鑄鐵經(jīng)典法則
一、鑄鐵的特點與分類
從鐵碳合金相圖知道，含碳量大于2.11% 的鐵碳合金稱為鑄鐵（cast iron）。雖然鑄鐵的強度、塑性和韌性較差，不能進行鍛造，但它卻具有優(yōu)良的鑄造性、減摩性、切削加工性等一系列的性能特點，加上它的生產(chǎn)設備和工藝簡單、價格低，因此廣泛應用于機械制造、石油、化工、冶金、礦山、交通運輸、國防工業(yè)等部門。據(jù)統(tǒng)計，按重量百分比計算，在農(nóng)業(yè)機械中鑄鐵件約占(40～60)%；汽車、拖拉機中約占(50～70)%；機床中約占(60～90)%。特別是近年來由于稀土鎂球墨鑄鐵的發(fā)展，更進一步打破了鋼與鑄鐵的使用界限，不少過去使用碳鋼和合金鋼制造的重要零件，如曲軸、連桿、齒輪等，如今已可采用球墨鑄鐵來制造“以鐵代鋼”、“以鑄代鍛”。這不僅為國家節(jié)約了大量的優(yōu)質(zhì)鋼材，而且還大大減少了機械加工的工時，降低了產(chǎn)品的成本。
鑄鐵之所以具有這些特性，除了因為它具有接近共晶的成分，熔點低，流動性好，易于鑄造外，還因為它的C、Si含量較高， 使碳大部分不以化合(Fe3C)而是呈游離的石墨狀態(tài)存在，石墨有潤滑作用和吸油能力，因而鑄鐵有良好的減摩性和切削加工性。根據(jù)碳在鑄鐵組織中存在形式不同，可分為以下幾類：
1.白口鑄鐵（white cast iron）
簡稱為白口鐵，完全按照Fe-Fe3C 相圖進行結(jié)晶而得到的鑄鐵。其中碳全部以滲碳體(Fe3C)形式存在，斷口呈銀白色。由于存在有大量硬而脆的Fe3C，硬度高，脆性大，很難切削加工。很少用來直接制造機器，主要用于煉鋼原料或制造可鍛鑄鐵的毛坯。
2.灰口鑄鐵（gray cast iron）
碳主要結(jié)晶成游離狀態(tài)的石墨。其中碳大部分或全部以片狀石墨形狀存在，斷口為暗灰色，常見的鑄鐵件多數(shù)是灰口鑄鐵。
3.可鍛鑄鐵(malleable iron)
由一定成分的白口鑄鐵經(jīng)石墨化退火處理而獲得，其中碳大部分或全部以團狀石墨形式存在，由于具有較灰口鑄鐵高得多的塑性和韌性，習慣上稱為可鍛鑄鐵，實際上不能鍛。
4.球墨鑄鐵(nodular cast iron)
鐵水在澆注前經(jīng)球化處理，其中碳大部分或全部以球狀石墨形式存在，機械性能高，生產(chǎn)工藝比可鍛鑄鐵簡單，近年來日益得到廣泛的應用。
5.蠕墨鑄鐵
碳以蠕蟲狀石墨形式存在，介于片狀和球狀石墨之間，是近十幾年發(fā)展起來的新型鑄鐵。
此外，為了滿足一些特殊要求，向鑄鐵中加入一些合金元素，如Cr、Cu、Al、B等，可得到耐蝕鑄鐵、 耐熱鑄鐵及耐磨鑄鐵等合金鑄鐵。
二、鑄鐵的石墨化及影響因素
從以上各種鑄鐵的組織可見， 鑄鐵中的碳可能以化合狀態(tài)(Fe3C)或自由狀態(tài)(石墨)兩種形態(tài)存在。鑄鐵在結(jié)晶過程中，碳以石墨形態(tài)析出的現(xiàn)象稱為石墨化。鑄鐵中石墨化程度直接決定了鑄鐵的組織和性能。影響鑄鐵中石墨化的因素主要有化學成分和冷卻速度。
1.化學成分
