第八章鑄鋼和鑄鐵的金相檢驗(yàn)

第八章鑄鋼和鑄鐵的金相檢驗(yàn)鑄鋼主要用于制造形狀復(fù)雜或大型，需要一定強(qiáng)度、塑性和韌性的零部件，例如機(jī)車(chē)車(chē)輛、船舶、重型機(jī)械齒輪、軸、軋輥、機(jī)座、缸體、外殼、閥體等。第一節(jié)鑄鋼的金相檢驗(yàn)外殼軋輥重型機(jī)械齒輪◆粗大的奧氏體晶粒2、鑄鋼的組織特征和熱處理退火或正火處理→細(xì)小的珠光體和鐵素體1、碳素鑄鋼的化學(xué)成分和機(jī)械性能（表3-19）例：ZG230-450、ZG270-500、ZG310-570/ZG35“ZG”，“鑄鋼”；35，平均碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(萬(wàn)分?jǐn)?shù))。形成“魏氏組織”：冷卻時(shí)，鐵素體沿奧氏體晶界網(wǎng)狀析出，沿一定方向以片狀生長(zhǎng)，呈針狀插入珠光體內(nèi)，塑性和韌性下降，不能直接使用。第二節(jié)鑄鐵的金相檢驗(yàn)

鑄鐵是含碳量大于2.14%或組織中具共晶的鐵碳合金。工業(yè)上所用的鑄鐵，實(shí)際上都不是簡(jiǎn)單的鐵——碳二元合金，而是以鐵、碳、硅為主要元素的多元合金。3.3.2鑄鐵鑄鐵是含碳量大于2.11%并含有較多硅、錳、硫、磷等元素的鐵基合金。鑄鐵的生產(chǎn)設(shè)備和工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，優(yōu)良的使用性能和工藝性能，應(yīng)用非常廣泛。制造各種機(jī)器零件，如機(jī)床床身、床頭箱；發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸體、缸套、活塞環(huán)、曲軸、凸輪軸；軋輥及機(jī)器底座等1、碳的三種存在形式：①溶于α-Fe或γ-Fe中形成F或A；②形成滲碳體(Fe3C)；③游離態(tài)石墨(G)。石墨強(qiáng)度、硬度和塑性都很差。石墨為穩(wěn)定相。

滲碳體為亞穩(wěn)相，F(xiàn)e3C→3Fe+C

3.3.2鑄鐵（C＞2.11%）一、鑄鐵的的石墨化過(guò)程和特點(diǎn)石墨的晶體結(jié)構(gòu)——簡(jiǎn)單六方晶格亞穩(wěn)定平衡的Fe-Fe3C相圖和穩(wěn)定平衡的Fe-G相圖，鑄鐵中碳原子析出并形成石墨的過(guò)程稱為石墨化

石墨既可以從液體和奧氏體中析出，也可以通過(guò)滲碳體分解來(lái)獲得。2、鑄鐵的石墨化過(guò)程第一階段：≥1154℃

一次石墨：過(guò)共晶鑄鐵液體結(jié)晶

共晶石墨：L4.25A2.08+G(共晶)第二階段：1154℃～738℃

二次石墨：A→G第三階段:738℃

共析石墨：

A0.68→Fp’+G(共析)1154℃①溫度和冷卻速度緩慢冷卻，或在高溫下長(zhǎng)時(shí)間保溫，均有利于石墨化。影響石墨化的主要因素：②合金元素促進(jìn)石墨化的元素(C、Si、A1、Cu、Ni、Co等）阻礙石墨化的元素(Cr、W、Mo、V、Mn等)兩大類(lèi)。S強(qiáng)烈促進(jìn)白口化，控制＜0.15%生產(chǎn)中，調(diào)整碳、硅含量，是控制鑄鐵組織和性能的基本措施。

