铸钢的金相组织及检验

铸钢的金相组织及检验 一、铸造碳钢的金相组织及检验 （一）铸造碳钢的显微组织

1．铸态组织 为铁素体＋珠光体＋魏氏组织。如图8-1、图8-2。

图8-1 ZG230-450铸钢铸态组织 (100×) 图8-2 ZG310-570铸钢铸态组织 (100×)

铸态组织的形貌和组成相的含量与钢的碳含量有关。碳含量越低的铸钢，铁素体含量越多，魏氏组织的针状越明显、越发达，数量也多。随铸钢碳含量的增加，珠光体量增多，魏氏组织中的针状和三角形的铁素体量减少，针齿变短，量也减少，而块状和晶界上的网状铁素体粗化，含量也增多。若存在严重的魏氏组织，或存在大量低熔点非金属夹杂物沿晶界呈断续网状分布，将使铸钢的脆性显著增加。

2．退火组织 为铁素体＋珠光体。铁素体呈细等轴晶。珠光体分布形态随钢的碳含量增加而变化。随钢的碳含量增加，珠光体呈断续网状分布→网状分布→珠光体与铁素体均匀分布，其含量也不断增多。若退火组织中存在残留的铸态组织或组织粗化均属于不正常组织。

3．正火组织 为铁素体＋珠光体，分布较均匀，如图8-3。与退火组织相比较，正火组织的组成相更细、更均匀，珠光体含量稍多。若存在残留铸态组织或组织粗化均属不正常组织。

4．调质组织 ZG270-500以上牌号的铸造碳钢可进行调质处理，组织为回火索氏体，见图8-4。若出现未溶铁素体或粗大的回火索氏体属不正常组织。

图8-3 ZG230-450 铸钢正火组织 (100 ×) 图8-4 ZG35CrMo铸钢调质组织 (650×) 5．几种常用铸造碳钢的组织 见表8-1, 表8-1 常用铸造碳钢的组织

铸 造 碳 钢 ZG200-400 ZG230-450 ZG270-500 ZG310-570 ZG340-640 显 微 组

织 铸态 魏氏组织+块状铁素体+珠光体 珠光体+魏氏组织+铁素体 珠光体+铁素体 部分铁素体呈网状分布 铁素体呈网状分布 退火 铁素体+珠光体 珠光体+铁素体 珠光体呈断续网状分布 珠光体呈网状分布 正火 铁素体+珠光体 珠光体+铁素体 调质 回火索氏体

（二）铸造碳钢的质量检验

铸造碳钢多数用于一般工程，金相检验按照GB/T 8493-1987《一般工程用铸造碳钢金相》标准进行。主要是在金相显微镜下进行显微组织鉴别及晶粒度和非金属夹杂物级别的测定。标准规定金相试样从力学性能试块或试样上切取，特殊情况由供需双方协商决定。

1．显微组织检验 试样用2~4％硝酸酒精溶液侵蚀后，在显微镜下按大多数视场确定其组织。对铸态、退火、正火态组织放大100倍观察，对调质态组织在500倍下鉴别。

GB/T 8493-1987标准对ZG200-400、ZG230-450、ZG270-500, ZG310-577、ZG340-640五种铸钢分别按铸态、退火、正火及调质状态下的正常和非正常组织的特征列表作了文字说明，并列出了标准组织照片，供对照评定。

2．晶粒度测定 奥氏体晶粒度和铁素体晶粒度的测定方法，按 GB/T 8493-1987标准的规定执行。被测试样在放大100倍下与标准晶粒度图对照进行评级。若放大倍数为非100倍时，按YB/T 5148标准规定的方

法评定。

3．非金属夹杂物的评级 GB/T 8493-1987标准将铸造碳钢中的非金属夹杂物分为五级，并列出了5张标准级别的照片，供对照评级用。

二、铸造低合金结构钢的金相组织

各种能进行压力加工（锻、轧）的低合金结构钢，基本上都可以作为铸钢，但为满足铸造性能的要求需适当调整化学成分。常用的铸造低合金钢有ZG22Mn、 ZG40Mn、 ZG40Mn2、ZG40Cr、ZG35CrMo、ZG35SiMn、ZG20MnMo、 ZG50B和ZG25MnVCu等。

