铸铁及其熔炼技术探析

1.铸铁及其分类

铸铁是碳的质量分数为2.11%的铁碳合金，一般碳的质量分数为2.4%～4.0%。除碳外，铸铁还含有Si、Mn和其他杂质元素，如S、P等，见表2-7。根据碳的存在形式的不同及断口颜色，铸铁可分为以下几种。

表2-7 铸铁的常用成分范围

（1）白口铸铁 碳全部或大部分以渗碳体的形式存在，因断裂时断口呈白亮颜色，故称白口铸铁。

（2）灰铸铁 碳大部分或全部以游离态石墨形式存在。因断裂时断口呈暗灰色，故称为灰铸铁。灰铸铁按石墨的形态可以分为：普通灰铸铁，石墨呈片状；可锻铸铁，石墨呈团絮状；球墨铸铁，石墨呈球状；蠕墨铸铁，石墨呈蠕虫状。

（3）麻口铸铁 碳既以渗碳体的形式存在，又以游离态石墨形式存在。

2.普通铸铁

（1）灰铸铁的显微组织 由金属基体（F、F+P、P）与片状石墨（G）所组成，其中P基体的性能最好，P+F基体应用最广，F基体则很少应用，如图2-59所示。

图2-59 灰铸铁的显微组织

a）铁素体灰铸铁 b）铁素体+珠光体灰铸铁 c）珠光体灰铸铁

（2）灰铸铁的性能

1）力学性能：灰铸铁的抗拉强度和弹性模量均比钢低得多，通常抗拉强度约为120～250MPa，抗压强度与钢接近，一般可达600～800MPa，塑性和韧度接近于零，属于脆性材料。

2）工艺性能：不能锻造和冲压；焊接时产生裂纹的倾向大，焊接区常出现白口组织，焊后难以切削加工，焊接性差；灰铸铁的铸造性能优良，铸件产生缺陷的倾向小；由于石墨的存在，其切削加工性能好，切削加工时呈崩碎切屑，通常不需加切削液。

3）使用性能：灰铸铁的减振能力为钢的5～10倍，缺口敏感性小，铸造性能良好、切削工艺性好，是制造机床床身、机座的主要材料；灰铸铁的耐磨性好，适于制造润滑状态下工作的导轨、衬套和活塞环等。

4）影响性能的因素：基体组织和石墨的分布。珠光体越多，石墨分布越细小均匀，强度、硬度也越高，耐磨性越好。要想控制铸铁的组织和性能，必须控制铸铁的石墨化程度。

（3）影响灰铸铁石墨化的因素

1）组织的性能：灰铸铁依据其基础组织的不同，又分为珠光体铸铁、珠光体+铁素体铸铁和铁素体铸铁三种。在珠光体铸铁的基体上，分布着均匀、细小的石墨片，其强度、硬度相对较高，常用于制造机床床身、机体等重要铸件。珠光体+铁素体铸铁是在珠光体和铁素体混合的基体上分布着较粗大的石墨片，强度和硬度较前者低，但仍然满足一般铸件的性能要求，铸造性、减振性均佳，便于熔炼，应用最广泛。铁素体铸铁是在铁素体基体上分布着粗大的石墨片，其强度、硬度差，故应用较少。

2）影响灰铸铁石墨化的主要因素是化学成分和冷却速度。

灰铸铁除含碳元素外，还有硅、锰、硫和磷等元素，它们对铸铁石墨化的影响如下：碳和硅是铸铁中最主要的元素，对铸铁的组织和性能起着决定性的影响。碳是形成石墨的元素，也是促进石墨化的元素。碳含量越高，析出的石墨就越多、越粗大，而基体中的铁素体含量增多，珠光体减少；反之，含碳量降低，石墨减少且细化。硅是强烈促进石墨化的元素。实践证明，若铸铁中含硅量过少，即使碳含量很高，石墨也难以形成。碳、硅的作用是一致的，都能促进石墨化，而硅除能促进石墨化外，还可改善铸造性能，如提高铸铁的流动性、降低铸件的收缩率等，如图2-60所示。

