铸钢的金相组织及检验(2)

珠光体数量是指珠光体和铁素体的相对量。在灰铸铁中，珠光体数量愈多，铸铁的强度、硬度和耐磨性愈高。

(2)碳化物的分布形态和数量。生产中的大多数普通灰铸铁件碳化物含量均较少，但在合金铸铁和耐磨铸铁中，会出现较多碳化物。根据碳化物的分布形态，可分为条状碳化物、块状碳化物、网状碳化物和莱氏体状碳化物。虽然碳化物具有很高的硬度，却降低铸铁的韧性，并恶化加工性能。国家标准将碳化物分为1--6级，级别的名称依次为：碳1、碳3、碳5、碳10、碳15,碳20。各级名称中的数字表示该级碳化物数量体积分数（％）。

（3）磷共晶类型分布形态和数量。根据磷共晶的形态特征，将磷共晶分为二元磷共晶、三元磷共晶、二元磷共晶-碳化物复合物和三元磷共晶-碳化物复合物四种类型。 在金相检验中，为了鉴别碳化物和磷共晶，也可以采用染色法。

一般来说，灰铸铁的磷共晶数量随铸铁含磷量的增加而增多。磷共晶硬而脆，显著降低铸铁的韧性。国家标准将磷共晶数量分为1~6级，级别名称依次为磷1、磷2、磷４、磷6、磷8和磷10。各级名称中的数字表示该级磷共晶的近似含量。

(4)灰铸铁共晶团的检验。灰铸铁在共晶转变时，共晶成分的铁水形成由石墨和奥氏体所组成的共晶团。由于共晶团边界上常富集一些夹杂物和偏析物以及某些低熔点共晶体，所以可以利用适当的侵蚀剂将共晶团边界显示出来。

灰铸铁共晶团的大小反映铸铁机械性能的高低。在其他条件相同的情况下，共晶团愈细小，铸铁的强度愈高。

三、球墨铸铁

球墨铸铁的石墨呈球状，或接近球状，因此铸铁中因石墨引起的应力集中现象远比片状石墨的灰铸铁小。此外，球状石墨不像片状石墨那样对金属基体存在严重的割裂作用，这就为通过热处理以提高球墨铸铁基体组织性能，从而发掘其性能潜力提供了条件。为此，对球墨铸铁的石墨和基体组织的检验，是球墨铸铁生产的一个重要环节。

根据球墨铸铁的成分、力学性能和使用性能，一般将其分为普通球墨铸铁、高强度合金球墨铸铁和特殊性能球墨铸铁。

（一）球墨铸铁的牌号及基本组织

球墨铸铁的牌号是根据其所具有的力学性能指标而划分的。共分为8种牌号，即QT400-18、QT400-15、QT450-10、QT500-7、QT600-3、QT700-2、QT800-2、QT900-2。牌号中短划线前面的数字为该牌号所具有的抗拉强度Rm (MPa)，后面的数字为延伸率Ａ（％）。各种牌号的球墨铸铁有其相应的金属基体组织：QT400-18 , QT400-15、QT450-10主要为铁素体；QT500-7为铁素体＋珠光体；QT600-3为珠光体十铁素体；QT700-2为珠光体；QT800-2为珠光体或回火组织；QT900-2为贝氏体或回火组织。此外，还可能存在碳化物及磷共晶等组织。

（二）球墨铸铁的石墨及其检验

1．石墨形态 所谓石墨形态，是指单颗石墨的形状。实际上，球墨铸铁中的石墨并不全是理想的球状。由于不同形态的石墨对金属基体连续性的割裂程度不同，因此石墨形态是影响球墨铸铁力学性能和使用性能的重要因素。

GB/T 9441-1988《球墨铸铁金相检验》根据石墨面积率(单颗石墨的实际面积与其最小外接圆面积的比率)值将球墨铸铁的石墨形态分为球状、团状、团絮状、蠕虫状和片状。

2．石墨球化率及其确定 在金相检验中，通常所见到的是几种形态的石墨共存。在这种情况下，评定石墨的球化质量须用球化率来解决。所谓球化率，是指在规定的视场内，所有石墨球化程度的综合指标。它反映该视场内所有石墨接近球状的程度。

