灰铸铁铁水成分与金相组织、力学性能之间的关系讲解

例：C 3.4, Si 2.5 Mn 0.8 P 0.15 S 0.12 Sc= C/4.26-1/3(Si+P)%=3.4%/ 4.26-1/3(2.5.9+0.12)% = 3.4%/4.26-0.88%= 3.4%/3.38%=1.01 因为1.01 > 1，所以该铸铁是过共晶 例：C 2.8, Si 1.5 Mn 1.0 P 0.08 S 0.10 Sc= C/4.26-1/3(Si+P)%=2.8%/ 4.26-1/3(1.5+0.08)%= 2.8%/4.26-0.53% = 2.8%/3.73%=0.75 因为0.75 < 1，所以该铸铁是亚共晶
进一步提高过热温度，铸铁的成核能力 下降，因而使石墨形态变差，甚至出现自由 渗碳体，使强度性能反而下降。
临界温度：一般认为，普通灰铸铁的临 界温度约在1500℃～1550℃。
经高温过热的铁液，过热效果便会局部 或全部消失。铁液的纯净度提高了，含气量 降低了。
e.孕育的影响
铁液浇注以前，在一定的条件下（过热 温度、化学成分、合适的加入方法等），向 铁液中加入一定量的物质（称为孕育剂）以 改变铁液的凝固过程，改善铸态组织，从而 达到提高性能的目的，这种处理方法称为孕 育处理。
2）碳当量
比较方法:
>
过共晶
CE = 4.26 共晶
<
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亚共晶
例：C 3.2, Si 1.9 Mn 0.8 P 0.12 S 0.12
CE =C+1/3(Si+P)%=3.2%+1/3(1.9+0.12)%
= 3.2%+0.67%=3.87%
因为3.87< 4.26，所以该铸铁是亚共晶
例：C 3.4, Si 2.5 Mn 0.8 P 0.15 S 0.12 CE = C+1/3(Si+P)%=3.4%+1/3(2.5+0.12)% = 3.4%+0.88%=4.28% 因为4.28% > 4.26%，所以该铸铁是过共晶
第三组如钛等元素在铸铁中多形成特殊 碳化物，如TiC等。钛在灰铸铁中一般加入量 很小，它有轻微促进石墨化的作用，有的资 料指出，钛可促使高碳硅铸铁中粗大片状石 墨细化，因而有利于提高铸铁的强度。因它 还能提高铸铁的耐磨性(加入量0.1%Ti以下)， 所以可用于有润滑下的耐磨铸铁。
（6）冷却速度及其它工艺因素对铸铁组织性 能的影响
总之，碳、硅都是促进石墨化的重要元素，
它们对铸铁的组织与性能有着决定性的影响。 图3.6显示了碳硅量（碳当量）对石墨的作用。 提高铸铁的碳当量，可使石墨数量增多，石 墨粗大，共晶团颗粒增大。降低碳当量，可 减少石墨的数量，使石墨细化。若碳当量过 低，因增大了铸铁的结晶范围，使晶间石墨 增多。
2） 硫和锰对铸铁组织与性能的影响
f.炉料的影响
遗传性：铁液的主要化学成分不变，更 换炉料后，铸铁的组织（石墨化程度、白口 倾向以及石墨形态甚至基体组织）都会发生 变化，炉料与铸件组织之间的这种关系，习 惯上称为炉料的遗传性。
消除炉料遗传性的措施有两种：
1）提高铁液的过热温度；
2）用两种以上的原生铁进行配料，可减 弱炉料的遗传性。
1） 碳和硅对铸铁组织与力学性能的影响
碳和硅是灰铸铁中最主要的两个元素， 它们对铸铁的组织与性能起着决定性的作用。
碳在铸铁中是促进石墨化的元素。增加 含碳量，可使铸铁的石墨化程度增加，形成 石墨的碳量增加，石墨也变得粗大，基体中 珠光体数量减少，铁素体增加。
适当降低含碳量，提高铸铁的强度。
