任务常用铸铁

任务常用铸铁

在铸铁的总产量中，灰铸铁约占80%以上，它常用于制造各种机器的底座、机架、工作台、齿轮箱的箱体等。

一、灰铸铁

灰铸铁的牌号是由HT（“灰铁”的汉语拼音字首）加一数字（最低抗拉强度σ_b）组成。

灰铸铁中石墨呈片状，根据基体组织的不同，分为铁素体灰铸块、铁素体＋珠光体灰铸块、珠光体灰铸铁。灰铸铁的显微组如图7－2所示。因片状石墨对基体的割裂程度较严重，所以灰铸铁中基体强度的利用率仅为30%～50%。为了消除灰铸铁粗大的片状石墨对力学性能的不利影响，通常在铁水中加入一定量的硅铁或硅钙合金，形成大量的人工晶核，获得由细晶粒的珠光体和分布均匀且细小片状石墨的灰铸铁，这种处理称为孕育处理，获得的铸铁称为孕育铸铁。

图7－2　灰铸铁的显微组织

经过孕育处理的灰铸铁，其抗拉强度、塑性、韧性等力学性能指标比一般灰铸铁要高得多，使用范围也更宽。

灰铸铁的性能与普通碳钢的性能相比，具有力学性能低、耐磨性好、减振性强、工艺性能好等特点。

灰铸铁的热处理只能改变基体组织，不能消除片状石墨的有害作用，常用的灰铸铁热处理有两种。

（1）退火。用于消除铸件内应力和白口组织，稳定尺寸。

（2）表面淬火。提高铸件的表面硬度和耐磨性，如机床导轨面和内燃机汽缸套内壁，可进行表面淬火。经表面淬火后，可使机床导轨的寿命提高约1．5倍。

常用的灰铸铁的典型牌号是HT150、HT200，前者主要用于机械制造业中承受中等应力的一般铸件；后者主要用于一般运输机械和机床中承受较大应力的较重要零件，如汽缸体、缸盖、机座、床身等。

灰铸铁的类别、牌号、力学性能及用途如表7－1所示。

表7－1　灰铸铁的类别、牌号、力学性能及用途

灰铸铁是一种应用最广泛的铸铁，占铸铁总产量的80%以上。下面介绍灰铸铁的组织、性能、牌号、用途和热处理。

1．灰铸铁的组织和性能

铸铁中的化学成分对铸铁的组织和性能影响很大，常存的五大元素中，碳、硅、锰为调节组织的元素，磷是控制使用元素，硫则是限制元素，通常使用灰铸铁的化学成分大致是w_C＝2．5%～3．5%，w_Si＝1．1%～2．5%，w_Mn＝0．6%～1．3%，w_P≤0．12%，w_S≤0．15%。

1）灰铸铁的组织

灰铸铁是第一阶段和中间阶段石墨化充分进行所形成的铸铁，它的组织是由片状石墨和金属基体所组成。金属基体依第二阶段（共析阶段）石墨化进行的程度不同可分为铁素体、珠光体和铁素体加珠光体三种，这种组织实质上就是亚共析钢和共析钢的平衡组织，也就是说灰铸铁的基体就是钢。因此，灰铸铁的三种组织分别是：铁素体加石墨，珠光体加石墨和铁素体、珠光体加石墨，如图7－2所示。

2）灰铸铁的性能

灰铸铁的组织是在钢的基体上分布着片状石墨，其性能取决于作为基体的钢的组织和石墨的数量、大小及分布。

（1）强韧性。由于石墨的强度极低，石墨在铸铁中就好像是空洞或裂纹，破坏了钢基体组织的连续性。石墨不仅减小了铸铁的有效承载面积，并且在片状石墨端部易引起应力集中。因此，灰铸铁的抗拉强度、塑性、韧性及弹性都很低，特别是塑性、韧性几乎等于零。尤其是片状石墨越粗大，数量越多，且基体组织越粗大，其强韧性将越差。

由于承受压应力的受力状态较软，则石墨的有害影响较小，因而铸铁的抗压强度较高，适宜于制作在压应力条件下工作的零件。

（2）优良的减振性。片状石墨对振动的传递起削弱作用，能有效地减振，灰铸铁的减振能力优于钢10倍，因此，灰铸铁广泛应用于制造结构的底部件，如机床床身、汽缸体等零件。

（3）耐磨性好。灰铸铁中石墨本身具有良好的润滑和减摩作用，但更重要的是石墨周围的空隙及石墨剥落后可以吸附和储存润滑油，使摩擦面始终保持良好的润滑条件，其耐磨性可以保持到400℃，所以，铸铁可以用来制造活塞环、汽缸套等耐磨性要求较高的零件。

