工程材料及成形技术 - 电子教材0(10)

影响性能的因素：基体组织和石墨的分布。珠光体越多，石墨分布越细小均匀，强度、硬度也越高，耐磨性越好。要想控制铸铁的组织和性能，必须控制铸铁的石墨化程度。

铸铁石墨化：主要影响因素是化学成分和冷却速度。

（1）化学成分 灰铸铁除含碳元素外，还有硅、锰、硫和磷等元素，它们对铸铁石墨化的影响如下：

碳和硅 碳和硅是铸铁中最主要的元素，对铸铁的组织和性能起着决定性的影响。 碳是形成石墨的元素，也是促进石墨化的元素。含碳量愈高，析出的石墨就愈多、愈粗大，而基体中的铁素体含量增多，珠光体减少；反之，石墨减少且细化。

硅是强烈促进石墨化的元素。实践证明，若铸铁中含硅量过少，即使含碳量很高，石墨也难以形成。硅除能促进石墨化外，还可改善铸造性能，如提高铸铁的流动性、降低铸件的收缩率等。

锰和硫 锰和硫在铸铁中是密切相关的。

硫严重阻碍石墨化的元素。含硫量高时，铸铁有形成白口的倾向。硫在铸铁晶界上形成低熔点（985℃）的共晶体（FeS+Fe），使铸铁具有热脆性。此外，硫还使铸铁铸造性变坏（如降低铁液流动性、增大铸件收缩率等），通常限制在0.1%~0.15%以下，高强度铸铁则应更低。

锰能抵消硫的有害作用，故属于有益元素。因锰与硫的亲和力大，在铁液中会发生如下反应：

Mn+S=MnS

Mn+FeS=Fe+MnS

MnS的熔点约为1600℃，高于铁液温度，因它的比重较小，故上浮进入熔渣而被排出炉外，而残存于铸铁中的少量MnS呈颗粒状，对力学性能的影响很小。

铸铁中的锰除与硫发生作用外，其余还可溶入铁素体和渗碳体中，提高了基体的强度和硬度；但过多的锰则起阻碍石墨化的作用。铸铁中锰的含量一般为0.6%~1.2%。

磷 磷的影响不显著，可降低铁液的粘度而提高铸铁的流动性。当铸铁中磷的含量超过0.3%时，则形成以Fe3P为主的共晶体，这种共晶体的熔点较低、硬度高（390~520HB），形成了分布在晶界处的硬质点，因而提高了铸铁的耐磨性。因磷共晶体呈网状分布，故含磷过高会增加铸铁的冷脆倾向。因此，对一般灰铸铁件来说，一般应限制在0.5%以下，高强度铸铁则应限制在0.2%~0.3%以下，只是某些薄壁件或耐磨件中的磷的含量可提高到0.5%~0.7%。

（2）冷却速度 相同化学成分的铸铁，若冷却速度不同，其组织和性能也不同。从图7-36所示的三角形试样的断口处可以看出，冷却速度很快的下部尖端处呈银白色，属于白口组织；其心部晶粒较为粗大，属于灰口组织；在灰口和白口交界处属麻口组织。这是由于缓慢冷却时，石墨得以顺利析出；反之，石墨的析出受到了抑制。为了确保铸件的组织和性能，必须考虑冷却速度对铸铁组织和性能的影响。铸件的冷却速度主要取决于铸型材料的导热性和铸件的壁厚。

图7-36 冷却速度对铸铁组织的影响 利用激冷：在同一铸件的不同部位采用不同的铸型材料，使铸件各部分的组织和性能不同。如冷硬铸造轧辊、车轮时，就是采用局部金属型（其余用砂型）以激冷铸件上的耐磨表面，使其产生耐磨的白口组织。

壁厚的影响：在铸型材料相同的条件下，壁厚不同的铸件因冷却速度的差异，铸铁的组织和性能也随之而变，因此，必须按照铸件的壁厚选定铸铁的化学成分和牌号。

2．灰铸铁的用途 根据牌号的不同而选用：低负荷和不重要的零件，如防护罩、小手柄、盖板和重锤等；承受中等负荷的零件，如机座、支架、箱体、带轮、轴承座、法兰、泵体、阀体、管路、飞轮和电动机座等；承受较大负荷的重要零件，如机座、床身、齿轮、汽缸、飞轮、齿轮箱、中等压力阀体、汽缸体和汽缸套等；承受高负荷、要求耐磨和高气密性的重要零件，如重型机床床身、压力机床身、高压液压件、活塞环、齿轮和凸轮等。

