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。