认知学习：铸铁及其分类

5.1.1 铸铁的成分、组织及性能

铸铁冶炼

据统计，在各类铸造合金的应用中，铸铁是近代工业生产中应用最为广泛的一种铸造金属材料，从铁碳合金相图可知，在铁碳合金系中对碳质量分数占比大于2.11%的合金称为铸铁。工业上应用的铸铁并不是简单的铁碳二元系合金，而是以铁、碳、硅等为主要元素的多元合金系，其五大常规元素成分大致范围是：2.4%～4.0% C、0.6%～3.0% Si、0.2%～1.2% Mn、0.04%～1.2% P、0.04%～0.20% S等。此外，为了改善提高性能以适应不同工况的特殊需求，往往在合金熔体中加入一定的合金元素，如Cr、Mo、V、Ti、Nb、Ni、Cu等。由此可见，铸铁与钢在成分上的主要不同是：铸铁含碳、含硅量较高，杂质元素硫、磷量较多。

铸铁材料虽在强度、塑性及韧性上表现不足，不可锻造只能铸造成型，但因其具有优良的铸造性、减磨性、减振性和切削加工性等，且生产工艺简单，成本低廉，经过适当合金化后还可以获得良好的耐热性或耐蚀性。因此，铸铁在机械制造、冶金、建材、矿山、石化、交通和国防等领域中有着广泛的应用，铸铁件占整个机器质量的45%～90%。铸铁除用来制造要求强度和韧性不高的一般部件（如气缸、铸铁管、机床的床身等）外，还能用于制造需要具有综合力学性能的重要零部件，特别是稀土镁球墨铸铁的发展，更是进一步打破了钢与铁的应用界限，孕育出了大量以铁代钢、以铸代锻的生产实例，过去使用碳钢或合金钢制造的重要零件，如汽车后桥、齿轮、曲轴等，也可部分采用球墨铸铁制造。这不仅节约了大量优质钢材，还减少了加工、生产制造成本，所以学习、研究和推广应用好铸铁技术，对发挥铸铁在国民经济的作用，是意义非凡的。

铸铁之所以能够展现出众多的优良性能，除了成分中碳含量接近共晶点，使合金具有较低的熔点，流动性好以外，还因为含碳量、含硅量较高，致使合金熔体凝固后大部分碳以游离的石墨状态存在，使得铸铁拥有良好的减振性、减磨性和切削加工性。

5.1.2 铸铁的石墨化过程

1.碳的存在形式

在铁碳合金中，碳的存在形式常以化合态的渗碳体（Fe3C）和单质游离态的石墨（G）两种形式存在。从热力学观点看，渗碳体为亚稳相（自由能较高），在一定条件下可分解析出游离态的石墨，而石墨为稳定相（自由能低）。石墨（G）含碳量wC≈100%，晶体结构为简单六方晶格，如图5-2所示，碳原子层状排列，同一层面上原子间距较小（约1.42×10－10 m），结合力强，而两层面之间距离较大（约3.40×10－10 m），结合力弱，故其结晶生长过程中沿层面方向上的扩张速度远远大于层面间方向的速度，导致结晶后形态常为片状，层面间易于滑动，其强度低，塑性和韧性接近为零。

图5-2　石墨晶体结构

2.铁碳合金双重相图

生产实践表明，一定条件下含碳量大于2.11%的铁碳合金可以从液态直接析出石墨；高温下长时间保温或缓慢冷却，莱氏体中的渗碳体会分解为铁和石墨（Fe3C→3Fe＋C）；在共析温度上下保温或缓慢冷却，奥氏体不再转变成珠光体（铁素体加渗碳体）而将转变成铁素体加石墨。常规条件下在铁碳合金结晶过程中，之所以从液态或奥氏体中析出的是渗碳体而不是石墨，主要是因为析出石墨的动力学条件不足，析出渗碳体晶核所需含碳量（6.69%）大大小于析出石墨所需含碳量（约100%），原子更易扩散聚集形核。但在极其缓慢冷却条件下，或熔体中含有一定量的石墨化元素（如Si等）时，铁碳合金凝固过程会又从液体或奥氏体中析出石墨相。

由此可见，对铁碳合金的结晶过程实际上存在两种相图，如图5-3所示，其中实线部分为亚稳定的Fe-Fe3C相图，虚线部分则是稳定的Fe-G相图。

铸铁石墨化过程

图5-3　铁碳合金双重相图

3.石墨化过程

如前述可知，铸铁中碳原子析出形成石墨的过程称为石墨化过程，可在结晶过程中直接析出，也可由渗碳体间接分解析出。根据铁碳合金双重相图（分别按Fe-G相图和Fe-Fe3C相图分解）和结晶条件不同，铸铁的石墨化可分成三个阶段。

第一阶段（高温阶段）：从液相中直接析出石墨相，在1154 °C发生共晶转变析出共晶石墨，共晶反应式为LC′→AE′＋G共晶；一次渗碳体和共晶渗碳体在高温分解析出石墨。

第二阶段（中温阶段）：在共析温度和共晶温度之间（738～1154 °C），奥氏体沿ES线析出石墨；二次渗碳体分解析出石墨。

第三阶段（低温阶段）：在738 °C发生共析转变析出石墨，共析反应式为AS′→FP′＋G共析；共析渗碳体分解析出石墨。

通常，铸铁自高温冷却过程中，由于高温态时原子具有较高的扩散能力，故其第一、二阶段的石墨化比较容易进行，即凝固后得到（A＋G）的中温组织；而随后较低温度的第三阶段石墨化常因温度、冷速、成分、扩散等动力学条件的限制，往往部分或全部会被抑制，导致室温得到三种不同的组织，即F＋G、F＋P＋G和P＋G。

