常用的铸铁原材料及组织特点

灰口铸铁的性能除与成分及基体组织有关外，还取决于石墨的形状、大小、数量与分布。因此，灰口铸铁又可按石墨的形状来分为灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁和蠕墨铸铁。

1）灰铸铁

（1）灰铸铁的成分、组织、性能和用途

具有片状石墨的灰口铸铁就是灰铸铁，其显微组织是在不同的基体上分布有片状石墨，其基体则分为三种，分别是铁素体基体、铁素体＋珠光体基体、珠光体基体，如图5－40所示。铁素体基体的灰铸铁软而强度低（图5－40（a））；珠光体基体的灰铸铁强度、硬度较高（图5-40（c））；铁素体-珠光体基体灰铸铁（图5－40（b）），其性能介于二者之间。

图5－40　灰铸铁的显微组织示意图

影响获得不同基体种类灰铸铁的主要因素是：铸铁的化学成分和铸铁的冷却速度。

碳和硅是有效地促进石墨化的元素，为了使铸件在浇铸后能获得灰铸铁，而同时又不希望含有过多和粗大的片状石墨，通常把成分控制在wC为2．5%～4．0%，wSi为1%～2．0%，除了C和Si以外，Al、Cu、Ni等元素也会促进石墨化。而S、Mn、Cr等元素，则阻止石墨化。尤其是S，它不仅会强烈阻止石墨化，而且会降低铸铁的铸造性能和力学性能，故一般限制wS＜0．15%。Mn能与S形成MnS，减弱S的有害作用，允许0．5%＜wMn＜1．4%。P增加铸铁的硬度和脆性，若要求有较高的耐磨性，允许wP适当的增加至0．5%。

铸铁冷却愈慢，对石墨化愈有利；快冷，则抑制了石墨化过程。在铸造时，造型材料、铸造工艺都会影响铸件的冷却速度。除此以外，铸件的壁厚，也是影响铸件冷却速度的重要因素。在一般的砂型铸造条件下，铸铁的成分与铸件的壁厚对铸件组织的综合影响如图5－41所示。

图5－41　铸铁成分和铸件壁厚对铸铁组织的影响

灰铸铁的组织可看做是钢的基体加片状石墨。因石墨的强度极低，故可把石墨片看作是一些微裂纹，把灰铸铁看做是含有许多微裂纹的钢。裂纹不仅分割了基体，而且在尖端处还会产生应力集中，所以灰铸铁的抗拉强度、塑性和韧性不如钢。石墨片的量愈多，尺寸愈大，其影响也愈大。但石墨片的存在，对灰铸铁的抗压强度影响不大。

由于灰铸铁在凝固冷却过程中析出比容较大的石墨，从而使灰铸铁的收缩率减小；由于石墨片分割了基体，从而使灰铸铁的切屑容易脆断，使灰铸铁的切削加工性良好；由于石墨本身的润滑作用，以及当它从基体中掉落后所遗留下的孔洞具有存油的作用，致使灰铸铁有优良的减摩性；由于石墨组织松软，能吸收振动，使灰铸铁具有良好的消振性；又由于石墨片本身相当于许多裂纹，使灰铸铁具有低的缺口敏感性。

由于灰铸铁具有以上一系列的特点，故被广泛地用来制造各种承受压力和要求消振性好的床身、机架、箱体、壳体和经受摩擦的导轨、缸体、活塞环等。

按GB／T 9439—2010规定，灰铸铁有8个牌号：HT100、HT150、HT200、HT250、HT275、HT300、HT350和HT400。HT表示“灰铁”汉语拼音的字首，后续数字表示最低抗拉强度Rm（MPa）的值。

上述牌号中最低抗拉强度大于250 MPa（即HT250以后）的灰铸铁属于经过孕育处理的孕育铸铁。所谓孕育处理又称为变质处理，是在即将浇注的铁液中加入固态粉粒状的某种合金（称为孕育剂），以改善铸铁力学性能的一种处理工艺。常用的孕育剂有两种：一种为硅类合金，例如最常用的wSi＝75%硅铁合金、wSi＝60%～65%和wCa＝25%～35%的硅钙合金等，后者石墨化能力比前者高1．5～2倍，但价格较贵；另一类是纯碳类，例如石墨粉、电极粒等。孕育处理的目的是：①使铁液内同时生成大量均匀分布的非自发晶核，以获得细小均匀的石墨片，并细化基体组织，提高铸铁的强度；②避免铸件边缘及薄断面处出现白口组织，提高断面组织的均匀性。

