铸铁的组织与性能
铸铁金相组织
铸铁金相组织
铸铁是一种由碳、硅、锰、磷等元素组成的合金材料，金相组织也是其重要的性能指标之一。
铸铁的金相组织主要有珠光体、渗碳体、残余奥氏体三种。
其中珠光体是由铁素体和渗碳体组成的，具有珠状形态，易于磨削加工，常用于制造磨具、磨轮和铸铁零件等。
渗碳体又称为球墨铸铁，由铁素体和球状石墨组成，具有高强度、高韧性和较好的耐磨性，常用于制造机械零件、车辆零部件等。
残余奥氏体的含量与铁素体含量相等，是一种强度高、脆性大的组织，常用于高应力、高速、高负荷的机件部件。
铸铁的金相组织与生产工艺、成分配比、冷却速度、凝固时间等因素密切相关，因此铸铁金相组织的控制是铸铁制品质量保证的关键。
铸铁的分类及其性能特点
铸铁的分类及其性能特点一、铸铁的分类铸铁是含碳量大于2.11%的铁碳合金。
工业用铸铁是以铁、碳、硅为主要组成元素并含有锰、磷、硫等杂质的多元合金。
普通铸铁的成分大致为2.0~4.0%C、0.6~3.0%Si、0.2~1.2%Mn\0.1~1.2%P、0.08~0.15%S。
有时为了进一步提高铸铁的性能或得到某种特殊性能，还加入Cr、Mo、V、Al等合金元素或提高Si、Mn、P等元素含量，这种铸铁称作合金铸铁。
碳在铸铁中，除少量溶于基体外，绝大部分是以石墨或碳化物的形式存在于铸铁中。
根据碳的存在形式不同，可将铸铁区分为白口铸铁和灰口铸铁两大类。
1.白口铸铁碳全部以渗碳体形式存在的铸铁称白口铸铁，断口呈银白色。
这种铸铁组织中含有大量渗碳体和莱氏体共晶，因而其性能既硬又脆，所以不宜用作结构材料，一般都用作炼钢原料。
2.灰口铸铁碳全部或大部分以石墨形式存在的铸铁，称作灰口铸铁，其断口呈灰暗色。
生产中多用来铸造各种机械零件。
按石墨的形态不同，灰口铸铁又可分为普通灰口铸铁，可锻铸铁及球墨铸铁。
（1）普通灰口铸铁其中碳大部分或全部以片状形式的石墨存在于铸铁中它也常简称为灰铸铁。
一般情况下，其石墨片都比较粗大。
但若在铁水浇注前，向铁水中加入一些能起形核作用的所谓孕育剂（通常是加入硅铁），将增加并加快石墨的形核，从而使石墨细化并且分布均匀。
这种处理称作孕育处理，经过这种处理的灰口铸铁即称孕育铸铁。
（2）可锻铸铁它是由一定成分的白口铸铁经石墨化退火后形成。
其中的碳全部或大部以团絮状石墨形式存在于铸铁中。
它又称韧性铸铁或马铁。
可锻铸铁实际上并不可锻，只不过具有一定塑而已。
（3）球墨铸铁简称球铁，其中的碳全部或大部分以球状石墨形式存在于铸铁中。
它是灰口铸铁中机械性能最好的一种。
二、灰口铸铁的组织及性能特点1.铸铁的石墨化过程在铸铁的冷凝过程中，原则上碳既可以渗碳体的形式析出，形成白口铸铁；也可以石墨的形式析出，形成灰口铸铁。
铸铁铸态组织基础知识
铸铁铸态组织基础知识铸铁是一种常见的金属材料，其具有良好的机械性能和耐热性能，广泛应用于工业制造领域。
铸铁的组织结构对其性能有着重要影响，铸态组织是指铸铁在铸造过程中形成的组织结构。
本文将介绍铸铁铸态组织的基础知识。
铸铁是由铁、碳和其他合金元素组成的合金材料。
在铸造过程中，铸铁首先以液态形式注入铸型中，然后在冷却过程中逐渐凝固形成固态材料。
铸态组织是指铸铁在凝固过程中形成的组织结构。
铸铁的铸态组织通常由铁素体、珠光体和石墨组织组成。
铁素体是铸铁的基体组织，主要由铁和碳组成。
珠光体是一种由铁和碳组成的固溶体，具有球状或类似珍珠的形态，是铸铁中的主要强度组织。
石墨组织是由石墨片或石墨球组成的结构，具有良好的润滑性能和抗磨损性能。
铁素体的形成取决于铸铁的化学成分和冷却速率。
高碳铸铁中的碳含量较高，有利于铁素体的形成。
快速冷却会抑制铁素体的形成，使珠光体比例增加。
因此，铸铁的化学成分和冷却速率对铸态组织有重要影响。
铸态组织对铸铁的性能有着重要影响。
铁素体具有较高的强度和硬度，但脆性较大。
珠光体具有较高的塑性和韧性，但强度和硬度较低。
石墨组织能够降低摩擦系数，提高耐磨性能。
因此，铸铁的性能可以通过调整铸态组织的比例来实现。
铸态组织的控制主要通过铸造工艺和热处理工艺来实现。
在铸造工艺中，可以通过调整铸型温度、浇注速度和冷却方式等参数来控制铸态组织。
在热处理工艺中，可以通过加热和冷却的方式来改变铸态组织的形貌和比例。
铸态组织的评价主要通过金相显微镜观察和显微硬度测试来实现。
金相显微镜可以观察铸态组织的形貌和比例，显微硬度测试可以评估铸态组织的硬度和强度。
总结起来，铸铁铸态组织是指铸铁在铸造过程中形成的组织结构，主要由铁素体、珠光体和石墨组织组成。
铸态组织对铸铁的性能有着重要影响，可以通过调整铸态组织的比例来改变铸铁的性能。
控制铸态组织的方法主要包括铸造工艺和热处理工艺。
铸态组织的评价主要通过金相显微镜观察和显微硬度测试来实现。
铸铁的实验报告
一、实验目的1. 了解铸铁的基本性质和分类；2. 掌握铸铁的微观组织结构及其影响因素；3. 分析铸铁的性能与组织之间的关系；4. 探讨铸铁在实际应用中的优势与局限性。
二、实验原理铸铁是一种以铁为主要成分，含有一定比例的碳、硅、锰、硫、磷等元素的合金。
根据碳的存在形式，铸铁可分为灰口铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁和耐磨铸铁等。
