第一章鑄鐵的緒論§1.1鑄鐵的特性及種類

§1.2鑄鐵的基本相

§1.1鑄鐵的特性及種類

1.鑄鐵的金相組織=金屬組織+高碳相組成，它們的結構及其存在形式決定鑄鐵的力學性能。2.金屬基體可提高合金強度，碳化物可提高合金硬度和耐磨性。而石墨有助于改善鑄鐵的加工性能、減震/耐磨和耐熱性能。3.鑄鐵的種類既與化學成分有關又與液態鐵水的處理條件有關

非合金鑄鐵-

液態鐵水的石墨化能力及其處理情況決定凝固過程的最終組織.圖2.1表示不同石墨化能力的鐵水結晶過程及其組織轉變情況：

鑄鐵及熔煉1）鐵水快速冷卻

,石墨化能力最弱,碳只能以碳化物的形式結晶,最后為白口鐵。2）鐵水冷卻速度不很快或孕育不良

,石墨化能力居于中等條件,鐵水在這種狀態下結晶比較復雜,部分鐵水可能析出石墨,另一部分鐵水可能析出碳化物,結果得到由石墨、碳化物和金屬基體組成的麻口鐵。3）如果鐵水冷卻緩慢

,不經過特殊處理,凝固結果為灰口鐵、若鐵水經過蠕化處理則結品為蠕墨鑄鐵,如經過球化處理則獲得球墨鑄鐵。

鑄鐵及熔煉4.白口鐵基體=碳化物+珠光體

,性能硬而脆,很少直接被應用。

把白口鐵鑄件經過高溫石墨化處理,碳化物即分解為石墨,這種石墨是固態相變的產物,結構為團絮狀,這種金屬基體和團絮狀石墨組成的鑄鐵稱為可鍛鑄鐵

,并按金屬基體的變化分為珠光體可鍛鑄鐵和鐵素體可鍛鑄鐵兩類。

5.非合金鑄鐵

可以分為白口鐵、麻口鐵、灰口鐵、蠕墨鑄鐵、球墨鑄鐵和可鍛鑄鐵六種。

鑄鐵及熔煉6.合金鑄鐵1）合金鑄鐵——低合金和高合金鑄鐵

,低合金鑄鐵含合金元素3%以下（1%以下屬于高強度鑄鐵范疇）,高合金鑄鐵含(3～30)%合金元素,屬于耐磨、耐熱、耐蝕鑄鐵范疇。2）合金元素對組織的作用比較復雜,單一元素的性質、數量以及多種元素的不同組合對合金鑄鐵都顯示出不同的作用,它們不僅影響金屬基體的結構,而且影響石墨和碳化物的數量、形態及分布狀況。(見7頁表1-2元素對鐵碳相圖的影響)合金元素在灰口鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵、蠕墨鑄鐵中都獲得應用,這些鑄鐵利用合金化使其性能得到改善,并使品種規格變得更加豐富多彩。

鑄鐵及熔煉§1.2鑄鐵的基本相

盡管鑄鐵的種類牌號繁多,但就顯微組織而言,它們都是由以下各種金屬或非金屬相組成的。只是由于組成相的性質及其相互比例的變化而使鑄鐵的性能發生了變化。一、奧氏體二、鐵素體三、珠光體四、石墨五、碳化物六、磷共晶

鑄鐵及熔煉一、奧氏體1.非合金鑄鐵的奧氏體是一種高溫組織，它只在共析溫度以上存在，溫度下降到共析轉變溫度以下即轉變為珠光體或鐵素體※但高鎳或高錳鑄鐵的奧氏體十分穩定,其共析轉變溫度降到室溫以下,使奧氏體能在室溫條件下存在。2.奧氏體的晶體結構為面心立方晶格,完全由Fe原子組成的面心立方晶格叫Y-Fe,晶格常數與溫度t有關:(0.3618+0.8496×10-5t)m。實際上,奧氏體是一種含有其它元素的固溶體,鐵-碳-硅合金的奧氏體是硅以置換方式,碳以嵌入方式固溶于Y-Fe的固溶體。圖2.2