国家标准根据石墨形态及其分布和球化率，将球墨铸铁石墨球化分为1-6级。标准还列出了各球化级别的标准等级图片，在使用时，可对照标准等级图片进行评级。

球墨铸铁的力学性能在很大程度上决定于球化率。一般来说，在其他条件相同的情况下，球化率愈高，力

学性能也高。

3．石墨大小 石墨大小也会影响球墨铸铁的力学性能。石墨球细小可减小由石墨引起的应力集中现象。而且，细小的石墨球往往具有高的球化率。因此，均匀、圆整、细小的石墨可以使球墨铸铁具有高的强度、塑性、韧性和疲劳强度。国家标准参照国际标准中关于石墨大小的分级方法，将石墨大小分为六级。 （三）球墨铸铁的基体组织及其检验

球墨铸铁铸态下的基体组织为铁素休和珠光体。大多数球墨铸铁有必要进行热处理改善其基体组织，从而达到所需要的性能。球墨铸铁的正火处理，可以消除铸造应力，细化晶粒，而且可以获得全部珠光体或以珠光体为主的基体组织。铁素体基体组织往往是通过退火来达到的。此外，由于受到化学成分和冷却速度的影响，在基体组织中，可能出现碳化物和磷共晶。在某些高合金含量的特殊性能球墨铸铁的基体中，还会出现马氏体和奥氏体。在有些情况下，一些合金球墨铸铁（如铜钼合金球墨铸铁）经正火处理后，会在晶界处出现马氏体或贝氏体组织，这将增加球墨铸铁的脆性。

在基体组织中，各种相（或组织）的形态、分布和相对量对铸铁性能的影响起着决定性的作用。这正是金相检验所要解决的问题。

GB/T 9441-1988《球墨铸铁金相检验》对于球墨铸铁铸态和正火、退火态的基体组织的检验作了明确规定。 1． 珠光体粗细和珠光体数量 在一般情况下，球墨铸铁的珠光体呈片状。按照珠光体的片间距， 将其分为粗片状珠光体、片状珠光体和细片状珠光体。珠光体的粗细虽对球铁性能有影响，但其影响的程度远较珠光体数量和球化率对性能的影响来得小。珠光体数量是指珠光体与铁素体的相对量。对于高

(a)铁素体基体 (b)铁素体+珠光体基体 (c)珠光体基体 图8-11 不同基体的球墨铸铁

强度球铁，应确保高的珠光体数量；而对于高韧性球铁，则应确保高的铁素体数量。

在铸态或完全奥氏体化正火后，球墨铸铁的铁素体呈牛眼状(图8-11)。它在球墨铸铁中很常见。 国家标准将珠光体数量分为珠95~珠5共十二级。

2． 分散分布的铁素体数量 如果采用直接加热至三相区进行部分奥氏体化正火工艺，则铁素体呈 分散分布的块状，如图8-12所示。当采用完全奥氏体化后炉冷至三相区保温，进行二阶段正火工艺时，

图8-12 块状铁素体 （100×） 图8-13 网状铁素体 （100×）

铁素体呈分散分布的网状，如图8-13 所示。国家标准按块状和网状两个系列，各分为六级，依次为铁5、铁10、铁15、铁20、铁25和铁30。各级别名称中的数字表示该级分散分布铁素体数量的体积分数（％）的近似值。

3．磷共晶数量 在铸铁中，磷共晶作为一种低熔点组织，总是分布在晶界处和铸件最后凝固的热节部位。球墨铸铁中的磷共晶，多为由奥氏体、磷化铁和渗碳体所组成的三元磷共晶。由于磷共晶显著降低冲击韧性，一般情况下，球墨铸铁的磷共晶含量的体积分数应控制在2％以下。

在球墨铸铁中，磷共晶数量对性能的影响比磷共晶形态对性能的影响要显著。国家标准中的磷共晶数量分为五级，依次为磷0.5、磷1、磷1.5、磷2、磷3。各级别名称中的数字表示该级磷共晶数量的体积分数（％）的近似值。

4．渗碳体数量 在球墨铸铁结晶后，往往在组织中出现一定数量的渗碳体。严重时，出现莱氏体。渗碳体显著降低球墨铸铁的塑性和韧性，并恶化加工性能。在球墨铸铁的生产中，若渗碳体作为硬化相单独存在时，其含量的体积分数一般应小于5％作为控制界限。对于某些高韧性球墨铸铁，应作更严格的控制。 国家标准将渗碳体数量分为五级，依次为渗1、渗2、渗3、渗5和渗10。各级别名称中的数字表示该级渗碳体数量的体积分数（％）的近似值。 （四）球墨铸铁等温淬火的组织及检验