铸铁具有优良的铸造性能、减震性、耐磨性和切削性等特点，广泛应用于机械制造、交通运输、建筑、化工等行业。
三、实验内容1. 铸铁的宏观观察（1）观察灰口铸铁的宏观组织：将灰口铸铁试样进行打磨、抛光，用4%的硝酸酒精溶液进行侵蚀，然后在显微镜下观察其宏观组织，包括石墨形态、基体组织、共晶团等。
（2）观察球墨铸铁的宏观组织：将球墨铸铁试样进行打磨、抛光，用4%的硝酸酒精溶液进行侵蚀，然后在显微镜下观察其宏观组织，包括球状石墨、基体组织、共晶团等。
2. 铸铁的微观组织分析（1）分析灰口铸铁的微观组织：观察石墨形态、基体组织、共晶团等，分析其对铸铁性能的影响。
（2）分析球墨铸铁的微观组织：观察球状石墨、基体组织、共晶团等，分析其对铸铁性能的影响。
3. 铸铁的性能测试（1）冲击试验：按照国家标准GB/T 229-1994进行冲击试验，测试铸铁的冲击韧性。
（2）硬度试验：按照国家标准GB/T 231-2007进行硬度试验，测试铸铁的布氏硬度。
（3）耐磨性试验：采用磨料磨损试验机，测试铸铁的耐磨性。
四、实验结果与分析1. 铸铁的宏观组织观察（1）灰口铸铁的宏观组织：石墨呈片状分布，基体组织为珠光体和铁素体，共晶团较为明显。
（2）球墨铸铁的宏观组织：石墨呈球状分布，基体组织为珠光体和铁素体，共晶团较为明显。
2. 铸铁的微观组织分析（1）灰口铸铁的微观组织分析：石墨形态、基体组织、共晶团等因素对铸铁性能有显著影响。
石墨形态以片状为主，有利于提高铸铁的减震性；基体组织以珠光体和铁素体为主，有利于提高铸铁的强度和硬度；共晶团有助于提高铸铁的韧性。
球墨铸铁的组织和性能
铁素体球墨铸铁
铁素体－珠光体球墨铸 铁
珠光体球墨铸铁
球墨铸铁的显微组织
球墨铸铁良好的机械性能是与其组织特点分不开的，在球铁中，石 墨结晶成球状，对基体的割裂作用大为减小，基体强度的利用率达（70～ 90）%，抗拉强度不仅高于铸铁，甚至还高于碳钢，σb＝(400～600)MPa， σs＝(300～400)MPa。屈强比σs/σb 为 0.7～0.8，比钢约高 40%左右。 塑性、韧性比灰口铸铁大大提高，δ＝(1.5～10)%，经热处理最高可达
δ＝(20～25)%。 球墨铸铁不仅具有远远超过灰铁的机械性能，而且同样也具有灰铁 的一系列优点。如良好的铸造性能、减摩性、切削加工性及低的缺口敏 感性等。甚至在某些性能方面可与锻钢相媲美，如疲劳强度大致与中碳 钢相似，耐磨性优于表面淬火钢等。此外，球铁还可适应各种热处理， 使其机械性能提高到更高的水平。因此。球铁一出现就得到迅速的发展。 它可代替部分钢作较重要的零件，对实现以铁代钢、以铸代锻起重要的 作用，具有较大的经济效益。例如，珠光体球铁常用于制造曲轴、连杆、 凸轮轴、机床主轴、水压机气缸、缸套、活塞等。铁素体球铁用于制造
盘铸件需进行退火处理。 2.正火
目的是增加基体组织中珠光体的含量，并使其细化，提高铸铁的强 度、硬度和耐磨性，如发动机的缸套、滑座和轴套等铸件均要进行正火。
此外，还能将铸态珠光体球铁进行调质和等温淬火，以获得高的强度和硬度，但是都只适宜 于小件。
并适合流水作业生产等优点。 因球化处理时铁水温度有所降低，为保证流动性，应使铁水的出炉
温度高些。 四、球墨铸铁的热处理 由于球铁基体组织与钢相同，球铁石墨又不易引起应力集中，因此 它具有较好的热处理工艺性能。凡是钢可以采用的热处理，在理论上对 球铁都适用。常用的热处理方法有以下几种：
铸铁的分类及特性
铸铁的分类及特性从铁碳相图中知道，含碳量大于2.06%的铁碳合金称为铸铁。
尽管铸铁强度、塑性、韧性较差，不能进行锻造，但它具有优良的铸造性、减摩性、切削加工等一系列性能特点；另外其生产设备和工艺简单、价格低廉，因此得到了广泛的应用。
1．铸铁的分类铸铁的常用分类方法有两种：一是按石墨化程度；二是按石墨结晶形态。
按石墨化程度可分为：①灰口铸铁：即在第一和第二阶段石墨化过程中都得到了充分石墨化的铸铁，其断口呈暗灰色。
②白口铸铁：即第一、二和三阶段的石墨化全部被抑制，完全按Fe—Fe3C相图进行结晶而得到的铸铁。
③麻口铸铁：即在第一阶段的石墨化过程中便未得到充分石墨化的铸铁。
按石墨结晶形态分：①灰口铸铁：铸铁组织中的石墨形态呈片状结晶。
②可锻铸铁：铸铁组织中的石墨形态呈固絮状。
③球墨铸铁：铸铁组织中的石墨形态呈球状。
2．铸铁的编号基本性能及用途（1）灰口铸铁：根据GB976—67所规定的编号、牌号用“HT”表示灰口铸铁，后面两项数字分别表示其抗拉和抗弯强度的最低值。
如HT20—40表示抗拉强度和抗弯强度最低值为200MN/m2和400MN/m2。
灰口铸铁具有优良的铸造性、切削加工性，优良的减摩性。
良好的消震性和缺口敏感性，故而灰口铸铁主要用于制造各种承受压力和要求消震性的床身、机架、复杂的箱体、壳体和经受磨擦的导轨、罐体等。
（2）可锻铸铁：按GB978—67规定牌号以“KT”和“KTZ”表示可锻铸铁，其中“KT”表示铁素体可铸铸铁，“KTZ”表示珠光体可锻铸铁，牌号中的两项数字表示其最低抗拉强度和延伸率。
可锻铸铁的机械性能，特别是冲击韧性普遍较灰口铸铁高，但由于其成本高，故而应用不是很广泛，主要用于制造一些小型铸铁。
