1铸铁的组织与性能

1 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

名称类型

石墨片状石墨、蠕虫状石墨、团絮状石墨、球状石墨片状石墨还有A、B、C、D、E、F共6种分布类型

基体铁素体、珠光体、奥氏体、奥铁体、渗碳体、马氏体

共晶团以每个石墨核心为中心形成的一个“石墨—奥氏体”两相共生共长的共晶晶粒称为共晶团。

片状石墨的灰铸铁抛光腐蚀后方能检验共晶团数；球墨铸铁则以球墨数代表共晶团数，一个石墨球代表一个共晶团。

晶界夹杂物共晶物（磷共晶、硫共晶）、碳化物、非金属夹杂物

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

石墨类型石墨形状名称典型铸铁类型Ⅰ片状石墨灰铸铁

Ⅱ聚集的片状石墨

蟹状石墨

快速冷却的过共晶灰铸

铁

Ⅲ蠕虫状石墨蠕墨铸铁

（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

牌号HT100 HT150 HT200 HT250 HT300 HT350 石墨量*

12~15 7~11 6~9 4~7 3~6 2~4 （%）

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

类别

热循环温度和产生首次裂纹的循环数/次

250~500 ℃250~700 ℃250~950 ℃

蠕墨铸铁

（蠕虫状石墨量90%）

11 250 1 000~1 200 450~640

蠕墨铸铁

（蠕虫状石墨量50%）

14 500 1 250~1 900 640~680

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

平均石墨球径（×10－3）/mm 球墨数量

/个·mm－2

奥铁体显微硬度

（HV）

弯曲疲劳强度

/MPa

28.43 170.69 512 250~260 25.88 172.01 552 280 19.64 262.08 548 350