量稱為碳當量?CE。8.2鑄鐵中的石墨化過程8.2.1影響石墨化的因素（2）錳

錳是阻止石墨化的元素。但錳與硫能形成硫化錳，減弱了硫的有害作用，結果又間接地起著促進石墨化的作用，因此，鑄鐵中含錳量要適當。（3）硫

硫是強烈阻止石墨化的元素，硫不僅增強鐵、碳原子的結合力，促進形成滲碳體使鑄鐵白口化；而且形成硫化物后，常以共晶體形式分布在晶界上，促使高溫鑄件開裂。所以硫是有害元素，鑄鐵中含硫量愈低愈好。（4）磷

磷是微弱促進石墨化的元素，但形成的Fe3P分布在晶界上，增加鑄鐵的脆性，使鑄鐵在冷卻過程中易于開裂，鑄鐵中磷含量也應嚴格控制。

為了提高鑄鐵力學、物理、化學性能，還可以添加一定量的Cr、Ni、Cu、Mo等合金元素，得到合金鑄鐵。

工業上常用鑄鐵的成分（質量分數）一般為含碳2.5%～4.0%、含硅1.0%～3.0%、含錳0.5%～1.4%、含磷0.01%～0.5%、含硫0.02%～0.2%。因為石墨是穩定相，冷卻速度越緩慢，即過冷度越小時（越接近平衡條件）越有利于得到穩定的相和組織。另一方面，石墨是100%的碳聚集，冷速越慢，越有利石墨的析出和聚集；冷速越快，石墨化將進行得越困難。2.冷卻速度的影響鐵碳合金雙重相圖

第一階段（液相—共晶階段）8.2.2鑄鐵的石墨化過程與組織、特點

過共晶成分全部按Fe-G相圖平衡結晶為例L→LC，+GILC，→AE，+G共晶

第二階段（共晶—共析階段）AE，→AS′+GⅡ第三階段（共析階段—室溫）AS，→FP，+G共析

1.鑄鐵的石墨化過程與組織來自液相的G來自A的G來自共析的G共析轉變后F中析出極少量三次石墨，常忽略不計。鑄鐵石墨化程度與組織的關系示意圖

圖中藍色越多表示該階段石墨化程度越高。灰口鑄鐵來自液相的G來自A的G來自共析的G鑄鐵石墨化程度與組織的關系鑄鐵名稱石墨化進行程度鑄鐵的

顯微組織第一階段第二階段第三階段灰口鑄鐵完全石墨化完全石墨化F+G部分石墨化F+P+G未石墨化P+G白口鑄鐵未石墨化未石墨化Ld’+P或Fe3C麻口鑄鐵部分石墨化未石墨化Ld’+P+G

鑄鐵中最常用的灰口鑄鐵，其基體主要有珠光體、鐵素體、珠光體+鐵素體三種。基體中珠光體含量越高，鑄鐵的抗壓強度、硬度與耐磨性也越高。

碳硅含量增加、壁厚增加，結晶冷卻速度較慢時，易得到灰口組織；反之，易得到白口組織。鑄件壁厚（冷速）和化學成分對鑄件組織的影響鑄件壁厚（冷速）和化學成分對鑄件組織的影響2.灰口鑄鐵的分類（1）灰鑄鐵：石墨呈片狀。力學性能不高，但生產工藝簡單，價格低廉，應用最廣。（2）可鍛鑄鐵：石墨呈團絮狀。力學性能好于灰鑄鐵，但生產工藝較復雜，成本高，故只用來制造一些重要的小型鑄件。（3）球墨鑄鐵：石墨呈球狀。生產工藝比可鍛鑄鐵簡單，且力學性能較好，得到廣泛應用。（4）蠕墨鑄鐵：石墨呈蠕蟲狀。強度和塑性介于灰鑄鐵和球墨鑄鐵之間。鑄造性、耐熱疲勞性比球墨鑄鐵好，用來制造大型、復雜以及在溫度梯度下工作的鑄件。a）片狀石墨b）團絮狀石墨c）球狀石墨d）蠕蟲狀石墨（1）力學性能

由于石墨的割裂和應力集中作用，使灰鑄鐵的抗拉強度、塑性、韌性和彈性模量遠比相應基體的鋼低。鑄鐵的力學性能主要取決于鑄鐵的基體組織及石墨的數量、形狀、大小和分布。（2）鑄造性能

鑄鐵的液相線比鋼更低，流動性更好。鑄鐵凝固時析出比容較大的石墨，減小了收縮率，使鑄鐵具有更好的鑄造性能。（3）減摩性好

石墨本身具有潤滑作用，石墨掉落后留下的孔隙具有儲存潤滑油的能力，而使鑄鐵具有良好的減摩性。（4）減振性強石墨松軟，能阻止震動的傳播。灰鑄鐵減振能力比鋼大10倍，故常用作承受壓力和震動的機床底座、機架、機床床身和箱體等零件。（5）切削加工性良好由于石墨割裂基體，切削時容易斷屑和排屑，且石墨對刀具具有一定潤滑作用，可減少刀具磨損。（6）缺口敏感性小鑄鐵中石墨的存在相當于在金屬基體中形成了大量缺口或孔洞，致使鑄鐵對缺口敏感性小。3.鑄鐵的特點8.3.1灰鑄鐵的成分、組織與性能特點