3、鑄鐵的組織特征和分類(lèi)名稱石墨化程度顯微組織第一階段第二階段第三階段灰口鑄鐵充分進(jìn)行充分進(jìn)行充分進(jìn)行充分進(jìn)行充分進(jìn)行充分進(jìn)行充分進(jìn)行部分進(jìn)行不進(jìn)行F+GF+P+GP+G麻口鑄鐵部分進(jìn)行部分進(jìn)行不進(jìn)行Le’+P+G白口鑄鐵不進(jìn)行不進(jìn)行不進(jìn)行Le’+P+Fe3C表3-20鑄鐵經(jīng)不同程度石墨化后所得到的組織根據(jù)石墨形態(tài)：普通灰口鑄鐵

片狀；可鍛鑄鐵

團(tuán)絮狀；球墨鑄鐵

球狀；蠕墨鑄鐵

蠕蟲(chóng)狀。鑄鐵組織：石墨和基體（F、P、F+P）球狀石墨各種鑄鐵的石墨形態(tài)（未腐蝕）片狀石墨団絮狀石墨蠕蟲(chóng)狀石墨由于石墨的存在，使鑄鐵具備下列特殊性能：①優(yōu)良的切削加工性；②鑄造性能好；③減磨性及耐磨性很高；④優(yōu)異的消振性；⑤低的缺口敏感性。4、鑄鐵的性能特點(diǎn)石墨相當(dāng)于鋼基體上的裂紋或空洞，它減小基體的有效截面，并引起應(yīng)力集中。石墨對(duì)基體的嚴(yán)重割裂致灰口鑄鐵的抗拉強(qiáng)度和塑性都很低。壓縮強(qiáng)度不受影響二、常用的鑄鐵1、灰口鑄鐵（80%）（1）牌號(hào)“HT”—“灰鐵”，數(shù)字—最低抗拉強(qiáng)度。HT100、HT200、HT300（表3-22）性能：強(qiáng)度較低，韌性較差應(yīng)用：承壓件，如床身，機(jī)架，箱體，缸體，殼體等Ｆ、Ｐ和Ｆ+Ｐ三種基體圖3-14灰口鑄鐵的顯微組織F+G片F(xiàn)+P+G片P+G片石墨片的三維形貌（2）影響灰鑄鐵組織和性能的因素②冷卻速度:鑄件壁厚越薄，冷速越快，越易形成白口鐵①化學(xué)成分:控制化學(xué)成分是控制鑄鐵組織和性能的基本方法主要C（2.5~4.0%）、Si（1.0~2.0%）。碳過(guò)低，易出現(xiàn)白口，使機(jī)械性能、鑄造性能較低；碳過(guò)高，石墨過(guò)多且粗大，降低鑄件的性能和質(zhì)量；Mn（0.5～1.4%）：溶于F和Cm，增強(qiáng)Fe、C結(jié)合力，↑A區(qū)，阻止石墨化，促進(jìn)P基體的形成。生成MnS;P：↓強(qiáng)度(0.12%)，↑耐磨性(0.3%);S(0.15%):有害，強(qiáng)烈促進(jìn)白口化。不同C+Si含量，不同壁厚（冷卻速度）鑄件的組織（3）孕育鑄鐵經(jīng)孕育處理（變質(zhì)處理）后的灰鑄鐵叫孕育鑄鐵。

孕育的目的：獲得細(xì)小均勻的石墨片，細(xì)化基體組織，提高強(qiáng)度和硬度常用的孕育劑:硅鐵和硅鈣合金、碳類(lèi)孕育處理前孕育處理后b．消除鑄件白口、降低硬度的退火（高溫退火）在共析溫度以上進(jìn)行，使?jié)B碳體分解成石墨；c．表面淬火高頻、火焰、激光，50HRC~55HRC（4）灰鑄鐵的熱處理及應(yīng)用a．去應(yīng)力退火（人工時(shí)效）

