标准铸铁砝码材料成分常识

铸铁砝码是历*使用得较早的材料，也是*的金属材料之一，同时它具有很多优点。比如，在汽车发动机中，铸铁占80%。同钢一样，铸铁也是Fe、C元素为主的铁基材料，但是它含碳量很高（碳含量大于2.11％），达到亚共晶、共晶或过共晶成分，而且铸铁成型制成零件毛坯只能用铸造方法，不能用锻造或轧制方法。

铸铁砝码中碳元素按主要存在方式不同可分为两大类：一是白口铸铸铁（断口呈现白色），碳的主要存在形式是化合物，如渗碳体，没有石墨；另一是灰口铸铁（断口呈现黑灰色），碳的主要存在形式是碳的单质，即游离状态石墨。介于白口铸铁与灰口铸铁之间为麻口铸铁，其中的碳既有游离石墨又有渗碳体。白口铸铁的脆性特别大，又特别坚硬，作为零件在工业上很少用，只有少数的部门采用，例如农业上用的犁，除此之外多作为炼钢用的原料，作为原料时，通常称它为生铁。在铸铁中还有一类特殊性能铸铁，如耐热待铁、耐蚀铸铁、耐磨铸铁等，它们都是为了改善铸铁的某些特殊性能加入一定的合金元素Cr、Ni、Mo、Si等，所以又把这类铸铁叫合金铸铁。
*节 铸铁的石墨化

一、Fe-Fe3C和Fe-C双重相图
在第四章中介绍过Fe-Fe3C相图，按这张相图自液态冷却下来的Fe-C合金固态一般为铁素体及渗碳体两相。实际上渗碳体只是一个亚稳定相，石墨才是稳定相。因此描述铁碳合金组织转变的相图实际上有两个，一个是Fe-Fe3C系相图，另一个是Fe-C系相图。把两者迭合在一起，就得到一个双重相图，见图8-1。图中的实线表示Fe-Fe3C系相图，部分实线再加上虚线表示Fe-C系相图。铸铁自液态冷却到固态时，若按Fe-Fe3C相图结晶，就得到白口铸铁，若是按Fe-C相图结晶，就析出和形成石墨，即发生石墨化过程。若是铸铁自液态冷却到室温，既按Fe-Fe3C相图，同时又按Fe-C相图进行，则固态由铁素体、渗碳体及石墨三相组成。

二、铸铁砝码的石墨化过程

按Fe-C相图铸铁液冷却过程中，碳溶解于铁素体外均以石墨形成析出。石墨形成（或石墨化）分为如下两个阶段：
*阶段石墨化包括自低于液相线C￠D￠以下温度冷却自液体中析出“一次石墨"，低于共晶线E￠C￠F￠（温度1154℃）共晶成分（C￠点含4.26％C），液体转变为奥氏体与共晶石墨组成的共晶组织；以及低于共晶温度E￠C￠F￠以下冷却沿E￠S￠线从奥氏体中析出“二次石墨"。
第二阶段：略低于共析温度（738℃）的P￠S￠K￠线以下，共析成分（S￠点，含0.68%C）奥氏体转变为由铁素体与石墨组成的共析组织。理论上，在P￠S￠K￠温度以下冷却至室温，还可能铁素体中析出三次石墨，因为数量极微，常忽略。
如果按照上述两个阶段转变，铸铁成型后由铁素体与石墨（包括一次、共晶、二次、共析石墨）两相组成。在实际生产中，由于化学成分、冷却速度等各种工艺制度不同，各阶段石墨化过程进行的程度也不同，从而可获得各种不同金属基体的铸态组织。表8-1是一般铸铁经不同程度石墨化后所得到的组织。

三、铸铁砝码影响石墨化程度的主要因素
由于铁的晶体结构与石墨的晶体结构差异很大，而铁与渗碳体的晶体结构要接近一些，所以普通铸铁在一般铸造条件下只能得到白口铸铁，而不易获得灰口铸铁。因此，必须通过添加合金元素和改善铸造工艺等手段来促进铸铁石墨化，形成灰口铸铁。