（4）铸造工艺性良好。灰铸铁的成分一般控制在共晶成分附近，流动性好，熔点低，在凝固时由于石墨的析出使体积膨胀，减少了铸铁的凝固收缩。灰铸铁的收缩率一般为0．5%～1%，而钢的收缩率在2．5%～3%以上，体积收缩率小，可减小内应力，避免变形、开裂，所以，灰铸铁常用制造形状复杂的薄壁铸件。

（5）切削加工性良好。由于石墨能割断基体和润滑作用，使刀具的磨损减小。

（6）缺口敏感性较低。灰铸铁中石墨本身就像许多缺口，外加缺口的作用相对减弱，所以与钢相比有较低的缺口敏感性。

2．灰铸铁的牌号及用途

根据我国国家标准《GB9439—2010》，表7－1列出了灰铸铁的牌号、性能及应用。标准中的“HT”是“灰铁”二字汉语拼音字首，为灰铸铁的代号，后面的数字表示其最低抗拉强度。表中灰铸铁的六个牌号，它们的抗拉强度以50MPa的数量递增，其基体组织也由铁素体逐步过渡到珠光体。

由于珠光体基体灰铸铁的强度、硬度和耐磨性均优于铁素体基体，而塑性、韧性则相差无几，所以，珠光体基体的灰铸铁获得了广泛的使用。

3．孕育铸铁

普通灰铸铁的石墨呈粗大的片状，其机械性能较低，为此常在浇注前往铁水中加入少量的硅铁及硅钙合金作为孕育剂，促使石墨非自发形核，从而获得在珠光体基体上分布均匀的片状石墨的组织，这种处理称为孕育处理，获得的铸铁称为孕育铸铁。

孕育铸铁的强度、硬度、耐磨性及冲击韧性、伸长率均比灰铸铁高，而且孕育铸铁的铸件能避免在边缘或薄壁处出现白口，整个截面的机械性能均匀一致。因而，常用孕育铸铁来制造机械性能要求较高、截面尺寸变化较大的铸件，如汽缸、曲轴、凸轮、机床床身等。

4．铸铁的热处理

热处理不能改变石墨的形状和分布，不能有效地提高机械性能，因而到目前为止，灰铸铁的热处理主要用于消除内应力和改善切削加工性能。

1）消除内应力退火

消除内应力退火又称为人工时效，形状复杂或厚薄不均匀的铸件在浇注冷却时会产生内应力，它不仅会削弱铸件的强度，更重要的是在机加工之后，应力会重新分布，引起铸件变形。因而对形状复杂且精度要求较高的铸件如机床床身、柴油机缸体等都要进行一次去应力退火，以防止变形、开裂，保证尺寸的稳定性，要求高的铸件在粗加工之后还要安排一次时效。

其工艺规范如下：加热温度为500～550℃，加热速度一般为60～120℃／h，保温4～8h后，随炉冷却至150～200℃后出炉。加热温度不能过高或保温时间过长，否则会将共析渗碳体石墨化，从而降低强度和硬度。

2）消除铸件白口的软化退火

灰铸铁在铸件薄壁或表面处往往易形成白口，难以切削加工，需用加热到共析温度以上退火，促使渗碳体转变为石墨，以利切削加工。具体方法是将铸件加热到850～900℃，保温2～5 h，随炉缓冷却至250～400℃出炉空冷，退火后硬度可下降20～40HBS。

3）表面淬火

有些铸铁件如机床导轨、缸体内壁等需表面具有高硬度、耐磨性，通过表面淬火可以改变铸件表层的基体组织，提高强度、硬度、耐磨性和疲劳强度，可采用感应加热、火焰加热淬火，近年来还采用电接触表面加热淬火，淬火后硬度可达55HRC左右，淬硬层深度为0．2～0．3mm，组织为极细马氏体加片状石墨。

二、球墨铸铁

球墨铸铁简称球铁，它是在铸铁水中加入稀土镁等球化剂及硅铁等孕育剂，进行球化处理和孕育处理，使石墨结晶成细小、圆整、均匀的球状石墨，并能通过热处理进一步强化，因此，球墨铸铁的机械性能优于灰铸铁，工业上被广泛应用。

1．球墨铸铁的组织和性能

球墨铸铁的大致成分如下：w_C＝3．6%～3．9%，w_Si＝2．0%～2．8%，w_Mn＝0．6%～ 0．8%，w_S＜0．04%，w_P＜0．1%，w_Mg＝0．03%～0．05%，w_Me＝0．045%～0．05%。与灰铸铁相比，球铁的成分要求较严格，磷、硫的质量分数低，其质量分数较高时，一般为过共晶成分，通常在4．3%～4．7%范围内变动。

