01 定義
鑄鐵是指碳的質量分數大于2.14%或者組織中具有共晶組織的鐵碳合金。工業上所有的鑄鐵是以鐵、碳、硅為主要元素的多元合金。鑄鐵的成分范圍大致為w(C)=2.4~4.0%,w(Si)=0.6~3.0%,w(Mn)=0.2~1.2%,w(P)=0.04~1.2%,w(S)=0.04~0.20%及其他合金元素。
鑄鐵中的碳可能以滲碳體(Fe3C)或石墨兩種獨立的形式存在。
鐵-碳合金雙重相圖
G-石墨;Fe3C-滲碳體
鑄鐵分類
鑄鐵分類及牌號
鑄鐵的分類方法較多,可按鑄鐵的使用性能、斷口特征或成分特征進行分類,較常用和方便的是分為七大類。
鑄鐵的分類及組織特征
根據《GB/T 5612-2008 鑄鐵牌號表示方法》規定將鑄鐵分為5類。
灰鑄鐵(Grey cast iron)是指石墨呈片狀分布的鑄鐵,因斷裂時斷口呈暗灰色,故稱為灰鑄鐵。其產量約占鑄鐵總產量的80%以上。
球墨鑄鐵(Ductile iron)是指鐵液經球化劑處理后,石墨呈球狀的鐵碳合金。
蠕墨鑄鐵(Compacted graphite iron)是指碳主要以蠕蟲狀石墨析出存在于金屬基體之間的鑄鐵材料。
可鍛鑄鐵(Malleable cast iron)是將一定成分的白口鑄鐵毛坯,經退火熱處理而獲得的一種高強度鑄鐵且具有良好的塑性和韌性的鑄鐵。目前我國生產的可鍛鑄鐵絕大部分為黑心可鍛鑄鐵。
白口鑄鐵(White cast iron)是指化學成分中的碳以碳化物形式存在、鑄態組織不含石墨、斷口呈白色的鑄鐵。根據化學成分中的合金元素含量,白口鑄鐵分為3類:普通白口鑄鐵(只含C、Si、Mn、P、S)、低合金白口鑄鐵(w合金元素<5%)、高合金白口鑄鐵(w合金元素>5%)。
鑄鐵牌號
鑄鐵基本代號由表示該鑄鐵特征的漢語拼音字的第一個大寫正體字母組成,當兩種鑄鐵名稱的代號字母相同時,可在該大寫整體字母后加小寫正體字母來區別。
當要表示鑄鐵的組織特征或特殊性能時,代表鑄鐵組織特征或特殊性能的漢語拼音字的第一個大寫正體字母排列在基本代號的后面。
以化學成分表示的鑄鐵牌號
當以化學成分表示鑄鐵的牌號時,合金元素符號及名義含量(質量分數)排列在鑄鐵代號之后;在牌號中常規C、Si、Mn、S、P元素一般不標注,有特殊作用時,才標準其元素符號及含量;合金化元素的含量大于或等于1%時,在牌號用整數標注,數值的修約按GB/T 8170執行,小于1%時一般不標注,只有對該合金特性有較大影響時,才標注其合金元素符號;合金化元素按其含量遞減次序排列,含量相等時按元素符號的字母順序排列。
以力學性能表示的鑄鐵牌號
當以力學性能表示鑄鐵的牌號時,力學性能值排列在鑄鐵代號之后,當牌號中有合金元素符號時,抗拉強度值排列于元素符號及含量之后,之間用“-”隔開;牌號中代號后面有一組數字時,該組數字表示抗拉強度值,單位為MPa;當有兩組數字時,第一組表示抗拉強度值,單位為MPa,第二組表示伸長率值,單位為%,兩組數字間用“-”隔開。
鑄鐵牌號結構示例1
鑄鐵牌號結構示例2
鑄鐵牌號結構示例3
各種鑄鐵名稱及代號
Source:《GB/T 5612-2008 鑄鐵牌號表示方法》
灰鑄鐵中外牌號對照
球墨鑄鐵中外牌號對照
各元素在鑄鐵中存在的狀態
元素與組織
Source:《中國材料工程大典 第18卷 材料鑄造成形工程(上)》
常用元素在鑄鐵中的具體作用