1．化学成分的影响
碳、硅、锰、硫、磷对石墨化有不同影响。其中碳、硅、磷是促进石墨化的元素，锰和硫是阻碍石墨化的元素。在生产实际中，调整碳和硅的含量是控制铸铁组织和性能的基本措施之一。可以认为在一般铸造条件下铸铁中较高的含碳量是石墨化的必要条件，保证一定量的硅是石墨化的充分条件，碳与硅含量越高越易石墨化。若碳、硅含量过低，易出现白口，机械性能与铸造性能都较差。但如果碳、硅含量过高，将导致石墨数量多且粗大，基体内铁素体量多，机械性能下降。因此，一般灰口铸铁的碳、硅含量控制在下列范围：2.8%－3.5%C，1.4~2.7%Si。

2．温度及冷却速度的影响
铸铁中碳石墨化过程除受化学成分的影响外，还受铸造过程中铸件冷却速度影响。在成分上保证了碳与硅含量必要而充分条件之后，冷却速度过快石墨化仍不可能充分进行甚至不能进行。这是因为无论*还是第二阶段石墨化，碳元素的扩散条件变成了制约因素。在高温缓慢冷却的条件下，由于原子具有较高的扩散能力，通常按Fe-C相图进行，铸铁中的碳以游离态（石墨相）析出。当冷却速度较快时，由液态析出的是渗碳体而不是石墨。这是因为渗碳体的含碳量（6.69%）比石墨（）更接近合金的含碳量（2.5%～4.0%），因此，一般铸件冷却速度越慢，石墨化进行愈充分。冷却速度快，碳原子很难扩散，石墨化进行困难。

常用铸铁的牌号、组织与性能

铸铁砝码中的石墨形态、尺寸以及分布状况对性能影响很大。铸铁中石墨状况主要受铸铁的化学成分及工艺过程的影响。通常，铸铁中石墨形态（片状或球状）在铸造后即形成；也可将白口铸铁通过退火，让其中部分或全部的碳化物转化为团絮状形态的石墨。工业上使用的铸铁很多，按石墨的形态和组织性能，可分为普通灰口铸铁、蠕墨铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁和特殊性能铸铁等。
一、铸铁砝码 灰口铸铁
灰口铸铁是价格*、应用zui广泛的一种铸铁，在各类铸铁的总产量中，灰口铸铁占80%以上。
1．灰口铸铁的化学成分和组织特征
在生产中，为浇注出合格的灰铸铁件，一般应根据所生产的铸铁牌号、铸铁壁厚、造型材料等因素来调节铸铁的化学成分，这是控制铸铁组织的基本方法。
灰口铸铁的成分大致范围为：2.5～4.0%C，1.0～3.0%Si，0.25～1.0%Mn，0.02～0.20%S，0.05～0.50%P。具有上述成分范围的液体铁水在进行缓慢冷却凝固时，将发生石墨化，析出片状石墨。其断口的外貌呈浅烟灰色，所以称为灰口铸铁。
普通灰口铸铁的组织是由片状石墨和钢的基体两部分组成的。根据不同阶段石墨化程度的不同，灰口铸铁有三种不同的基体组织，见图8-2。

2．铸铁砝码 灰口铸铁的牌号、性能及用途
灰口铸铁灰口铸铁的牌号、性能及用途如表8-2所示。牌号中“HT"表示“灰铁"二字汉语拼音的大写字头，在“HT"后面的数字表示zui低抗拉强度值。

铸铁砝码

从表8-2可以看出，在同一牌号中，随铸件壁厚的增加，其抗拉强度降低。因此，根据零件的性能要求选择铸铁牌号时，必须同时注意到零件的壁厚尺寸。
灰口铸铁的性能与普通碳钢相比，具有如下特点：
（1）机械性能低，其抗拉强度和塑性韧性都远远低于钢。这是由于灰口铸铁中片状石墨（相当于微裂纹）的存在，不仅在其处引起应力集中，而且破坏了基体的连续性，这是灰口铸铁抗拉强度很差，塑性和韧性几乎为零的根本原因。但是，灰口铸铁在受压时石墨片破坏基体连续性的影响则大为减轻，其抗压强度是抗拉强度的2.5～4倍。所以常用灰口铸铁制造机床床身、底座等耐压零部件。
（2）耐磨性与消震性好。由于铸铁中石墨有利于润滑及贮油，所以耐磨性好。同样，由于石墨的存在，灰口铸铁的消震性优于钢。
（3）工艺性能好。由于灰口铸铁含碳量高，接近于共晶成分，故熔点比较低，流动性良好，收缩率小，因此适宜于铸造结构复杂或薄壁铸件。另外，由于石墨使切削加工时易于形成断屑，所以灰口铸铁的可切削加工性优于钢。

