铸造合金及制备工艺-灰口铸铁

2.2.2.3 磷共晶对灰口铸铁性能的影响 如果含磷不高，完全可以溶于液态灰口 铸铁中，但在固态下，灰口铁中磷的固 溶度很小，而且随着灰口铁中碳含量的 升高而急剧下降，如含碳3.5%的灰口铁 在高温下只能溶解0.3%的磷。
灰口铸铁在凝固过程中，磷还极易发生 偏析，聚集在残留的共晶液相中，即使 当灰口铸铁平均含磷为0.06~0.08 wt% 时，在共晶残留液相中磷的浓度已超过 其饱和浓度，从而形成磷共晶。
石墨的力学性能低 比重轻，密度为3.25g/cm3 ，约为铁的 三分之一，3wt%的石墨析出时会形成约 10%的体积； 强度低， σb ＜20MPa； 伸长率低，δ ≈ 0%； 硬度低，HB≈3
石墨对灰口铸铁力学性能影响的原因 首先进行相同基体组织的灰口铸铁和 铸造碳钢的力学性能比较
性能指 标 铸造碳 钢 σb (MPa) 400 ∼ 600 δ (%) 10 ∼25 ∼0.5 ak (J/cm2) 20 ∼60 ∼5 E (N/M2) 2×1011 0.7 ∼1.6 1011 ×
实际灰口铸铁中的E型石墨
E型石墨的深腐蚀扫描电镜照片
石墨对灰口铸铁减震性的影响 灰口铸铁中存在大量的石墨片，阻止了震 动波的传播，将震动能转变为热能而消 散，所以，灰口铸铁中的石墨数量越多、 尺寸越大，即灰口铸铁的牌号越低，灰口 铸铁的减震性越好。
石墨对灰口铸铁减摩性的影响 石墨数量要适中，过少则润滑作用不 够，过多则基体割裂严重，增加磨损； 石墨大小要适中，过小则使润滑不 良，过大则割裂基体严重，增加磨损； 珠光体基体上分布着中等大小的石墨 可以提高灰口铸铁的减摩性。
灰口铸铁具有良好的导热性 由于片状石墨的导热作用，灰口铸铁 的导热性能良好。 灰口铸铁适用于铸造有导热要求的铸 件，如发动机的缸体、缸盖要求迅速导 出燃烧热和缸壁与活塞环之间的摩擦 热，所以首选灰口铸铁制造这些铸件。
灰口铸铁具有良好的耐磨性能和小的缺 口敏感性能 石墨有减摩作用；石墨脱落后可以留 下储存润滑油的空洞。 石墨片本身的力学性能很低，就象灰 口铸铁中存在许多空洞一样，灰口铸铁 不再具有缺口敏感性。
灰口铸铁中的各种组织 高碳相：石墨G （graphite） 渗碳体Cm （cementite） ——碳化铁（iron carbide） 基体： 铁素体F (ferrite) 珠光体P (pearlite) 珠光体+铁素体 其它： 磷共晶 （phosphide eutectic） 硫化物 （sulphide，如MnS）
石墨片的长度级别
石墨片的长度级别
石墨片的长度级别
石墨片的长度级别
石墨片越细小，意味着灰口铸铁晶粒越 细小，灰口铸铁的强度越高，但不是越小 越好（不能出现D型石墨）。
石墨的分布对灰口铸铁力学性能的影响 国际上将石墨分布分为5级：A、B、 C、D、E； 我国将石墨分布分为6级：A、B、C、 D、E、F。
试样中应 力分布与 缺口形状 的关系
石墨对灰口铸铁基体的减缩作用 石墨片本身的力学性能很低，它的存在 就象灰口铸铁基体中承受载荷的有效面 积缩小了一样，造成灰口铸铁力学性能 的下降。 由于石墨片对灰口铸铁基体的切割和 减缩作用，灰口铸铁基体的强度只能发 挥30∼50%；石墨引起的应力集中，容易 导致裂纹的早期发生，所以灰口铸铁容 易发生脆性断裂，它的塑性、韧性很 低。
石墨数量对力学性能的影响 一般来说，石墨的数量越多，石墨的 减缩作用就越大，灰口铸铁的强度就越 低，因此，灰口铸铁中的含碳量越高， 它的强度就越低； 灰口铸铁中的含碳量越高，它的牌号 就越低。
石墨尺寸对灰口铸铁力学性能的影响 国际上将石墨大小分为8级（放大100 倍，长度单位：mm）： 8级：≤5；7级：＞5∼10； 6级： ＞10∼20； 5级： ＞20∼30 ； 4级： ＞30∼40 ； 3级： ＞40∼50 ； 2级： ＞50∼60 ；1级： ＞60 。
根据凝固条件，磷共晶可分为两类 二元磷共晶 当灰口铸铁的碳当量高、冷却速度低 时，易于出现二元磷共晶， Fe-Fe3P， 熔点为1050℃，含磷10.2wt%，硬度 Hv≈400。