图2-60 化学成分对铸铁组织的影响

锰和硫在铸铁中是密切相关的。硫是严重阻碍石墨化的元素。含硫量高时，铸铁有形成白口的倾向。硫在铸铁晶界上形成低熔点（985℃）的共晶体（FeS+Fe），使铸铁具有热脆性。此外，硫还使铸铁铸造性变坏（如降低铁液流动性、增大铸件收缩率等），通常限制在0.15%以下，高强度铸铁则应更低。锰能抵消硫的有害作用，故属于有益元素。因锰与硫的亲和力大，在铁液中会发生反应，生成的MnS的熔点约为1600℃，高于铁液温度，因它的密度较小，故上浮进入熔渣而被排出炉外，而残存于铸铁中的少量MnS呈颗粒状，对力学性能的影响很小。铸铁中的锰除与硫发生作用外，其余还可溶入铁素体和渗碳体中，提高了基体的强度和硬度；但过多的锰则起阻碍石墨化的作用。铸铁中锰的含量一般为0.6%～1.2%。

磷的影响不显著，可降低铁液的黏度而提高铸铁的流动性。当铸铁中磷的质量分数超过0.3%时，则形成以Fe₃ P为主的共晶体，这种共晶体的熔点较低、硬度高（390～520HBW），形成了分布在晶界处的硬质点，因而提高了铸铁的耐磨性。因磷共晶体呈网状分布，故磷含量过高会增加铸铁的冷脆倾向。因此，对一般灰铸铁件来说，磷的质量分数一般应限制在0.5%以下，高强度铸铁则应限制在0.3%以下，只是某些薄壁件或耐磨件中的磷的质量分数可提高到0.5%～0.7%。

相同化学成分的铸铁，若冷却速度不同，其组织和性能也不同。在三角形试样的断口处，冷却速度很快的下部尖端处呈银白色，属于白口组织；其心部晶粒较为粗大，属于灰口组织；在灰口和白口交界处属麻口组织，如图2-61所示。这是由于缓慢冷却时，石墨得以顺利析出；反之，石墨的析出受到了抑制。为了确保铸件的组织和性能，必须考虑冷却速度对铸铁组织和性能的影响。铸件的冷却速度主要取决于铸型材料的导热性和铸件的壁厚。

在同一铸件的不同部位采用不同的铸型材料，使铸件各部分的组织和性能不同。如冷硬铸造轧辊、车轮时，就是采用局部金属型（其余用砂型）以激冷铸件上的耐磨表面，使其产生耐磨的白口组织。壁厚的影响：在铸型材料相同的条件下，壁厚不同的铸件因冷却速度的差异，铸铁的组织和性能也随之而变，因此，必须按照铸件的壁厚选定铸铁的化学成分和牌号。

（4）灰铸铁的牌号 我国灰铸铁的牌号为HT×××，其中“HT”表示“灰铁”二字的汉语拼音字首，而后面的×××为最低抗拉强度值，单位为MPa。灰铸铁牌号共六种，其中HT100、HT150、HT200为普通灰铸铁；HT250、HT300、HT350为孕育铸铁，见表2-8。

图2-61 冷却速度对铸铁组织的影响

表2-8 灰铸铁牌号和力学性能（摘自GB/T9439—2010）

（5）灰铸铁的用途 根据牌号的不同而选用：HT100承受低负荷和不重要的零件，如防护罩、小手柄、盖板和重锤等；HT150承受中等负荷的零件，如机座、支架、箱体、带轮、轴承座、法兰、泵体、阀体、管路、飞轮和电动机座等；HT200、HT250承受较大负荷的重要零件，如机座、床身、齿轮、汽缸、飞轮、齿轮箱、中等压力阀体、汽缸体和汽缸套等；HT300、HT350承受高负荷、要求耐磨和高气密性的重要零件，如重型机床床身、压力机床身、高压液压件、活塞环、齿轮和凸轮等。