表示C原子在奧氏體中的侵入位置

面心立方晶格最大空隙位置(1/2,1/2,1/2)的空隙半徑,

鑄鐵及熔煉注:Fe原子半徑r=0.130nm,而C原子半徑為0.077nm,因此,C原子固溶于Y-Fe晶格將引起晶體膨脹。碳在奧氏體中的最大溶解度為2.1%,共析反應時溶解度下降到0.69%。3.非合金鑄鐵的奧氏體固溶碳量對奧氏體的共析轉變影響很大,由于C是穩定奧氏體的元素,隨著溶碳量增加奧氏體將變得更加穩定或共析轉變更困難,因而更容易獲得數量更多,組織更致密的珠光體基體。

鑄鐵及熔煉二、鐵素體1.鐵素體是奧氏體在平衡條件下的共析轉變產物,其晶體結構為體心立方晶格,由純鐵原子組成的體心立方晶格稱為α-Fe,其晶格常數為(0.2860十0.4252×10-5t)nm。鐵素體是碳、硅的固溶體,當碳和硅固溶于α-Fe時其晶體稍微膨脹。2.鐵素體的體心立方晶格最大間隙位置,一個為四面體,如圖2.3(a)

所示,間隙半徑R=0.29f=0.036nm,另一個為八面體,如圖2.3(b)所示,（間隙半徑R=0.154r0.019nmb為鐵的原子半徑)。而碳的原子半徑為0.07nm,比上述間隙半徑大得多,※碳在鐵素體中的溶解度很小,727℃時為0.02%C,溫度下降時溶解度更小,所以鐵素體是一種微碳固溶體。

鑄鐵及熔煉3.鑄鐵含硅量比較高

,硅置換體心立方晶格中的鐵原子變為含硅鐵素體。硅有固溶強化作用,隨著含硅量的增加,鑄鐵的強度及硬度提高。但硅的有效半徑大于鐵

,當含硅量大于3.0%時,鐵素體晶格畸變的程度使材料的脆性增大。4.鐵素體是一種高塑性、高韌性、中等強度的金屬基體

,是高韌性鑄鐵期望的顯微組織,如鐵素體球墨鑄鐵,鐵素體可鍛鑄鐵的鐵素體含量在80%以上。與此相反,高強度鑄鐵則限制鐵素體的含量

,以保證足夠的強度、硬度和耐磨性。5.工業鑄鐵的鐵素體含量取決于化學成分、冷卻速度、孕育及熱處理條件

,提高碳、硅含量,減少穩定珠光體的元素,降低冷卻速度,強化孕育作用或用高溫退火處理都有助于增加鐵素體量。

鑄鐵及熔煉三、珠光體珠光體也是奧氏體的共析轉變產物,由于冷卻速度較快,反應按介穩定系進行,形成由

Y-Fe和

Fe3C組成的機械混合物。1.純珠光體基體的抗拉強度為(686~784)MPa,硬度

HB170~330,延伸率(15~25)%,是一種強度、硬度、韌性都較理想的基體,其性能波動與Fe、Fe3C層狀結構的片間距有關,片間距越小或分散度越大則強度、硬度越高。2.通常把片間距大于0.3μ的層狀結構稱為珠光體,小于0.3μ在1000倍光學顯微鏡下可看清層狀結構的組織稱為索氏體

,光學顯微鏡無法辨認,需用10000倍以上電子顯微鏡才能看清的層狀組織稱為屈氏體.

鑄鐵及熔煉3.珠光體可能在鑄態下形成,也可能在正火處理過程中形成。化學成分中的碳化物形成元素(如Mn、Cr)或穩定珠光體形成元素(如Ni、Cu、Sn)越多,冷卻速度越快,珠光體的數量就越多,片間距越小,強度、硬度越高。4.珠光體鑄鐵的強度受石墨形態的影響很大。片狀石墨使金屬基體受到割裂

,因而強度、韌性被嚴重削弱,珠光體灰口鐵的抗拉強度約為234MPa,延伸率為零。球狀石墨對基體的損害比較小,珠光體球墨鑄鐵的抗拉強度為(680~785)MPa,延伸率為(2~4)%。5.珠光體鑄鐵有比較高的強度、硬度、耐磨性,有一定的塑性和韌性,加工性也好,因而是高強度鑄鐵所要求的組織,但對高韌性球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵則盡量減少珠光體的含量。

