第二章 常用铸造合金

3、用途与牌号
蠕墨铸铁主要用来代替高强度灰铸铁、合金铸 铁、铁素体球墨铸铁和铁素体可锻铸铁生产复 杂的大型铸件。如大型柴油机机体、大型机床 立柱等，更适合制造在热循环作用下工作的零 件，如大型柴油机汽缸盖、排气管、制动盘、 钢锭模及金属型等。 牌号中RT为“蠕铁”的汉语拼音，其后数字为 最小抗拉强度。其中RT260为铁素体基体，其余 为铁索体和珠光体混合基体或珠光体基体。
2)硫和锰
硫强烈阻碍石墨化，硫含量高易使铸铁形成白口组织。 硫造成铸铁的热脆性。 硫使铸铁铸造性能恶化(如降低流动性，增大收缩率)。 常限制硫含量0.1％-0.15％以下，高强度铸铁则更低。 锰是弱阻碍石墨化元素，具有稳定珠光体、提高铸铁强 度和硬度的作用。 锰与硫亲和力大，抵消硫的有害作用。 一般控制在0.6％-0.12％之间。 3)磷 磷对铸铁的石墨化影响不显著。 磷共晶体有利于提高铸铁的耐磨性，耐磨铸铁磷的质量 分数可高达0.5％-0.7％。 磷共晶呈网状，将增加铸铁的冷脆性，一般铸件多限制 在0.5％以下，高强度铸铁则限制在0.2％-0.3％以下。
2、各种球墨铸铁的组织、性能与用途
1）珠光体球墨铸铁
①基体组织中珠光体量占80％以上，其余为铁素体， 通常经正火处理后得到。
②性能特点
a.抗拉强度高，特别是屈服强度高，屈、强比高于45 钢，珠光体球铁的伸长率低于45钢。 b.疲劳强度较高，与45钢相当，甚至超过。 c.硬度和耐磨性远比高强度灰铸铁高，有些情况(做 曲铀)优于锻钢。
按照基体组织灰口铸铁又可分为以下三类： (1)铁素体灰口铸铁 (2)铁素体—珠光体灰口铸铁 (3)珠光体灰口铸铁
2．灰口铸铁的性能
灰口铸铁的组织结构如同在钢的基体上嵌入大量 石墨片。 石墨的强度、硬度极低，塑性近于零。 石墨的存在相当于在基体上分布大量孔洞，特别 是片状石墨的尖角引起应力集中。 灰口铸铁的抗拉强度比钢低得多，通常σb仅120250MPa，为钢件的20％-30％，塑韧性近为零。 石墨的存在也使得灰口铸铁具有良好的减振性、 良好的耐磨性以及低的缺口敏感性，这是钢所不 具备的。 灰口铸铁具有良好的铸造性能和切削加工性能。 焊接性能较差，且不能用于锻造。
三）可锻铸铁的铸造性能
1、流动性差

因可锻铸铁的碳、硅含量低，凝固温度范围大， 故流动性差。薄件应适当提高浇注温度。
因可锻铸铁铸态是白口，其固态收缩大，铸件易 产生应力、变形和裂纹。同时其体积收缩大，铸 件易产生缩孔、缩松缺陷。生产中通过改善铸型 及型芯的退让性，并放置冒口和冷铁等措施来防 止。
2、收缩大
③可代替碳钢制造某些受较大交变负荷的重要件，如 汽车发动机曲轴、连杆、凸轮、蜗杆等。
2）铁素体球墨铸铁
①基体中含铁素体量占80％以上，其余为殊光体，通 常经退火处理得到。 ②具有较高的塑性和韧性，力学性能优于可锻铸铁。 ③我国主要用于代替可锻铸铁制造汽车、拖拉机底盘 类零件，如后桥壳等。国外则大量用于铸管，如上、 下水管道及输气管道等。
砂型铸件壁厚、化学成分和组织的关系
三)灰口铸铁件的生产特点及牌号选用
1.灰口铸铁件的生产特点
①灰铸铁常用冲天炉熔炼且大多不需炉前处理，成本低。 ②具有良好的铸造性能：流动性好，收缩小，铸件缩孔、 缩松、浇不足、热裂、气孔倾向均小。 ③灰口铸铁一般不通过热处理来提高其性能，生产中仅对 要求高的铸件进行时效处理，以消除内应力，防止加工 后变形。