（3）球墨铸铁：按GB1348—78规定，球墨铸铁以“QT”表示，后面数字同可锻铸铁一样。
球墨铸铁不仅具有远远超过灰铁的机械性能，而且同样也具有灰铁的优点，如良好的减摩性、切削加工性及低的缺口敏感性，甚至可与锻钢媲美，如疲劳强度大致与中碳钢相近，耐磨性优于表面淬火钢等。
工程材料及机械制造基础 第八章铸铁
第二阶段 石墨化
铸铁的显微组织
铸铁类型
完全进行 F+C 部分进行 F+P+C 未进行 P+C 灰口铸铁
部分进行 未进行
ILMTAM
未进行 未进行
Ld’+P+C Ld’
麻口铸铁 白口铸铁
14 14
华东交通大学 先进材料激光制造技术研究所 Institute of Laser Manufacture Technology for Advanced Materials, ECJTU
碳、硅含量对铸铁石墨化的影 响
麻口 铸 铁
C 白口铸铁
灰口铸铁
Si
华东交通大学 先进材料激光制造技术研究所 Institute of Laser Manufacture Technology for Advanced Materials, ECJTU
15 15
碳、硅量控制范围：2.5~4.0%C，1.0~3.0%Si。 Al、Cu、Ni、Co等元素对石墨化有促进作用。
P’
ILMTAM
华东交通大学 先进材料激光制造技术研究所 Institute of Laser Manufacture Technology for Advanced Materials, ECJTU
13 13
铸铁的石墨化程度与其组织之间的关系
（以共晶铸铁为例）
石墨化进行程度
第一阶段 石墨化
完全进行
二次结晶（1154℃→738℃）
共析石墨化
台车式石墨化退火炉
三次结晶（ 738 ℃→室温）
ILMTAM
华东交通大学 先进材料激光制造技术研究所 Institute of Laser Manufacture Technology for Advanced Materials, ECJTU
铸铁组织
组织：铸铁的组织是由钢的基体和石墨组成的。
铸铁的基体组织：珠光体、铁素体、珠光体加铁素体。
铸铁名称与铸铁显微组织：1.灰口铸铁F+G片，F+P+G片，P+G片2.球墨铸铁F+G球，F+P+G球，P+G3.蠕墨铸铁F+G蠕虫，F+P+G蠕虫4.可锻铸铁F+G团絮，P+G团絮由于铸铁中的碳主要是以石墨的形态存在，所以铸铁的组织是由金属基体和石墨所组成的。
铸铁的金属基体可以是铁素体、珠光体或铁素体加珠光体，经热处理后还可以是马氏体或贝氏体等组织，它们相当于钢的组织，因此可以把铸铁理解为在钢的组织基体上分布有不同形状、大小、数量的石墨。
铸铁中石墨的形态可分为6种：片状、蟹状、开花状、蠕虫状、团絮状和球状，如下图所示。
普通灰铸铁的组织是由片状石墨和钢的基体两部分组成的。
根据不同阶段石墨化程度的不同金属基体可分为铁素体，铁素体＋珠光体和珠光体三种，相应地便有三种不同基体组织的灰铸铁，它们的显微组织如下图所示。
8.2.1 灰铸铁的成分、组织与性能特点1．灰铸铁的化学成分⏹化学成分范围一般为：w C=2.7%~3.6%，w Si=1.0%~2.5%，w Mn=0.5%~1.3%，w P≤0.3%，w S≤0.15%。
2．灰铸铁的组织三种不同基体组织的灰铸铁：（1）铁素体灰铸铁（2）珠光体灰铸铁（3）珠光体+铁素体灰铸铁3．灰铸铁的性能特点（1）力学性能⏹铸铁的强度、塑性与韧性低。
⏹灰铸铁的抗压强度σbc、硬度与耐磨性接近钢（主要取决于基体，石墨的存在对其影响不大）。
（2）其它性能⏹铸造性能良好熔点低，流动性好，收缩率小。
⏹减摩性好摩擦系数小。
⏹减振性强⏹切削加工性良好⏹缺口敏感性小8.2.2 灰铸铁的孕育处理⏹孕育处理：向出炉的铁水中加入孕育剂。
⏹人工形核：细化晶粒工艺。
⏹孕育剂：含硅75%的硅铁。
8.2.3 灰铸铁的牌号和应用1．灰铸铁的牌号⏹HT100、HT150、HT200等2．灰铸铁的应用⏹形状复杂，静载荷，减摩的床身、箱体、座架类零件。
铸铁铸态组织基础知识
铸铁铸态组织基础知识铸铁是一种常见的铸态材料，具有良好的机械性能和耐热性能。
铸铁的基本组织特征是由铁素体和石墨组成的复合组织。
在这篇文章中，我们将介绍铸铁的基本组织知识。
铸铁的基本组织由两部分组成：铁素体和石墨。
铁素体是铸铁中的主要组织相，它由铁和碳组成。
铁素体的组织形式有很多种类，常见的有珠光体、鳞片体和网状体。
珠光体是一种球状的组织，由铁素体晶粒组成，具有良好的韧性和强度。
鳞片体是一种片状的组织，由铁素体晶粒沿平行面排列而成，具有较高的硬度和耐磨性。
网状体是一种网状的组织，由铁素体晶粒交叉排列而成，具有良好的韧性和强度。
除了铁素体，铸铁中还存在着大量的石墨。
石墨是一种由碳组成的物质，它具有良好的润滑性和导电性。
石墨的形态有片状、球状和螺旋状等。
片状石墨是指石墨以片状分布在铸铁中，具有较好的润滑性和抗冲击性能。
球状石墨是指石墨以球状分布在铸铁中，具有较好的韧性和抗疲劳性能。
螺旋状石墨是指石墨以螺旋状分布在铸铁中，具有较好的导热性能。
铸铁的组织形态对其性能有着重要的影响。
珠光体组织具有良好的韧性和强度，适用于制作需要承受较大力度和冲击的零件。