(1)碳和硅
碳和硅是強烈促進石墨化的元素。鑄鐵中C、Si越高，石墨化越容易進行，越容易得到灰口組織。但過高，石墨多而粗大，組織中鐵素體量增多，珠光體量減少，力學性能降低。因此，為了保證得到一定數(shù)量的石墨，避免形成白口鑄鐵，灰口鑄鐵中C 一般控制在(2.5～4.0) %，Si控制在(1.0～3.0) %，厚壁件取下限，薄壁件取上限。
(2)硫
S是強烈阻礙石墨化的元素，S阻礙C原子的擴散，S還能增強Fe、C原子的結(jié)合力。強烈的阻礙石墨化，S能使鐵水的流動性降低，收縮量增大，使鑄鐵有較大的熱裂傾向，因此鑄鐵中S 含量越低越好，一般要控制在0.15%以下。
(3)錳
Mn本身是阻礙石墨化的元素，但它能與S結(jié)合，形成MnS浮集到渣中，從而削弱了S阻礙石墨化作用，Mn一般為(0.5～1.4) %。
(4)磷
P對石墨化稍起促進作用，改善鑄造性能。但P具有冷脆性，是有害元素，要控制使用。
2.冷卻速度
冷卻速度對鑄鐵石墨化的影響很大。冷卻越慢，原子擴散越充分，越有利于石墨化進行。而快冷阻止石墨化越容易得到白口組織。
冷卻速度的大小主要取決于澆注溫度、鑄件壁厚和鑄型導熱能力等多種因素。澆注溫度愈高，使得鐵水凝固前鑄型吸收的熱量愈多，鑄件冷卻就愈慢；各種造型材料的導熱性不同，鑄件在金屬型中的冷卻比在砂型中快。同是砂型，濕型的冷卻速度大于干型和預熱的鑄型；鑄件壁厚是影響冷卻速度的一個重要因素，鑄件壁越厚，則冷卻速度越小，石墨化就越完全。所以，在實際生產(chǎn)中常常發(fā)現(xiàn)同一厚壁處為灰口，而薄壁處出現(xiàn)白口的現(xiàn)象。 生產(chǎn)中就是利用這一關(guān)系，對于不同壁厚的鑄件通過調(diào)整C和Si 的含量以保證得到所需要的灰口組織。
第二節(jié) 灰口鑄鐵
灰口鑄鐵(簡稱為灰鐵)是價格便宜，應用最廣的一種鑄鐵，占各種鑄鐵總含量的80%以上。
一、灰口鑄鐵的成分、組織與性能
(一)灰口鑄鐵的成分與組織
灰口鑄鐵的化學成分大致為：(2.6～3.6) %C，(1.2～3.0) %Si，(0.4～1.2)%Mn，≤0.15%S，≤0.3%P。
灰口鑄鐵組織特點是石墨呈片狀分布在金屬的基體組織上。按金屬基體組織的不同，灰口鑄鐵分為三種類型：鐵素體灰口鑄鐵；鐵素體－珠光體灰口鑄鐵；珠光體灰口鑄鐵。
1.鐵素體灰口鑄鐵
它是在鐵素體的金屬基體上分布著粗大的片狀石墨。此鑄鐵的強度、硬度最低，很少用來制造機器零件，但質(zhì)軟，易加工，鑄造性能好，可用來制造少數(shù)要求不高的鑄件或薄件。
2.鐵素體--珠光體灰口鑄鐵
它是在珠光體和鐵素體組成的金屬基體上分布著片狀石墨，其石墨片稍粗大，數(shù)量也較多，因此，其強度、硬度較差，此種鑄造時易控制，切削性能較好，用途廣。
3.珠光體灰口鑄鐵
它是在珠光體的基體上分布著細小而均勻的片狀石墨。強度、硬度最高，主要用于制造重要機件。
(二)灰口鑄鐵的性能
1.機械性能
灰口鑄鐵組織是鋼的基體上分布有片狀石墨，石墨的密度為鑄鐵的1/3，其體積約占鑄鐵的（7～10）%，石墨的抗拉強度小于20MPa，塑性近于零，硬度3HBS，石墨的這種特性是改變灰口鑄鐵機械性能的主要因素。