（6）灰铸铁的孕育处理 向铁液中冲入硅铁合金孕育剂，然后进行浇注的处理方法。用这种方法制成的铸铁称为孕育铸铁。由于铁液中均匀地悬浮着外来弥散质点，增加了石墨的结晶核心，使石墨化作用骤然提高，因此石墨细小且分布均匀，并获得珠光体基体组织，使孕育铸铁的强度、硬度比普通灰铸铁显著提高，碳含量越少、石墨越细小，铸铁的强度、硬度越高。孕育铸铁的另一优点是冷却速度对其组织和性能的影响甚小，因此铸件上厚大截面的性能较为均匀。

孕育铸铁的用途：静载荷下要求较高强度、高耐磨性或高气密性铸件以及厚大铸件。

生产工艺：须熔炼出碳、硅含量均低的原始铁液（碳的质量分数为2.7%～3.3%，硅的质量分数为1%～2%）。孕育剂为含硅75%的硅铁，加入量为铁液质量的0.25%～0.60%。孕育处理时，应将硅铁均匀地加入到出铁槽中，由出炉的铁液将其冲入浇包中。由于孕育处理过程中铁液温度要降低，故出炉的铁液温度必须高达1400～1450℃，以弥补因孕育处理所引起的铁液温度下降而出现浇不足和冷隔缺陷。

（7）灰铸铁的生产特点 主要在冲天炉内熔化，一些高质量的灰铸铁可用电炉熔炼。冲天炉是最普遍应用的铸铁熔炼设备。它用焦炭作燃料，焦炭燃烧产生的热量直接用来熔化炉料和提高铁液温度，在能量消耗方面比电弧炉和其他熔炉节能。而且设备比较简单，大小工厂皆可采用。但冲天炉的缺点主要是由于铁液直接与焦炭接触，故在熔炼过程中会发生铁液增碳和增硫的过程。

灰铸铁的铸造性能优良，铸造工艺简单，便于制造出薄而复杂的铸件，生产中多采用同时凝固原则，铸型不需要加补缩冒口和冷铁，只有高牌号铸铁采用定向凝固原则。

灰铸铁件主要用砂型铸造，浇注温度较低，因而对型砂的要求也较低，中小件大多采用经济简便的湿型铸造。灰铸铁件一般不需要进行热处理，或仅需时效处理即可。

3.可锻铸铁

可锻铸铁又称为马铁，由白口铸铁经长期石墨化退火而来。组织为铁素体和珠光体基体+团絮状石墨。

（1）可锻铸铁的生产特点 可锻铸铁的生产分两个步骤：

第一步：先铸造出白口铸铁，随后退火使Fe₃C中的C分解得到团絮状石墨。要注意的是如果退火前铸件中已存在石墨片就无法经退火制造出团絮状石墨。因此，为保证在通常的冷却条件下铸件能得到合格的白口组织，其化学成分（质量分数）通常为w（C）=2.2%～2.8%，w（Si）=1.2%～2.0%，w（Mn）=0.4%～1.2%，w（P）≤0.1%，w（S）≤0.2%。(www.xing528.com)

第二步：进行长时间的石墨化退火处理，900～980℃长时间保温，如图2-62所示。

图2-62 可锻铸铁的石墨化退火处理

（2）可锻铸铁的牌号 可锻铸铁分为黑心可锻铸铁、珠光体可锻铸铁和白心可锻铸铁三种，黑心可锻铸铁因其断口为黑绒状而得名，以KTH表示，其基体为铁素体，在我国最为常用；珠光体可锻铸铁以KTZ表示，其基体为珠光体。其中“KT”表示“可铁”的拼音首字母，“H”和“Z”分别表示“黑”和“珠”的拼音首字母，代号后的第一组数字表示最低抗拉强度值，第二组数字表示最低断后伸长率。常用可锻铸铁的牌号和力学性能见表2-9。

表2-9 常用可锻铸铁的牌号和力学性能

（3）可锻铸铁的组织、性能及应用

1）组织：其显微组织由金属基体和团絮状石墨组成，如图2-63所示。

2）性能：可锻铸铁具有较高的强度，抗拉强度可达300～400MPa，最高可达600MPa；它还具有很高的塑性和韧性（断后伸长率≤12%，冲击韧度≤300J/cm²），可锻铸铁因此而得名，其实它并不能用于锻造。