3．灰铸铁的孕育处理 向铁液中冲入硅铁合金孕育剂，然后进行浇注的处理方法。用这种方法制成的铸铁称为孕育铸铁。由于铁液中均匀地悬浮着外来弥散质点，增加了石墨的结晶核心，使石墨化作用骤然提高，因此石墨细小且分布均匀，并获得珠光体基体组织，使孕育铸铁的强度、硬度比普通灰铸铁显著提高，含碳量愈少、石墨愈细小，铸铁的强度、硬度愈高。

孕育铸铁的另一优点是冷却速度对其组织和性能的影响甚小，因此铸件上厚大截面的性能较为均匀，如图7-37所示。

图7-37 孕育处理对大截面（300×300）铸件硬度的影响 1-孕育铸铁 2-普通灰铸铁 孕育铸铁的用途：静载荷下要求较高强度、高耐磨性或高气密性铸件以及厚大铸件。

制造工艺：须熔炼出碳、硅含量均低的原始铁液（wC=2.7%~3.3%、wSi=1%~2%）。孕育剂为含硅75%的硅铁，加入量为铁液质量的0.25%~0.60%。孕育处理时，应将硅铁均匀地加入到出铁槽中，由出炉的铁液将其冲入浇包中。由于孕育处理过程中铁液温度要降低，故出炉的铁液温度必须高达1400~1450℃。

4．灰铸铁的生产特点 主要在冲天炉内熔化，一些高质量的灰铸铁可用电炉熔炼。灰铸铁的铸造性能优良，铸造工艺简单，便于制造出薄而复杂的铸件，生产中多采用同时凝固原则，铸型不需要加补缩冒口和冷铁，只有高牌号铸铁采用定向凝固原则。

灰铸铁件主要用砂型铸造，浇注温度较低，因而对型砂的要求也较低，中小件大多采用经济简便的湿型铸造。灰铸铁件一般不需要进行热处理，或仅需时效处理即可。

（二）球墨铸铁

1．球墨铸铁的组织和性能特点 随着化学成分、冷却速度和热处理方法的不同，球墨铸铁可得到不同的基体组织（F、F+P、P），如图7-38所示。

图7-38 球墨铸铁的显微组织 a）铁素体球墨铸铁 b）铁素体+珠光体球墨铸铁 c）珠光体球墨铸铁 球墨铸铁的石墨呈球状，它对基体的割裂作用减至最低限度，基体强度的利用率可达70%~90%，因此球墨铸铁具有比灰铸铁高得多的力学性能，抗拉强度可以和钢媲美，塑性和韧度大大提高。通常ζb=（400~900）MPa，δ=2%~18%，同时，仍保持灰铸铁某些优良性能，如良好的耐磨性和减震性，缺口敏感性小，切削加工性能好等。球墨铸铁的焊接性能和热处理性能都优于灰铸铁。珠光体球墨铸铁与45号锻钢的力学性能比较见表 。

表 珠光体球墨铸铁和45号锻钢的力学性能比较 性 能 抗拉强度?b/MPa 屈服强度?0.2/MPa 屈强比?0.2/?b 伸长率δ（%） 疲劳强度（有缺口试样）?-1/MPa 硬 度/HBS 2．球墨铸铁的生产特点 （1）铁液 要有足够高的含碳量，低的硫、磷含量，有时还要求低的含锰量。高碳（3.6%~4.0%）可改善铸造性能和球化效果，低的锰、磷可提高球墨铸铁的塑性与韧度。硫易与球化剂化合形成硫化物，使球化剂的消耗量增大，并使铸件易于产生皮下气孔等缺陷。

球化和孕育处理使铁水温度要降低50~100℃，为防止浇注温度过低，出炉的铁水温度必须高达1400℃以上。

45号锻钢（正火） 珠光体球墨铸铁（正火） 690 410 0.59 26 150 ﹤229 815 640 0.785 3 155 229~321 （2）球化处理和孕育处理 球化处理和孕育处理是制造球墨铸铁的关键，必须严格控制。

