球铁

• 通常把铁和碳形成的化合物碳化三铁（Fe3C）称为渗碳体， 其化学成分含碳6.69%，含铁93.31%。渗碳体呈复杂的正交 晶格，硬度很高，HBS约为800，塑性、韧性很差，非常脆。 因此渗碳体不能单独使用，一般在铁碳合金中与铁素体、奥 氏体构成机械混合物。 • 渗碳体的熔点至今尚未精确定出，理论计算约为1227℃。渗 碳体为介稳定化合物，在一定条件下，将按下式分解，形成 石墨。 • 加热分解Fe3C→3 Fe+ C • 这种现象在铸铁中有很重要的意义，当铸铁按稳定系结晶时 将不出现渗碳体，而出现单独的石墨相。 • 铸铁中的渗碳体可分为：初生渗碳体、共晶渗碳体、二次渗 碳体、共析渗碳体和三次渗碳体。在金相显微镜下观察，它 们呈白亮的条状、块状、骨骼状、网状、针状等。上述三种 基本相依铁碳合金的成分，一种或者两种混合出现在不同的 温度范围内。但在室温下总是由铁素体和渗碳体（或石墨） 两相组成。根据形成条件（即合金含碳量和温度的变化）的 不同，铁素体和渗碳体可以组成不同外观和分布特色的各种 显微组织，从而使合金具备不同的性能。
第一节 球墨铸铁的组织和性能
一、球墨铸铁的石墨组织及球化剂 1. 石墨形成机理
• 石墨是碳（C）的一种同素异 构体，属六方晶系。石墨的晶 体结构如图3.1。石墨的密度为 2.25g/cm3，比重比铁轻得多， 铁的密度是7.68g/cm3，所以铸 铁凝固时析出石墨会使铸件体 积膨胀。石墨晶体中的碳原子 是层状排列的，在同层原子之 间是以共价键结合，其结合力 较强；而层与层之间是以极性 键结合，其结合力较弱。因此， 石墨极易分层剥落，强度极低。 由于石墨具有这样的结构特点， 因此在铁液中长大时应该是沿 基面择优生长，最后形成片状。
球化剂
为了获得球铁，必须添加球化剂对铁水进行球化处理。根据球 化效果的大小，目前已知的具有球化能力的元素可分为三 组： 第一组：镁（Mg）、钇（Y）、铈（Ce）、钙（Ca）、镧 （La）、镨（Pr）、钐（Sm）、镝（Dy）、镱（Yb）、 铽（Tb）； 第二组：钡（Ba）、锂 、铯、铷、锶（Sr）、钍、钾（K）、 钠（Na）； 第三组：铝（Al）、锌（Zn）、镉（Cd）、锡（Sn）； 这三组中，第一组球化能力最强。第二组球化能力较差，只有 当铁水中的硫、氧含量极低时才能使石墨成球。由于对原 铁水要求较严，没有在生产中应用。第三组元素在极为苛 刻的情况下才能是石墨球化，而在用镁做球化剂时，这些 元素往往表现出反球化作用，被列为反球化元素。 在工业生产中，主要的球化元素是镁、稀土（以铈、镧为主的 轻稀土和以钇为主的重稀土）和钙， 我国目前应用广泛的球化剂是：纯镁、轻稀土（Ce）硅镁合金、 重稀土（Y）硅镁合金。
• 铸铁的熔化温度、凝固温度、凝固 以后的组织以及组织性能与化学成 分之间的关系。铁碳相图就是用来源自文库表示铁碳合金的成分、温度与组织 结构之间关系的图形，它是根据长 期生产实践的经验，并在大量的科 学实验基础上总结出来的。它是分 析钢、铁合金组织和性能的理论基 础，也是铸造、锻造、热处理工艺 的基本依据。
等温贝氏体 球铁
正火45号钢
1100~ 1550
650~850
900~1350 1~4
400以上 24~26
HRC 4~8 38~50
180~ 190 3~9
灰铁HT250
250~350
0.5
187~ 249
0.3~0.5
1.铁素体
碳在α铁中的固溶体称为铁
素体，用符号F表示。晶体结构呈体心立方 晶格，碳是间隙固溶于α铁的晶格中。由于 α铁的原子以体心立方排列，原子的间隙极 小，因而所能容纳的碳原子的数量很少，在 室温下，铁素体的溶碳量<0.001%。所以铁 素体的显微组织与纯铁没有明显的区别，它 的机械性能特点是塑性好，强度和硬度低， 其抗拉强度ó b=250-300N/mm2；屈服强度 ó s=120 N/mm2；延伸率δ=50%；断面缩减 率ψ=85%；冲击韧性аk=300J/cm2；硬度 HBS80。因其性能接近于纯铁，故又称纯铁 体。 在显微镜下观察，铁素体为均匀明亮的多边 形晶粒
• .奥氏体