3）用途：可锻铸铁适用于制造形状复杂、承受冲击载荷的薄壁小件，铸件壁厚一般不超过25mm。例如：低动载荷及静载荷、要求气密性好的零件，如管道配件、中低压阀门、弯头、三通等；较高的冲击、振动载荷下工作的零件，如汽车、拖拉机上的前后轮壳、制动器、减速器壳，船用电动机壳和机车附件等；承受较高载荷、耐磨和要求有一定韧度的零件，如曲轴、凸轮轴、连杆、齿轮、摇臂、活塞环、犁刀、耙片、闸、万向接头、棘轮扳手、传动链条和矿车轮等。

4.球墨铸铁

图2-63 可锻铸铁的显微组织

a）铁素体可锻铸铁 b）珠光体可锻铸铁

（1）球墨铸铁的组织和性能 随着化学成分、冷却速度和热处理方法的不同，球墨铸铁可得到不同的基体组织（F、F+P、P）。球墨铸铁的种类如图2-64所示。

图2-64球 墨铸铁的种类

a）铁素体球墨铸铁 b）铁素体+珠光体球墨铸铁 c）珠光体球墨铸铁

球墨铸铁的石墨呈球状，它对基体的割裂作用减至最低限度，基体强度的利用率可达70%～90%。因此，球墨铸铁具有比灰铸铁高得多的力学性能，抗拉强度可以和钢媲美，塑性和韧性大大提高。球墨铸铁抗拉强度约为400～900MPa，断后伸长率为2%～18%，同时，仍保持灰铸铁某些优良性能，如良好的耐磨性和减振性，缺口敏感性小，切削加工性能好等。球墨铸铁的焊接性能和热处理性能都优于灰铸铁。

（2）球墨铸铁的牌号 目前我国球墨铸铁牌号为QT×××—××，其中“QT”表示“球铁”的拼音首字母，其后两组数字分别表示最低抗拉强度和断后伸长率。球墨铸铁的牌号和力学性能见表2-10。

（3）球墨铸铁的生产特点

1）要有足够高的碳含量，低的硫、磷含量，有时还要求低的含锰量。含碳（碳的质量分数为3.6%～4.0%）、硅（硅的质量分数为2.4%～2.8%）要高，但含锰、磷要低，否则会降低塑性与韧度，硫易与球化剂化合形成硫化物，使球化剂的消耗量增大，并使铸件易产生皮下气孔等缺陷。球化和孕育处理使铁液温度要降低50～100℃，为防止浇注温度过低，出炉的铁液温度必须高达1450℃以上。

表2-10 球墨铸铁的牌号和力学性能

2）球化处理和孕育处理是制造球墨铸铁的关键，必须严格控制。

球化剂：广泛采用的球化剂是稀土镁合金。镁是重要的球化元素，但它密度小（1.73g/cm³）、沸点低（1120℃），若直接加入铁液，镁将浮于液面并立即沸腾，这不仅使镁的吸收率降低，也不够安全。稀土元素包括铈（Ce）、镧（La）、镱（Yb）和钇（Y）等十七种元素。稀土的沸点高于铁液温度，故加入铁液中没有沸腾现象，同时，稀土有着强烈的脱硫、去气能力，还能细化组织、改善铸造性能。但稀土的球化作用较镁弱，单纯用稀土作球化剂时，石墨球不够圆整。稀土镁合金（其中镁、稀土含量均小于10%，其余为硅和铁）综合了稀土和镁的优点，而且结合了我国的资源特点，用它作球化剂作用平稳、节约镁的用量，还能改善球铁的质量。球化剂的加入量一般为铁液质量的1.0%～1.6%。

孕育剂：促进铸铁石墨化，防止球化元素造成的白口倾向，使石墨球圆整、细化，改善球铁的力学性能。常用的孕育剂为含硅75%的硅铁，加入量为铁液质量的0.4%～1.0%。由于球化元素有较强的白口倾向，故球墨铸铁不适合铸造薄壁小件。