鑄鐵及熔煉四、石墨1.石墨結構無論是片狀還是球狀石墨,其結構都是六方晶系,如圖2.4

所示六方形結構內的C原子距離為0.1421nm,層與層之間的距離為0.335nm。基面間的碳原子靠極性鍵即范德瓦爾力結合,結合能為16.7kJ/m01,這個方向上的抗拉強度不到20MPa。由于層內的共價鍵能比層間極性鍵能約大20倍,因此石墨結構表現極大的各向異性,結晶學上把垂直于基面(0001)的方向稱為C軸方向,平行于基面而垂直于柱面的方向稱為α軸方向。2.石墨的各向異性對性能和結晶方式影響很大:(1)

層間受到切向力作用時容易滑移,因此石墨有一定的潤滑作用;(2)

平行于基面或垂直于柱面的α

軸方向是石墨優先生長方向,因為該方向具有不飽和共價鍵,工業鐵水中的石墨由于α軸方向和c軸方向的生長速度有顯著差別而傾向于片狀結構;

鑄鐵及熔煉(3)

在純凈鐵水中,基面的界面能56.2JAm2比柱面的界面能433.OJ/cd小得多,基面強烈的表面活性使它具有比柱面更大的生長速度,以致傾向于球狀生長;3.石墨類型石墨形態因結晶條件不同而有七種基本類型,如圖2.5

所示。即球狀、團狀、團絮狀、蠕蟲狀、水草狀、開花狀和片狀。在片狀石墨中又可分為A、B、C、D、E五種形狀,如圖2.6

所示。（3）奧氏體冷卻到共析點以下即發生共析發應,一方面析出共析滲碳體,一方面轉變為α-Fe,二者共同組成的共析體就是珠光體。

鑄鐵及熔煉五、碳化物1.由一個

C原子和三個

Fe原子組成的化合物

Fe3C稱為滲碳體

(Cementite),其顯微硬度為HM1000～1100,是普通鑄鐵中硬度最高的非金屬相。2.滲碳體是按介穩定系結晶的產物,直接從過共晶成分鐵水中析出,在鐵水中形核長大。（1）尺寸特別粗大的滲碳體稱為初生滲碳體

,它對強度的破壞最嚴重。（2）共晶反應時與奧氏體同時生長的滲碳體稱為共晶滲碳體

,它和共晶奧氏體形成的機械混合物稱為萊氏體(Ledeburite),這個共晶體在繼續冷卻過程中不斷從共晶奧氏體內析出細小的二次滲碳體并附著在初生或共晶滲碳體上。

鑄鐵及熔煉（3）奧氏體冷卻到共析點以下即發生共析發應,一方面析出共析滲碳體,一方面轉變為α-Fe,二者共同組成的共析體就是珠光體。因此

,常溫下看到的萊氏體并不是由奧氏體和共晶滲碳體組成,而是由珠光體和共晶滲碳體組成。3.由大量初生滲碳體組成的顯微組織特別硬而脆，不能加工，強度很低，很難直接應用，但若含量適當可能是很好的抗磨材料。對于承受一定負荷的結構零件，游離滲碳體被視為必須加以限制的有害組織，應與消除。而對于抗磨鑄鐵則必須有一定數量的滲碳體確保其耐磨性。

鑄鐵及熔煉4.鐵-碳-硅合金中的碳化物為Fe3C，合金鑄鐵中的碳化物結構比較復雜。根據中子及X射線衍射，Fe3C為斜方晶系，晶格常數α=0.45144nm，c=0.5728nm。在Fe3C晶格中由一個C原子與鄰近的4個Fe原子以共價鍵聯結，并把三個棱面聯接起來，層內及層間的鐵原子由金屬鍵聯結，如圖2.7所示。這種結構決定了Fe3C容易沿（001）晶面劈裂，性能上表現為脆性。碳原子和鐵原子緊密聯結形成的棱形鏈狀結構使Fe3C具有很高的硬度和耐磨性。

鑄鐵及熔煉Fe3C和其它金屬固溶體一樣,其它合金原子也能置換晶內的Fe原子,晶內的空隙亦可能被別的原子嵌入形成固溶體,如(Cr、Fe)3C就是鉻置換鐵形成的復雜碳化物,其顯微硬度為HM831~1196,屬六方晶系的(Cr、Fe)7C3顯微硬度為HM1227~1475,此外還有TiC、VC等碳化物,都是抗磨鑄鐵的硬化相。