孕育铸铁具有较高的强度和硬度，可用来制造力学性能要求较高的铸件，如气缸体、气缸套、曲轴、凸轮、机床床身等，尤其是截面尺寸变化较大的铸件。

灰铸铁的牌号、力学性能及应用见表5－26，由表可见，铸件壁厚直接影响力学性能，因此，依据力学性能选择铸铁牌号时，还应考虑铸件壁厚。

表5－26　灰铸铁的牌号、力学性能及应用

（续表）

（2）灰铸铁的热处理

由于热处理只能改变灰铸铁的基体组织，而不能改变石墨片的形态，故利用热处理来提高灰铸铁力学性能的效果不大，因此，生产中灰铸铁的热处理主要是用来消除内应力、改善切削加工性能和提高表面耐磨性。

灰铸铁常用的热处理方法有：

①消除内应力的退火

铸件在冷却过程中，因各部分的冷却速度不同，会在铸件内产生很大的内应力，有时甚至变形开裂，而且在随后的切削加工之后还会因应力的重新分布而引起变形。所以凡大型或复杂的铸件，或精度要求较高的铸件，在切削加工之前，通常要进行一次消除内应力的退火，有时甚至在粗加工之后还要进行一次去应力退火。去应力退火的方法是将铸件缓慢升温至500～600℃，经4～8h的保温，再缓慢冷却下来。由于是在共析温度以下进行的退火，故也叫低温退火。经过低温退火，可消除90%以上的内应力。

②改善切削加工性的退火

铸件的表面、转角处或是薄壁处，由于冷速较快，常不免会出现白口组织，致使切削加工难以进行。为了降低硬度，必须进行高温退火。方法是将铸件加热到850～900℃，保持2～5h，使Fe3C分解，然后随炉缓冷至400～500℃，而后出炉空冷。

③表面淬火

有些铸件，如机床导轨的表面，气缸的内壁，需要有较高的硬度和耐磨性，常需表面淬火。常见的表面淬火方法有高频感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火和接触电热表面淬火。

图5－42为接触电热表面淬火方法的原理示意图。用石墨（或紫铜）滚轮电极和工件紧密接触，通以低压电流，利用电极与工件接触处的电阻将工件表面迅速加热，操作时将电极以一定速度移动，被加热工件的表面由于工件本身的导热而得到迅速的冷却，达到表面淬火的目的。淬火层的深度可达0．20～0．30mm，组织为细马氏体加片状石墨，硬度可达59～61HRC，这种表面淬火方法变形小，设备简单，操作方便，经过这种方法淬火后的机床导轨，寿命可提高1．5倍。

图5－42　接触电热表面淬火示意图

2）可锻铸铁

可锻铸铁是将含碳、硅量不高的白口铸铁经高温长时间的石墨化退火而获得的具有团絮状石墨的一种铸铁。若在中性介质中按图5－43所示的工艺曲线退火，第一、第二两个阶段的石墨化过程得到充分进行，则得到黑心铁素体可锻铸铁，其组织为铁素体基体加团絮状石墨，如图5－44（a）所示。如第二阶段石墨化过程未进行，则得到珠光体可锻铸铁，其组织为珠光体基体加团絮状石墨，如图5－44（b）所示。若在氧化性介质中退火，在石墨化的同时还伴有脱碳过程，如此，即制得白心可锻铸铁。白心可锻铸铁的显微组织取决于铸件截面尺寸。对小截面，其组织为铁素体、少量团絮状石墨和珠光体；对大截面，铸件表层为铁素体，心部为珠光体、铁素体和石墨。目前，我国白心可锻铸铁应用甚少。

图5－43　黑心铁素体可锻铸铁退火曲线

图5－44　可锻铸铁的显微组织示意图

按GB／T 9440—2010规定，黑心可锻铸铁有5个牌号：

KTH 275—05，KTH 300—06，KTH 330—08，KTH 350—10，KTH 370—12。

珠光体可锻铸铁有7个牌号：

KTZ 450—06，KTZ 500—05，KTZ 550—04，KTZ 600—03，KTZ 650—02，KTZ 700—02，KTZ 800—01。

白心可锻铸铁有5个牌号：

KTB 350—04，KTB 360—12，KTB 400—05，KTB 450—07，KTB 550—04。

KT表示可锻铸铁，后续的H表示黑心，Z表示珠光体，B表示白心。后续的第一组数字表示最低抗拉强度值Rm（MPa），后续的第二组数字表示最低断后伸长率值（A／%）。

可锻铸铁的牌号、力学性能及应用举例见表5－27。

表5－27　可锻铸铁的牌号、力学性能及应用(www.xing528.com)