按石墨化程度的不同可获得不同类型的铸铁，如三个阶段的石墨化过程均被抑制，碳以渗碳体形式存在，称这种铸铁为白口铸铁；如三个阶段石墨化过程均充分进行，碳以石墨形式存在，称这种铸铁为灰口铸铁；如一、二阶段石墨化过程部分进行，三阶段石墨化过程完全抑制，碳以石墨和渗碳体形式存在，称这种铸铁为麻口铸铁。(www.xing528.com)

4.影响石墨化的因素

铸铁的石墨化程度决定了铸铁的组织及性能，因而影响铸铁石墨化的因素就是影响铸铁组织和性能的因素，主要包括化学成分和冷却速度。

1）化学成分

铸铁中碳、硅、锰、硫、磷对其石墨化过程有着不同程度的影响。其中，碳是形成石墨的元素，硅促进石墨析出，因而碳硅含量越高，石墨化越容易进行，其数量越多、尺寸越粗大，就越容易获得灰口组织。硅元素对铸铁石墨化程度的影响更大，当硅含量较低（＜0.5%）时，即使含碳量很高，也不能促进石墨化。一般灰口铸铁中碳硅含量控制范围为2.7%～3.6% C、1.1%～2.5% Si。

锰是双重元素，一定程度上能阻止石墨化，促进珠光体基体形成，但锰还能与硫作用化合生成硫化锰（MnS），消除硫对石墨化的阻碍作用，进而又起到促进石墨化的作用。故锰含量应适当控制，一般为0.4%～1.2%。

硫是强烈阻止石墨化的元素，能够促进铸铁的白口化，且易产生热裂倾向，降低铸造性能和机械性能。因此，硫属于有害元素，应严格控制，一般限制在0.1%～0.15%。

磷是促进石墨化的元素，但当磷含量超过0.3%时，在晶界上易析出硬脆的磷共晶，降低铸铁强度，形成冷脆性。因此，磷属于有害元素，应严格控制，一般限制在0.2%以下。

为了评价各成分石墨化能力，将各元素按照其对石墨化影响的程度折算成碳的当量，其总和叫碳当量，其百分含量用CE表示为。生产实践中除了铸铁成分中的五大常规元素外，其他合金元素也对铸铁的石墨化产生重大影响，在实际生产制造中应合理应用，常见促进石墨化的元素有：C、Si、Al、Cu、Ni、Co等；常见阻碍石墨化的元素有：Cr、Mo、W、V、Mn、S等。

2）冷却速度

化学成分一定的铸件其石墨化程度还主要受限于铸件冷却速度的影响。冷却速度越慢，原子扩散时间越充分（石墨析出生长动力学条件越充足），铸铁件石墨化倾向性就越大（按Fe→G相图转变），更容易获得粗大石墨片组织；反之冷却速度越大，铸铁件石墨化倾向性越小，越易获得白口组织（按Fe→Fe3C相图转变）。

5.1.3 铸铁的分类

铸铁的分类

根据碳在铸铁中存在形式的不同，铸铁分为以下几类：

（1）白口铸铁：碳除了少量溶于铁素体外，大部分都是以渗碳体化合物的形式存在，断口呈白色，具有莱氏体组织，性能硬脆，在工业上很少应用，主要用于炼钢原料，还可用于生产可锻铸铁。

（2）灰口铸铁：碳全部或大部分以片状的石墨形式存在，因断裂后断口呈暗灰色而得名。工业上所用的铸铁几乎全部都属于这类铸铁。

（3）麻口铸铁：其组织介于白口和灰口之间，碳以石墨和渗碳体的混合形式存在，断口呈灰白色，这种铸铁含有不同程度的莱氏体、较大的硬脆性，工业上很少使用。

根据石墨形态的不同，铸铁又可分为如下四类：

（1）灰口铸铁：组织中石墨形态呈片状，生产工艺简单，价格低廉，在工业上应用最广，但机械性能一般。

（2）可锻铸铁：组织中石墨形态呈团絮状，由白口铸铁经石墨化退火后形成，又称展性铸铁。其生产工艺较复杂，成本高，机械性能较普通灰铸铁高，只用来制造一些重要的小零件。

（3）球墨铸铁：组织中石墨呈球状，是铁液在浇铸前经球化处理的结果。这种铸铁不但机械性能较高，生产工艺简单，而且能通过进一步热处理显著提高强度，其应用广泛，并在一定条件下可替代碳钢或合金钢制造的重要零件，如齿轮、曲轴等。

（4）蠕墨铸铁：石墨呈蠕虫状，介于片状和球状之间，其因浇铸前经相应的蠕化处理所致。

根据化学成分的不同，铸铁还可分为以下两类：

（1）普通铸铁：未经合金化处理的铸铁，如常规的白口铸铁、灰口铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁等。

（2）合金铸铁：经相应合金化处理，如向铸铁溶液中加入Cr、Mo、V、Ni、Cu等合金元素，用于改善凝固组织状态，提高材料性能，其工程应用极其广泛，常见的有耐磨铸铁、耐蚀铸铁、耐热铸铁等。