铸钢与铸铁

石墨的晶体结构
在不同条件下，铁碳合金可以有亚稳定平衡的Fe-Fe3C相图和稳定平
衡的Fe-G相图，即铁碳合金相图应该是复线相图：Fe-Fe3C相图和Fe－G
相图。铁碳合金究竟按哪种相图变化，决定于加热、冷却条件或获得的
平衡性质（亚稳平衡还是稳定平衡）。
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铸铁中碳原子析出并形成
石墨的过程称为石墨化。
石墨既可以从液体和奥氏
第七章 铸钢与铸铁
知识要点 熟悉常用铸钢的性能及应用
熟悉石墨化过程
熟悉常用的几种铸铁的组织和应用
1 铸钢 铸钢主要用于制造形状复杂，需要一定强度、塑性
和韧性的零件，例如机车车辆、船舶、重型机械的齿 轮、轴，以及轧辊、机座、缸体、外壳、阀体等。
重型机械齿轮
外壳 轧辊
一、碳素铸钢的化学成分及机械性能
三种石墨形态
3. 铸铁的性能特点
灰口铸铁的抗拉强度和塑性都很低，这是石墨对 基体的严重割裂所致。石墨强度、韧性极低，相当 于钢基体上的裂纹或空洞，它减小基体的有效截面， 并引起应力集中。石墨越多，越大，对基体的割裂 作用越严重，其抗拉强度越低。
一、铸铁的石墨化过程和特点 1. 铸铁的石墨化过程
在铁碳合金中，碳可以以三种形式存在：一是固溶在F、A中，二是化 合物态的渗碳体(Fe3C)，三是游离态石墨（G）。
渗碳体为亚稳相，具有复杂的斜方结构。在一 定条件下能分解为铁和石墨（Fe3C→3Fe+C）。 石墨为稳定相，具有特殊的简单六方晶格，底 面原子呈六方网格排列，原子间距小 （1.42×10-10 m），结合力很强；底面之间的 间距较大（3.04×10-10 m），结合力较弱。所 以石墨的强度、硬度和塑性 石墨的晶体结构都 很差。
体中析出，也可以通过渗
碳体分解来获得。灰口铸
铁和球墨铸铁中的石墨主
要是从液体中析出；可锻
铸铁中的石墨则完全由白
口铸铁经长时间退火，由
渗碳体分解而得到。
按照Fe－G相图，可将铸铁的 石墨化过程分为三个阶段： 第一阶段石墨化
铸铁液体结晶出一次石墨（过 共晶铸铁）和在1154℃ （E'C'F'线）通过共晶反应形 成共晶石墨。
碳素铸钢的成分、机械性能及应用
碳含量是影响铸钢件性能的主要元素，随着碳含量的增加 屈服强度和抗拉强度均增加，且抗拉强度比屈服强度增加得 更快，但碳质量分数超过0.45%时，屈服强度很少增加，而塑 性、韧性却显著下降。从铸造性能来看，适当提高碳含量， 可降低钢的熔化温度，增加钢水的流动性，钢中气体和夹杂 也能减少。所以在生产中使用最多的是ZG230-450、ZG270500、ZG310-570 三种。
箱体
启动阀
铸钢的化学成分及力学性能
钢号
化学成分, %
C
Mn
Si
力学性能
s
b 5
ak
MPa MPa % % kJ/m2
ZG15 0.12-0.22 0.35-0.65 0.20-0.45 200 400 25 40 600
ZG25 0.22-0.32 0.50-0.80 0.20-0.45 240 450 20 32 450
2 铸铁 铸铁是碳质量分数大于2.11%、并常含有较多的硅、锰、硫、
磷等元素的铁碳合金。
铸铁的生产设备和工艺简单，价格便宜，并具有许多优良的使 用性能和工艺性能，所以应用非常广泛，是工程上最常用的金属 材料之一。
它可用于制造各种机器零件，如机床的床身、床头箱；发动机 的汽缸体、缸套、活塞环、曲轴、凸轮轴；轧机的轧辊及机器的 底座等。
LC' → AE'+ G(共晶）
第二阶段石墨化
在1154℃～738℃温度范围内 奥氏体沿E'S'线析出二次石墨。
第三阶段石墨化
在738 ℃（P'S'K'线）通过共 析反应析出共析石墨。
AE'→FP'+ G(共析）
影响石墨化的主要因素是：
(1) 温度和冷却速度 在生产过程中，铸铁的缓慢冷 却，或在高温下长时间保温，均有利于石墨化。
2. 铸铁的组织特征和分类 石墨化程度不同，所得到的铸铁类型和组织也不同。
铸铁经不同程度石墨化后所得的组织
名称
灰口铸铁 麻口铸铁 白口铸铁
石墨化程度 按 Fe-G 相图结晶、转变
较高 中等 较低 按 Fe-Fe3C 相图结晶、转变
显微组织 F+ G
F+P+G P+ G
Le' + P + G Le' + P + Fe3C
常用各类铸铁的组织是两部分组成的，一部分是石墨，另 一部分是基体。
基体可以是铁素体、珠光体或铁素体加珠光体，相当于 铁或钢的组织。
所以，铸铁的组织可以看成是铁或钢的基体上分布着石 墨夹杂
灰口铸铁的组织 —— 钢基体 + G
不同类型铸铁组织中的石墨形态是不同的。 普通灰口铸铁和变质铸铁中的石墨呈片状；可 锻铸铁中石墨呈团絮状，球墨铸铁中的石墨呈 球状，蠕墨铸铁中的石墨呈蠕虫状。
(2) 合金元素 按对石墨化的作用，可分为促进石墨 化的元素（C、Si、Al、Cu、Ni、Co等）和阻碍石墨 化的元素（Cr、W、Mo、V、Mn、S等）两大类。一 般来说，碳化物形成元素阻碍石墨化，非碳化物形成 元素促进石墨化，其中以碳和硅最强烈。生产中，调 整碳、硅含量，是控制铸铁组织和性能的基本措施。
ZG35 0.32-0.42 0.50-0.80 0.20-0.45 280 500 16 25 350
ZG45 0.42-0.52 0.50-0.80 0.20-0.45 320 580 12 20 300
ZG55 0.52-0.62 0.50-0.80 0.20-0.45 350 650 10 18 200
钢中的硫、磷应很好地控制，因硫会提高钢的热裂倾向， 而磷则使钢的脆性增加。
碳素铸钢与铸铁相比，强度和塑性、韧性 较高，但钢水的流动性差，收缩率较大。 为了改善钢水的流动性，铸钢在浇注时应 采取较高的浇注温度；为了补偿收缩必须 采用大的浇冒口。
二、铸钢的组织特征和热处理
由于铸钢的浇注温度很高，而且冷却较慢，所以容 易得到粗大的奥氏体晶粒。在冷却过程中，铁素体首 先沿着奥氏体晶界呈网状析出，然后沿一定方向以片 状生长，形成“魏氏组织”。魏氏组织的特点是铁素 体沿晶界分布并呈针状插入珠光体内，使钢的塑性和 韧性下降，不能直接使用。铸钢要经过退火或正火处 理，以细化晶粒，消除魏氏组织和铸造应力，改善机 械性能。退火或正火后的组织为晶粒比较细小的珠光 体和铁素体。