三元磷共晶 当灰口铸铁的碳当量低、冷却速度高 时，易于出现三元磷共晶， Fe-Fe3PFe3C，熔点为935℃，含磷6.98wt%，硬 度Hv≈600。 磷共晶显示：用一般硝酸酒精浸蚀试 样，磷共晶的类型在显微镜下很难区 分，需用不同的浸蚀剂进行浸蚀才可区 分，如下图所示。
铸造合金及制备工艺
北京科技大学 材料成形与控制工程系 毛卫民
2 铸铁及其制备工艺 2.2Βιβλιοθήκη Baidu灰口铸铁
2.2.1 灰口铸铁的性能特点和应用 灰口铸铁：通常指具有片状石墨的铸铁(见下 图)，它的断口呈暗灰色。
灰口铸铁的石墨组织
灰口铸铁具有一定的力学性能，可以满足 一般使用要求。 σb=100 ∼ 350MPa，HB=143 ∼ 269； 塑性、韧性很低； 灰口铸铁只能制造结构件。
灰口铸铁制造工艺简单、成本低廉 灰口铸铁原材料来源广泛； 灰口铸铁熔炼容易； 灰口铸铁铸造容易； 灰口铸铁机加工容易。
灰口铸铁具有许多优点，因而灰口铸铁的 应用非常广泛，在某些机器产品中，灰口 铸铁铸件的重量约占机器总重量的1/2∼1/3 以上，如机床（床身、齿轮箱等）、发动 机（缸体、缸盖、飞轮、进气歧管等）是 最好的例证。
灰口铸 10 0∼350 铁
由上表可得出下述结论：在基体组织相 同的情况下，灰口铸铁的力学性能比铸造 碳钢的力学性能低得多。
石墨对灰口铸铁基体的切割作用 灰口铸铁中石墨片的边缘都很尖锐，容 易造成灰口铸铁基体的局部应力集中； 当灰口铸铁承受较小的载荷时，也可能 引起灰口铸铁石墨片边缘处基体的应力 集中，甚至超过此处基体的屈服强度， 引起变形和裂纹，使灰口铸铁的强度大 大下降，如下图所示。
灰口铸铁中的磷共晶 (a)体积含量约1% (b)体积含量约2% (c)体积含量约4% (d)体积含量约6% 硝酸酒精浸蚀
(a)
(b)
三元磷共晶 (a)硝酸酒精浸蚀，Fe3P和Fe3C发亮，其上分布着粒状的铁素体或珠光 体 (b)将(a)图试样重新抛光，在碱性高铁氰化钾(Murakami试剂)中侵蚀， Fe3P变黑，Fe3C和F呈白色 ，表明这是三元磷共晶
三元磷共晶组织
在Murakami试剂中浸蚀，磷共晶中的Fe3P 被染黑，F和 Fe3C呈白色，表明这是三元磷共晶
磷共晶对灰口铸铁性能的影响 磷共晶会增加灰口铸铁的脆性，所以 要严格控制灰口铸铁的含磷量。 磷共晶的硬度高，很耐磨，所以一些 减磨铸件需要增加适当的含磷量。 磷共晶会增加铁液的流动性，易于获 得完整铸件，所以一些艺术铸件可以通 过增加含磷量，以提高艺术铸件细节的 完整性。
灰口铸铁具有良好的减震性能 灰口铸铁中的震动波传播特点如下图 所示；
震动波在不同材料 中的传播特点
减震性录像\20081112104650.mpg 减震性录像\20081112105212.mpg
灰口铸铁制造机器底座或机架，可以有 效地吸收机器的震动能量，起到震动阻尼 作用。
灰口铸铁具有良好的铸造性能 灰口铸铁的流动性良好、收缩小、热裂 倾向小、铸造应力小，因此，灰口铸铁 可以铸造非常复杂的铸件或薄壁铸件。 灰口铸铁具有良好的机加工性能 由于片状石墨对刀具具有润滑作用，片 状石墨还有断屑作用，故灰口铸铁的机 加工性能良好。
A型石墨示 意图：均匀 分布，没有 方向性，对 灰口铸铁力 学性能最有 利。
实际灰口铸铁中的A型石墨
A型石墨的深腐蚀扫描电镜照片
B型石墨示 意图：菊花 状，心部石 墨集中、细 小，该型石 墨分布的灰 口铸铁性能 较A型石墨 分布的灰口 铸铁性能 差。
实际灰口铸铁中的B型石墨
B型石墨 的深腐蚀 扫描电镜 照片
2.2.2.1 石墨对灰口铸铁性能的影响 石墨的结构 石墨是碳的结晶体，属于层状晶体，晶格为 密排六方，如下图所示。
石墨的晶体结构
石墨的基面（C面）由正六角形的环作 为基本排列单位，每层面内原子靠共价 键结合，层面之间靠范德瓦尔斯力结合 （分子间力），约为层面内原子结合力 的1/10。 由于石墨层面内和层面之间的结合力不 同，结晶学 [10 1 0] 方向的导电、导热率 及力学性能都大大高于垂直于基面方向 (即结晶学[0001]方向)的性能。