碳是形成石墨的元素,也是促進石墨化的元素。含碳量越高,析出的石墨就越多、越粗大,而基體中的鐵素體含量增多,珠光體減少;反之,石墨減少且細化。
硅是強烈促進石墨化的元素。若鑄鐵中硅含量過少,即使含碳量很高,石墨也很難形成。硅除能促進石墨化外,還可改善鑄造性能,如提高鑄鐵的流動性、降低鑄件的收縮率等。
硫在生鐵中是有害元素,它強烈阻止石墨的形成,它促使鐵與碳的結合,使鐵硬脆,并與鐵化合成低熔點的硫化鐵,使生鐵產生熱脆性和降低鐵液的流動性,固含硫高的生鐵不適于鑄造細件。鑄造生鐵中硫的含量規定最多不得超過0.06%(車輪生鐵除外)。
磷屬于有害元素,但磷可是鐵水的流動性增加。磷的存在可使鐵增加硬脆性,優良的生鐵含磷量應少,有時為了要增加流動性,含磷量可達1.2%。
常用合金元素在鑄鐵中的具體作用
Source:《中國材料工程大典 第18卷 材料鑄造成形工程(上)》(2005)
微量元素在鑄鐵中的具體作用
Source:《鑄鐵牌號與金相圖譜速用速查及金相檢驗技術創新應用指導手冊》(2005)
各類鑄鐵的金相組織
灰鑄鐵的金相組織由金屬基體和片狀石墨組成。金屬基體的種類主要由珠光體、鐵素體及珠光體+鐵素體。石墨片以不同的數量、大小、形狀分布于基體中。此外還有少量非金屬夾雜物,如硫化物、磷化物。
灰鑄鐵金相組織
各灰鑄鐵牌號的金相組織
石墨
國標中將灰鑄鐵的石墨形態分為6種。
灰鑄鐵石墨類型及說明
Source:《GB/T 7216-2009 灰鑄鐵金相檢驗》、《灰鑄鐵中石墨的分類及檢驗》
A型(直片狀)石墨是亞共晶灰鐵在較高共晶度(碳飽和度或碳當量)且過冷度不大時的正常、均勻分布也是最常見的石墨組織,它對金屬的割裂作用較低同時具有這種石墨的鑄鐵珠光體含量高,故強度和耐磨性好。通常,A型石墨應占石墨總量的90%以上。
A型石墨
B型(玫瑰花狀)石墨常出現在高共晶度(接近共晶點)同時過冷度大的灰鐵中,因過冷度大使開始形成的細小石墨共晶生長較快且呈輻射狀,隨即因結晶潛熱的釋放生長變慢而呈條狀,最終長成的石墨的立體形狀近似玫瑰花,其心部石墨細小且密集因此導致鐵素體的產生,故對鑄鐵性能不利。通常允許有少量B型石墨存在。
B型石墨
C型(粗大厚片或塊狀)石墨是過共晶灰鐵的典型石墨。因為是在液態下生成的初析厚大石墨且往往相互連接或相距極近,加以周圍常為鐵索體(因碳硅量高,共析轉變按穩定平衡模式進行),故鑄鐵的性能大幅度下降。因為灰鑄鐵大都是亞共晶的,故任何級別的灰鐵中都不允許有C型石墨出現(活塞環和某些制動鼓盤除外)。但要注意的是有的沖天爐鐵液熔煉溫度不高又用低牌號生鐵時,也會出現類似于C型的粗大石墨。
C型石墨
D型(枝晶點狀)石墨大都出現在共晶度低和(或)過冷度大的鑄鐵組織中,例如鑄件薄斷面或高強度(級別)鑄件較薄的組織中。因為產生的原因是鐵液過冷度大,故又稱為過冷石墨,過冷石墨常伴生過冷鐵素體加以其分布不均(呈枝晶點狀)故對鑄鐵性能不利。在鑄件較薄的部位一般允許有不超過5%的過冷石墨存在。在高牌號鑄件生產中常常選擇低的碳當量來保證獲得奧氏體樹枝晶和D型石墨,從而提高強度。
D型石墨