三、球墨铸铁
一）球墨铸铁的分类、牌号、性能及用途
球墨铸铁的石墨呈球状，对基体的割裂作用最低，基 体强度利用率高达70％-90％，力学性能显著提高。
1、球墨铸铁的分类与牌号
球墨铸铁按基体组织分为铁素体球墨铸铁、铁素体珠光体球墨铸铁和珠光体球墨铸铁三大类。 牌号用汉语拼音“QT”和两组数字表示，两组数字分 别表示最低抗拉强度和伸长率。
3）铁素体-珠光体球墨铸铁
多数球墨铸铁的铸态基体是珠光体和铁索体的混合 组织，很少是单一的基体组织。 其性能一般介于上述两者之间。
3、球墨铸铁的热处理特点
进行热处理的原因： 1)多数球墨铸铁的铸态基体是珠光体和铁素体的混合 组织，很少是单一的基体组织； 2)有时存在自由渗碳体； 3)而且形状复杂件还有残余应力。 热处理的目的： 主要是为了改善金属基体，以获得所需的组织和性 能，这点与灰口铸铁不同。
二）球墨铸铁的生产
1)控制原铁水化学成分
所用的原铁水与一般灰铸铁基本相同，但成分控制较 严，一般应控制wS≤0.07％、wP≤0.1％，且适当提高 碳含量(3.6％-4.0％)，以改善铸造性能和球化效果。
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2)较高的铁水温度
出炉温度应高于1400℃，以防止球化处理和孕育处理 后铁水温度过低，使铸件产生浇不足等缺陷。
3、选用
黑心可锻铸铁是铁素体基体，具有良好塑韧性，耐 蚀性较高，适于承受振动和冲击、形状复杂的薄壁 小件。 珠光体可锻铸铁强度、硬度、耐磨性优良，并可通 过淬火、调质等强化，可制造小型连杆、曲轴等重 要件。 白心可锻铸铁在我国极少使用。
二）可锻铸铁的生产特点

将白口铸铁件经长时间的高温石墨化退火，使白口铸铁 中的渗碳体分解，得到可锻铸铁。
3)球化处理和孕育处理
(1)目的 球化促使石墨在结晶时呈球状析出。孕育促进铸铁 石墨化，防止球化元素所造成的白口倾向；同时可 使石墨球圆整、细化，改善球铁的力学性能。
(2)常用球化剂与孕育剂及其加入量
我国广泛采用的球化剂是稀土镁合金，加入量一般 为铁水重量的1.0％-1.6％，实际生产用量根据铁水 的化学成分和铸件大小而定。 常用的孕育剂为含硅75％的硅铁，加入量为铁水重 量的0.4％-1.0％。 (3)处理工艺 目前在生产中应用较普遍的球化处理工艺有冲入法 和型内球化法。 型内球化法最适合在大批量生产的流水线上制造球 墨铸铁件。 处理后的铁水应及时浇注，以防球化衰退和孕育衰 退。
①普通灰口铸铁，简称灰口铸铁，其石墨呈片状； ②可锻铸铁，其石墨呈团絮状； ③球墨铸铁，其石墨呈球状； ④蠕墨铸铁，其石墨呈蠕虫状。
一、灰口铸铁
一)灰口铸铁的化学成分、组织和性能
1．灰口铸铁的化学成分与组织
灰口铸铁的化学成分：
WC＝2.6％-3.6％，WSi＝1.2％-3.0％，WMn＝0.4％1.2％，WS≤0.15％，WP≤0.3％。 灰口铸铁的组织由基体和片状石墨组成。
2．冷却速度
冷却速度小，易得到粗大石墨片和铁素体基体；增大冷 却速度则阻碍石墨化，只有部分碳以细石墨片析出，而 另一部分碳以渗碳体析出，获得珠光体基体。 影响冷却速度的因素有： 1)铸型材料 金属型冷却速度大，使石墨化受到严重阻碍，易获得白 口组织。而砂型冷却速度慢，易获得灰口组织。

2)铸件壁厚 壁愈厚，石墨化倾向愈大，易得粗大石墨片和铁素体； 壁愈薄，石墨化倾向愈小，易得细小石墨片和珠光体。 当铸件壁厚小到一定程度时，因冷却速度过快，石墨化 不能进行，将产生白口组织。 随着壁厚增加，石墨片数量和尺寸都增大，铸铁强度、 硬度反而下降。该现象称壁厚(对力学性能的)敏感性。

五、铸铁的熔炼


常用的铸铁熔炼设备有：
冲天炉、中频和工频感应电炉、反射炉和电弧 炉等。 以冲天炉和工频感应电炉应用最广； 工频感应炉具有熔炼速度快、铁水成分和温度 控制准确等优点。
一）冲天炉的熔炼过程
燃料为焦炭； 金属料有铸造生铁锭、回炉铁(浇冒口、废铸件)、 废钢、铁合金(硅铁、锰铁)等； 熔剂为石灰石，有时加入一些萤石。 在冲天炉熔炼过程中，高温的炉气不断上升，炉 料不断下降，两者逆向运动产生如下过程：底焦 燃烧，金属料被预热、熔化和过热，冶金反应使 铁水成分发生变化。因此，金属在冲天炉内并非 简单的熔化，实质为一冶金过程。
第二章 常用铸造合金
铸铁 铸钢 铸造有色合金