由于片狀石墨象刀口一樣對金屬基體的嚴重割裂作用，減少了基體受力的有效面積，使鑄件金屬基體的作用不能充分發(fā)揮，據(jù)統(tǒng)計灰口鑄鐵金屬基體強度的利用率一般不超過（30～50）%，這表現(xiàn)為鑄鐵抗拉強度比碳鋼低得多，σb為(120～250)MPa，塑性、韌性較差，并且?guī)缀鯖]有延伸率(δ≈0)，使普通灰口鑄鐵成為脆性材料， 故常把灰口鑄鐵看成具有大量微小裂紋或孔洞的碳鋼。但石墨對基體的割裂作用和造成的應力集中對壓應力的有害影響較小，所以灰口鑄鐵的抗壓強度較高。石墨數(shù)量愈多，愈粗大，分布愈不均勻，對基體的割裂就愈嚴重，其機械性能愈差。由上可知，普通灰鐵性能好壞的關(guān)鍵是組織中的石墨，即其性能取決于鑄鐵的石墨化程度。
2.工藝性能
由于鑄鐵很脆，因此不能進行鍛造和沖壓，焊接時易于產(chǎn)生裂紋，并出現(xiàn)白口組織，使切削加工增加困難，所以說焊接性能差。
灰口鑄鐵接近共晶成分，鑄造時流動性好，又由于石墨膨脹可使收縮減小，鑄造性能最好。
由于石墨具有割裂基體連續(xù)性的作用，從而使鑄件的切削屑易脆斷成碎片，具有良好的切削加工性。
3.減振性
鑄鐵中的石墨對振動能起緩沖作用，阻止晶粒間振動能的傳遞，并將振動能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。所以，灰口鑄鐵具有很好的減振性。并且，粗大片狀石墨的減振能力大于球狀石墨，因此對于承受振動較大的零件，在強度允許時應先采用具有片狀石墨的普通灰口鑄鐵。
4.耐磨性
石墨對鑄鐵耐磨性的影響主要表現(xiàn)在儲油與潤滑兩個方面。鑄鐵摩擦面上的石墨構(gòu)成大量的顯微凹坑，起儲油作用，可維持油膜的連續(xù)性，同時石墨本身又是良好的潤滑劑，脫落在摩擦面上也起潤滑作用。所以灰口鑄鐵具有良好的耐磨性。
5.缺口敏感性小
石墨在鑄鐵中形成大量的小切口，從而減少了它對外來切口( 孔洞、斷面的急劇過渡、非金屬夾雜等)的敏感性。因此， 表面加工質(zhì)量不高對鑄鐵疲勞強度的不利影響要比對鋼的影響小得多。
由于灰口鑄鐵具有以上一系列的特點，故被廣泛地用來制造各種承受壓力和要求消振性好的床身、機架、箱體、殼體和經(jīng)受摩擦的導軌、缸體、活塞環(huán)等。
二、灰口鑄鐵的孕育處理
普通灰口鑄鐵的最大弱點是強度低，這是因為一般灰口鑄鐵的C、Si含量較高，石墨片和基體組織比較粗大。 提高灰口鑄鐵機械性能的有效方法之一是采用孕育處理（inoculation）的方法。它是把作為孕育劑（inoculant）的硅鐵或硅鈣合金(加入量一般為鐵水總質(zhì)量的0.4%左右)沖入到C、Si含量稍低的鐵水中，經(jīng)攪拌去渣后進行澆注，以獲得大量的人工晶核，從而得到石墨片極為細小且均勻分布的珠光體灰口鑄鐵，這種鑄鐵又常稱為“孕育鑄鐵”（ inoculated cast iron）。其強度、硬度比普通灰口鑄鐵有顯著提高。