1）球墨铸铁的组织

球墨铸铁的组织是球状石墨分布在钢的基体中，石墨都是以孤立的状态分布在基体中，球墨铸铁的铸态组织往往是铁素体＋珠光体＋游离渗碳体＋球状石墨的混合组织。通过热处理获得的各种不同的基体组织上，常有铁素体基体球墨铸铁、铁素体＋珠光体基体球墨铸铁、珠光体基体球墨铸铁、贝氏体基体球墨铸铁等，其显微组织如图7－3所示。

图7－3　不同基体组织的球墨铸铁

2）球墨铸铁的性能

球墨铸铁不仅应力集中倾向较小，对基体的破坏作用也最低，而且基体强度的利用率较高，为70%～90%，因此，它的抗拉强度比其他铸铁高，它的屈服强度比σ_0．2／σ_b比其他铸铁高0．7%～0．8%，比钢高0．3%～0．5%，在一般机械设计中，塑性材料的许用应力是按σ_0．2确定的。因此，对承受静载荷的零件，以球铁代替铸钢可以减轻机器的质量。另外，球墨铸铁的塑性、韧性优于其他铸铁，抗冲击能力还优于中碳钢，疲劳强度也接近中碳钢。

球墨铸铁同样具有灰铸铁的一些优良性能，如铸造性、耐磨性、减振性等。

2．球墨铸铁的牌号和用途

根据国家标准《GB 1348—2009》，表7－2列出了球墨铸铁的基体类型、牌号、力学性能和用途。其中“QT”代表球铁，后面的两组数字分别表示最低的抗拉强度和最低的伸长率。从表中可看出，不同基体球墨铸铁的性能有很大差别，铁素体基体的球墨铸铁有较高的塑性、韧性，珠光体基体球墨铸铁的抗拉强度比铁素体基体的高25%～100%，贝氏体基体的球墨铸铁具有较好的力学性能。

3．球墨铸铁的热处理

球墨铸铁具有良好的热处理工艺性能，能与碳钢一样进行各种热处理，且淬透性及回火稳定性比碳钢好。球墨铸铁的热处理方式有退火、正火、调质、等温淬火、表面淬火、化学热处理等。

表7－2　球墨铸铁的基体类型、牌号、力学性能及用途（GB 1348—2009）

1）退火

退火的目的是为了获得铁素体球墨铸铁。球墨铸铁的铸态组织中常会出现自由渗碳体和珠光体。通过退火可获得高塑性、高韧性的铁素体基体，并改善切削加工性和消除铸造内应力。根据不同的铸态组织球墨铸铁的退火可以分为高温退火和低温退火两种。

高温退火 当存在自由渗碳体时要进行高温退火。其工艺是将铸件加热到900～950℃，保温2～5h，随炉冷却至500～600℃空冷。

低温退火 当铸态组织中无自由渗碳体，只有铁素体＋珠光体时，应采用低温退火。其工艺是将铸件加热到720～760℃，保温3～6h，随炉冷却至500～600℃空冷。

2）正火

正火的目的是为了得到珠光体基体（珠光体占75%以上），并细化组织，提高强度和耐磨性。根据不同的加热温度，球墨铸铁的正火分为高温正火（完全奥氏体化正火）和低温正火（不完全奥氏体化正火）两种。

高温正火 将铸件加热到880～920℃，保温1～3h，然后空冷，获得珠光体基体。为了增加基体中珠光体的质量分数，还可采用风冷、喷雾冷等加快冷却速度。

低温正火 将铸件加热到820～860℃，保温1～4h，然后空冷，获得少许破碎铁素体＋珠光体基体，这种组织具有较高的塑性、韧性和一定的强度。

3）调质

球墨铸铁像钢一样可以淬火后再高温回火，即调质处理，显微组织为回火索氏体＋球状石墨，该组织具有良好的力学性能，可代替碳钢制造一些重要的结构件，如连杆、曲轴及内燃机车万向轴等。其工艺是将铸件加热到850～900℃，油中淬火，550～600℃回火，空冷。

球墨铸铁也可以与钢一样，淬火后再中温或低温回火，低温回火常用于要求高耐磨性的零件，如柴油机高压油泵中要求高耐磨性、高精度的两对偶件（如芯套与阀座等）。

4）等温淬火

球墨铸铁等温淬火后可以获得高强度和较高的塑性、韧性，即良好的力学性能及耐磨性，常用于大马力、受力复杂构件，如齿轮、曲轴、凸轮轴等。其工艺是将铸件加热到840～900℃呈奥氏体，保温后在300℃左右盐浴中等温冷却，获得下贝氏体组织。