由于第三階段石墨化程度的不同，可以獲得三種不同基體組織的灰鑄鐵。a）鐵索體基體b）珠光體基體c）鐵索體+珠光體基體灰鑄鐵的顯微組織8.3灰鑄鐵

“HT”：灰鑄鐵，數字一般為最低抗拉強度值（MPa），如HT200。8.3.2灰鑄鐵的牌號和應用牌號鑄鐵類別抗拉強度MPa應用HT100鐵素體灰鑄鐵≥100

主要用于低載荷和無特殊要求的一般零件，如蓋、防護罩、手柄、支架、重錘等HT150鐵素體+珠光體灰鑄鐵≥150適用于中等載荷的零件，如支架、底座、齒輪箱、刀架、床身、飛輪、管路、泵體等。HT200珠光體灰鑄鐵≥200用于大載荷和較重要的零件，如氣缸體、齒輪、齒輪箱、機座、飛輪、缸套、活塞、聯軸器、軸承座等HT250≥250HT300孕育鑄鐵≥290用于承受高載荷的重要零件，如重要設備床身、機座、受力較大的齒輪、凸輪、高壓油缸、滑閥殼體等HT350≥340

1．去應力退火

消除內應力的退火處理（人工時效）。

加熱溫度500~600℃，經保溫爐冷到150~220℃出爐空冷。2.改善切削加工性的退火

灰口鑄鐵由于冷速較快產生白口，致使切削加工困難，需進行退火降低硬度。

加熱至850~900℃，保溫2~5h，使滲碳體分解為石墨，而后隨爐緩慢冷卻至400~500℃，再空冷。若需要提高鑄件的耐磨性，采用空冷，可得到珠光體為主要基體的灰鑄鐵。3．表面淬火

把鑄鐵基體淬火成馬氏體，以提高表面硬度和耐磨性，如機床床身導軌表面、氣缸套內壁等。8.3.3灰鑄鐵的熱處理

采用碳硅當量較低的鐵水澆注出白口鑄鐵坯件，再經石墨化退火獲得。曲線①：鐵素體（黑心）可鍛鑄鐵曲線②：珠光體可鍛鑄鐵可鍛鑄鐵的可鍛化退火工藝曲線8.4可鍛鑄鐵wC=2.2%～2.6%

wSi=1.1%～1.6%

wMn=0.42%～1.2%wp<0.1%

ws<0.2%石墨呈團絮狀，削弱了石墨對基體的割裂作用；可鍛鑄鐵的力學性能優于灰鑄鐵，并接近于同類基體的球墨鑄鐵，具有良好的塑性與韌性。但與球墨鑄鐵相比，具有鐵水處理簡易、質量穩定、廢品率低等優點。a）鐵素體基體

b）珠光體基體可鍛鑄鐵的顯微組織8.4.1可鍛鑄鐵的成分、組織與性能特點“KT”：可鍛鑄鐵，“H”表示黑心，“Z”表示珠光體基體。

兩組數字分別表示最小抗拉強度（MPa）和伸長率（%）。8.4.2可鍛鑄鐵的牌號與應用種類牌號試樣直徑/mmRmMPaA%HBW應用≥黑心可鍛鑄鐵KTH300-0612或153006≤150彎頭、三通管件，中低壓閥門等扳手、犁刀、犁柱、車輪殼等，汽車、拖拉機前后輪殼、減速器殼、轉向節殼、制動器等KTH350-1035010KTH370-1237012珠光體可鍛鑄鐵KTZ450-0612或154506150～200載荷較高及耐磨損的零件，如曲軸、凸輪軸、連桿、齒輪、活塞環、軸套、棘輪、扳手、傳動鏈條等KTZ650-026502210～260KTZ700-027002240～290

球墨鑄鐵是經過球化處理及孕育處理獲得的。在澆注前球化處理，隨后立即進行孕育處理，促進石墨化，防止球化元素造成白口傾向。

鐵水出爐溫度必須高達1400℃以上。

沖入法球化處理8.5球墨鑄鐵由于球化劑阻止石墨化，所以球墨鑄鐵的碳當量較高。一般wC=3.6%~3.9%、wSi=2.2%~2.7%、wMn=0.6%~0.8%、wMg=0.03%~0.05%、wRe=0.02%~0.04、wS≤0.07%、wP≤0.1%。球鐵鑄態下基體分為鐵素體、鐵素體+珠光體、珠光體三種。球狀石墨對基體的割裂和應力集中作用小，基體強度利用率高達70%~90%，可用球墨鑄鐵代替鑄鋼，用于承受靜載荷、形狀復雜的零件。8.5.1球墨鑄鐵的成分、組織與性能特點a）鐵素體基體b）鐵素體+珠光體基體c）珠光體基體球墨鑄鐵的顯微組織