（续表）

可锻铸铁的生产，首先是浇铸成白口铁铸件，然后进行石墨化退火。为此，必须使铸铁的成分有较低的碳、硅含量，保证在通常的冷却条件下铸件能获得全部白口，但碳、硅含量也不能太低，否则将使退火时间大大延长，增加生产成本。所以对可锻铸铁的成分有较严格的要求。可锻铸铁的化学成分范围一般为：wC为2．2%～2．8，wSi为1．0%～1．8%，wMn为0．4%～1．2%，wP≤0．2%，wS≤0．18%。

由于石墨呈团絮状，大大减轻了石墨对基体的割裂作用，亦减轻了石墨片尖端引起的应力集中现象，因此可锻铸铁比灰铸铁强度高，塑性好，韧性大。可锻铸铁主要用来制作一些形状复杂，要求塑性较好，韧性较大，耐振、耐蚀的薄壁铸件。

但可锻铸铁生产周期长，工艺复杂，成本较高，近年来有些可锻铸铁件已部分地被球墨铸铁所代替。

3）球墨铸铁

球墨铸铁是石墨呈球状的铸铁。它是向铁水中加入一定量的球化剂（如Mg、稀土元素等）进行球化处理，并加入少量的孕育剂（硅铁）而制得。由于球墨铸铁具有优良的力学性能，生产工艺简便，成本低廉，因此球墨铸铁近年来获得迅速的发展和广泛的应用。

（1）球墨铸铁的成分、组织、性能和用途

球墨铸铁的显微组织如图5－45所示。珠光体球墨铸铁的一般成分为：wC为3．6%～3．8%、wSi为2．0%～2．8%、wMn为0．6%～0．8%、wP＜0．1%，wS＜0．07%，wMg为0．3%～0．5%、稀土元素质量百分数为0．02%～0．04%；铁素体球墨铸铁的wSi稍高（可达3．3%），wMn稍低（0．3%～0．6%）。图

图5－45　球墨铸铁的显微组织

球墨铸铁的组织特点是其石墨呈球状，因而石墨分割基体所引起应力集中的作用大为减少。球状石墨的数量愈少，愈细小，分布愈均匀，力学性能便愈高。而且同样具有灰铸铁的一系列优点，如良好的铸造性能，减摩性，可切削性及低的缺口敏感性等。它的疲劳强度大致与中碳钢相似，耐磨性甚至还优于表面淬火钢。通过合金化和热处理，还可以获得具有下贝氏体、马氏体、屈氏体、索氏体和奥氏体等基体组织，以满足工业生产的需要。例如，珠光体球铁常用于制造曲轴、连杆、凸轮轴、机床主轴、水压机气缸、缸套、活塞等。铁素体球铁用于制造压阀、机座、汽车后桥壳等。

根据GB／T 1348—2009规定，球墨铸铁的牌号分为单铸和附铸试块两类，按力学性能分为14个牌号，以“QT”加两组数字表示。其中QT代表球墨铸铁。后续的两组数字分别表示最低抗拉强度Rm（MPa），及最低断后伸长率的值（A／%）。

QT 350—22L，QT 350—22R，QT 350—22，QT 400—18L，QT 400—18R，QT 400—18，QT 400—15，QT 400—10，QT 500—7，QT 550—5，QT 600—3，QT 700—2，QT 800—2，QT 900—2。

球墨铸铁的牌号及力学性能见表5－28。

表5－28　球墨铸铁的牌号和力学性能

（续表）

球墨铸铁的缺点是：凝固时的收缩较大，对原铁水的成分要求较严格，因而对熔炼和铸造工艺的要求较高，此外，它的消振能力比不上灰铸铁。

（2）球墨铸铁的热处理

球墨铸铁的热处理原理与钢相似，但由于球墨铸铁中含有较高的Si与C，因而又具有其特点，如球墨铸铁的共析转变温度显著升高，并变成为一个相当宽的温度范围。随着含Si量的增加，共析转变温度升高，转变温度范围加宽。在这一温度范围内铁素体、奥氏体和石墨三相共存。奥氏体等温转变曲线显著右移，且珠光体和贝氏体转变曲线明显分开，形成两个“鼻子”，这使临界冷却速度降低，淬透性增大，回火稳定性增加。