E型(枝晶片狀)石墨也是一種過冷石墨,是在過冷度比產生D型石墨更大時形成的,因此其分布更不均,方向性也更明顯,對鑄鐵的性能也更加不利。E型石墨存在于碳含量較低的亞共晶成分的鑄件中,鐵液凝固時,先析出樹枝狀奧氏體初晶,余下的鐵液發生共晶轉變,一部分轉變為D型或A型,另一部分在奧氏體的二次分枝間呈方向性排列即為E型。E型石墨是亞共晶鐵液在比形成D型石墨更小的過冷度下形成的,所以石墨片較D型要長。E型石墨不會單獨出現,它常同D型、A型石墨共生。一般一個金相視場中E型石墨所占面積比例不超過20%。E型石墨使鑄件性能呈方向性,生產中應加以控制。
E型石墨
F型(星形)石墨,同C型石墨一樣,F型石墨也是初生石墨,是過共晶成分的鐵液在很大的過冷度下形成的(C型石墨是在小的過冷度下形成的),常出現在高碳薄壁鑄件中。由于是過共晶成分,所以鐵液冷卻時析出初生石墨,又由于冷卻太快,初生相不易長大,而是分叉生長成星狀,然后剩余液相發生共晶轉變,一般生成A型。F型石墨在通常鑄件中很難見到,在活塞環等高碳鑄件上常出現;另外,添加合金硼的鑄件上常會出現F型石墨。
F型石墨
基體
灰鑄鐵的金屬基體與碳鋼相比一般明顯區別,但由于灰鑄鐵內的Si、Mn含量較高,其能溶解于鐵素體中使鐵素體得到強化,硅的作用更大些。因此鑄鐵中的金屬基體部分的強度性能比碳鋼的要高。
珠光體的數量和分散度與鑄鐵共析轉變時的過冷度有關。過冷度越大(如降低碳當量,增加冷卻速度),則珠光體的比例越高,分散度也越大。普通灰鑄鐵的金屬基體是由珠光體與鐵素體按不同比例組成,其分布特征是鐵素體大多出現在石墨的周圍,高強度灰鑄鐵則主要是珠光體基體或索氏體基體。此時,滲碳體與鐵素體的片間距很小(一般小于0.3~0.8 μm),要放大400倍以上才能分辨出來。由于這種層狀組織排列緊密,因此其σb及硬度值也就較高。
球墨鑄鐵是指用球化劑處理鐵液后,石墨呈球狀的鑄鐵。球墨鑄鐵的正常組織是細小且圓整的石墨球加金屬基體。在鑄態條件下,金屬基體通常是鐵素體與珠光體的混合組織,由于二次結晶條件的影響,鐵素體通常位于石墨球的周圍,通過不同的熱處理手段,可很方便地調整球墨鑄鐵的基體組織,以滿足各種服役條件的要求。
球墨鑄鐵的金相組織:G+F體、G+P體、G+F體+P體等,直接決定這球狀鑄鐵的力學性能。
球墨鑄鐵金相組織
石墨
球狀石墨外貌近似球形,內部呈放射狀,有明顯的偏光效應。經深腐蝕顯露出的球狀石墨的立體形貌,可在SEM下直接觀察。經透射電鏡(TEM)觀察表明,石墨球是由許多角錐體組成的多晶體,石墨球面則是由許多石墨基面(0001)沿切面排列組成,每個角錐體的基面垂直于石墨球的直徑,石墨的C軸呈輻射狀指向球心。
石墨球模型
球墨鑄鐵中允許出現的石墨形態,除了主要是球狀石墨以外,還可以有少量的非球狀石墨,如團狀、團絮狀。根據《GB/T 9441-2009》規定,石墨為球狀(Ⅵ型)和團狀(V型)石墨個數所占石墨總數的百分比作為球化率,將球化率分為6級。石墨大小也分為6級。
石墨分類示意圖(V型是團狀,Ⅵ型是球狀)
球墨鑄鐵球化分級
球化分級 | 球化率/% |
1級 | ≥95 |
2級 | 90 |
3級 | 80 |
4級 | 70 |
5級 | 60 |
6級 | 50 |
基體
球墨鑄鐵的基體組織一般有以下6種類型:
(1)基體中含有80%以上的鐵素體,而其余部分是珠光體。具有這種基體組織的球墨鑄鐵最軟,強度也比較低,但是韌性很好,可以抵抗沖擊力的作用。
(2)基體中含有20%～50%的珠光體組織,其余部分是鐵素體。