孕育鑄鐵具有較高的強度和硬度，可用來制造力學性能要求較高的鑄件，如汽缸、曲軸、凸輪、機床床身等，尤其是截面尺寸變化較大的鑄件。
另外，工廠里常用去應力退火和軟化退火來消除鑄件內(nèi)應力和白口組織。
三、灰口鑄鐵的牌號和應用
灰口鑄鐵的牌號由“灰鐵”漢語拼音的字首“HT”和后面的三位數(shù)字組成。后續(xù)數(shù)字表示最低抗拉強度(MPa)的數(shù)值。
第三節(jié) 可鍛鑄鐵
可鍛鑄鐵又稱馬鐵或瑪鋼，實際并不可以鍛造，這些名稱只表示它具有一定的塑性δ＝(2～12) %和韌性aKU≤30J/cm２，故稱為展性鑄鐵或韌性鑄鐵。可鍛鑄鐵是由白口鑄鐵通過退火處理使?jié)B碳體分解而得到團絮狀石墨的一種高強度鑄鐵。按退火方法不同有黑心和白心兩種類型鑄鐵。黑心可鍛鑄鐵依靠石墨化退火獲得，白心可鍛鑄鐵利用氧化脫碳退火來制取。后者已很少生產(chǎn)，我國主要生產(chǎn)黑心可鍛鑄鐵。
可鍛鑄鐵的化學成分為：(2.4～2.7)%C，(1.4～1.8)%Si，(0.5～0.7)%Mn，<0.08%P，<0.25%S。C、Si含量很低，就是為了保證在通常冷卻條件下得到白口鑄鐵件。
根據(jù)基體組織的不同，可分為鐵素體可鍛鑄鐵和珠光體可鍛鑄鐵。
由于石墨呈團狀，對基體的割裂破壞作用比片狀石墨小得多，因此有較高的強度σb＝（300～700）MPa，以及較好的塑性和韌性，適于生產(chǎn)對機械性能要求較高，承受沖擊負荷的薄壁( 厚度不超過25mm)形狀復雜的小型鑄件，如各種管接頭、閥門及汽車上的一些小零件。但可鍛鑄鐵生產(chǎn)周期長，工藝復雜，成本較高，近年來有些可鍛鑄鐵件已部分地被球墨鑄鐵所代替。牌號中“KT ”代表可鍛鑄鐵，其后的兩組數(shù)字，分別表示最低抗拉強度和最低伸長率；“KTH”表示黑心可鍛鑄鐵；“KTZ”表示珠光體可鍛鑄鐵。例如，KTH350-10，表示σb最低值為350MPa，δ最低值為10% 的鐵素體黑心可鍛鑄鐵。
第四節(jié) 球墨鑄鐵
一、球墨鑄鐵的組織和性能
球墨鑄鐵(簡稱為球鐵)是近幾十年來鑄鐵生產(chǎn)發(fā)展的一個重要方面，結(jié)合我國資源特點，于六十年代創(chuàng)造了稀土鎂球墨鑄鐵。目前已成功地用于鑄造一些受力復雜，強度、韌性、耐磨性要求較高的零件。
球墨鑄鐵是通過球化和孕育處理得到球狀石墨，有效地提高了鑄鐵的機械性能，特別是提高了塑性和韌性，從而得到比碳鋼還高的強度。
球墨鑄鐵與灰口鑄鐵相比，C、Si含量較高，而Mn較低，對S、P的限制較嚴。其化學成分一般為：(3.5～3.8)%C，(2.0～3.0)%Si，(0.5～0.7)%Mn，<0.08%P，<0.02%S，(0.03～0.07)%Mg(此為無稀土元素時)，當有稀土元素存在時，則Mg可低些。
根據(jù)基體組織的不同，常用的球墨鑄鐵分為三種類型：鐵素體球鐵、鐵素體--珠光體球鐵及珠光體球鐵。
球墨鑄鐵良好的機械性能是與其組織特點分不開的，在球鐵中，石墨結(jié)晶成球狀，對基體的割裂作用大為減小，基體強度的利用率達（70～90）%，抗拉強度不僅高于鑄鐵，甚至還高于碳鋼，σb＝(400～600)MPa，σs＝(300～400)MPa。屈強比σs/σb為0.7～0.8，比鋼約高40%左右。塑性、韌性比灰口鑄鐵大大提高，δ＝(1.5～10)%，經(jīng)熱處理最高可達δ＝(20～25)%。