1．等温淬火的组织 当等温温度比较低时，获得针状贝氏体，也称下贝氏体。针状贝氏体经侵蚀后在显微镜下呈针状。针状贝氏体具有高的强度和硬度，但塑性和韧性较低。当等温温度比较高时，获得羽毛状贝

氏体也称上贝氏体。这种组织总伴有较多的高碳残留奥氏体，羽毛状贝氏体具有较高的综合力学性能。当等温温度在Ms附近时，获得针状贝氏体与马氏体的混合组织，在部分奥氏体化等温淬火的条件下，获得贝氏体与铁素体的混合组织，前者强度、硬度高，脆性大，而后者虽然强度稍低，但塑性和韧性较高。 检验球墨铸铁等温淬火组织，可按JB/T 3021-1981《稀土镁球墨铸铁等温淬火金相标准》进行。 2．贝氏体长度 奥氏体化温度愈高，则转变成贝氏体的尺寸愈长。在贝氏体形态及其他条件相同的情况下，贝氏体尺寸愈长，力学性能愈低。JB/T 3021-1981标准将贝氏体的长度分为五级。

3．白区数量 所谓白区，是指球墨铸铁经等温淬火后，集中分布在共晶团边界上尚未转变的残留奥氏体和淬火马氏体。试样经侵蚀后呈白色断续网络状。试验表明，奥氏体化温度愈高，等温转变愈不充分，铸铁中稳定奥氏体的合金元素含量愈高，则白区数量愈多。

白区增加球墨铸铁的脆性，为此，应控制白区的数量。标准将白区数量分为四级。

4．铁素体数量 球墨铸铁等温淬火后的铁素体一般出现于部分奥氏体化的淬火状态下，其数量决定于三相区内未溶铁素体的多寡。一般来说，少量铁素体的存在，虽使强度和硬度有所降低，但使塑性、韧性和疲劳强度有所提高。标准中将铁素体数量分为四级。 （五）球墨铸铁几种常见的铸造缺陷

1．球化不良和球化衰退 球化不良和球化衰退的显微组织特征是除球状石墨外，出现较多蠕虫状石墨。球化不良和球化衰退的球墨铸铁铸件只能报废。

2．石墨飘浮 石墨飘浮的金相组织特征是石墨大量聚集，往往出现开花状。在壁厚较大的铸件上容易出现。石墨飘浮降低铸件的力学性能。

3．夹渣 球墨铸铁的夹渣一般是指呈聚集分布的硫化物和氧化物。在显微镜下，为黑色不规则形状的块状物或条带状物，常见于铸件的上表面或泥芯的下表面。具有夹渣的铸件，力学性能低。严重时，使铸件渗漏。

4.缩松 缩松是指在显微镜下所见到的微观缩孔。缩松分布在共晶团的边界上，呈向内凹陷的黑洞。缩松破坏了金属的连续性，降低力学性能，严重时引起铸件渗漏。

5．反白口 反白口的组织特征是在共晶团的边界上出现许多呈一定方向排列的针状渗碳体。一般位于铸件的热节部位。在反白口区域内，往往都存在较多的显微缩松。

四、可锻铸铁

可锻铸铁是将铸态白口铸铁毛坯经过石墨化或脱碳处理而获得的铸铁。可锻铸铁具有较高的强度及良好的塑性和韧性，故也称延展性铸铁。

按照可锻铸铁的化学成分、热处理工艺及由此而导致的组织和性能之别，将其分为黑心可锻铸铁和白心可锻铸铁。黑心可锻铸铁是由白口铸铁毛坯经石墨化退火后获得团絮状石墨。白心可锻铸铁是由白口铸铁毛坯经高温氧化脱碳后获得全部铁素体或铁素体加珠光体组织（心部可能尚有渗碳体或石墨）。在黑心可锻铸铁中，又分为黑心铁素体可锻铸铁和黑心珠光体可锻铸铁。我国应用最多的是黑心铁素体可锻铸铁。其组织是团絮状石墨和铁素体。由于团絮状石墨对金属基体的割裂作用远比片状石墨小，因此可锻铸铁的性能比灰铸铁高。然而，不如球墨铸铁。

黑心可锻铸铁主要用于承受冲击、震动及扭转载荷下的零件，如汽车后桥、轮壳，低压阀门、水暖零件和机床附件等。

（一）黑心可锻铸铁的牌号及基木性能

我国的黑心可锻铸铁的牌号是按其力学性能指标划分的，共分为八级，即KTH300-06、KTH300-08、KTH350-10、KTH370-12、KTH450-06、KTH550-04、KTH650-02、KTH700-02。牌号中前面的数字表示其具有的抗拉强度Rm (MPa)，后面的数字为其伸长率A（％）值。 （二）黑心可锻铸铁的退火