铸造低合金结构钢可以进行退火、正火处理。由于它们的淬透性较好，可以用淬火-回火方法进行强化处理。为消除铸造应力、细化晶粒和防止开裂，淬火前一般要预先经退火或正火处理。这类钢还可以进行表面淬火或化学热处理。

几种常用铸造低合金钢的热处理组织如下： 1．铬钢、铬钼钢

(1) 铬钢。如ZG40Cr，经常在调质状态下使用。组织为均匀的回火索氏体。

(2) 铬钼钢。如ZG35CrMo, 铸态组织为粗大的铁素体＋珠光体，略呈魏氏组织，并可见明显的枝 晶状组织。退火组织为铁素体十珠光体。其中珠光体含量的体积分数约占50％。正火组织为珠光体＋少量铁素体。细晶粒铁素体呈细网络状分布，其含量明显少于退火组织。珠光体分散度也更大，有时会出现贝氏体和铁素体组织（钼元素抑制珠光体析出的结果）。淬火组织为针状淬火马氏体。马氏体针中等粗细，分布较均匀（组织与35CrMo锻钢淬火相似）。调质组织为均匀的回火索氏体。 2．钼钢如ZG15Mo钢、ZG25Mo钢。

(1) ZG15Mo钢．退火组织为铁素体十少量珠光体。其中铁素体呈等轴晶，珠光体呈块状均匀分布。 正火组织为铁素体＋少量珠光体。调质组织为回火索氏体，有针状分布痕迹。

(2) ZG25Mo钢。退火及正火组织类似于ZG15Mo钢，仅其中珠光体含量较多，分布更均匀一些。对于大型铸件常采用正火＋高温回火处理，得到的组织与正火态相似。调质组织为回火索氏体。若铸件不先作预处理，铸件内存在枝晶偏析严重，直接淬火＋高温回火（调质）后的索氏体分布不均匀。 3．锰钢、硅锰钢

(1) ZG40Mn2钢的正火组织为珠光体＋铁素体。铁素体量少且呈较细网状分布。淬火组织为淬火马氏体。调质后得到均匀的回火索氏体。

(2)硅锰钢常使用调质态，组织与相应的锰钢相似。这两种钢都有过热敏感性和对回火脆性敏感的特点。 4．铬镍钢、铬镍钼钢及硼钢例ZG40CrNiMo或ZG50B钢，它们都使用调质态，组织均为均匀分布的回火索氏体。

三、铸造高锰钢的金相组织 （一）高锰钢的组织和性能特点

高锰钢是在过共析碳钢（ωc=1.0％~1.3％）中增加锰含量（ωMn = 11％一14％），使Mn/C之比接近10/1，再经过水淬后得到室温下单一奥氏体组织的钢。这类钢具有在承受冲击载荷和严重摩擦作用下使钢发生显著硬化的特性，而且载荷越大，其表面层的硬化程度越高，耐磨性就越好，是一种典型的耐磨钢。由于它的加工硬化能力很大，不利于压力加工和切削加工，宜采用铸造成型，一般仅在铸造状态下使用，故属铸钢范围。典型的高锰钢牌号为ZGMn13系列。

水韧处理： ZGMn13钢铸态组织中存在着碳化物，使铸件的性能既硬又脆。欲使高锰钢具有高的韧性和耐磨性，必须获得单一奥氏体组织。将ZGMn13铸件加热至高温（1000~1100℃）保温一段时间，使铸态组织中的碳化物全部溶人基体奥氏体中。然后迅速淬水快冷，使碳化物来不及从过饱和的奥氏体中析出，以获得均匀的单相奥氏体组织，这种热处理称为水韧处理。

高锰钢的高硬度获得： 经过水韧处理的ZGMn13钢的组织为单一的奥氏体，具有高的韧、塑性，硬度一般

为180~220 HB范围。在受到剧烈的冲击载荷和严重摩擦力（压应力）作用下，使受力表层发生强烈的塑性变形，迅速造成加工硬化，使硬度高达50~55 HRC，有效地提高了耐磨性，而铸件内部仍保持着原有良好的韧塑性。