球墨铸铁常用的热处理工艺有：

①退火

a．消除内应力退火　对于不再进行其他热处理的球墨铸铁，铸造后可进行消除内应力退火。将铸件加热到500～600℃，保温2～8h，然后缓冷。在退火过程中内部组织不发生变化。

b．低温退火　为了使铸态球墨铸铁基体中的珠光体发生Fe3C分解，而获得较高的塑性、韧性的铁素体基体的球墨铸铁，可进行低温退火。其办法是：将铸件加热到700～760℃左右，保温2～8h，然后随炉冷至600℃，出炉空冷。最终组织为铁素体基体上分布着球状石墨。

c．高温退火　由于球墨铸铁白口倾向较大，在铸态组织内往往存在自由渗碳体。为了使自由渗碳体分解，获得铁素体基体的球墨铸铁件，则进行高温退火。其工艺如图5－46所示。最终组织为铁素体基体上分布着球状石墨。

图5－46　球墨铸铁高温退火工艺

②正火

正火的目的是为了增加基体中珠光体的数量，提高强度和耐磨性。球墨铸铁的正火可分为高温正火和低温正火。

a．高温正火　将铸件加热到共析温度范围以上50～70℃，当wSi为2%～3%时，一般加热到880～920℃，保温1～3h，使组织全部奥氏体化，然后出炉空冷。球墨铸铁通过高温正火获得珠光体型的基体组织。

b．低温正火　将铸件加热到共析相变温度范围上限以下，一般在840～880℃，保温1～4h，然后出炉空冷。正火后的基体组织为珠光体和铁素体，强度比高温正火略低，但塑性和韧性较高。低温正火要求原始组织中无自由渗碳体，否则影响力学性能。

由于球墨铸铁的导热性差，过冷倾向大，正火（尤其是风冷或喷雾冷却）后有较大内应力，故在正火后还要进行去应力回火，其办法是加热到550～600℃，保温3～4h，然后出炉空冷，使内应力基本消除而组织不变。

③调质处理

对于受力复杂、截面大、综合力学性能要求较高的铸件，如连杆、曲轴等，则进行调质处理。调质处理的淬火温度为共析转变温度范围以上30～50℃，当wSi为2%～3%的铸铁则淬火温度为860～900℃，通常用油淬，然后在550～600℃回火2～4h，最终组织为回火索氏体与球状石墨。

④等温淬火

对于一些要求综合力学性能较高，且外形又较复杂，热处理易变形开裂的零件，如齿轮、凸轮等，可采用等温淬火。它的工艺是：加热860～900℃，适当保温后，迅速移至250～300℃的盐浴中等温30～90min，然后取出空冷，一般不再回火。等温后的组织为下贝氏体加球状石墨。

等温淬火是提高球墨铸铁综合力学性能的一个有效办法，但只适用于截面尺寸不大的零件。

4）蠕墨铸铁

蠕墨铸铁的化学成分与球墨铸铁相似，蠕墨铸铁的生产是在铁水中加入一定量的蠕化剂，蠕化剂主要是稀土镁钛合金、硅铁和硅钙。蠕墨铸铁中的石墨片短而厚，头部较钝、较圆，状似蠕虫，见图5－47。与片状石墨相比，蠕虫状石墨的长径比值明显减小，一般在2～10范围内，同时，蠕虫状石墨往往还与球状石墨共存。大多数情况下，蠕墨铸铁组织中的金属基体比较容易得到铁素体基体（其质量分数超过50%）；当然，若加入Cu、Ni、Sn等稳定珠光体元素，可使基体中珠光体的质量分数高达70%，再加上适当的正火处理，珠光体的质量分数还可增加到90%以上。

图5－47　蠕墨铸铁中的石墨示意图

蠕墨铸铁的性能特点是：其力学性能介于基体组织相同的优质灰铸铁和球墨铸铁之间，当成分一定时，蠕墨铸铁的抗拉强度、韧性、疲劳强度和耐磨性等都优于灰铸铁，对断面的敏感性也较小；但蠕虫状石墨是相互连接的，使蠕墨铸铁的塑性和韧性比球墨铸铁低，强度接近球墨铸铁；此外，蠕墨铸铁还有优良的抗热疲劳性能、铸造性能、减振性能，其导热性能接近灰铸铁，但优于球墨铸铁。因此，蠕墨铸铁广泛用于制造电动机外壳、柴油机缸盖、机床床身、液压阀、机座、钢锭模等。

按JB／T 4403—1999标准，蠕墨铸铁分为五个牌号：RuT 420，RuT 380，RuT 340，RuT 300，RuT 260，RuT表示蠕铁，后续数字表示抗拉强度Rm（MPa）。

常用蠕墨铸铁的牌号、性能及应用见表5－29。

表5－29　常用蠕墨铸铁的牌号、性能及应用