鳞片体组织具有较高的硬度和耐磨性，适用于制作需要抵抗磨损和磨削的零件。
网状体组织具有良好的韧性和强度，适用于制作需要同时满足韧性和强度要求的零件。
石墨的存在对铸铁的性能也有重要影响。
石墨的润滑性能可以降低铸铁零件的摩擦系数，提高其耐磨性能。
石墨的导电性能可以提高铸铁零件的导电性能，适用于制作需要导电性能的零件。
铸铁的组织形态还受到铁素体和石墨的含量、冷却速度等因素的影响。
铸铁的含碳量越高，石墨的含量越多，铸铁的硬度和脆性越大。
铸铁的冷却速度越快，铁素体的晶粒越细小，铸铁的强度和韧性越高。
铸铁的铸态组织是由铁素体和石墨组成的复合组织。
铸铁的组织形态对其性能有着重要的影响，不同的组织形态适用于制作不同性能要求的零件。
铸铁的组织形态还受到多种因素的影响，包括铁素体和石墨的含量、冷却速度等。
铸铁材料性能
铸铁材料性能铸铁是一种常见的工业材料，具有优良的性能和广泛的应用。
它主要由铁、碳和硅组成，具有较高的硬度和耐磨性。
铸铁材料性能的优劣直接影响着其在工程领域的应用范围和效果。
下面将从几个方面介绍铸铁材料的性能特点。
首先，铸铁材料的强度和硬度较高。
铸铁的强度主要取决于其组织结构和碳含量，一般来说，碳含量越高，强度也越高。
而硬度则取决于铸铁中的碳化物含量，碳化物越多，硬度也越高。
因此，铸铁通常被用于制造对强度和硬度要求较高的零部件，如机床、汽车发动机缸体等。
其次，铸铁具有良好的耐磨性和耐热性。
由于铸铁中含有较高的碳含量，碳化物的形成使得铸铁具有很好的耐磨性，能够在摩擦和磨损的环境下保持较长的使用寿命。
同时，铸铁的熔点较高，耐热性也较好，能够在高温环境下保持较好的稳定性。
另外，铸铁还具有较好的液态流动性和铸造性能。
铸铁在液态状态下具有较好的流动性，能够填充模具中的各个角落，从而制造出形状复杂的零部件。
同时，铸铁的铸造性能也较好，能够通过各种铸造工艺制造出不同形状和尺寸的铸件。
最后，铸铁还具有较好的耐腐蚀性和成本效益。
铸铁在一定条件下能够抵抗大部分化学腐蚀介质的侵蚀，能够保持较长时间的使用寿命。
与此同时，铸铁的生产成本较低，加工成本也较低，能够提供较为经济实惠的解决方案。
总的来说，铸铁材料具有较好的强度、硬度、耐磨性、耐热性、液态流动性、铸造性能、耐腐蚀性和成本效益等性能特点，因此在工程领域有着广泛的应用。
但是，铸铁材料也存在一些缺点，如脆性较大、冲击韧性较差等，因此在实际应用中需要根据具体情况进行合理选择和设计。
希望本文能够对铸铁材料性能有所了解，并在实际工程中加以应用和改进。
第八章铸铁
QT800-2 球光体 800
机械性能
0.2 MPa
5 %
ak kJ/m
2
250 17 600
270 10 300
350 5 －
420 2 －
490 2 －
560 2 －
HB
≤179
≤207
147～ 241
2297～ 302
2297～ 302
2417～ 321
应用举例
汽车、拖拉机床底盘零 件；16-64大气压阀门的 阀体、阀盖
三、球墨铸铁的牌号
用“QT”标明，其后两组数值表示最低抗拉强度和延伸率。
如: QT420-10、QT600-2、QT800-2
四、球墨铸铁的和机械性能
牌号
基体
b MPa
QT400-17 铁素体 400
QT420-1043; 球光体
500
QT600-2 球光体 600
QT700-2 球光体 700
叶轮
发动机飞轮
灰铸铁
三、灰铸铁的牌号
HT+三位数字，数字表示最低抗拉强度。
如：HT150，HT200，HT250
四、灰铸铁的热处理
热处理只能改变基体组织，不能改变石墨的形态和分 布，对提高性能效果不大。通常对其进行热处理的方法和 平共处目的是：
1、消除内应力退火： 2、高温退火：消除白口组织 3、表面淬火：提高表面硬度、耐磨性和疲劳强度。
二、蠕墨铸铁的组织
蠕墨铸铁的石墨具有介于片状和球状之间的中间形态，其石墨 片的长厚比较小，端部较钝。呈蠕虫状。
§6-4 蠕墨铸铁
三、蠕墨铸铁的牌号、性能和应用
牌号： 蠕墨铸铁以“RuT”表示，其后的数字表示最低抗拉强度。 如： RuT300、RuT420
铸铁组织和性能
3Hale Waihona Puke 铸铁的分类与牌号表示方法铸铁 名称 石墨 形态 基体 组织
编号方法
牌号实例
灰
铸 片 状 铁
可
HT + 一组数字 HT100 数字表示最低抗拉强度值，单 F+P HT150 位MPa。 P HT200 “HT”表示灰铸铁代号。 F F KTH + 两组数字 KTB + 两组数字 KTZ + 两组数字
编号方法
牌号实例
状
QT + 两组数字 QT400-15 第一组数字表示最低抗拉 强度值，MPa； F+P QT600-3 第二组数字表示最低伸长率 值，%。 “QT”表示 球墨铸铁代号 QT700-2 P F
RuT + 一组数字 RuT260 数字表示最低抗拉强度值 , F+P RuT300 MPa。 “RuT”表示蠕墨铸铁代号 RuT420 P F
经孕育处理的灰铸铁称为孕育铸铁。
孕育处理前
孕育处理后
2、热处理
热处理只改变基体组织，不改变石墨形态。 灰铸铁强度只有碳钢的30-50%，热处理强化效果不大。 灰铸铁常用的热处理有： ① 消除内应力退火(又称人工时效)