水韧处理的质量对铸造高锰钢的耐磨性起着十分关键的作用。若水韧处理后的ZGMn13钢的组织未达到单相奥氏体，表明水韧处理温度过低，使韧性较差。若出现单相奥氏体的晶粒粗大（晶粒度大于5级），则表明水韧处理温度过高，铸件的屈服强度显著下降。

水韧处理后的ZGMn13钢一般不作回火处理，也不适合在250℃以上工作温度下服役。 （二）铸造高锰钢的组织

1．铸态组织 铸造高锰钢平衡态凝固后的最终铸态组织应为：奥氏体基体＋少量珠光体型共析组织十大量分布在晶内和晶界上的碳化物, 如图8-5。

图8-5 ZGMn13铸钢铸态组织 (500X) 图8-6 ZGMn13铸钢水韧处理组织 (100X)

2．水韧处理后的组织 正常组织为过饱和的单相奥氏休，晶粒大小不匀，如图8-6。也允许有少量均匀分布的粒状碳化物存在。

3．铸造高锰钢的常见缺陷 主要是分散分布的或串连成断续网状分布的显微疏松、气孔、非金属夹杂物及沿晶裂纹等。

（三）铸造高锰钢的金相检验

应按GB/T 13925-1992《铸造高锰钢金相》标准，进行显微组织、晶粒度和非金属夹杂物级别的评定。 1．显微组织 高锰钢经水韧处理后的组织，应为奥氏体或奥氏体加碳化物。 2．碳化物评级按未溶、析出、过热碳化物分别评定。 3．晶粒度评级按YB/T 5148-1993标准评定。

4．非金属夹杂物(氧化物十硫化物)评级在100倍的Φ80 mm视场中选取最严重的视场评定。

铸铁的分类及金相检验

铸铁是一种含碳量的质量分数大于2.11％的铁碳合金。铸铁中的碳可以固溶、化合和游离三种状态存在。在铸铁的凝固、结晶和随后的热处理过程中，碳的存在状态还会发生变化，从而影响到铸铁的组织和性能。在工业铸铁中，除碳、硅以外，还含有锰、硫、磷等其他元素。特殊性能的合金铸铁分别含有铬、钼、铜、镍、钨、钛、钒等合金元素。铸铁的显微组织主要由石墨和金属基体组织所构成。铸铁金相检验主要检验：石墨的形态、大小和分布状况，以及金属基体中各种组织组成物的形态、分布和数量及其相互配置的情况等，并按相应的金相标准进行各项评级。

由于铸铁组织中的石墨比较柔软，有些石墨的颗粒尺寸较大，甚至结构较松散，应特别注意防止在铸铁试样制备过程中产生石墨剥落、石墨曳尾，或抛光不足等制样缺陷，以免有碍对铸铁石墨和组织的正常检验。 铸铁的分类方法有多种，一般按铸铁中碳的存在状态、石墨的形态特征及铸铁的性能特点可将铸铁分为五类：白口铸铁、灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁和蠕墨铸铁。

一、白口铸铁

（一）白口铸铁的分类及基本组织

按铸铁的化学成分，可将白口铸铁分为亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁和过共晶白口铸铁。

当共晶成分的铁水冷却时，先发生共晶转变，形成渗碳体和奥氏体的共晶体称莱氏体。当冷却至共析温度以下时，共晶体中的奥氏体转变成珠光体。因此，共晶白口铸铁的莱氏体组织在室温时由渗碳体（白色基

体）与珠光体（黑色）组成，见图8-7。亚共晶白口铸铁的组织在室温时为莱氏体加珠光体，其中珠光体呈树枝状分布，见图8-8。而过共晶铸铁的组织为初生渗碳体加莱氏体，见图8-9。

图8-7 共晶白口铸铁组织 (100×) 图8-8 亚共晶白口铸铁组织 (100X) 图8-9 过共品自口铸铁组织 (100X)

