铸铁的成分、特性与应用领域概述

1）铸铁的成分和特性

铸铁是指wC大于2．11%，并含有较多Si、Mn、S、P的多元铁碳合金。常用铸铁的成分大致为：wC为2．5%～4．0%，wSi为1．0%～3．0%，wMn为0．5%～1．4%，wP为0．01%～0．5%，wS为0．02%～0．20%。可见，铸铁含C、Si、Mn、S、P比钢多。此外，有时还含有一定量的合金元素，如Cr、Mo、V、Cu、Al等。

与钢相比，铸铁的力学性能较低，强度、塑性、韧性比钢差，不能进行锻造，但它却具有优良的铸造性能，生产工艺及设备简单，价格低廉，还有良好的减摩性、耐磨性、消振性和切削加工性，以及缺口敏感性低等一系列优点。因此，铸铁广泛应用于机械制造、冶金、矿山、石油化工、交通等工业部门。此外，高强度铸铁和特殊性能的合金铸铁还可代替部分昂贵的合金钢和有色金属材料。据统计，按重量百分比计算，在农业机械中铸铁件占40%～60%；汽车、拖拉机中约占50%～70%；机床中约占60%～90%。

铸铁之所以具有这些特性，除了因为它具有接近共晶的成分、熔点低、流动性好、易于铸造外，还因为它的wC、wSi高，大部分的碳呈游离的石墨状态存在。

2）铸铁的石墨化

（1）Fe—Fe3C与Fe—C双重相图

石墨是碳的一种结晶体，具有六方晶格，见图5－36。原子呈层状排列，同一层晶面上碳原子间距为1．42×10－10 m，相互间呈共价键结合，结合力强。层与层之间的距离为3．40×10－10 m，原子间呈分子键结合，结合力较弱。因此，石墨结晶形态常易发展为片状，强度、硬度、塑性极低，接近于零。石墨的这些特性很大程度地影响着铸铁的性能。

实践证明，含C、Si较高的铁水在缓冷时，可自液相中直接析出石墨，渗碳体在高温长时间的停留也能分解为铁的固溶体和石墨。这表明，渗碳体是一个亚稳定的相，石墨才是稳定相。因此，描述铁碳合金的结晶过程应有两个相图：一个是Fe－Fe3C相图；一个是Fe－C（石墨）相图。把两者叠合在一起，如图5－37所示，即为Fe－Fe3C与Fe－C（石墨）双重相图。图中实线表示Fe－Fe3C相图，部分实线再加上虚线表示Fe－C相图。

图5－36　石墨的晶格结构

图5－37　Fe－Fe3C与Fe－C双重相图

（2）石墨化过程

石墨化过程是指铸铁中析出碳原子形成石墨的过程，亦即按Fe－C相图结晶的过程，亚共晶铸铁按Fe－C相图的结晶过程如图5－38所示。(www.xing528.com)

图5－38　亚共晶铸铁按Fe－C相图的结晶过程示意图

过共晶铸铁按Fe－C相图结晶过程的示意图如图5－39所示。

可将石墨化过程分为两个阶段。高于共析转变温度的石墨化过程叫石墨化第一阶段。它包括：从过共晶铁水中析出一次石墨，共晶转变中形成的共晶石墨，从奥氏体中析出的二次石墨，由一次渗碳体和共晶渗碳体分解析出的石墨以及由于二次渗碳体分解而析出的石墨。低于共析转变温度的石墨化过程叫石墨化的第二阶段。它包括共析转变过程形成的石墨，共析渗碳体分解而形成的石墨以及由铁素体中析出的石墨。在实际铸铁的生产中，往往是既不是完全按Fe－Fe3C 相图结晶凝固，也不是完全按Fe-C相图结晶凝固，从而使铸铁的组织与性能具有多样性。

图5－39　过共晶铸铁按Fe－C相图的结晶过程示意图

3）铸铁的分类

根据铸铁在结晶过程中石墨化程度的不同，铸铁可分为三大类。

（1）灰口铸铁

这类铸铁第一阶段石墨化得到充分进行，绝大部分的碳都以石墨的形态存在，以Fe3C形式存在的碳量不大于0．68%，其断口呈暗灰色。灰口铸铁具有良好的切削加工性、减摩性、减振性等，而且熔炼的工艺与设备简单，成本低廉。因此，灰口铸铁也是最重要的工程材料之一。工业上所用的铸铁绝大部分属于这类铸铁。

（2）白口铸铁

这类铸铁的石墨化过程全部被抑制，完全按照Fe－Fe3C相图进行结晶，除少量溶入铁素体外，C都是以Fe3C的形式存在，断口呈银白色。这类铸铁组织中都存在共晶莱氏体，性硬脆，很难切削加工，直接铸成机械零件使用的很少，主要用做炼钢原料。但由于它的耐磨性高，也可铸造出表面有一定深度的白口层，而中心为灰铸铁的铸件（称之为冷硬铸铁件）。冷硬铸铁应用于一些要求耐磨的零件，如轧辊、球磨机的磨球及犁铧等。

（3）麻口铸铁

这类铸铁第一阶段石墨化得到部分进行，第二阶段石墨化未能进行，其组织介于上述二者之间，断口呈灰白色，具有较大的硬脆性，工业上很少应用。