(3)基體中含有50%～90%的珠光體組織,其余部分都是鐵素體組織。
(4)含有90%以上的珠光體,余下的小部分(10%以下)是鐵素體,具有這種組織的球墨鑄鐵,強度最好,軟硬也適宜,這是最希望得到的組織。
(5)基體中除了含有珠光體和鐵素體組織外,還有萊氏體組織,萊氏體所占的比例在10%～20%,它散布在基體的各個部分。萊氏體很硬、很脆,它的含量越多,球墨鑄鐵也就越硬、越脆。
(6)基體組織中全部是萊氏體和珠光體,而且萊氏體已經在整個基體組織中占據著主要地位,具有這種組織的球墨鑄鐵,硬到很難加工,而且很脆,根本達不到球墨鑄鐵應有的性能。
鐵素體多以分散分布塊狀及網狀形式存在。
在球墨鑄鐵中,珠光體的形態一般分為4種:粗片狀珠光體、中片狀珠光體、細片狀珠光體和粒狀珠光體。球墨鑄鐵基體組織中珠光體數量增多,鐵素體量減少,可使球墨鑄鐵的強度提高而伸長率下降。
當球墨鑄鐵成分中含有較多穩定奧氏體元素如Ni、Mn時,在鑄態下即可獲得奧氏體基體;鑄鐵經奧氏體化處理后在上貝氏體轉變溫度等溫淬火,可形成上貝氏體+高碳奧氏體組織(30%~40%)。上貝氏體為羽毛狀組織,由晶界向晶內平行排列,奧氏體分散分布在晶界附近;鑄鐵經奧氏體化處理后在下貝氏體轉變溫度等溫淬火,可形成下貝氏體、殘余奧氏體及馬氏體,石墨周圍以下貝氏體為主,呈細針狀交叉分布,比淬火馬氏體細,且易受浸蝕,遠離石墨在晶界附近分布少量奧氏體及馬氏體。
當球墨鑄鐵經奧氏體化加熱后,快速冷卻至Ms點以下,所獲得的組織淬火馬氏體,呈白色針葉狀交叉或成排分布;淬火馬氏體經230~350℃低溫回火后的組織為回火馬氏體,易受浸蝕,呈墨色針葉狀;淬火馬氏體經350~500℃中溫回火后組織為回火托氏體;淬火馬氏體經500~650℃高溫回火(調質處理)后的組織為回火索氏體。
磷共晶在球墨鑄鐵中的危害遠比灰鑄鐵中大,它使鑄鐵的硬度提高,而塑性和韌性大幅度降低。因此在球墨鑄鐵中應降低磷共晶體的數量。
滲碳體在球墨鑄鐵中呈針狀、條狀或以萊氏體存在,易使球墨鑄鐵變脆,因此生產中應盡量避免其出現。
牛眼鐵素體
各球墨鑄鐵牌號的主要基體組織
蠕墨鑄鐵的金相組織中具有蠕蟲狀石墨。鑄鐵液經蠕化處理后可得到具有蠕蟲狀石墨的蠕墨鑄鐵,方法為澆注前向鐵液中加入蠕化劑,促使石墨呈蠕蟲狀。蠕蟲狀石墨的形態介于片狀與球狀之間,所以蠕墨鑄鐵的力學性能介于灰鑄鐵和球墨鑄鐵之間,其鑄造性能、減振性和導熱性都優于球墨鑄鐵,與灰鑄鐵相近。
蠕墨鑄鐵顯微組織
石墨
蠕墨鑄鐵的石墨形態是蠕蟲狀和球狀石墨共存的混合形態。蠕蟲狀石墨是介于片狀石墨及球狀石墨之間的中間狀態類型石墨,她既有在共晶團內部石墨互相連續的片狀石墨的組織特征,又有石墨頭部較圓、其位向特點和球狀石墨相似的特征。用掃描電子顯微鏡對其立體形貌進行觀察,可見石墨的端部具有明顯的螺旋生長特征,這與球狀石墨的表面形貌相類似,但在石墨的枝干部分,有類似于片狀石墨的層疊狀結構。蠕墨鑄鐵的力學性能和物理性能取決于石墨的蠕化狀態及基體組織等因素,其中尤以石墨的蠕化狀態影響最大。
亞共晶燭蠕墨鑄鐵的蟲狀雛晶(Ni-P定蹤法)
蠕墨鑄鐵中的石墨的主要為蠕蟲狀石墨(Ⅲ型),以及少量球狀石墨(Ⅵ型)和團狀、團絮狀石墨(Ⅳ、Ⅴ型)存在,不允許出現片狀和細片狀石墨(Ⅰ、Ⅱ型)。
蠕化率是評定石墨是否受到良好蠕化的指標。根據《GB/T 26656-2011 蠕墨鑄鐵金相檢驗》,蠕化率分為8級,蠕化率按面積法計算:
蠕化率=[(∑A蠕蟲狀石墨)+0.5∑A團狀、團絮狀石墨)/∑A每個石墨]×100%
式中A蠕蟲狀石墨—蠕蟲狀石墨顆粒的面積,A團狀、團絮狀石墨—團狀、團絮狀石墨顆粒的面積,A每個石墨—每個石墨顆粒。
蠕蟲狀石墨的三維形態(SEM)
蠕蟲狀石墨共晶團
基體
蠕墨鑄鐵的基體組織在鑄態下具有較高的鐵素體含量(體積分數常有40%~50%或更高),這主要是由于石墨的特征及元素偏析分布的特點所造成,可通過加入穩定珠光體元素使鑄態的珠光體體積分數提高到70%左右,如再進行正火處理,可使珠光體體積分數進一步提高到80%~85%。
各牌號蠕墨鑄鐵的主要基體組織
牌號 | 主要基體組織 |
RuT300 | 鐵素體 |
RuT350 | 鐵素體+珠光體 |
RuT400 | 珠光體+鐵素體 |
RuT450 | 珠光體 |
RuT500 | 珠光體 |
可鍛鑄鐵根據化學成分、熱處理工藝而導致的性能和金相組織的不同分為兩類,第一類:黑心可鍛鑄鐵和珠光體可鍛鑄鐵,黑心可鍛鑄鐵的金相組織主要是鐵素體基體+團絮狀石墨;珠光體可鍛鑄鐵的金相組織:主要是珠光體基體+團絮狀石墨;第二類:白心可鍛鑄鐵,白心可鍛鑄鐵的金相組織取決于斷面尺寸,一般是外層鐵素體+中心少量珠光體+團絮狀石墨。
可鍛鑄鐵表面區域、中間區域和心部區域的金相組織
可鍛鑄鐵金相組織
可鍛鑄鐵中的石墨形狀有球狀、團絮狀、絮狀、聚蟲狀和枝晶狀等5種。在可鍛鑄鐵中,石墨通常不以單一形狀出現。鑒于石墨形狀對力學性能的影響,分為5級,石墨分布分為3級,石墨顆數分為5級。
可鍛鑄鐵石墨形狀分類及特征
Source:《GB/T 25746-2010 可鍛鑄鐵金相檢驗》
通常可鍛鑄鐵的基體組織為鐵素體和珠光體,由淬火或等溫淬火獲得馬氏體或貝氏體基體的零件很少。鐵素體可鍛鑄鐵中珠光體殘余量分為5級。珠光體形狀有片狀和粒狀兩種,以片狀為常見。可鍛鑄鐵坯件經過高溫石墨化,滲碳體已全部或大部分分解。滲碳體殘余量的體積分數以2%為界,分為2級。
普通白口鑄鐵中一般不含或只含少量合金元素,其組織中不含石墨,僅由珠光體和滲碳體組成。較多情況下,普通白口鑄鐵的共晶組織是萊氏體,而有時候滲碳體是板條形。
碳化物是白口鑄鐵中的重要組成相,所占體積分數可高達40%左右,其類型、成分、數量、大小、形狀及分布對白口鑄鐵的性能有重要影響。一般M3C型碳化物為連續網狀或板狀形貌,而M7C3和M23C6型碳化物為條狀或條塊狀形貌。
白口鑄鐵金相組織
抗磨白口鑄鐵金相組織
Source:《GB/T 8263-2010 抗磨白口鑄鐵件》
性能
Φ30mm灰鑄鐵單鑄試棒的力學性能
Source:《GB/T 9439-2010 灰鑄鐵件》
球墨鑄鐵單鑄試樣的力學性能
Source:《GB/T 1348-2009 球墨鑄鐵件》
蠕墨鑄鐵力學性能
Source:《GB/T 26655-2011 蠕墨鑄鐵件》
黑心可鍛鑄鐵和珠光體可鍛鑄鐵的力學性能
Source:《GB/T 9440-2010 可鍛鑄鐵件》
白心可鍛鑄鐵的力學性能
Source:《GB/T 9440-2010 可鍛鑄鐵件》
抗磨白口鑄鐵的硬度
Source:《GB/T 8263-2010 抗磨白口鑄鐵件》
灰鑄鐵應用舉例
球墨鑄鐵應用舉例
蠕墨鑄鐵應用舉例
可鍛鑄鐵的應用舉例