2.2.3 灰口铸铁的制备控制 灰口铸铁的组织决定了灰口铸铁的性 能，那么对灰口铸铁组织的影响，也就 影响了它的性能。 什么因素可以影响灰口铸铁的组织？ 化学成分→可控 孕育处理→可控 冷却速度→难以控制 其它因素(浇注温度、铸件结构等) →难 以控制
2.2.3.1灰口铸铁化学成分的选择 石墨化作用 铸铁中碳的存在方式：G、Cm，C固溶（固溶 于铁素体） C铁水%=CG%+CCm%+C固溶% 石墨化程度=CG%/C铁水% 影响铸铁石墨化程度的因素：化学成分、冷 却速度、孕育。 石墨化作用：化学元素促进碳转变为石墨的 能力称为化学元素的石墨化作用。
HB 110∼115 160∼230 3
F(含2%Si) 350∼400 P(中等片 层间距) G 800∼850 ＜20
因此，可以得出如下推论： 当灰口铸铁基体中的铁素体含量较多 时，灰口铸铁的强度较低，而当珠光体 的含量较多时，灰口铸铁的强度较高。 提高灰口铸铁强度的途径：提高珠光 体含量。 由于石墨的存在，灰口铸铁基体的强 度难以充分发挥，所以灰口铸铁的力学 性能实际上是被石墨削弱了的金属基体 的力学性能，它主要受控于石墨。
HT300 σb≮300 MPa HT350 σb≮350 MPa 力学性能试棒标准 上述力学性能试棒采用干砂型、立浇， 试棒尺寸为Φ30×340mm，同时浇注3根 试棒。
2.2.2 灰口铸铁的组织与性能 灰口铸铁在应用中，人们关心的首要问 题是它的力学性能如何，而对灰口铸铁 力学性能的影响因素有很多，其中显微 组织是最重要的影响因素，因此，我们 首先应搞清楚灰口铸铁的组织与力学性 能之间的关系。
石墨对灰口铸铁缺口敏感性的影响 材料的缺口敏感性：材料受力时，有缺口和 无缺口试样的强度性能存在差别，这种现象称 为材料的缺口敏感性或缺口效应。 灰口铸铁中存在大量的石墨，就象灰口铸铁 中已经存在大量的缺口一样，外来的缺口（如 铸件上的空洞、键槽、刀痕、非金属夹杂物 等）对灰口铸铁的强度的影响就不敏感了。 石墨越多、石墨片越大，灰口铸铁的缺口敏 感性就越低。
C型石墨示 意图：粗大 的块片状， 对灰口铸铁 基体的破坏 作用大，该 型灰口铸铁 的强度很 低。
实际灰口铸铁中的C型石墨
C型石墨的深腐蚀扫描电镜照片
D型石墨示 意图：过冷 石墨或晶间 石墨，分布 在枝晶间， 无方向性。
实际灰口铸铁中的D型石墨
D型石墨的深腐蚀扫描电镜照片
E型石墨示意 图：枝晶间 石墨，分布 呈一定的方 向性，降低 了灰口铸铁 的强度。
铸件举例： 机床类灰口 铸铁铸件
铸件举例：灰铸铁发动机缸体
铸件举例： 泵类、管 类、电机类 灰口铸铁件
灰口铸铁件的产量最大，约占铸铁件总 产量的 66wt% (2005年我国灰口铸铁件 产量约1230万吨)，约占整个金属铸件总 产量的50wt%，所以，灰口铸铁是应用 最广泛的铸造金属材料。
灰口铸铁的国家标准 国家标准（GB9439-88）将灰口铸铁分 成六个牌号； HT100 σb≮100 MPa HT150 σb≮150 MPa HT200 σb≮200 MPa HT250 σb≮250 MPa
2.2.2.2 基体组织对灰口铸铁性能的影响 灰口铸铁的基体组织主要由不同比例的 珠光体和铁素体组成，在有些情况下还 存在一定数量的磷共晶和碳化物。 在基体组织中，铁素体的强度和硬度较 低、塑韧性较高，而珠光体的强度和硬 度较高、塑韧性较低，如下表所示。
基体种类
σb （MPa）
δ （%） 30∼50 20∼25 0
研究发现：灰口铸铁中促进石墨化元素 为C、Si、P，其中Si的石墨化作用最为强 烈，是灰口铸铁中的最重要元素之一，而 阻碍石墨化的元素为Mn、S等。
要有一定的碳硅含量 灰口铸铁中碳的质量分数大多为 2.6∼3.6%，硅的质量分数大多为1.2∼ 3.0%，一般以碳当量CE来衡量灰口铸铁 中碳硅的高低。 提高碳当量CE，促使石墨片粗大、数 量增加，促使碳化物数量减少，灰口铸 铁的强度和硬度下降，如下图所示。