球化剂：我国广泛采用的球化剂是稀土镁合金。镁是重要的球化元素，但它密度小（1.73g/cm3）、沸点低（1120℃），若直接加入铁液，镁将浮于液面并立即沸腾，这不仅使镁的吸收率降低，也不够安全。稀土元素包括铈（Ce）、镧（La）、镱（Yb）和钇（Y）等十七种元素。稀土的沸点高于铁水温度，故加入铁水中没有沸腾现象，同时，稀土有着强烈的脱硫、去气能力，还能细化组织、改善铸造性能。但稀土的球化作用较镁弱，单纯用稀土作球化剂时，石墨球不够圆整。稀土镁合金（其中镁、稀土含量均小于10%，其余为硅和铁）综合了稀土和镁的优点，而且结合了我国的资源特点，用它作球化剂作用平稳、节约镁的用量，还能改善球铁的质量。球化剂的加入量一般为铁水质量的1.0%~1.6%。

孕育剂：促进铸铁石墨化，防止球化元素造成的白口倾向，使石墨球圆整、细化，改善球铁的力学性能。常用的孕育剂为含硅75%的硅铁，加入量为铁水质量的0.4%~1.0%。由于球化元素有较强的白口倾向，故球墨铸铁不适合铸造薄壁小件。

球化处理：以冲入法最为普遍，如图7-39所示。将球化剂放在铁液包的堤坝内，上面铺硅铁粉和稻草灰，以防球化剂上浮，并使其缓慢作用。开始时，先将铁液包容量2/3左右的铁液冲入包内，使球化剂与铁液充分反应。尔后，将孕育剂放在冲天炉出铁槽内，用剩余的1/3包铁液将其冲入包内，进行孕育。

球化处理后的铁液应及时浇注，以防孕育和球化作用的衰退。

图7-39 冲入法球化示意图 （3）铸型工艺

凝固特性：球墨铸铁含碳量较高，近共晶成分，凝固收缩率低，但缩孔、缩松倾向较大，这是其凝固特性所决定的。球墨铸铁在浇注后的一个时期内，凝固的外壳强度较低，如图7-40a所示。而球状石墨析出时的膨胀力却很大，若铸型的刚度不够，铸件的外壳将向外胀大，造成铸件内部金属液的不足，于是在铸件最后凝固的部位产生缩孔和缩松，如图7-40b所示。为防止上述缺陷，可采取如下措施：在热节处设置冒口、冷铁，对铸件收缩进行补偿；增加铸型刚度，防止铸件外形扩大。如增加型砂紧实度，采用干砂型或水玻璃快干砂型，保证砂型有足够的刚度，并使上下型牢固夹紧。

图7-40 球墨铸铁件缩孔、缩松的形成 存在问题：球墨铸铁件容易出现皮下气孔，皮下0.5~2mm处，直径1~2mm，它的产生是因铁液中过量的Mg或MgS与砂型表面水分发生如下化学反应生成气体而形成的。

防止皮下气孔的产生：降低铁液中含硫量和残余镁量，降低型砂含水量或采用干砂型，浇注系统应使铁液平稳地导入型腔，并有良好的挡渣效果，以防铸件内夹渣的产生。

3．球墨铸铁的用途 球墨铸铁具有较高的强度和塑性，尤其是屈强比（?0.2/?b）优于锻钢，用途非常广泛，如汽车、拖拉机底盘零件，阀体和阀盖，机油泵齿轮，柴油机和汽油机曲轴、缸体和缸套，汽车拖拉机传动齿轮等。目前，球墨铸铁在制造曲轴方面正在逐步取代锻钢。

4．球墨铸铁的热处理 铸态球墨铸铁的基体多为珠光体-铁素体混合组织，有时还有自由渗碳体，形状复杂件还存在残余内应力。因此，多数球墨铸铁件要进行热处理，以保证应有的力学性能。常用的热处理为退火和正火。退火的目的是获得铁素体基体，以提高球墨铸铁件的塑性和韧度。正火的目的是获得珠光体基体，以提高材料的强度和硬度。

（三）可锻铸铁

可锻铸铁：白口铸铁通过石墨化退火处理得到的一种高强韧铸铁。有较高的强度、塑性和冲击韧度，可以部分代替碳钢。可锻铸铁分为铁素体基体（黑心）可锻铸铁和珠光体基体可锻铸铁。

1．可锻铸铁的生产特点 可锻铸铁的生产分两个步骤：

第一步：先铸造出白口铸铁，随后退火使Fe3C分解得到团絮状石墨。为保证在通常的冷却条件下铸件能得到合格的白口组织，其成分通常是wC=2.2%~2.8%，wSi=1.2%~2.0%，wMn=0.4%~1.2%，wP≤0.1%，wS≤0.2%。

第二步：进行长时间的石墨化退火处理，900~980℃，长时间保温。其工艺如图7-41所示。

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