“QT”：球墨鑄鐵，第一組數字：最低Rm，第二組數字：最低A。8.5.2球墨鑄鐵的牌號與應用牌號基體

組織RmMPaA%HBW應用≥QT400-18鐵素體40018130～180承受沖擊、振動的零件，如汽車、拖拉機輪轂、驅動橋殼、撥叉，壓縮機高低壓氣缸，電機外殼，齒輪箱等QT500-7鐵素體+珠光體5007170～230載荷較大、受力復雜的零件，如橋式起重機滾輪，內燃機油泵齒輪、機車車輛軸瓦等QT600-3珠光體+鐵素體6003190～270載荷大、受力復雜零件，汽車、拖拉機曲軸、連桿、凸輪軸，部分磨床、銑床的主軸，小型水輪機主軸等QT800-2珠光體或

回火組織8002245～335QT900-2貝氏體或回火馬氏體9002280～360高強度齒輪，如汽車后橋螺旋錐齒輪，大減速齒輪，內燃機曲軸、凸輪軸等

球墨鑄鐵基體利用率高，可像鋼一樣進行各種熱處理，使力學性能進一步擴大，常用熱處理方法有退火、正火、等溫淬火、調質處理等。1．退火

（1）去應力退火

球墨鑄鐵鑄造內應力比灰鑄鐵約大兩倍。將鑄件緩慢加熱到500～620℃左右，保溫2～8h，隨爐緩冷。（2）石墨化退火

消除白口，降低硬度，改善切削加工性，獲得鐵素體球墨鑄鐵。分為高溫石墨化退火和低溫石墨化退火。8.5.3球墨鑄鐵的熱處理

1）高溫石墨化退火

加熱至共析溫度以上，900～950℃，保溫2～4h，使自由滲碳體石墨化，隨爐緩冷至600℃，使鑄件發生第二和第三階段石墨化，再出爐空冷。2）低溫石墨化退火

加熱至共析溫度范圍附近，即700～760℃，保溫2～8h，使鑄件發生第二階段石墨化，然后隨爐緩冷至600℃，再出爐空冷。

球墨鑄鐵高溫石墨化退火工藝曲線

球墨鑄鐵低溫石墨化退火工藝曲線

獲得珠光體組織，并使晶粒細化、組織均勻，提高零件強度、硬度和耐磨性。分為高溫正火和低溫正火。（1）高溫正火

全部奧氏體化后獲得珠光體基體。（2）低溫正火

使基體組織部分奧氏體化后獲得珠光體+分散鐵素體，可以提高鑄件的韌性與塑性。

球墨鑄鐵高溫正火工藝曲線圖

球墨鑄鐵低溫正火工藝曲線2．正火4．調質處理

淬火組織為細片狀馬氏體和球狀石墨。然后再加熱到550～600℃回火2～4h，獲得回火索氏體和球狀石墨組織，具有良好綜合力學性能。常用于柴油機曲軸、連桿等重要零件。

球墨鑄鐵還可進行表面熱處理，如表面淬火、滲氮等。

把鑄件加熱至860～900℃，保溫后迅速放入溫度為250～300℃的等溫鹽浴中等溫冷卻，然后取出空冷。組織為下貝氏體+少量殘余奧氏體+少量馬氏體+球狀石墨。3．等溫淬火

向鐵水中加入蠕化劑（鎂或稀土）所獲得的一種具有蠕蟲狀石墨組織的鑄鐵。實際上是球化不充分的缺陷形式。8.6蠕墨鑄鐵蠕墨鑄鐵力學性能介于灰鑄鐵和球墨鑄鐵之間，接近于鐵素體基體的球墨鑄鐵。其導熱性、鑄造性、可切削加工性均優于球墨鑄鐵，與灰鑄鐵相近。蠕墨鑄鐵具有良好綜合性能，主要用于承受熱循環載荷的鑄件。

8.6蠕墨鑄鐵“RuT”表示蠕墨鑄鐵；后面的數字表示最低抗拉強度。例如：RuT300

牌號基體組織RmMPaRp0.2MPaA/%HBW應用≥RuT260鐵素體2601953121～195增壓器廢氣進氣殼體、汽車底盤零件等RuT300珠光體＋鐵素體3002401.5140～217排氣管、變速箱體、氣缸體、液壓件、紡織機零件、鋼錠模等RuT340珠光體+鐵素體3402701.0170～249重型機床、大型齒輪的箱體、機座、飛輪、起重機卷筒等RuT380珠光體3803000.75193～274活塞環、氣缸體、制動盤、制動鼓、吸淤泵體、玻璃模具等

加入某些合金元素可使鑄鐵具有某種特殊性能，如耐磨性、耐熱性或腐蝕性等。8.7特殊性能鑄鐵8.7.1耐磨鑄鐵分為減摩鑄鐵和抗磨鑄鐵兩類。1．減摩鑄鐵提高減摩鑄鐵耐磨性的途徑主要是合金化和孕育處理。常用的合金元素為Cu、Mo、Mn、P、稀土元素等，常用的孕育劑是硅鐵。減摩鑄鐵中應用最多的是高磷鑄鐵。2．抗磨鑄鐵

在干摩擦條