第一节 铸铁

铸铁是碳的质量分数为2.5％~4.0％的铁碳合金。
铸铁常用来制造机架、床身、箱体、曲轴、缸套等， 是工程材料中最重要的液态成形合金。
根据碳在铸铁中存在形式的不同，铸铁可分为： 白口铸铁、灰口铸铁、麻口铸铁。 根据铸铁中石墨形态的不同，灰口铸铁又可分为：
2.灰口铸铁的牌号选用
灰口铸铁的牌号用汉语拼音“HT”和一组数字表示，数 字表示其最低抗拉强度(MPa)，如HT100。 普通灰口铸铁广泛用于一般机件；孕育铸铁用于要求更 高的重要件。在选择铸铁牌号时，亦须考虑铸件壁厚。
二、可锻铸铁

可锻铸铁俗称玛钢或玛铁，在铁素体或殊光体的基体 上分布着团絮状石墨的铸铁。

四、蠕墨铸铁
一）蠕墨铸铁的组织、性能、牌号和用途
1、组织
蠕墨铸铁的组织为金属基体上分布着蠕虫状石墨，形 态介于片状石墨和球状石墨之间，短而厚，头部较圆。
2、性能
①强度和韧性比灰铸铁高，与铁素体球墨铸铁相近。 ②壁厚敏感性比灰铸铁小得多。 ③导热性和抗热疲劳性比球铁高得多，与灰铸铁相近。 ④耐磨性比灰口铸铁好，为HT300的2.2倍以上。 ⑤减振性比球墨铸铁高，但比灰口铸铁低。 ⑥工艺性能良好，铸造性能近于灰口铸铁，切削加工 性能近于球墨铸铁。

二）蠕墨铸铁的生产
蠕墨铸铁的生产与球墨铸铁相似，铁水成分和 温度要求亦相似。 炉前处理时，也是采用冲人法，向高温、高碳、 低硫、低磷铁水中加入蠕化剂进行蠕化处理， 再加入孕育剂进行孕育处理。 蠕化剂一股采用稀土镁钛、稀土镁钙或镁钛合 金，加人量为铁水重量的1％~2％。 蠕墨铸铁的铸造性能接近于灰铸铁，缩孔、缩 松倾向较小，铸造工艺较简便。
冲入法（左）和型内球化法（右）
三）球墨铸铁的铸造工艺特点
球墨铸铁较灰铸铁易产生缩孔、缩松、皮下气孔、 夹渣等缺陷。 球铁碳含量高，成分接近共晶点，每析出1％的 石墨，体积增加2％，因此凝固收缩率低。 球铁在浇注后的一段时间内，铸件凝固的外壳强 度很低，而球状石墨析出时的膨胀力却很大，当 铸型刚度较小时，在铸件最后凝固的部位产生缩 孔和缩松。而当铸型刚度较大时，不需冒口可得 到内部致密的铸件。

二)影响铸铁组织和性能的因素
铸铁的组织和性能主要取决于石墨化程度。影响 铸铁石墨化的主要因素是化学成分和冷却速度。 1．化学成分

1)碳和硅 碳是形成石墨的元素，也是促进石墨化的元素。 硅是强烈促进石墨化的元素，随着含硅量的增加，石墨 显著增多。 实践证明，若硅含量过少，即使碳含量甚高，石墨也难 以形成，只能得到含渗碳体的白口铸铁。 当铸铁中碳、硅含量均高时，析出的石墨就愈多、愈粗 大，而金属基体中铁索体增多，珠光体减少；反之，则 石墨析出量减少且较细。
1、退火工序
将清理后的坯料置于退火箱中，并加盖密封，再送入退 火炉中，缓缓加热到920-980℃，保温10~20小时，并按 规范冷到室温(对黑心可锻铸铁还要在700℃以上第二阶 段保温)。石墨化退火总周期一般为40-70小时。
2、生产特点
制造可锻铸铁件的首要步骤是先铸出白口铸铁坯料，要 求铸铁的碳、硅含量很低，以保证获得完全的白口组织。 通常为Wc＝2.4％-2.8％，Ws＝0.4％-1.4％。 可锻铸铁退火周期长，生产过程复杂，能耗大，铸件的 成本高，但不仅对原材料的限制小，且质量容易控制。
一）可锻铸铁的性能、牌号及选用
1、性能
抗拉强度一般达300-400MPa，最高达700MPa；具有 一定的塑性和韧性(δ≤12％，αk≤30J/cm2)。
2、分类与牌号
按退火方法分黑心可锻铸铁、珠光体可锻铸铁和白 心可锻铸铁。 牌号分别用拼音“KTH”、“KTZ”、“KTB”及两组数 字表示，数字分别表示最低抗拉强度和伸长率。


生产球墨铸铁件多采用顺序凝固原则，采用冒 口和冷铁。在铸型刚度很好的条件下，也可采 用同时凝固原则，不用冒口或用较小冒口。 球墨铸铁铸型的紧实度、透气性应比灰铸铁高， 型砂水分不能过高，型腔排气能力要好。 浇注系统一般用半封闭式，以保证铁水迅速、 平稳地流入型腔，并多采用滤渣网、集渣包等 措施加强挡渣。