500℃～550℃，防止變形和開(kāi)裂消除鑄件內(nèi)應(yīng)力、改善切削加工性能和提高表面耐磨性。船用柴油機(jī)汽缸體(HT-300)鑄鐵的分類(lèi)鑄鐵中的碳可以以滲碳體的形式存在，也可以石墨的形式存在。根據(jù)碳在鑄鐵中的存在形態(tài)的不同，通?？蓪㈣T鐵分為白口鐵、灰口鑄鐵和麻口鑄鐵。而根據(jù)鑄鐵中石墨的形態(tài)不同，又可分為普通灰口鑄鐵，蠕蟲(chóng)狀石墨鑄鐵，球墨鑄鐵以及可鍛鑄鐵。二、灰鑄鐵

1．灰口鑄鐵的石墨類(lèi)型灰口鑄鐵中石墨的大小、數(shù)量和分布對(duì)機(jī)械性能有很大的影響。為了便于比較，對(duì)鑄鐵中石墨進(jìn)行了分類(lèi)評(píng)級(jí)，我國(guó)按石墨的形成原因和分布特征，將其分為A、B、C、D、E和F六種類(lèi)型

A型石墨：

石墨片的尺寸和分布都比較均勻，且無(wú)方向性。這種石墨是碳當(dāng)量為共晶成份或接近共晶成分的鐵水在共晶溫度范圍內(nèi)從鐵水中和奧氏體同時(shí)析出的，其生成條件是具有較小的過(guò)冷度，這樣才能造成均勻生核和長(zhǎng)大，使各處的結(jié)晶和生長(zhǎng)速度相差不大，最后得到大小和分布均勻的A型石墨。

A型石墨100×

B型石墨：

點(diǎn)狀石墨被卷曲的片狀石墨所包圍，無(wú)方向性，具有菊花形態(tài)。稱為菊花狀石墨。這類(lèi)石墨的特點(diǎn)是由于過(guò)冷度較大，首先從液相中析出細(xì)小的樹(shù)枝狀?yuàn)W氏體，接著在樹(shù)枝的間隙中產(chǎn)生奧氏體與石墨共晶，這時(shí)的石墨片分枝多而密，形成菊花中心的點(diǎn)狀石墨。但是，因?yàn)椴皇窃诜浅?qiáng)烈的過(guò)冷條件下結(jié)晶，在初晶產(chǎn)物放出結(jié)晶潛熱的條件下減慢了包圍著初晶產(chǎn)物外層的鐵水的結(jié)晶速度，而且又只能由沿著初生產(chǎn)物向外呈放射狀的方向通過(guò)液體金屬進(jìn)行散熱。所以外層石墨生長(zhǎng)成為較粗大的曲片形，大致呈放射狀分布，直至遇到鄰近的共晶團(tuán)為止。這類(lèi)石墨常在碳、硅含量較高，過(guò)冷度較大的亞共晶灰鑄鐵中出現(xiàn)，B型石墨由于呈聚集分布，因而使鑄鐵的強(qiáng)度有所降低。B型石墨100×C型石墨：

是由大片狀的初生石墨與較細(xì)小的共晶石墨所組成。石墨大小相差很大，但分布比較均勻，無(wú)方向性。這種類(lèi)型的石墨主要出現(xiàn)在過(guò)共晶程度較大，冷卻速度較慢的厚壁鑄件中，由于緩慢冷卻，共晶結(jié)晶前形成的初生石墨在鐵水中能充分長(zhǎng)大，形成粗片狀石墨。隨著初生石墨的析出，鐵水的含碳量逐漸降低，在共晶溫度下，具有共晶成分的鐵水發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變而析出共晶石墨，結(jié)果形成粗片狀的初生石墨和細(xì)小的共晶石墨片混雜分布的形式。粗大石墨片的存在，使鑄鐵的機(jī)械性能顯著降低。