3．铸铁砝码灰口铸铁的孕育处理
表8-2中HT250、HT300、HT350属于较高强度的孕育铸铁（也称变质铸铁），这是普通铸铁通过孕育处理而得到的。由于在铸造之前向铁液中加入了孕育剂（或称变质剂），结晶时石墨晶核数目增多，石墨片尺寸变小，更为均匀地分布在基体中。所以其显微组织是在细珠光体基体上分布着细小片状石墨。铸铁变质剂或孕育剂一般为硅铁合金或硅钙合金小颗粒或粉，当加入铸铁液内后立即形成SiO2的固体小质点，铸铁中的碳以这些小质点为核心形成细小的片状石墨。
铸铁经孕育处理后不仅强度有较大提高，而且塑性和韧性也有所改善。同时，由于孕育剂的加入，还可使铸铁对冷却速度的敏感性显著减少，使各部位都能得到均匀一致的组织。所以孕育铸铁常用来制造机械性能要求较高、截面尺寸变化较大的铸件。

二、球墨铸铁
灰口铸铁经孕育处理后虽然细化了石墨片，但未能改变石墨的形态。改变石墨形态是大幅度提高铸铁机械性能的根本途径，而球状石墨则是zui为理想的一种石墨形态。为此，在浇注前向铁水中加入球化剂和孕育剂进行球化处理和孕育处理，则可获得石墨呈球状分布的铸铁，称为球墨铸铁，简称“球铁"。

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图8-3 球墨铸铁的显微组织
（a）珠光体+铁素体基球墨铸铁； （b）铁素体基球墨铸铁

1．球墨铸铁的化学成分和组织特征
球墨铸铁常用的球化剂有镁、稀土或稀土镁，孕育剂常用的是硅铁和硅钙。球墨铸铁的大致化学成分范围是：3.6～3.9%C，2.0～3.2%Si，0.3～0.8%Mn，<0.1%P，<0.07%S，0.03～0.08%Mg残。由于球化剂的加入将阻碍石墨化，并使共晶点右移造成流动性下降，所以必须严格控制其含量。
球墨铸铁的显微组织由球形石墨和金属基体两部分组成。随着成分和冷却速度的不同，球铁在铸态下的金属基体可分为铁素体、铁素体加珠光体、珠光体三种，见图8-3。

2．球墨铸铁的牌号、性能特点及用途
球墨铸铁的牌号、机械性能及用途如表8-3所示。牌号中的“QT"表示“球铁" 二字汉语拼音的大写字头，在“QT"后面两组的数字分别表示zui低抗拉强度和zui低延伸率。

与灰口铸铁砝码相比，球墨铸铁具有较高的抗拉强度和弯曲疲劳极限，也具有相当良好的塑性及韧性。这是由于球形石墨对金属基体截面削弱作用较小，使得基体比较连续，且在拉伸时引起应力集中的效应明显减弱，从而使基体的作用可以从灰口铸铁的30～50%提高到70～90%。另外，球铁的刚性也比灰口铸铁好，但球铁的消震能力比灰口铸铁低很多。
由于球铁中金属基体是决定球铁机械性能的主要因素，所以球铁可通过合金化和热处理强化的方法进一步提高它的机械性能。因此，球铁可以在一定条件下代替铸钢、锻钢等，用以制造受力复杂、负荷较大和要求耐磨的铸件。如具有高强度与耐磨性的珠光体球铁常用来制造内燃机曲轴、凸轮轴、轧钢机轧辊等；具有高韧性和塑性的铁素体球铁常用来制造阀门、汽车后桥壳、犁铧、收割机导架等。