(a) 铁素体基体可锻铸铁 (b)珠光体基体可锻铸铁

图8-14 不同基体的可锻铸铁

黑心可锻铸铁的石墨化退火需要很长的时间。铸铁化学成分、退火设备和退火工艺都是影响退火效率的重要因素。一般情况下，可选用较高的退火温度，但退火温度过高，会使石墨形状恶化。

1．对铸态白口铸铁的要求 在化学成分的选择上，一般选用低碳和低硅的成分，以利于铸态下能获得无铸造缺陷的白口铸铁毛坯，又利于在热处理时，在保证充分石墨化的前提下尽量缩短退火时间以及达到预定的力学性能。

2．退火工艺 生产中常见的黑心可锻铸铁的退火工艺分为五个阶段。

(1)升温阶段。从室温加热至950℃左右。在这一阶段中，白口铸铁组织中的珠光体转变成奥氏体。 (2)第一阶段石墨化。在950℃左右保温，使渗碳体分解，析出石墨。第一阶段石墨化完成之后，铸铁在高温时的组织是石墨和奥氏体。

(3)中间降温阶段。从高温（约950℃左右）冷却至稍低于共析温度的过程中，碳从奥氏体中析出，并依附在原有的团絮状石墨上，最后，奥氏体转变成珠光体。在这一阶段内，冷速太快，会出现二次渗碳体。冷速太慢，会延长退火时间。

(4)第二阶段石墨化。在710~730℃保温，主要是共析渗碳体的分解。所析出的碳扩散至原有石墨表面上。在随后的冷却过程中，奥氏体转变成铁素体。

这一阶段也可以从高温炉冷至780℃左右，以缓慢的冷却速度通过共析区，使奥氏体直接转变成铁素体和石墨。

(5)冷却阶段。第二阶段石墨化后，炉冷至650℃左右后，出炉空冷。空冷的目的是防止回火脆性。如果铸件在450~550℃不快速冷却，将在铁素体晶界上析出三次渗碳体，使铸件产生白脆性。

3．加速石墨化退火的工艺措施 可锻铸铁的退火时间长，能耗大。缩短退火周期，提高退火质量对可锻铸铁的生产具有重要意义。对铁水进行孕育处理，通过孕育剂的作用，既能保证铁水在凝固时得到全部白口组织，又能使白口毛坯在退火时容易石墨化。 （三）黑心可锻铸铁的石墨及检验

白口铸铁在退火过程中，退火石墨也要经过石墨形核和石墨长大两个阶段。在正常的退火温度下，使退火石墨呈团絮状。如果退火温度过高，或含硅量过高，使退火石墨的紧密度降低，而出现絮状或聚虫状石墨。 1．石墨形状 在黑心可锻铸铁中，常见的石墨有：团球状、团絮状、絮状、聚虫状、枝晶状。 JB/T2122-1977《铁素体可锻铸铁金相标准》根据视场中各种形状石墨的数量，将石墨形状分为五级。 2．石墨分布及石墨颗数 标准将石墨分布和石墨颗数分别分为三级和五级。 （四）黑心可锻铸铁的基体组织及检验

为了保证可锻铸铁高的塑性和韧性，其基体组织应为铁素体。在生产过程中由于某些工艺因素的影响，可能会出现其他组织。

对黑心可锻铸铁基体组织的检验，主要是对珠光体和渗碳体的残余量及表皮层厚度的检验。

1．珠光体残余量 珠光体残余是由于第二阶段石墨化退火不充分所致。标准将珠光体残余量分为五级。 2．渗碳体残余量 渗碳体残余是由于第一阶段石墨化退火不充分所致。此外，在中间降温阶段冷却太快，会出现二次渗碳体。将渗碳体残余量体积分数分为小于或等于2％和大于2％两个级别。

3．表皮层厚度 黑心可锻铸铁的表皮层是指出现在铸件外缘的珠光体层或铸件外缘的无石墨铁素体层。表皮层的形成是铸件在第一阶段石墨化退火温度过高，使铸件表皮奥氏体强烈脱碳所引起的。将表皮层厚度分为四级。

在对黑心可锻铸铁的石墨及基体组织进行金相检验时，可按照JB/T 2122-1977标准中对各检验项目所规定的检验方法及组织特征的文字说明及其相应的标准图片对照比较进行级别评定。

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