球化处理：以冲入法最为普遍。将球化剂放在浇包的堤坝内，上面铺硅铁粉和稻草灰，以防球化剂上浮，并使其缓慢作用。开始时，先将浇包容量2/3左右的铁液冲入包内，使球化剂与铁液充分反应。然后，将孕育剂放在冲天炉出铁槽内，用剩余1/3浇包的铁液将其冲入包内，进行孕育。

球化处理后的铁液应及时浇注，以防孕育和球化作用的衰退。

（4）铸型工艺 球墨铸铁碳含量较高，接近共晶成分，凝固收缩率低，但缩孔、缩松倾向较大，这是其凝固特性所决定的。球墨铸铁在浇注后的一个时期内，凝固的外壳强度较低。而球状石墨析出时的膨胀力却很大，若铸型的刚度不够，铸件的外壳将向外胀大，造成铸件内部金属液的不足，于是在铸件最后凝固的部位产生缩孔和缩松。为防止上述缺陷，可采取如下措施：在热节处设置冒口、冷铁，对铸件收缩进行补偿；增加铸型刚度，防止铸件外形扩大。如增加型砂紧实度，采用干砂型或水玻璃快干砂型，保证砂型有足够的刚度，并使上下型牢固夹紧。

球墨铸铁件容易出现皮下气孔，皮下0.5～2mm处，直径1～2mm。防止皮下气孔的产生：降低铁液中含硫量和残余镁量，降低型砂含水量或采用干砂型，浇注系统应使铁液平稳地导入型腔，并有良好的挡渣效果，以防铸件内夹渣的产生。

（5）球墨铸铁的用途 球墨铸铁具有较高的强度和塑性，尤其是屈服强度优于锻钢，用途非常广泛，如汽车、拖拉机底盘零件，阀体和阀盖，机油泵齿轮，柴油机和汽油机曲轴、缸体和缸套，汽车拖拉机传动齿轮等。目前，球墨铸铁在制造曲轴方面正在逐步取代锻钢。

（6）球墨铸铁的热处理 铸态球墨铸铁的基体多为珠光体和铁素体混合组织，有时还有自由渗碳体，形状复杂件还存在残余内应力。因此，多数球墨铸铁件要进行热处理，以保证应有的力学性能。常用的热处理为退火和正火。退火的目的是获得铁素体基体，以提高球墨铸铁件的塑性和韧性。正火的目的是细化晶粒，获得细小珠光体基体，以提高材料的强度和硬度。

5.蠕墨铸铁

（1）蠕墨铸铁的生产 蠕墨铸铁是在一定成分的铁液中加入适量的蠕化剂进行蠕化处理而成的。所谓蠕化处理是将蠕化剂放入经过预热的堤坝或浇包内的一侧，从另一侧冲入铁液，利用高温铁液将蠕化剂熔化的过程。蠕化剂为镁钛合金、稀土镁钛合金或稀土镁钙合金等。

（2）蠕墨铸铁的性能及应用 蠕墨铸铁组织为金属基体+蠕虫状石墨。蠕墨铸铁中的石墨片比灰铸铁中的石墨片的长厚比要小，端部较钝、较圆，介于片状和球状之间的一种石墨形态。蠕墨铸铁的显微组织如图2-65所示。

图2-65 蠕墨铸铁的显微组织

性能：力学性能较高，强度接近于球墨铸铁，具有一定的韧性，较高的耐磨性，同时又兼有良好的铸造性能和导热性。

应用：代替高强度灰铸铁制造形状复杂的大铸件，用于较大温度梯度下工作的零件，如生产汽缸盖、汽缸套、钢锭模、轧辊模、玻璃瓶模和液压阀等铸件。

（3）蠕墨铸铁的牌号 蠕墨铸铁的牌号以RuT表示，“RuT”是“蠕铁”二字的蠕的拼音和铁的拼音首字母，其后的数字表示最低抗拉强度。牌号：RuT260、RuT300、RuT340、RuT380和RuT420。蠕墨铸铁的牌号和力学性能见表2-11。