三、蠕墨铸铁
蠕墨铸铁是近年来发展起来的一种新型工程材料。它是由液体铁水经变质处理和孕育处理随之冷却凝固后所获得的一种铸铁。通常采用的变质元素（又称蠕化剂）有稀土硅铁镁合金、稀土硅铁合金、稀土硅铁钙合金或混合稀土等。
1．蠕墨铸铁的化学成分和组织特征
蠕墨铸铁的石墨形态介于片状和球状石墨之间。灰口铸铁中石墨片的特征是片长、较薄、端部较尖。球铁中的石墨大部分呈球状，即使有少量团状石墨，基本上也是互相分离的。而蠕墨铸铁的石墨形态在光学显微镜下看起来像片状，但不同于灰口铸铁的是其片较短而厚、头部较圆（形似蠕虫）。所以可以认为，蠕虫状石墨是一种过渡型石墨。
蠕墨铸铁的化学成分一般为：3.4～3.6%C，2.4～3.0%Si，0.4～0.6%Mn，≤0.06%S，≤0.07%P。对于珠光体蠕墨铸铁，要加入珠光体稳定元素，使铸态珠光体量提高。
2．蠕墨铸铁的牌号、性能特点及用途
蠕墨铸铁的牌号、机械性能及用途如表8-4所示。牌号中“RuT"表示“蠕铁" 二字汉语拼音的大写字头，在“RuT"后面的数字表示zui低抗拉强度。表中的“蠕化率"为在有代表性的显微视野内，蠕虫状石墨数目与全部石墨数目的百分比。

由于蠕墨铸铁的组织是介于灰口铸铁与球墨铸铁之间的中间状态，所以蠕墨铸铁的性能也介于两者之间，即强度和韧性高于灰口铸铁，但不如球墨铸铁。蠕墨铸铁的耐磨性较好，它适用于制造重型机床床身、机座、活塞环、液压件等。
蠕墨铸铁的导热性比球墨铸铁要高得多，几乎接近于灰口铸铁，它的高温强度、热疲劳性能大大优于灰口铸铁，适用于制造承受交变热负荷的零件，如钢锭模、结晶器、排气管和汽缸盖等。蠕墨铸铁的减震能力优于球墨铸铁，铸造性能接近于灰口铸铁，铸造工艺简便，成品率高。

四、铸铁砝码可锻铸铁
可锻铸铁是由白口铸铁经长时间石墨化退火而获得的一种高强度铸铁，又叫玛钢。白口铸铁中的渗碳体在退火过程中分解出团絮状石墨，所以明显减轻了石墨对基体的割裂。与灰口铸铁相比，可锻铸铁的强度和韧性有明显提高。

1．可锻铸铁的化学成分和组织特征
可锻铸铁的制作过程是：先铸造成白口铸铁，再进行“可锻化"退火将渗碳体分解为团絮状石墨，得到铁素体基体加团絮状石墨或珠光体（亦或珠光体及少量铁素体）基体加团絮状石墨。铁素体基体＋团絮状石墨的可锻铸铁断口呈黑灰色，俗称黑心可锻铸铁，这种铸铁件的强度与延性均较灰口铸铁的高，非常适合铸造薄壁零件，是zui为常用的一种可锻铸铁。珠光体基体或珠光体与少量铁素体共存的基体加团絮状石墨的可锻铸铁件断口呈白色俗称白心可锻铸铁，这种可锻铸铁应用不多。
由于生产可锻铸铁的先决条件是浇注出白口铸铁，若铸铁没有*白口化而出现了片状石墨，则在随后的退火过程中，会因为从渗碳体中分解出的石墨沿片状石墨析出而得不到团絮状石墨。所以可锻铸铁的碳硅含量不能太高，以促使铸铁*白口化；但碳、硅含量也不能太低，否则使石墨化退火困难，退火周期增长。可锻铸铁的化学成分大致为：2.5~3.2%C，0.6~1.3%Si，0.4~0.6%Mn，0.1~0.26％P，0.05~1.0%S。

2．可锻铸铁砝码的牌号、性能特点及用途
可锻铸铁的牌号、机械性能及用途见表8-5。牌号中的“KT"表示“可铁"二字汉语拼音的大写字头，“H"表示“黑心"，“Z"表示珠光体基体。牌号后面的两组数字分别表示zui低抗拉强度和zui低延伸率。

可锻铸铁不能用锻造方法制成零件，只是因为石墨的形态改造为团絮状，不如灰口铸铁的石墨片分割基体严重，因而强度与韧性比灰口铸铁高。
可锻铸铁的机械性能介于灰口铸铁与球墨铸铁之间，有较好的耐蚀性，但由于退火时间长，生产效率极低，使用受到限制，故一般用于制造形状复杂，承受冲击，并且壁厚<25mm的铸件（如汽车、拖拉机的后桥壳、轮壳等）。可锻铸铁亦适用于制造在潮湿空气、炉气和水等介质中工作的零件，如管接头、阀门等。