由于渗碳体硬而脆．所以生产上使用的白口铸铁大多数采用共晶成分或亚共晶成分。

白口铸铁主要用于要求具有高硬度和高耐磨性的铸件，其应用较多的是激冷白口铸铁和高铬白口铸铁。 （二）激冷白口铸铁的金相检验

激冷白口铸铁（又称冷硬铸铁）是铁水在结晶时，通过对铁水的激冷作用而得到的白口铸铁。激冷白口铸铁一般选用高碳低硅铁水。高的含碳量有利于形成碳化物，低的含硅量可以避免白口区出现石墨。此外，为了获得必要的白口层深度，并细化晶粒．提高珠光体弥散度以提高白口层硬度，往往加人合金元素，如铬、钼、铜、镍等。

生产上，一般采用金属型浇注而获得。由于受金属型冷却能力所限，只能在距激冷面的一定深度内得到白口组织，其内层便出现麻口，并逐渐过渡至灰口。这样，便得到表面高硬度而心部具有一定韧性的激冷白口铸铁。

1．白口层深度 为了保证激冷铸铁的高硬度和高耐磨性，必须确保必要的白口层深度。检验时，应从激冷面开始沿着激冷方向制取金相磨面。

2．白口区的石墨 当铸铁的含硅量过高或浇注温度过低时，往往在白口区内析出石墨。这种石墨一般呈点状，故称点状石墨。点状石墨的存在，将降低白口层的硬度。为此，应对点状石墨的数量加以严格控制。点状石墨数量检验应在铸铁的激冷面上进行。

3．白口组织 共晶激冷铸铁的组织为莱氏体。莱氏体沿激冷方向呈树枝状分布。对于亚共晶激冷铸铁，尚存在呈枝晶分布的珠光体。 （三）高铬白口铸铁的金相检验

高铬白口铸铁的含铬量的质量分数一般为12~34％。高的含铬量不仅可以形成高硬度的合金碳化物，而且可以改变基体组织。当含铬量的质量分数达10时，铸铁中会出现呈菊花状分布的(Cr, Fe)7C3碳化物，其硬度为1200~1600 HV。随着含铬量的不同，可获得三种不同基体的高铬白口铸铁：①含质量分数12 ~28铬的马氏体铸铁；②含质量分数30％~34铬的铁素体铸铁；③含质量分数13％~30％铬和10％~15％镍的奥氏体铸铁。

为了获得马氏体基体组织，高铬白口铸铁必须进行淬火、回火处理。 高铬白口铸铁的金相检验主要是对碳化物和基体的检验。

1．碳化物 高铬白口铸铁中的碳化物，主要作用是提高铸铁的硬度和耐磨性。碳化物应是呈菊花状均匀分布的共晶碳化物。

2．基体组织 对于含铬量较高的铸态型高铬白口铸铁，其铸态基体组织为奥氏体。对于含铬量较低的高铬白口铸铁，其铸态基体为奥氏体和少量马氏体和珠光体。 （四）白口铸铁的热处理

白口铸铁热处理的目的是消除内应力，提高耐磨性或冲击韧性，以适应在冲击载荷下工作，扩大应用范围。常用的热处理有：消除内应力退头、淬火和回火及等温淬火等。

1．消除内应力退火 它大多应用于高合金白口铸铁，将铸铁加热到800~900℃保温一定时问后随炉冷却以消除铸件的内应力。

2．白口铸铁的淬火与回火 它主要应用于Mn-Mo、Mn-Si、Mn-Cr、Cr-Mo、Ni-Cr-Mo等合金白口铸铁，在吹风冷却，甚至在空气冷却时就可以获得马氏体加渗碳体加残留奥氏体，或获得贝氏体加渗碳体加残留奥氏体的基体组织，再通过低温回火得以提高综合力学性能。