球墨鑄鐵不僅具有遠遠超過灰鐵的機械性能，而且同樣也具有灰鐵的一系列優(yōu)點。如良好的鑄造性能、減摩性、切削加工性及低的缺口敏感性等。甚至在某些性能方面可與鍛鋼相媲美，如疲勞強度大致與中碳鋼相似，耐磨性優(yōu)于表面淬火鋼等。此外，球鐵還可適應各種熱處理，使其機械性能提高到更高的水平。因此。球鐵一出現(xiàn)就得到迅速的發(fā)展。它可代替部分鋼作較重要的零件，對實現(xiàn)以鐵代鋼、以鑄代鍛起重要的作用，具有較大的經(jīng)濟效益。珠光體球鐵常用于制造曲軸、連桿、凸輪軸、機床主軸、水壓機氣缸、缸套、活塞等。鐵素體球鐵用于制造壓閥、機座、汽車后橋殼等。
二、球墨鑄鐵的牌號的應用
球墨鑄鐵牌號由“QT”(“球鐵”兩字漢語拼音字首) 和兩組數(shù)字組成，前一組數(shù)字表示最低抗拉強度，后一組數(shù)字表示最低伸長率。如QT500-07，表示抗拉強度最低值為500MPa，伸長率最低值為7%的球墨鑄鐵。球墨鑄鐵的牌號、性能和用途見表21-3。
三、球墨鑄鐵的生產(chǎn)
球鐵的生產(chǎn)中要嚴格控制鐵水的化學成分，S、P含量愈低愈好。選擇適合的球化劑和孕育劑，球化劑的作用是使石墨結(jié)晶時呈球狀析出，最常用的是稀土鎂合金和稀土硅鐵鎂，加入量為鐵水的（1～1.6）%。鎂是重要的球化元素，但密度小(1.74g/cm３) ，沸點低(1120℃)，若直接加到鐵水中，將立即沸騰，鎂的回收率低，且易出事故。稀土元素的球化作用比鎂弱，但有強烈的脫硫、去氣能力，還能細化組織，改善鑄造性能。孕育劑的作用是促進鐵水的石墨化，防止產(chǎn)生白口。由于鎂和稀土元素都是阻止石墨化的元素，球化同時需加孕育劑。孕育劑為75%硅鐵，加入量為鐵水重量的（0.4～1.0）%，同時要掌握好球化處理和熱處理工藝。
球化處理常用的方法是沖入法，處理時，先將球化劑放到鐵水包低部的堤壩內(nèi)，上面鋪以硅鐵粉和稻草灰，并壓緊，以延緩鐵水與球化劑的作用，防止球化劑上浮，提高吸收率。
開始時先將鐵水包容量的1/2～1/3鐵水沖入包內(nèi)，使球化劑與鐵水發(fā)生反應，然后沖入其余鐵水，經(jīng)攪拌扒渣后，即可澆注。
將球化劑置于澆注系統(tǒng)中特制的反應室內(nèi)進行球化處理的工藝稱為型內(nèi)球化，是近年來球化工藝的新發(fā)展。鎂的利用率高，質(zhì)量穩(wěn)定，并適合流水作業(yè)生產(chǎn)等優(yōu)點。
因球化處理時鐵水溫度有所降低，為保證流動性，應使鐵水的出爐溫度高些。
四、球墨鑄鐵的熱處理
由于球鐵基體組織與鋼相同，球鐵石墨又不易引起應力集中，因此它具有較好的熱處理工藝性能。凡是鋼可以采用的熱處理，在理論上對球鐵都適用。常用的熱處理方法有以下幾種：
1.退火
目的是為了獲得高塑性、韌性的鐵素體球鐵。如汽車、拖拉機的底盤鑄件需進行退火處理。
2.正火
