铸铁的组织观察与分析 (1)

222铁碳合金的显微组织及分析-铸铁

摘要：在铁碳二元系中，含碳量大于2%的合金称为铸铁。铸铁具有较低的熔点、优良的铸造性能，生产工艺简单，成本低廉，是工程中最常用的金属材料之一。根据碳在铸铁中存在状态及形式的不同，可得到不同类型的铸铁。

关键词：石墨化；灰口铸铁；球墨铸铁；展性铸铁；麻口铁

0引言

铸铁为含碳量在2%以上的铁碳

合金。工业用铸铁一般含碳量为

2%～4%。碳在铸铁中多以石墨形态

存在，有时也以渗碳体形态存在。

除碳外，铸铁中还含有1%～3%的硅，以及锰、磷、硫等元素。合金铸铁

还含有镍、铬、钼、铝、铜、硼、

钒等元素。碳、硅是影响铸铁显微

组织和性能的主要元素。根据碳在

铸铁中得存在形式的不同，可将铸

铁分为白口铸铁、灰口铸铁、球墨

铸铁、可锻铸铁、冷硬铸铁、蠕墨

铸铁。

铸铁的生产工艺简单，成本低廉。因此在机械制造、冶金、国防

工业等部门应用广泛。铸铁不仅可

以用来制造强度和韧性要求都不高

的一般部件，如机床机身、发动机

气缸体等；还可以用来制造某些要

求具备综合力学性能的重要零件如

柴油机曲轴、汽车后桥等。

铸铁的组织视化学成分和冷却

速度而异，当铸铁凝固的冷却速度

足够大时，得到白口铸铁组织，随

冷却速度减小，铸铁组织依次改变

为麻口铸铁、珠光体灰口铸铁、珠

光体铁素体灰口铸铁和铁素体灰口

铸铁；球墨铸铁是在浇铸前向灰口

铸铁加入少量球化剂获得球状石墨

的铸铁。球墨铸铁具备优于灰铁的

强度、范性和韧性；可锻铸铁又叫展性铸铁，由白口铸铁经过石墨化

退火后制成，是一种强度韧性都较

高的铸铁。

1、铸铁组织的形成--石墨化

在铁碳系中，碳还能够以稳定

的石墨形式存在，这反映了铁与石

墨之间的稳定平衡关系。描述这个

平衡关系的图解就是铁-石墨相图，

把铁-石墨相图叠加在亚稳的铁-渗

碳体相图之上就得到所谓复线相图。相图中实线表示铁-渗碳体相图，虚

线表示铁-石墨相图，虚线跟实线重

合时用实线表示。

按照铁碳相图可将铸铁的石墨化

分为三个温度阶段。

第一阶段——从铸铁的液相中

结晶出一次石墨（过共晶合金）和

通过共晶反应结晶出共晶石墨。

中间阶段——奥氏体中直接析

出二次石墨，或通过渗碳体在共晶

温度和共析温度之间发生分解而形

成石墨。

第二阶段——从铸铁的共析转

变中析出石墨。或者通过渗碳体在

共析温度附近及其以下温度发生分

解形成石墨。

根据铸铁化学成分和凝固条件

的不同，在铸铁组织中石墨呈现出

不同的形状、大小和分布。

图1—铁碳复线相图

2、灰口铸铁

灰口铸铁中碳全部或部分以自

由碳-片状石墨形式存在，断口呈现

灰色。其显微组织根据石墨化程度

的不同分为铁素体或珠光体或铁素

体+珠光体灰口铸铁。而所有灰口铸

铁组织的共同特征是，在这些铸铁

的组织总有一个相当于钢的组织的

金属基体，在这基体上分布着片状

石墨。由于石墨片对钢基体产生割

裂作用，破坏了钢基体的连续性、

完整性，减少了钢基体的有效面积，使其抗拉强度低于钢、而塑性和韧

性近于零，属于脆性材料。灰口铸

铁不能承受加工变形，但是却具有

优良的铸造性能，同时切削加工性

能也很好。

（1）未经浸蚀的灰口铸铁

为了研究石墨的形状和分布，

一般均先观察未经腐蚀的样品。由

于片状石墨无反光能力，故试样未

经腐蚀即可看出灰黑色。石墨性脆，在磨制时容易脱落，在显微镜下表现为空洞。未经腐蚀的基体在显微

镜下呈现白亮色。

（2）铁素体基灰口铸铁

铸件结晶时共晶渗碳体发生分解，即进行第一阶段石墨化，然后

又在随炉缓慢冷却过程中使二次渗

碳体及共析渗碳体发生分解，即进

行中间和第二阶段石墨化，石墨化

的三个阶段在结晶时都得以充分进行。这样就可获得铁素体灰口铸铁。显微组织中长条粗大的为石墨片，

围绕石墨片的基体组织是匀质的铁

素体。

（3）珠光体基灰口铸铁

铸件结晶时共晶渗碳体发生分解，随后采用较快的冷却速度，第

二阶段石墨化由于温度低来不及进行，只进行第一阶段和中间阶段的

石墨化，最终获得珠光体基的灰口

铸铁。珠光体基灰口铸铁增加了铸

件的强度和耐磨性。显微组织中的

基体组织是珠光体，珠光体基体上

分布细小均匀的石墨。

（4）铁素体+珠光体基灰口铸铁

铁素体+珠光体基灰口铸铁结晶

时同铁素体灰口铸铁，第一阶段和

中间阶段石墨化都得以充分进行，

但第二阶段的石墨化只能部分进行。得到铁素体和珠光体基混合的基体。如图中显示，围绕石墨片是白色的

铁素体，石墨片和铁素体是连通的。其余黑色的部分为珠光体。

（5）变质灰口铸铁

灰口铸铁的孕育处理是为了提高灰口铸铁的强度、硬度，使石墨片细化，增加石墨结晶核心，得到的显微组织为细密珠光体基体上分布有细小的石墨片，提高了抗拉强度和硬度。孕育铸铁适用于较高强度，高耐磨性和气密性铸件。

3、麻口铸铁

麻口铸铁，是介于白口铸铁和灰铸铁之间的一种铸铁，其断口呈灰白相间的麻点状。麻口铸铁中的碳既以渗碳体形式存在，又以石墨状态存在，断口来杂着白亮的游离渗碳体和暗灰色的石墨。铸铁凝固时增大冷却速度不仅导致第二阶段渗碳体并且中间阶段甚至第一阶段石墨化也未能或未能充分进行，则会得到含有二次渗碳体甚至莱氏体的麻口铁。麻口铸铁脆性大性能不好，故极少应用。