硅对Fe-C相图的影响 1、包晶转变出现了三相区。 2、缩少奥氏体相区。 3、共晶转变出现了三相区。 4、降低了E、C、S点的含碳量。 5、共析转变出现了三相区。
3.5.3 生产孕育铸铁的主要条件 （1）选择合理的化学成分
孕育铸铁的成分选择和普通灰铸铁一样， 要和铸件的壁厚密切结合起来考虑。
一般为：碳当量选择在灰口和麻口之间。
（2）铁液要有一定的过热温度
铁液温度越高，铁液的纯净度越高，越 有利于提高铸造性能，更主要的是，如果在 一定范围内提高铁液温度，能使石墨细化， 基体组织细密，抗拉强度提高。
1）冷却速度的影响
a.铸件结构的影响
在铸造生产实际中，冷却速度的影响常 常通过铸件壁厚、铸型条件以及浇注温度等 因素体现出来。图3.15说明铸件壁厚与铸铁 组织的关系。
从图中可以看出：随着铸件壁厚的减小，
铸件的冷却速度增加，铸铁组织中的石墨变 得细小，石墨化程度降低，基体中珠光体数 量增加且更细密，铁素体数量减少，铸铁的 强度、硬度都有所增加，但铸件过薄，易使 铸件局部或全部出现白口组织。例如，铸铁 炉前检验时常用的三角试片，它的断面组织 变化见图3.16。三角试片一端厚，另一端是 尖角，试片两端冷却速度相差很大，因而同 一铁水浇注后，试样断面上一般就能出现灰 口、麻口和白口铸铁的不同组织区域。
菊花状分布 2、形成条件
1）共晶成分（比A低） 2）冷速较快 3、对性能的影响
较好
C型石墨 1、分布特征
板条状分布 2、形成条件
1）过共晶成分 2）冷速慢 3、对性能的影响
不好
D型石墨 1、分布特征
晶间无向性分布（点 状石墨） 2、形成条件 1）亚共晶成分 2）冷速快 3、对性能的影响
不好（现在观点：好）
因为3.2% < 3.59%，所以该铸铁是亚共晶
例：C 3.4, Si 2.5 Mn 0.8 P 0.15 S 0.12
Cc’%=4.26%-1/3(Si+P)%=Cc’%=4.26%1/3(2.5+0.15)%= 4.26%-0.88%=3.38%
因为3.4% > 3.38%，所以该铸铁是过共晶
4）铸铁中合金元素对组织与性能的影响
第一组如镍、铜、钴、铝等元素，一般 都有促进一次结晶石墨化的作用。在这些合 金元素中，如镍、铜等又能阻碍珠光体分解， 稳定珠光体，因此可使珠光体数量增多和细 化强化铸铁基体，在铸铁中既能提高强度和 硬度(见图3.11)，又能防止白口的产生。
第二组如铬、钼、钒等都以渗碳体为基 础形成固镕体，如(Fe，Cr)3C，（Fe， Mo)3C，(Fe，v)3C也可以形成一些特殊碳 化物。因为这些合金元素能增强铁和碳的结 合力，故强烈地阻碍石墨化。
（5） 铸铁的化学成分对组织和性能的影响
铸铁的化学成分是很复杂的，在铸铁中 除铁以外，主要元素有碳、硅、锰、磷、硫 等五种，其它还有随炉料和熔炼过程中进入 铸铁内的许多微量元素和各种杂质，以及有 时为了使铸铁获得某些特殊性能而加入的一 些合金元素如铬、铜、镍、钼、钒等。所有 这些元素都对铸铁的结晶组织和力学性能有 着很大的影响。
3）共晶度
比较方法:
> Sc = 1
<
过共晶 共晶 亚共晶
例：C 3.2, Si 1.9 Mn 0.8 P 0.12 S 0.12 Sc= C/4.26-1/3(Si+P)%=3.2%/ 4.26-1/3(1.9+0.12)% = 3.2%/4.26-0.67%= 3.2%/3.59%= 0.89 因为0.89< 1，所以该铸铁是亚共晶
E型石墨 1、分布特征
晶间有向性分布 2、形成条件
1）亚共晶成分（比D低） 2）冷速较慢 3、对性能的影响