形状复杂和尺寸稳定性要求较高的铸件
② 消除白口组织退火：灰铸铁件表层和薄壁处产生白口组 织难以切削加工，需要退火(850 ℃～900 ℃保温2～5 h)， 使渗碳体分解成石墨，降低硬度。 ③ 表面淬火：机床导轨、缸体内壁等，需要提高硬度和耐
P’
和组织也不同。
铸铁的石墨化程度与其组织之间的关系 （以共晶铸铁为例）
石墨化进行程度 第一阶段 石墨化 第二阶段 石墨化 铸铁的显微组织 铸铁类型
06-第六章铸铁
第六章铸铁铸铁是指含碳量大于2．11％的铁碳合金（工业上常用铸铁的含碳量一般在3．0～4．5％范围内），其中含有相当数量的杂质，如硅、锰、硫、磷等，尤其硅的含量比较高，最高可达％左右。
铸铁作为机械制造工业的重要金属材料，广泛应用在汽车、拖拉机、机床、重型机器、冶矿机械的制造过程中。
如制造内燃机、柴油机的气缸壳、曲轴、汽车、拖拉机的轮壳、轴壳，机床的床身、导轨、刀架、卡盘，重型机器的机架、齿轮、箱体、机座，轴承座等。
按铸铁重量的百分数计算，约占钢铁生产的一半左右，占有很大的比重。
铸铁之所以被如此广泛的应用，是与其具有许多优良性能分不开的，而铸铁的优良性能又决定于铸铁的组织，第一节铸铁的组织与性能铸铁实质上是由各种不同形状的石墨分布在钢的基体上所构成的混合组织，因此，随着基体钢的组织不同以及石墨所具有的形态，大小、数量和分布的不同，可以分为许多种类，并具有各自不同的性能。
按基体的组织，常可以分铁素体基体、铁素体加珠光体基体、珠光体基体等；按石墨的形状又可以分为片状、团絮状和球状。
如图6—1所示。
图6－1 铸铁中石墨的形状示意图a)片状 b）团絮状 c）球状石墨是由碳原于按游离状态构成的软松组织，其强度、硬度很低，塑性、韧性几乎为零。
所以，石墨在铸铁中犹如裂纹和空洞，故常把铸铁看作是基体上布满了裂纹和空洞的钢。
石墨常用符号G表示。
由于石墨的存在，割裂了基体——钢，破坏了基体的连续性，削弱了基体的强度和韧性，所以，铸铁与钢相比，机械性能显然比钢差，但是，正由于石墨的存在，给铸铁带来了许多钢所不及的优良性能，如：（1）良好的铸造性能：铸铁由于含碳量比钢高，所以熔点比钢低，熔化浇注方便，铁液流动性好，充填铸型能力强，冷却时收缩率也小，不容易因内应力过大而造成开裂，所以，适合浇注形状复杂的零件或毛坯，铸造性能良好。
（2）良好的减磨性能：铸铁零件在与对偶发生摩擦时，因石墨是松软的固体润滑剂，能起到一定的润滑作用，故减少了铸件和配偶的磨损。
各种元素对铸铁组织性能的影响
各种元素对铸铁组织性能的影响铸铁是一种重要的铁碳合金，通常含有2%至4%的碳。
不同元素的添加会对铸铁的组织性能产生影响，以下是各种元素对铸铁组织性能的影响:1.碳(C)：碳是铸铁最主要的合金元素，会显著影响铸铁的组织和性能。
增加碳含量可以提高铸铁的脆性和硬度，但会降低其延展性和韧性。
2.硅(Si)：硅是一种强化元素，可以提高铸铁的强度和硬度。
适量的硅含量也可以提高铸铁的耐磨性和耐蚀性。
然而，过量的硅会导致晶体生长，使铸铁易于开裂。
3.锰(Mn)：锰可以提高铸铁的强度和硬度，同时还有助于抑制碳的析出，提高铸铁的韧性。
合适的锰含量有助于改善铸铁的高温性能。
4.磷(P)：磷可以增加铸铁的流动性和液相温度，有助于减小铸铁的热收缩。
然而，过量的磷会降低铸铁的韧性和强度。
5.硫(S)：硫可以改善铸铁的切削性能和润滑性。
适量的硫可以提高铸铁的耐磨性和切削性能，但过量的硫会导致铸铁变脆。
6.镍(Ni)：镍可以提高铸铁的韧性和强度，并增加其抗冲击性能。
含镍的铸铁具有良好的耐腐蚀性和高温稳定性。
7.钼(Mo)：钼可以提高铸铁的硬度、强度和耐磨性。
钼的添加还可以改善铸铁的高温强度和韧性。
8.铬(Cr)：铬可以提高铸铁的耐磨性、耐蚀性和高温强度。
含铬的铸铁具有良好的耐磨性和耐热性。
9.钒(V)：钒可以提高铸铁的高温强度和硬度，同时还具有抗疲劳和抗磨损的特性。
10.钛(Ti)：钛可以提高铸铁的强度、硬度和耐磨性。
含钛的铸铁还具有很好的耐腐蚀性。
总的来说，不同元素的添加会对铸铁的组织和性能产生不同程度的影响。
合理调控元素含量可以改善铸铁的性能，并使其适应不同的应用场合。
然而，过量的元素含量会导致铸铁的性能恶化，因此在合金设计过程中需要进行合理的组成设计。
灰铸铁的组织与性能
1. 退火
退火的主要目的是得到铁素体基体的球墨铸铁，以提高 球墨铸铁的塑性和韧性，改善切削加工性能，消除内应力。
2. 正火
正火的目的是得到珠光体基体的球墨铸铁，从而提高其 强度和耐磨性。
3. 调质
调质的目的是获得回火索氏体基体的球墨铸铁，从而获 得良好的综合力学性能。
4. 等温淬火
灰铸铁具有优良的 铸造性能，力学性能可 以满足一般性零件的要 求；价格低廉，生产成 本较低，并且具有钢质 材料所不具备的其他特 殊性能，因此在实际生 产中应用比较广泛，是 机械制造业中使用最多 的材料之一。
卧式车床实物图
1—主轴箱 2—进给箱 3—床脚 4—床身 第4页5—/共溜18页板箱 6—刀架 7—尾座
第七章 铸铁
黑心可锻铸铁（铁素体基体的可锻铸铁）具有较高的塑性 和韧性，而珠光体可锻铸铁具有较高的强度、硬度和耐磨性。
2. 可锻铸铁的牌号及用途