C型石墨100×D型石墨：

點(diǎn)狀與小片狀的石墨無(wú)方向性的分布。它是在較大過(guò)冷條件下生成的共晶石墨。這類(lèi)石墨往往出現(xiàn)在碳、硅含量較低，過(guò)冷度較大的亞共晶灰口鑄鐵中。結(jié)晶時(shí)，首先形成樹(shù)枝狀的奧氏體，由于過(guò)冷度較大，分布于枝晶間隙中的剩余鐵水發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變時(shí)，幾乎同時(shí)生成大量的石墨核心，這些石墨核心只能作微小的生長(zhǎng)，產(chǎn)生多而密的分枝，所以在顯微鏡下，石墨呈點(diǎn)。片狀分布在奧氏體的樹(shù)枝間隙中，除了低碳和強(qiáng)烈過(guò)冷外，鐵水過(guò)熱也是D型石墨生成的條件。因?yàn)檫^(guò)熱會(huì)使石墨生成的核心減少，石墨結(jié)晶困難，需要有較大的過(guò)冷度。這類(lèi)石墨由于密集分布，也使機(jī)械性能有所下降。D型石墨100×

E型石墨：

在初生奧氏體的晶間分布著有方向性的短片石墨，其特征和成因與D型石墨基本相同，只是E型石墨的分布具有明顯的方向性。在實(shí)際生產(chǎn)中，D型和E型石墨通常不作嚴(yán)格區(qū)分，分稱D、E型石墨，也稱過(guò)冷石墨或枝晶石墨。E型石墨因分布的方向性較強(qiáng)，它對(duì)機(jī)械性能的影響也較D型石墨大一些。

E型石墨100×

F型石墨：

其特點(diǎn)是星狀（或蜘蛛狀）與短片狀石墨混合均勻布，F(xiàn)型石墨是過(guò)共晶鐵水在較大過(guò)冷度的條件下形成的。大塊的為初生石墨，片狀石墨在其上生長(zhǎng)。F型石墨100×灰口鑄鐵的基體組織

實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用的灰口鑄鐵主要是以珠光體為基體的，隨著基體中珠光體含量的增加和細(xì)化，鑄鐵的強(qiáng)度、硬度和耐磨性提高。珠光體的細(xì)化程度與奧氏體的成分、晶粒度、分解溫度有關(guān)，灰口鑄鐵中珠光體類(lèi)型組織的形成過(guò)程與鋼相似，不再重述?；铱阼T鐵的基體組織為鐵素體、鐵素體＋珠光體、珠光體組織?；诣T鐵正火400×鐵素體＋片狀石墨灰鑄鐵鑄態(tài)400×珠光體＋鐵素體＋片狀石墨灰鑄鐵退火400×珠光體＋片狀石墨

磷共晶：

鑄鐵經(jīng)常含有較多的磷，它在奧氏體或鐵素體中溶解度很??；在古陶純鐵中的溶解12%，而含碳3.5%的鑄鐵中只能溶解0.3%。再加上結(jié)晶偏析的結(jié)果。雖然含磷量比上述數(shù)值小，也總有磷共晶出現(xiàn)。鑄鐵中含有0.1%磷，組織中就會(huì)出現(xiàn)1%的二元磷共晶。但鑄鐵中的磷共晶往往既有二元的也有三元的，有時(shí)還有碳化物組成磷共晶—碳化物復(fù)合物，其數(shù)量超過(guò)鑄鐵中磷含量的10倍，主題中促進(jìn)石墨的因素，大多促進(jìn)二元磷共晶的生成，促進(jìn)碳化物形成的因素，則促進(jìn)三元磷共晶的生成。二元磷共晶：由磷化三鐵和點(diǎn)狀鐵素體多成；三元磷共晶：由磷化三鐵，碳化三鐵和點(diǎn)狀鐵素體所組成；磷共晶——碳化物復(fù)合物，在二元或三元磷共晶上鑲有較大的碳化物條或塊。經(jīng)硝酸酒精溶液浸蝕后，磷共晶為白亮的，磷化三鐵的基體上發(fā)表著粒狀鐵素體，有時(shí)粒狀呈魚(yú)骨狀規(guī)則地排列在基體上。二元磷共晶500×三元磷共晶500×