不好
F型石墨 1、分布特征
星状分布 2、形成条件
1）过共晶成分 2）冷速较快 3、对性能的影响
不好
3）根据石墨尺寸的大小，将它分为八级，见 表2.4。
2）基体组织：
（3） 铸铁 的共 晶团
（4）灰铸铁的牌号
（5） 灰铸铁的 使用性能特点
1）机械性能特点 片状石墨
2）灰铸铁的硬度特点
3）灰铸铁的基体强度特点 、。
4）灰铸铁的其它性能特点
a.良好的铸造性能
b.良好的减振性
c.良好的耐磨性能
d.良好的切削加工性能
e.低的缺口敏感性
片状石墨相当于许多微小缺口，从而减 小了铸件对缺口的敏感性，因此表面加工质 量不高或组织缺陷对铸铁疲劳强度的不利影 响要比对钢的影响小得多。
硫在铸铁中因能增强Fe-C原子间的结合 力，所以促使铸铁按介稳定系统进行结晶， 能较强烈的阻碍石墨化。特别当冷却速度较 高，碳硅量较低时，硫阻碍石墨化的作用就 更显著，铸铁白口化的倾向也越大。
3.5.2 孕育处理的目的
孕育处理目的在于：促进石墨化，降低 白口倾向；降低断面敏感性；控制石墨形态， 消除过冷石墨（晶间石墨）；适当增加共晶 团数和促进细片状珠光体的形成；从而达到 改善铸铁强度性能及其它性能的目的。
b.浇注温度的影响
浇注温度与冷却速度也有密切的关系， 见图3.17。图中实线表示高温tpⅠ浇注时的情 况，虚线表示低温tPⅡ浇注时的情况。
从图中可以看出：当铸件冷却到结晶温 度高较低t温K时温度，度tFⅠ高。，温因而铁此低液铁温浇液铁注在液的tK浇温铸注度型的下已铸进被型行加tF凝热Ⅱ固至尚时较在， 高注温的浇（注tK－的t（FⅡt）K－温tF度Ⅰ差），温故度高差温却浇小注于有低促温进浇 石墨化的作用。
铁水成分与金相组织、力学性能之间的关系
（1）灰铸铁的定义：在铸铁的金相组织中， 碳以片状石墨的形式存在，这种铸铁称为灰 铸铁。
（2）灰铸铁的金相组织 石墨的形态：
1）石墨 ABCDEF A型石墨 1、分布特征
均匀无向性分布 2、形成条件
1）共晶成分（亚共晶） 2）冷速较慢 3、对性能的影响
好
B型石墨 1、分布特征
要做好孕育铸铁，要最大程度地改变自 身的凝固特点，就比须有相当高的过热温度 （1450℃～1470℃）。
3） 磷对铸铁组织与性能的影响
磷完全溶于铁水。结晶时，从Fe-C-P三 元状态图(图3.9)可以看出，Fe-Fe3C和FeFe3P也有共晶点e3，图中Ee1，、Ee2：和 Ee3三线皆下斜汇集于最低点E发生共晶反应。 E点为三元共晶点，其成分为6.89％P，2.40 ％C，90.71％Fe，共晶温度为950℃。
（7）铸铁的计算
1）共晶点碳量
考虑各元素对相图中共晶点的影响后，共 晶点的实际含碳量，称为共晶点碳量。
Cc’%=4.26%-1/3(Si+P)%
比较方法:
>
过共晶
C% =Cc’% 共晶
<
亚共晶
例：C 3.2, Si 1.9 Mn 0.8 P 0.12 S 0.12
Cc’%=4.26%-1/3(Si+P)%=Cc’%=4.26%1/3(1.9+0.12)%= 4.26%-0.67%=3.59%
c.铸型材料的影响
铸型材料的不同也能影响铸件的冷却速 度，湿砂型冷却速度大于干砂型，干砂型冷 却速度又大于预热型。金属型冷却速度更大。 有些局部过厚的铸件，为避免过厚的部位组 织过粗而影响使用，可放置随形的金属冷铁， 以加速该部位的冷却，获得理想的组织。
d.铁液的过热和高温静置的影响
在一定范围内提高铁液的过热温度，延 长高温静置的时间，都会导致铸铁的石墨及 基体组织的细化，使铸铁强度提高；