可锻铸铁的牌号由“KT”（“可铁”两字汉语拼音首字母） 及其后的“H”（表示黑心可锻铸铁）或“Z”（表示珠光体可锻 铸铁），再加上两组数字组成，两组数字分别表示最低抗拉强度 和最低断后伸长率。
第七章 铸铁
二、铸铁的组织与性能的关系
铸铁的力学性能取决于铸铁的基体组织及石墨的数量、形 状、大小和分布状况。石墨的存在减小了铸铁的有效承载面积， 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。
由于石墨本身有润滑作用，石墨脱落后留下的空洞还可以 储油，使铸铁具有良好的耐磨性。石墨可以吸收振动能量，因 此铸铁具有良好的减振性。石墨割裂了基体，使切屑易脆断， 而且石墨有减摩作用，可以减小刀具磨损，使铸铁具有良好的 切削加工性能。
铸铁铸态组织基础知识
铸铁铸态组织基础知识铸铁是一种常见的金属材料，具有优异的机械性能和耐磨性。
铸铁的组织结构对其性能具有重要影响，铸态组织是铸铁最基本的组织形态之一。
本文将介绍铸铁铸态组织的基础知识。
铸态组织是指铸铁在凝固过程中形成的组织结构。
铸态组织主要由铁素体、珠光体和渗碳体组成。
铁素体是铸铁中最主要的组织相，具有良好的塑性和韧性。
珠光体是铸铁中的第二相，呈球状或胞状分布在铁素体中，能够提高铸铁的硬度和强度。
渗碳体是铸铁中的第三相，主要由碳化物组成，能够提高铸铁的耐磨性和硬度。
铁素体的形成是铸态组织形成的基础。
在铸铁凝固过程中，当温度降低到铁素体形核温度以下时，铁素体开始形成。
铁素体的晶粒生长速度较快，且晶粒较大，因此铸铁的铸态组织中常常存在较粗的铁素体晶粒。
珠光体的形成是在铁素体晶粒内部或晶界上形成的。
在铸铁凝固过程中，当温度进一步降低到珠光体形核温度以下时，珠光体开始形成。
珠光体的形成需要一定的过冷度，因此铸铁的铸态组织中常常存在过冷铁素体。
过冷铁素体是指在晶界或晶内形成的较细小的铁素体晶粒，其形成是由于凝固过程中的过冷现象导致的。
渗碳体的形成是在铁素体中形成的。
在铸铁凝固过程中，当温度进一步降低到渗碳体形核温度以下时，渗碳体开始形成。
渗碳体主要由碳化物组成，其中常见的有Fe3C碳化物。
渗碳体的形成能够提高铸铁的硬度和耐磨性。
铸态组织的性能与组织形态有密切关系。
铸态组织中的铁素体能够提高铸铁的塑性和韧性，而珠光体和渗碳体则能够提高铸铁的硬度和强度。
不同的铸态组织形态对铸铁的性能有不同的影响。
例如，过多的渗碳体会导致铸铁脆性增加，而过多的珠光体会导致铸铁的塑性降低。
为了得到理想的铸态组织，可以通过控制铸铁的凝固速度和凝固方式来调控铸态组织的形成。
凝固速度的增加可以促进珠光体和渗碳体的形成，从而提高铸铁的硬度和强度；凝固方式的改变可以改变铸态组织的形貌，如通过定向凝固可以得到具有纤维状铸态组织的铸铁。
铸态组织是铸铁最基本的组织形态之一，其由铁素体、珠光体和渗碳体组成。
第二篇 第二章 常用合金铸件的生产
思考：某产品上的灰铸铁件壁厚有5mm、25mm两种，力学 性能全部要求抗拉强度为220MPa，若全部选用HT200,是否 正确？
二、可锻铸铁
可锻铸铁又称玛铁（钢）。它是将白口铸铁经石墨化 退火而成的一种铸铁。抗拉强度得到显著提高，且有着相 当高的塑性与韧性(但不可锻)。
（3）缺口敏感性小 由于石墨已使金属基体形成了大量缺口， 因此，外来缺口对灰铸铁的疲劳强度影响甚微，从而增加了
零件工作的可靠性。
（4）铸造性能优良，切削加工性好 灰铸铁的含碳量近于共 晶，流动性好。由于铸铁在结晶过程中伴有石墨析出，石墨 的析出所产生的体积膨胀抵消了部分铁的收缩，故收缩率甚 小。
2．影响铸铁组织和性能的因素
铸铁中的碳以石墨形式析出的过程称为石墨化。在铁碳合金中 ，碳有两种存在形式：其一是渗碳体，其中w（C）=6．69% ；其二是石墨，用符号G表示，其w（C）=100%。石墨具有特 殊的简单六方晶格，如图所示。
一、灰铸铁
金属基体+片状石墨
(1)灰铸铁的化学成分 灰铸铁的化学成分大致是： w(C)=2.5%～4.0%，w(Si)=1.0%～2.5%，w(Mn)=0.5%～1.4%， w(S)≤0.15%，w(P)≤0.3%。 (2)灰铸铁的显微组织 由于化学成分和冷却条件的综合影 响，灰铸铁在室温下的显微组织有三种类型：铁素体(F)＋ 片状石墨(G)；铁素体(F)+珠光体(P)＋片状石墨(G)；珠光 体(P)＋片状石墨(G)。
灰铸铁的抗压强度受石墨的影响较小，并与钢相近。
图 2-12 灰铸铁的显微组织
铸造性能好，价格低、 生产简单，强度低， 减磨，耐磨，减振， 石墨膨胀，作承受压 力的机床底座，床身 和不重要的构件、零 件如：端盖、凸轮等 导轨、缸体
铸铁的成分
缺点：凝固收缩率较大，对原铁水成分要求严格， 减震性不如灰口铸铁。
三、球墨铸铁的表示方法
QT 40—17 最低延伸率 17%
最低抗拉强度的十分之一 MN/m2 球墨铸铁
四、球墨铸铁的热处理 1、特点
1、铸铁的成分特点
a、含碳量 理论上含C：2.11%~ 6.69% 的铁碳合金
都属于铸铁， 但工业上常用铸铁的含碳量一 般在：2.50%~4.00%之间。
b、含硅量
铸铁是以铁-碳-硅为主的多元铁基合金： Si：1.00~3.00%
c、其它元素