3．可锻铸铁的石墨化退火
可锻铸铁的石墨是通过白口铸件退火形成的。通常是先形成的白口铸件加热到900~980℃温度，一般保温60－80小时，炉冷使其中渗碳体分解让“*阶段石墨化"充分进行形成团絮状石墨。待炉冷至770－650℃再长时间保温让“第二阶段石墨化"充分进行，这样处理后获得“黑心可锻铸铁"。若取消第二阶段的770－650℃长时间保温，只让*阶段石墨化充分进行炉冷后便获得珠光体基体或珠光体与少量铁素体共存的基体加团絮状石墨的“白心可锻铸铁"。
可锻铸件的问题是：可锻化退火时间太长，生产效率太低，退火后在600~400℃之间缓冷后铸铁件脆性大。解决问题的办法是：避免退火后在600~400℃之间缓冷；向铸铁液中引入少量Bi、B元素并可适当提高硅的含量可有效地缩短退火时间。我国有的厂家已将可锻化退火时间缩短到20h。

五、特殊性能铸铁
工业上除了要求铸铁有一定的机械性能外，有时还要求它具有较高的耐磨性以及耐热性、耐蚀性。为此，在普通铸铁的基础上加入一定量的合金元素，制成特殊性能铸铁（合金铸铁）。它与特殊性能钢相比，熔炼简便，成本较低。缺点是脆性较大，综合机械性能不如钢。
1．耐磨铸铁
有些零件如机床的导轨、托板，发动机的缸套，球蘑机的衬板、磨球等，要求更高的耐磨性，一般铸铁满足不了工作条件的要求，应当选用耐磨铸铁，耐磨铸铁根据组织可分为下面几类。
（1）耐磨灰口铸铁
在灰口铸铁中加入少量合金元素（如磷、钒、铬、钼、锑、稀土等）可以增加金属基体中珠光体数量，且使珠光体细化，同时也细化了石墨。由于铸铁的强度和硬度升高，显微组织得到改善，使得这种灰口铸铁具有良好的润滑性和抗咬合抗擦伤的能力。耐磨灰口铸铁广泛用于制造机床导轨、汽缸套、活塞环、凸轮轴等零件。
（2）中锰球墨铸铁
在稀土-镁球铁中加入5.0～9.5%Mn，控制3.3～5.0%Si，其组织为马氏体+奥氏体+渗碳体+贝氏体+球状石墨，具有较高的冲击韧性和强度，适用于同时承受冲击和磨损条件下使用，可代替部分高锰钢和锻钢。中锰球铁常用于农机具耙片、犁铧、球蘑机磨球等零件。

2．耐热铸铁
普通灰口铸铁的耐热性较差，只能在小于400℃左右的温度下工作。耐热铸铁是指在高温下具有良好的抗氧化和抗生长能力的铸铁。所谓热生长是指氧化性气氛沿石墨片边界和裂纹渗入铸铁内部，形成内氧化以及因渗碳体分解成石墨而引起体积的不可逆膨胀。结果将使铸件失去精度和产生显微裂纹。
在铸铁中加入硅、铝、铬等合金元素，使之在高温下形成一层致密的氧化膜：SiO、AlO、CrO等，使其内部不再继续氧化。此外，这些元素还会提高铸铁的临界点，使其在所使用的温度范围内不发生固态相变，以减少由此造成的体积变化，防止显微裂纹的产生。
耐热铸铁按其成分可分为硅系、铝系、硅铝系及铬系等。其中铝系耐热铸铁脆性较大，而铬系耐热铸铁的价格较贵，所以我国多采用硅系和硅铝系耐热铸铁。

3．耐蚀铸铁
提高铸铁耐蚀性的主要途径是合金化。在铸铁中加入硅、铝、铬等合金元素，能在铸铁表面形成一层连续致密的保护膜，可有效地提高铸铁的抗蚀性。而在铸铁中加入铬、硅、钼、铜、镍、磷等合金元素，可提高铁素体的电极电位，以提高抗蚀性。另外，通过合金化，还可获得单相金属基体组织，减少铸铁中的微电池，从而提高其抗蚀性。
目前应用较多的耐蚀铸铁有高硅铸铁（STSi15）、高硅钼铸铁（STSi15Mo4）、铝铸铁（STA15）、铬铸铁（STCr28）抗碱球铁（STQNiCrR）等。