5）其他热处理

除要求良好的力学性能外，零件的工作表面还要有较高的硬度、耐磨性及疲劳强度时，往往需要表面淬火，可采用火焰加热、感应加热淬火等热处理方法。

在强烈的磨损或在氧化、腐蚀介质下工作的零件，必须进行化学热处理，常采用氮化、软氮化、渗硼等热处理方法。

三、蠕墨铸铁

蠕墨铸铁是近十几年发展起来的一种新型铸铁材料。它的石墨是介于片状和球状之间的一种中间形态的石墨，在光学显微镜下呈互不连接的石墨短片，与灰铸铁的片状石墨相比，石墨片的长厚比小，端部较钝、较圆，同时保留了与球墨铸铁相似的结构特征，蠕墨铸铁的显微组织如图7－4所示。由于蠕墨铸铁中的石墨对基体的割裂作用较灰铸铁小，因而它的强度接近于球墨铸铁，并具有一定的韧性，较高的耐磨性，它是介于球墨铸铁和灰铸铁之间的一种高强度铸铁，但它也具有灰铸铁良好的铸造性能和导热性。

图7－4　蠕墨铸铁的显微组织

蠕墨铸铁的制取方法与球墨铸铁相似，都是在一定成分的铁水中加入适量的蠕化剂处理而成。蠕化剂常采用镁钛合金、稀土镁钛合金或稀土镁钙合金等。

蠕墨铸铁的牌号是由“RuT＋数字”组成，其中“RuT”代表蠕铁，后面的数字表示最低抗拉强度值。

蠕墨铸铁目前正广泛应用于汽缸盖、汽缸套、钢锭模、液压阀等铸件。

四、可锻铸铁

可锻铸铁是由白口铸铁经石墨化退火后得到的一种高强度铸铁，有较高的强度和韧性，因具有一定的塑性变形能力，故称为可锻铸铁。

1．可锻铸铁的组织和性能

可锻铸铁的化学成分要求较为严格，常用可锻铸铁的成分如下：w_C＝2．2%～2．8%，w_Si＝1．2%～2．0%，w_Mn＝0．4%～1．2%，w_S＜0．02%，w_P＜0．1%。其中碳和硅的质量分数不能太高，否则浇注后不能得到纯白口组织，也不能过低，不然会延长石墨化退火时间。此外，对杂质磷、硫的质量分数也应严格控制。

可锻铸铁按热处理条件的不同，可分为白心可锻铸铁和黑心可锻铸铁两种。白心可锻铸铁经石墨化退火和氧化脱碳制得，其基体组织表面为铁素体，呈暗灰色，中心为珠光体＋少量渗碳体，呈灰白色，故称白心可锻铸铁。黑心可锻铸铁是白口铸铁在高温石墨化退火后制成，其组织为铁素体或珠光体基体上分布着的团絮状石墨。我国以生产黑心可锻铸铁为主。

铁素体基体与珠光体基体可锻铸铁显微组织如图7－5所示。

图7－5　可锻铸铁的显微组织

2．可锻铸铁的牌号和用途

根据我国国家标准《GB 9440—2010》，表7－3列出了八种可锻铸铁的基本类型牌号、力学性能及用途。可锻铸铁的牌号是由“KTH”（“可铁黑”三字汉语拼音字首）或“KTZ”（“可铁珠”三字汉语拼音字首）后附最低抗拉强度值（MPa）和最低断后伸长率的百分数表示。可锻铸铁与灰铸铁相比，有较高的塑性、韧性，与铸钢相比有较好的铸造性能，这类铸铁适宜制成受震动和受冲击的薄壁零件，如汽车、拖拉机后桥外转向机构、弹簧钢板支座等。

珠光体可锻铸铁的强度、硬度高，耐磨性好，常用来制造成曲轴、凸轮轴、连杆、齿轮等重要零件。

3．可锻铸铁的热处理

可锻铸铁的生产分两个步骤：第一步为浇注成白口铁，不允许有石墨析出；第二步骤为进行退火处理，时间为几十个小时。

表7－3　黑心可锻铸铁和珠光体可锻铸铁的基体类型、牌号、力学性能及用途（GB 9440—2010）

黑心可锻铸铁的可锻化退火工艺如图7－6所示。加热到950～1 000℃，原始组织转变为奥氏体＋共晶渗碳体，长期保温发生第一阶段石墨化，共晶渗碳体分解为奥氏体＋团絮状石墨。从高温随炉冷却至720～750℃的过程中发生中间阶段石墨化，即从奥氏体中析出二次石墨。在720～750℃的缓冷过程中，发生第二阶段石墨化，即奥氏体转变为铁素体＋石墨，最终得到的是铁素体基体＋团絮状石墨。如果第一阶段石墨化后，随炉冷却至840～860℃，然后直接空冷，可得到珠光体基体＋团絮状石墨。

图7－6　黑心可锻铸铁的石墨化退火工艺曲线