碳在γ铁中的固溶体称为奥氏体， 用符号A表示。其晶体结构呈面心立方晶格， 碳间隙固溶于γ铁的晶格中。由于γ铁的原子以 面心排列，原子间间隙较大，因此溶碳量比 铁素体大，其最大溶碳量为2.11%。 • 奥氏体在高温区是稳定的，一般在室温下不 会出现奥氏体组织。 • 奥氏体的强度、硬度不高，但塑性好，其机 械性能取决于碳和合金元素在奥氏体中的含 量，大致为：抗拉强度ó b=400-850N/mm2； 延伸率δ=40-60%；硬度120-180HBS。在金相 显微镜下观察，奥氏体晶粒呈多边形，晶界 较铁素体平直，晶内常有孪晶出现。
• 在球铁生产中遇到一些微量元素和合金元素是 起干扰球化作用的。归纳起来这些元素及其在 球铁中的临界含量见表3.2。 • 消耗型：硫（S）氧（O）硒（Se）碲（Te）是
在球化处理时优先与球化元素起反应，消耗一部分球 化剂，剩余部分球化剂才能去起到球化作用，促成蠕 虫状、片状石墨； 晶界偏析型：钛（Ti）砷（As）铝（Al）锑（Sb）锡 （Sn）等元素是富集在共晶团边界，形成畸变石墨； 混合型：铅（Pb）铋（Bi）镉（Cd）锌（Zn）是即消 耗球化剂，又可产生共晶团晶界偏析。 值得关注的是，上述干扰元素（除钛以外）对采用 高度净化的铁水浇注打断面球铁铸件时，在有适量稀 土的情况下，适量加入反而起到圆整石墨防止畸变石 墨、增加球墨数量的好作用。加入量限于： 锑0.002~0.01%、铋≤0.01%、铅≤0.01%。千万不能过 量。 另外，国外已开发应用了含氧硫总量0.1%的氧硫孕育 剂，用于厚大球铁铸件生产获得良好效果。
• 珠光体是铁素体和渗碳
体呈片状交替排列的机械 混合物，性能介于铁素体 和渗碳体之间，是铸铁中 比较理想的基本组织。其 显微组织如图1-13所示。 在金相显微镜下观察，当 高倍放大时能清楚地看到 一条条的线条，其中铁素 体呈浅灰色，而渗碳体为 一圈黑线所包围。
基体组织对球铁力学性能的影响
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图3.8 球铁基体与力学性能的关系 a .基体量与抗拉强度的关系 b . 基体量与延伸率的关系
• 2. 球状石墨 • 从球铁铸件上截取试块制成金相试样， 观察其石墨金相组织，在100倍光学 显微镜下石墨外形接近圆球形（见图 3）。 • 在1500倍下观察，发现石墨内具有多 边形轮廓，内部呈现放射状的特点 （见图4） • 采用电子显微镜观察，可以进一步显 示球状石墨的微观结构，如图5所示 的年轮状结构。其心部好象有一个核 心，离开中心部分一段极小距离以外 碳原子开始形成年轮状堆积。 • 采用扫描电子显微镜可以观察出球图 状石墨的立体外貌，如图6所示可见 石墨球表面不是光滑的，而是带有许 多大小不等的泡状物
球铁与其他材料机械性能对比表
材料 类别
铸态铁素体 球铁 铸态珠光体 球铁 正火珠光体 球铁
抗拉强度 σb MPa
400~600 600~800 600~900
屈服强度 延伸率 硬度 冲击韧性 σsMPa （%） （HB）（J/cm2）
280~420 320~420 420~600 8~22 2~4 2~8 130~ 190 180~ 230 230~ 302 5~15 1.5~3.5 2~4
• 渗碳体和石墨
铸铁中的碳可 以以两种形式存在，一种是以游离状 态存在的叫石墨，用符号G表示，另 一种是以化合物形式存在的叫渗碳体， 用符号C表示。 • 石墨通常以片状、团絮状、球状、蠕 虫状等形态存在于铸铁中。石墨本身 几乎没有强度，可以把它看成是存在 于铸铁中的孔。 • 通常把铁和碳形成的化合物碳化三铁 （Fe3C）称为渗碳体，其化学成分含 碳6.69%，含铁93.31%。渗碳体呈复杂 的正交晶格，硬度很高，HBS约为800， 塑性、韧性很差，非常脆。因此渗碳 体不能单独使用，一般在铁碳合金中 与铁素体、奥氏体构成机械混合物。 洞，对铸铁的强度极为不利。
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我国是球墨铸铁铸件生产发展较早、 发展较快的国家。早在1948年清华大学 王遵明教授就开始了球铁铸件生产技术 的研究。1950年起稀土镁球铁生产技术 在无锡、南京等地用于工业生产。1977 年，我国与美国、芬兰几乎同时宣布， 独立研制开发了等温淬火奥氏体球铁。 • 我国是稀土资源是世界上最丰富的国 家，普遍采用稀土硅铁镁合金作为球化 剂，所以也称稀土镁球铁。球铁材质铸 件的产量和质量控制能力标志着国家工 业发展水平。