三元磷共晶＋復(fù)合磷共晶500×

金相圖譜比對(duì)灰鐵A+25%B85%B+AA型石墨A+35%D

65%D+25%E+A55%E+AA+10%F

三、球墨鑄鐵

球墨鑄鐵的組織是由球狀石墨和金屬基體所組成。石墨球通常是孤立地分布在金屬基體中的、石墨的圓整度越好、球徑越小，分布越均勻，則球墨鑄鐵的機(jī)械性能亦越高，球墨鑄鐵的基體組織在鑄態(tài)下變化較大，一般很難獲得單一的基體組織，其組織：“珠光體+鐵素體+球狀石墨”。球墨鑄鐵石墨呈球狀，綜合機(jī)械性能接近鋼且鑄造性好，成本低廉；（1）球墨鑄鐵的成分和球化處理成分要求比較嚴(yán)格：

3.6~3.9%C，2.2~2.8%Si，0.6~0.8%Mn,＜0.07%S，＜0.1%P球化處理必須伴隨著孕育處理球化劑（稀土鎂），石墨球化孕育劑（硅鐵和硅鈣），石墨球細(xì)小、均勻分布圖3-16球墨鑄鐵的顯微組織例：QT420-10、QT600-2、QT800-2“QT”，球鐵，最低抗拉強(qiáng)度和延伸率。（2）球墨鑄鐵的牌號(hào)、組織和性能性能特點(diǎn)：抗拉強(qiáng)度高，屈強(qiáng)比高，疲勞強(qiáng)度較好牌號(hào)基體機(jī)械性能bMPa0.2MPa5%akkJ/m2HBQT400-17F40025017600179QT420-10F42027010300207QT500-5F+P5003505－147-241QT600-2P6004202－229-302QT700-2P7004902－229-302QT800-2P8005602－241-321QT1200-1下B1200840130038HRC可用球鐵代替鋼制造某些重要零件，如曲軸、連桿、凸輪軸、軋輥等。(3)球墨鑄鐵的熱處理退火：Ｆ，高溫退火或低溫退火正火：Ｐ，并細(xì)化組織，提高強(qiáng)度和耐磨性高溫正火(完全A化)和低溫正火(不完全A化)調(diào)質(zhì)：回火Ｓ，好的綜合性能等溫淬火：下Ｂ，高強(qiáng)度及良好的塑韌性球墨鑄鐵管道接口

球墨鑄鐵鑄態(tài)400×珠光體＋球狀石墨

球墨鑄鐵的組織可以看成是鋼的組織加球狀石墨所組成，而機(jī)械性能又主要取決于金屬基體，因此，像鋼一樣，通過(guò)熱處理可以改變其基體組織，從而顯著地改善球墨鑄鐵的性能。球墨鑄鐵雖然碳含量比鋼高得多，但通過(guò)熱處理控制其不同的石墨化程度、不僅可以獲得類(lèi)似于低碳鋼的鐵素體基體和類(lèi)似于中、高碳鋼的鐵素體+珠光體，甚至珠光體基體組織，而且還可以獲得不同相對(duì)量和形態(tài)的鐵素體+珠光體基體組織。因此，球墨鑄鐵熱處理后，即可獲得相當(dāng)于低碳鋼的機(jī)械性能，又可獲得相當(dāng)于中、高碳鋼的機(jī)械性能，這是鋼的熱處理所達(dá)不到的。此外等溫淬火是目前發(fā)揮球墨鑄鐵材料潛力最有效的一種熱處理方法，球墨鑄鐵等溫淬火后，可以獲得高強(qiáng)度或超強(qiáng)度，同時(shí)具有較高的塑性韌性和具備良好的綜合機(jī)械性能及耐磨性，還有熱處理變形小的特點(diǎn)。所以，經(jīng)適當(dāng)?shù)牡葴靥幚淼那蚰T鐵可以滿足日益發(fā)展的高速、大馬達(dá)、受力復(fù)雜機(jī)件的性能要求，從而擴(kuò)大了球墨鑄鐵的使用范圍。調(diào)質(zhì)處理后的球墨鑄鐵，具有較好的綜合機(jī)械性能，而熱處理工藝及設(shè)備則比等溫淬火簡(jiǎn)單，且被切割加工性比較好，球墨鑄鐵經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，組織為素氏體+球狀石墨，可代替部分鑄鋼和鍛鋼制造一些重要的結(jié)構(gòu)零件，如連桿、曲軸等。對(duì)球墨鑄鐵進(jìn)行感應(yīng)加熱表面淬火，使它們除具有良好的綜合機(jī)械性能外，同時(shí)工作表面具有較高的硬度和耐磨性以及疲勞強(qiáng)度。根據(jù)某些球墨鑄鐵件往往需要在強(qiáng)烈的磨損或在氧化、腐蝕介質(zhì)的條件下工作的需要，必須進(jìn)行化學(xué)熱處理，如：氮化、軟氮化、滲硼等。球墨鑄鐵退火態(tài)400×鐵素體＋球狀石墨