目的是增加基體組織中珠光體的含量，并使其細化，提高鑄鐵的強度、硬度和耐磨性，如發(fā)動機的缸套、滑座和軸套等鑄件均要進行正火。
此外，還能將鑄態(tài)珠光體球鐵進行調(diào)質(zhì)和等溫淬火，以獲得高的強度和硬度，但是都只適宜于小件。
第五節(jié) 蠕墨鑄鐵及合金鑄鐵簡介
一、蠕墨鑄鐵
蠕墨鑄鐵是70年代發(fā)展起來的一種新型高強度鑄鐵。生產(chǎn)蠕墨鑄鐵的方法與球鐵相似，即在出鐵時往鐵水中加入蠕化劑，進行蠕化處理，然后加入孕育劑作孕育處理而得到。目前所用的蠕化劑有鎂鈦合金、稀土鎂鈦合金或稀土鎂鈣合金等。
蠕墨鑄鐵的石墨呈蠕蟲狀，短而厚，端部圓滑，分布均勻。其機械性能介于普通灰鑄鐵和球鐵之間，熱疲勞性能好。具有接近灰口鑄鐵的優(yōu)良的鑄造性能。它主要應用于一些經(jīng)受熱循環(huán)載荷，要求組織致密、結(jié)構(gòu)復雜、強度高的鑄件，如汽缸蓋、汽缸套、鋼錠模、液壓閥等鑄件。它是一種有發(fā)展前程的結(jié)構(gòu)材料。
蠕墨鑄鐵的牌號用“RuT”加一組數(shù)字表示。如RuT420， 表示抗拉強度不低于420MPa的蠕墨鑄鐵。
二、合金鑄鐵
隨著生產(chǎn)的發(fā)展，對鑄鐵不僅要求有更高的機械性能，而且有時還要求具有某些特殊性能。如耐磨性、耐熱性和耐蝕性等。為此，可向鑄鐵中加入一定量的合金元素制成合金鑄鐵（alloy cast iron）。
(一)耐磨鑄鐵(wear resistant cast iron)
向鑄鐵中加入一定的P、B、V或Ti等元素， 使鑄鐵組織中形成大量均布的高硬度顯微夾雜物，大大提高了鑄鐵的耐磨性。向鑄鐵中加入Cr、Mo和Cu等元素使基體組織細化和強化，也能提高耐磨性。高P、Cu、Ti合金鑄鐵是制造機床導軌的好材料。Cr、Mo、Cu 合金鑄鐵主要用在汽車、拖拉機、精密機床方面以及要求較高的大型柴油機汽缸套及活塞環(huán)等零件。此外，還有中錳球墨鑄鐵用于農(nóng)機上的耙片、犁鏵、球磨機的襯板、磨球、拖拉機上的履帶板等。
(二)耐熱鑄鐵（heat-resistant cast iron）
耐熱鑄鐵是指在高溫下具有較好的抗氧化和抗生長的能力。所謂“生長”是指由于氧化性氣體沿著石墨片的邊界和裂紋滲入鑄鐵內(nèi)部所造成的氧化以及由于Fe3C分解而發(fā)生的石墨化引起鑄鐵件體積膨脹。向鑄鐵中加入一定量的Al、Si或Cr等元素，一方面使鑄鐵表面形成致密的氧化膜(Al2O3、SiO2、Cr2O3)，使這類鑄鐵在高溫下具有抗氧化、不起皮的能力；另一方面，這些元素提高了鑄鐵組織的相變溫度，阻止了Fe3C的分解，增強了鑄鐵在高溫下的抗生長性，使鑄件的性能與尺寸穩(wěn)定，即提高了耐熱性。耐熱鑄鐵可用于制造爐門、爐柵等耐熱件。
(三)耐蝕鑄鐵（corrosion resistant cast iron）
耐蝕鑄鐵是指在腐蝕性介質(zhì)中工作時具有耐蝕能力的鑄鐵。它們主要應用于化工部門，如閥門、管道、泵、容器等。提高鑄鐵耐蝕性主要靠加入大量的Si、Al、Cr、Ni、Cu等合金元素。在鑄件表面形成保護膜，可以提高鑄鐵的耐蝕性能。