3．白口铸铁的等温淬火 白口铸铁通过等温淬火则可获得下贝氏体加渗碳体加残留奥氏体的组织，这种组织具有较好的综合力学性能，特别是耐冲击性。

二、灰铸铁

灰铸铁是指金相组织中石墨呈片状的铸铁。由于这种铸铁具有生产简便、成本低和足够高的使用性能等特点，所以它是工业上应用最广泛的一种铸铁材料。按照灰铸铁的化学成分和性能特点，将其分为普通灰铸铁、合金灰铸铁和特殊性能灰铸铁。生产上，通过孕育处理而获得的高强度铸铁又称孕育铸铁。 （一）灰铸铁的牌号及基本组织

国家标准GB/T 9439-1988《灰铸铁件》，根据Φ30 mm的单铸试棒的抗拉强度分级，规定了HT100、HT150、HT200、HT250、HT300、HT350六级灰铸铁的牌号。各牌号中的数字为其单铸试棒具有的抗拉强度Rm (MPa)。 不论灰铸铁的成分如何，其平衡冷却的室温组织均为石墨和铁素体。受到某些因素的影响（如化学成分和冷却速度等），则可能出现碳化物和磷共晶。因此，铸铁结晶后的组织可能是珠光体和铁素体，或全部珠光体。也有可能存在共晶碳化物或二次碳化物，甚至初生碳化物。可能还存在磷共晶。为了确保灰铸铁强度，一般需要获得珠光体基体。

灰铸铁中的片状石墨在空间的分布实际上并非是孤立的片状，而是以一个个石墨核心出发，形成一簇簇不同位向的石墨分枝，以构成一个个空间立体结构。同一簇石墨与其间的共晶奥氏体构成一个共晶团。铸铁凝固之后，便由这种相互毗邻的共晶团所组成。 （二）灰铸铁的金相检验

灰铸铁金相检验必须按照国家标准GB/T 7216-1987《灰铸铁金相》的规定方法和内容进行。

灰铸铁的金相试块应取自抗拉试棒距断口10 mm处，或从试棒的底部切除10 mm后再取金相检验试块。试块尺寸应包括试棒半径的一半。由于特殊需要，从铸件上取样时，应在报告中注明取样部位和壁厚等情况，但不允许直接从浇口和冒口上切取金相试块。 1.灰铸铁石墨的检验

(1) 石墨分布。标准规定灰铸铁石墨检验应在未侵蚀的试样上进行，观察放大倍数为100倍。将 石墨分布分为A型、B型、C型、D型、E型和F型。如图8-10所示。 1) 片状(A型)石墨：特征是片状石墨均匀分布。

2) 菊花状(B型）石墨：特征是片状与点状石墨聚集成菊花状。其心部为少量点状石墨，外围为卷曲片状石墨。这种石墨一般铁水经孕育处理后在较大的过冷度下形成。

3) 块片状(C型)石墨：特征是部分带尖角块状、粗大片状初生石墨及小片状石墨。 4) 枝晶点状(D型)石墨：特征是点状和片状枝晶间石墨呈无向分布。 5) 枝晶片状(E型)石墨：特征是短小片状枝晶间石墨呈有方向分布。

6) 星状（F型）石墨：特征是星状（或蜘蛛状）与短片状石墨混合均匀分布。

生产中，在同一铸件的同一部位上往往存在几种形状的石墨。从石墨分布形状对灰铸铁性能的影响看，一般以A型石墨和B型石墨为好。

片状（A型）石墨 菊花状（B型）石墨 块片状（C型）石墨

枝晶点状（D型）石墨 枝晶片状（E型）石墨 星状（F型）石墨 图8-10 灰铸铁石墨分布形态 100×

（2)石墨长度。在灰铸铁中，石墨长度也是影响铸铁力学性能的重要因素。抗拉强度随石墨长度的增加而降低。国家标准将石墨长度分为八级。

2．灰铸铁基体组织的检验 灰铸铁的基体组织一般为珠光体或珠光体加铁素体。在某些情况下，也可以得到贝氏体或马氏体组织。此外，由于受化学成分和冷却速度的影响，在铸铁结晶后，可能出现碳化物和磷共晶。

(1)珠光体粗细和珠光体数量。灰铸铁的珠光体一般呈片状，片状珠光体的粗细可以用渗碳体与铁素体的片间距来表示。珠光体的片间距愈小，铸铁的强度和硬度愈高。

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