球墨鑄鐵正火態(tài)400×珠光體＋鐵素體＋球狀石墨

球墨鑄鐵金相圖譜

四、蠕墨鑄鐵

蠕墨鑄鐵的石墨形態(tài)是蠕蟲(chóng)狀和球狀石墨共存的混合形態(tài)，蠕蟲(chóng)狀石墨是介于片狀石墨和球狀石墨之間的中間石墨形態(tài)。其基體組織為鐵素體，其力學(xué)性能介于灰鑄鐵與球墨鑄鐵之間，其鑄造性能比球墨鑄鐵好，與灰鑄鐵接近。因此形狀復(fù)雜的鑄鐵也能用蠕墨鑄鐵制造。蠕墨鑄鐵牌號(hào)RuT300、RuT420RuT，蠕鐵；最低抗拉強(qiáng)度蠕化劑（鎂鈦合金）組織：蠕蟲(chóng)狀，短片較鈍蠕墨鑄鐵新型高強(qiáng)鑄鐵材料。強(qiáng)度接近于球墨鑄鐵，一定的韌性、較高的耐磨性；和灰口鑄鐵一樣的良好的鑄造性能和導(dǎo)熱性。

蠕蟲(chóng)狀石墨＋金屬基體100×蠕墨鑄鐵金相圖譜

五、可鍛鑄鐵可鍛鑄鐵的生產(chǎn)過(guò)程是先澆注成白口鑄鐵件，然后再退火成灰口組織?？慑戣T鐵中的石墨呈團(tuán)絮狀分布,對(duì)金屬基體的割裂和破壞較小、石墨尖端引起的應(yīng)力集中小，金屬基體的強(qiáng)度、塑性及韌性可較大程度地發(fā)揮作用。故可鍛鑄鐵的機(jī)械性能比灰鑄鐵高、特別是塑性、韌性要高得多?？慑戣T鐵中的團(tuán)絮狀石墨數(shù)量愈少、外形越規(guī)則，分布愈細(xì)小均勻，其機(jī)械性能愈多?？慑戣T鐵的機(jī)械性能除與石墨團(tuán)的形狀、大小、數(shù)量和分布有關(guān)外、還與金屬基體的組織有很大的關(guān)系，可鍛鑄鐵的基體有鐵素體基體和珠光體基體兩種，鐵素體基體具有一定的強(qiáng)度和較多的塑性與韌性，主要用作承受沖擊和震動(dòng)的鑄件。珠光體基體具有高的強(qiáng)度、硬度和耐磨性以及一定的塑性、韌性，主要用以要求高強(qiáng)度、硬度、耐磨的鑄件。由白口鑄鐵通過(guò)退火處理得到的較高的強(qiáng)度、塑性和沖擊韌性，不可鍛，部分代替碳鋼石墨→團(tuán)絮狀

可鍛鑄鐵牌號(hào)KT350-10，Ｆ可鍛鑄鐵；KTZ600-3，Ｐ可鍛鑄鐵

可鍛鑄鐵常用來(lái)制造形狀復(fù)雜、承受沖擊和振動(dòng)載荷的薄壁零件，如輪轂，減速器殼、汽車(chē)拖拉機(jī)的后橋外殼、管接頭、低壓閥門(mén)等。