含有较多的硫、磷杂质： P：0.01~0.50%，S：0.02~0.20%
最细。1～4级粗大片状，机械性能较低；5～ 8级细小蠕虫状石墨，机械性能较高。
★ 按石墨片的粗细分： 普通铸铁、孕育铸铁（变质铸铁）
一、灰口铸铁的组织与性能
铁素体+片状石墨 组织 铁素体+珠光体+片状石墨
珠光体+片状石墨
● 铁素体灰口铸铁，强度、硬度低，尽管铁素 体本身塑性、韧性高，但由于片状石墨的割 裂作用，引起应力集中，致使该类铸铁的延 伸率、冲击韧性均不高。
d、价格低廉，生产工艺简单，成品率高，在机 械工业中应用广泛。尤其近年来，由于稀土 镁球墨铸铁的发展，使铸铁的应用范围大大 拓宽，以铁代钢，以铸代锻的领域越来越多。
二、铸铁中的石墨化过程 1、石墨化过程
石墨组织的形成，称为铸铁 的石墨化过程。
Fe-C合金中，C的存在方式有两种：
Fe3C 和 G（graphite） Fe3C是一种亚稳定相，G是一种稳定的相。
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铸铁的组织与性能铸铁生产技术的基础就是要研究与认识：（1）铸铁的组织对铸铁的性能有什么影响？为什么说，控制了铸铁的组织就是控制了铸铁的性能？（2）既然铸铁的组织如此重要，那么就必须对其形成过程和形成条件进行研究与认识，从而达到控制组织的目的。
（3）在生产实践中，影响铸铁组织的不仅有化学成分与冷却速度，还有铁液温度、炉料、气体、孕育等因素。
因此，作为铸造技术人员必须具备两方面的基础知识：一是要了解与认识铸铁组织对铸铁性能的影响规律，即什么样性能的铸铁需要什么样的铸铁组织来保证；二是要了解对铸铁组织有影响的因素有哪些，如何控制这些因素达到要求的铸铁组织，从而满足铸件性能要求。
1.1铸铁性能的分类图1是以灰铸铁为例进行的铸铁性能分类情况，由图1可见，铸铁的性能包括物理性能、力学性能、使用性能和工艺性能，这些性能的与其组织息息相关。
图1 灰铸铁性能分类1.2铸铁的组织既然铸铁的性能是由铸铁的组织所决定的，因此，控制了铸铁的组织就控制了它的性能。
铸铁的组织由石墨、基体、共晶团和晶界夹杂物4部分组成（见表1）。
表1 铸铁中的组织1.3 铸铁组织对性能的影响情况1.3.1 石墨对性能的影响在铸铁组织中，石墨对性能的影响最大。
4种类型的石墨可分为6种分布形状（见图2），其应用的典型铸铁类型见表2。
图2 石墨的分类示意图Ⅰ片状石墨Ⅱ聚集的片状石墨及蟹状石墨Ⅲ蠕虫状石墨Ⅳ团絮状石墨Ⅴ团状石墨Ⅵ球状石墨表2 铸铁中的6种石墨形状（1）石墨形态对力学性能的影响铸铁与钢最大的不同就是铸铁中有石墨。
石墨对基体的割裂削弱了铸铁的强度，其中片状石墨削弱程度最大、球状石墨削弱程度最小；石墨形状越趋于球状的铸铁，强度越高。
所以，在铸铁中，灰铸铁强度最低，球墨铸铁强度最高（见表3）。
由表3可知，石墨形态对铸铁力学性能起着决定性的作用。
表3 不同形态石墨铸铁的力学性能（2）石墨大小、数量及分布状态对力学性能的影响①灰铸铁中的石墨灰铸铁中的石墨有A、B、C、D、E、F共6种分布类型，其中以无方向性、均匀分布的强度最高，含有D、E过冷石墨则强度降低，出现粗大的C型石墨时性能最差。
石墨数量在片状时对铸铁的强度影响最大，所以灰铸铁的碳当量对力学性能的影响很关键。
灰铸铁的碳当量越高，片状石墨数量就越多，对基体削弱程度也越大。
图3为石墨数量对灰铸铁抗拉强度的影响情况，表4为各牌号灰铸铁的石墨数量。
表4 各牌号灰铸铁的石墨量图3 石墨数量对灰铸铁抗拉强度的影响石墨的长度对力学性能也有影响。
片状石墨的尖锐前端使基体产生应力集中，对铸铁的抗拉强度、疲劳强度皆产生了不利的影响。
石墨长度越长，影响加剧（见图4、图5）。
图4 石墨长度与抗拉强度的关系图5 石墨长度对弯曲疲劳强度的影响有的铸件需要在反复加热与冷却的条件下使用，因此要求其具有良好的热疲劳强度，这就要求铸件的组织除了珠光体基体外，石墨数量要多，石墨长度要长，且石墨分布呈A型。
图6、图7、图8分别为石墨数量、石墨长度、石墨分布类型对灰铸铁热疲劳强度的影响情况。
图6 灰铸铁的石墨量对热疲劳性能的影响图7 石墨片平均长度与热疲劳性能的关系图8 石墨分布类型与热疲劳性能的关系②蠕墨铸铁中的石墨蠕墨铸铁常被用作要求热疲劳强度良好的铸件，但其组织并不是蠕化率越高越好；相反的是，蠕化率低的蠕铁热疲劳强度反而好于蠕化率高的蠕铁。
表5为蠕化率对蠕墨铸铁耐热疲劳强度的影响，由表5可知，不控制组织是难以控制性能的。
表5 蠕化率与热疲劳强度的关系③可锻铸铁中的石墨可锻铸铁中的石墨并不是单一的团絮状，还有球状、团球状、聚虫状等，这些形态石墨的存在比例直接影响着可锻铸铁的力学性能，其中以球状、团球状最好，团絮状次之，聚虫状、枝晶状最差。
石墨数量对可锻铸铁的断后伸长率影响较大（见图9），但对其抗拉强度的影响甚微（见图10）。
图9 石墨数量对断后伸长率的影响图10 石墨数量对抗拉强度的影响④球墨铸铁中的石墨要求疲劳强度高的铸铁件常采用等温淬火球墨铸铁，此时对石墨球的球径与球数要求较高，表6与图11显示了石墨球大小对基体显微硬度与弯曲疲劳强度的影响情况。