2. 球状石墨
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根据专家学者科研成果论断， 球状石墨是从液态铸铁中析出的； 最终能否长成球状在于 • 受到氧、硫等界面活性元素干扰 的大小；球化剂的作用主要在于 与表面活性元素（氧、硫）发生 作用，去除他们对石墨成球状生 长的干扰作用，并使铁液/石墨界 面张力增加。 • 由图4、图5和图6可以推断出示 意图图7，即从核心开始，球墨 呈辐射状发展。每个放射角皆由 垂直于球的径向、相互平行的石 墨晶格基面堆积而成，构成一个 单晶粒。所有晶粒的C轴（基面 轴）均呈径向辐射状排列。石墨 球是由许多这样的多面锥体状的 石墨晶粒组成。
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• 二 球墨铸铁的基体组织及性能
• 1 球铁的基体组织：球墨铸铁由金属基体和球状石墨 所组成。主要的金属基体有珠光体、珠光体+铁素体、 铁素体三种，经过合金化和热处理，也可获得贝氏 体、马氏体、托氏体、索氏体或奥氏体-贝氏体的基 体。 • 2 球墨铸铁的性能：球墨铸铁的力学性能远远大于灰 铸铁的力学性能。而不同基体的球墨铸铁的抗拉强 度伸长率差异较大。珠光体球墨铸铁的抗拉强度比 铁素体球墨铸铁高50%以上而铁素体球墨铸铁的伸长 率又几乎是珠光体球墨铸铁的3~5倍，球墨铸铁和正 火45#钢拉伸图比较，表明铁素体球墨铸铁的拉伸图 和正火45#钢很相似，有明显的屈服现象，有良好的 塑性；珠光体球墨铸铁的拉伸和正火45#钢差别很大， 无屈服和缩颈现象，塑性较差，抗拉强度较高。
第三章 球墨铸铁
序言 铸铁是含碳量在2.11%以上的铁碳合金。 组成铸铁的元素除铁、碳以外，一般还含 有硅、锰、磷、硫等元素。 碳大部分以球状石墨形式存在于铸铁 中的铸铁称球墨铸铁，简称球铁。 球铁中除含有铁、碳、硅、锰、磷、 硫以外还必须含有保证石墨呈球状存在的 球化元素如镁、铈、钇、镧等；另外，为 适应不同球铁铸件的使用性能要求，有时 还要加入铜（Cu）、锡 （Sn）、钼（Mo） 镍（Ni）等合金元素。
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教材中表3.1 列举了2003年世界部分 国家铸件产量统计表（万吨/年） • 表中可见，我国目前是铸件产量世界第 一（年产铸件1559万吨），而球铁占铸 件总产量比例最低（球铁年产量363万吨， 在世界上排列第二，而球铁占铸件总产 量比例只有0.2%排列世界最低）。 • 球铁材质铸件的产量和质量控制能 力标志着国家工业发展水平。 • 振兴中华，大力发展我国的球铁铸件 生产 ，进一步研究、改进、完善球铁生 产技术是铸造工作者责无旁待的使命。
• 专家学者们以石墨螺旋位错 台阶示意图（图3.2）来分 析石墨长大过程。沿a面长 大速度快会增大片状面积， 沿c面长大速度快会增大石 墨厚度。当va＞vc最终会形 成片状石墨，当va=vc 或va ＜vc则会形成球状石墨。石 墨长大过程被奥氏体三向包 围单向末端接触铁水获得碳 原子堆积加速生长；表面活 性元素如氧、硫等富集吸附 在石墨棱面降低了该面界面 张力和界面能，加速石墨沿 棱面a轴的生长速度，灰铸 铁中石墨结晶成片状就是因 其含氧、硫量高的原因导致 的。
• 球墨铸铁的发展史 • 球铁是在不断研究提高灰铁、可锻铁 力学性能的过程中被发现、开发而来的。 • 开始着手采用低碳高硅、降硫脱氧、加铈、 加镁宗旨是改善铸铁石墨形态，提高其力 学性能。到1947~1948年，美国科学家岗 尼宾（Gangnebin）等三人首先明确归纳 出了生产球墨铸铁材质铸件的技术专利： 在铁水中加镁，随后用硅铁进行孕育处理， 在残余镁量=0.04%时可以得到球状石墨铸 件。从此,在全世界开始了球墨铸铁的工 业生产。(请将教材1947改为1950)