表6 石墨球大小及球墨数量对等温淬火球铁显微硬度与弯曲疲劳强度的影响图11 石墨球大小和基体显微硬度对球墨铸铁放置弯曲疲劳强度的影响在熔制低温韧性的球铁件时，球化率与石墨数皆对低温时的冲击性能有着重要影响，如图12和图13所示。
图12 石墨球化率对V形缺口试样冲击吸收功的影响图13 石墨球数对铁素体球墨铸铁V形缺口冲击吸收功的影响1.3.2 基体对性能的影响大部分铸铁的基体是珠光体与铁素体，也有部分铸铁的基体是奥氏体、奥铁体、马氏体与莱氏体，各类基体的性能见表7。
采用珠光体做基体，主要是为了提高抗拉强度与耐磨性；而用铁素体做基体，主要是为了提高塑性与韧性。
对于不同石墨形态的铸铁，基体对性能的提高幅度不同（见表8）。
由表8可见,石墨形态越趋于球状，基体对强度的影响就越大。
对球墨铸铁进行等温淬火，可获得具有超高强度并同时具有一定韧性的铸铁（见表9）。
表7 铸铁组织中的基体种类及其主要性能表8 基体对铸铁力学性能的影响表9 等温淬火球墨铸铁的力学性能莱氏体常用作抗磨铸铁的基体，可提高其耐磨性，如抗磨白口铸铁、合金白口铸铁等。
在铸铁中加入Mn和Ni，可使奥氏体一直稳定到室温而不发生转变，从而获得奥氏体铸铁。
这种铸铁具有较高的耐腐蚀性能与耐高温性能，如柴油机增压器的涡壳铸件就是采用的奥氏体基体球墨铸铁。
马氏体是将铸铁加热至奥氏体区后，用更低的温度进行淬火获得的基体，其性能坚硬、耐磨，常用于抗磨件中，如用马氏体抗磨球墨铸铁生产的磨球等抗磨件。
1.3.3 共晶团对性能的影响铸铁冷却到共晶温度时，共晶成分的铁液首先产生石墨核心，然后由石墨领先，石墨与奥氏体从晶核出发，互相促进，交叉生长，最后形成奥氏体与石墨的共晶组织。
这个以石墨核心为中心形成的奥氏体和石墨两相共生共长的共晶晶粒称为共晶团。
图14为亚共晶灰铸铁共晶结晶时一个共晶团正在成长的示意图。
由图可见，石墨片端部凸出，前沿部分伸入铁液中，始终与铁液相接触，奥氏体与石墨相互交叉生长。
图15示意地表现了亚共晶灰铸铁的共晶转变过程。
当共晶结晶结束时，共晶团或共晶团晶界与初生奥氏体相互衔接形成整体，此时共晶转变完成。
图14 一个共晶团成长的示意图图15 亚共晶灰铸铁共晶转变过程示意图共晶团的粗细对铸铁的强度影响很大。
晶粒细，则晶界多，晶界处的晶格排列极不一致，相互交错、互相咬合，加强了晶粒间的结合力，从而提高了强度。
灰铸铁的共晶团数与抗拉强度的关系见表10。
球墨铸铁的共晶团数可以用石墨球数来代表，即一个石墨球就是一个共晶团，表11为球数对等温淬火球铁弯曲疲劳强度的影响。
可锻铸铁也可用石墨数量来代表共晶团数，随着石墨数量的增多，可锻铸铁的伸长率增加。
表10 灰铸铁的共晶团数与抗拉强度表11 球墨铸铁中的石墨球数与弯曲强度共晶团数在大断面球墨铸铁中的作用十分重要。
薄壁球铁件孕育良好时，代表共晶团数的石墨数在1 mm2面积上可达1 500个，或更多，但在250 mm壁厚的大断面中心部位却仅有5个（见表12）。
石墨球数的减少常伴有团块状、团片状、近片状石墨的出现，导致强度下降。
研究表明，若每1 mm2面积上的石墨球数量超过70个时，石墨不会发生畸变；因此，不少企业生产风电铸件时往往规定石墨球数要在90~150 个/mm2。
但是，对厚大的球铁件来说，孕育量不可过大，如孕育的核心数过多，则会早期形成石墨球，包围它的奥氏体壳很薄弱，将致使石墨早期畸变。
表12 大断面球墨铸铁中的石墨球数与壁厚的关系在生产实践中，共晶团数的作用并不止于在力学性能方面，在孕育方面可以用其来检验孕育效果；而且，可用控制共晶团数来防止出现缩松缺陷，还可用检验热处理前后共晶团数的变化来观察晶粒是否得到细化、晶界夹杂物是否更加分散，从而推测铸件的冲击韧性是否得以提高。
1.3.4 晶间夹杂物对性能的影响晶间夹杂物的组成有共晶物（磷共晶、硫共晶）、碳化物和非金属夹杂物。
通常，晶间夹杂物对铸铁的性能有着不利的影响，尤其是对冲击韧性。
因此，生产中往往采用低硫、低磷，以减少磷共晶、硫共晶的产生；限制合金元素含量及强化孕育，防止碳化物产生；采用净料和高温熔炼钢、扒渣、过滤网等，减少并防止非金属夹杂物产生。
不过，在特定情况下，某些晶界间夹杂物还是有用的，如利用磷共晶生产耐磨的高磷铸铁等。
值得一提的是非金属夹杂物这一项。
目前，在金相检验标准中，没有非金属夹杂物这一项目，这是因为长期以来的观点认为，石墨是铸铁中最大的夹杂物，它对铸铁性能的影响是决定性的，但随着对灰铸铁质量要求越来越高，如机床的淬火铸铁导轨、汽车缸体和缸盖等铸件，在对石墨的限制已达到某一程度时，非金属夹杂物的影响就突显了出来，尤其对疲劳强度有较高要求时更是如此。
非金属夹杂物在灰铸铁中的总含量约为0.01%，但其分散数量巨大。
1 cm3体积内氧化物有500万个（如SiO2、Al2O3、FeO-MnO等）、硫化物有4 300万个（如MnS、FeS-MnS等）。
氧化物与硫化物的尺寸分别为0.2~1.0 μm及2~23 μm，甚为细小，但它对铸铁性能的影响不可忽视（如表13）。
表13 非金属夹杂物对灰铸铁性能的影响综合上述内容可说明，铸铁的性能是由其组织决定的，了解与认识组织对性能的影响情况是做好铸造技术工作需要具备的基础知识之一，而认识组织的形成过程、形成条件、影响因素以及如何控制组织则是更重要的基础知识。