鑄鐵:主要由鐵、碳和矽組成的合金的總稱-中文百科頻道

概述

鑄鐵是含碳量大于2.11％（一般為2.5～4％）的鐵碳合金。其成分除碳外還含有一定數量的矽、錳、硫、磷等化學元素和一些雜質。有時還加一些其他化學元素。鑄鐵又名生鐵，是冶金廠的重要初級産品，大部分用于煉鋼，另一部分供給機器制造廠生産鑄鐵件，作為二次重熔的主要爐料。鑄鐵成本低廉，鑄造性能和使用性能良好，故鑄鐵是現代機器制造業的重要和常用的結構材料。其重量一般占機器總重量的60％～70％。

簡史

鑄鐵是塊煉鐵和液态煉鐵發展過程中的産物。塊煉鐵最早出現在西南亞地區，公元前1200～前1000年，其使用已達到一定規模。公元前8O0年冶煉方法傳到歐洲；公元前500年傳到英國。塊煉鐵是一種最原始的煉鐵方法。其煉鐵爐用石頭或粘土砌成，爐身甚矮，側開小孔，插入陶土制的風管，用皮囊送風；使用富鐵礦石，以木炭或木柴為燃料。約在1000℃溫度下進行固體還原，煉成的鐵沉落于爐底，待爐冷後取塊。每煉一爐必須重新升火，爐溫上不去。此種鐵結構疏松、氧化夾雜多，幾乎不含碳、矽、錳等元素，所以鐵塊柔軟，可在一定溫度下鍛打，排除夾雜并成型，稱為镖鐵、鍛鐵或海綿鐵。

中國在公元前6世紀就進行了液态煉鐵，比西方約早幹餘年。塊煉鐵爐溫較低，化學反應慢，故産量低，夾雜又多，在煉銅豎爐大風機的啟發下，創造出液态煉鐵。爐子加高，爐内煤氣流與礦石接觸時間長，礦石預熱效果提高，鼓風增強，燃燒旺盛，爐子可長時間保持較高溫度狀态(>1200℃)，木炭的增碳作用也相應增強，因而獲得液态鑄鐵。鑄zhu中國是世界上生産鑄鐵件最早的國家之一，根據《左傳》記載，昭公29年(公元前513年)晉國鑄出鑄鐵刑鼎，重達270kg，鼎上鑄出刑律全文，這是中國鑄造大件的最早記載。隋唐以後，大型鑄件的生産愈來愈多，公元953年即中國五代周廣順三年，鑄造出滄州大鐵獅。

中國在春秋末戰國初期鐵業生産發展迅速，當時鑄鐵農具的生産尤為突出，如1955年河北石家莊趙國遺址出土的鑄鐵農具幾乎占全部工具(包括骨、石材料)的65％，河北興隆出土的大批鐵範(金屬型)，用于鑄造農具的約占60％左右。這說明中國于戰國中期已邁入鐵器時代。根據解放後的考證，北起遼甯，南到兩廣，西到四川，東至山東，西北到甘肅，以黃河南北中原為中心，是中國古代鑄鐵冶煉和生産鐵器的重要地區(圖3)。中國古代冶金比歐洲先進，尤其是掌握鑄造技術比歐洲約早千餘年在漢代鐵的經營管理已經提到議事日程，《鹽鐵論》一書就是證明。公元1637年明末宋應星所著《天工開物》，此書詳細記載了中國當時的冶金、鑄造技術。鑄鐵雖然曆史悠久，但發展緩慢，從清代以來，鑄造技術長期停滞不前，直到1949年後才逐步得到發展，全國已形成教育、科研和生産系統。

分類

①灰口鑄鐵。含碳量較高（2.7％～4.0％），碳主要以片狀石墨形态存在，斷口呈灰色，簡稱灰鐵。熔點低（1145～1250℃），凝固時收縮量小，抗壓強度和硬度接近碳素鋼，減震性好。用于制造機床床身、汽缸、箱體等結構件。

②白口鑄鐵。碳、矽含量較低，碳主要以滲碳

體形态存在，斷口呈銀白色。凝固時收縮大，易産生縮孔、裂紋。硬度高，脆性大，不能承受沖擊載荷。多用作可鍛鑄鐵的坯件和制作耐磨損的零部件。

③可鍛鑄鐵。由白口鑄鐵退火處理後獲得，石墨呈團絮狀分布，簡稱韌鐵。其組織性能均勻，耐磨損，有良好的塑性和韌性。用于制造形狀複雜、能承受強動載荷的零件。

④球墨鑄鐵。将灰口鑄鐵鐵水經球化處理後獲得，析出的石墨呈球狀，簡稱球鐵。比普通灰口鑄鐵有較高強度、較好韌性和塑性。用于制造内燃機、汽車零部件及農機具等。

⑤蠕墨鑄鐵。将灰口鑄鐵鐵水經蠕化處理後獲得，析出的石墨呈蠕蟲狀。力學性能與球墨鑄鐵相近，鑄造性能介于灰口鑄鐵與球墨鑄鐵之間。用于制造汽車的零部件。

⑥合金鑄鐵。合金鑄鐵（alloy cast iron）是指在普通鑄鐵中加入合金元素而具有特殊性能的鑄鐵。通常加入的合金元素有矽、錳、磷、鎳、鉻、钼、銅、鋁、硼、釩、钛、銻、錫等。合金元素使鑄鐵的基體組織發生變化，從而具有相應的耐熱、耐磨、耐蝕、耐低溫或無磁等特性。用于制造礦山、化工機械和儀器、儀表等的零部件。

組織

鑄鐵屬于鐵基高碳多元合金，其常存元素，除鐵以外，一般含w(C)為2％～4％①、w(S1)為1％～3％以及錳、磷、硫。碳在鑄鐵中通常以三種狀态存在：形成石墨晶體單獨存在；與鐵形成二元或多元化合物以化合狀态存在；溶入a—Fc或Y—Fe中以固溶狀态存在。

由于化學成分和結晶條件不同，鑄鐵液—固相變有二重性，凝固後産生不同的高碳相，即滲碳體或石墨。滲碳體組織在高溫下不穩定，發生分解，分解出來的碳，大部分轉變為石墨晶體，因而滲碳體屬于可分解的亞穩定相，石墨晶體則稱為穩定相。不同的高碳相賦予鑄鐵以截然不同的性能。高碳相為滲碳體的鑄鐵斷面呈銀白色，硬而脆，稱為白口鑄鐵。高碳相為石墨的鑄鐵斷面呈灰黑色，硬度低，稱為灰口鑄鐵。鑄鐵組織中高碳相類型、形态、數量、分布狀态都影響鑄鐵性能。

鑄鐵組織的形成經曆兩個階段。第一階段為凝固過程，形成凝固組織；第二階段為固态相變過程，由凝固組織轉變為室溫組織。

了解鑄鐵組織及其形成過程和轉變規律通常需要借助鐵碳合金相圖。相圖上的相區、相變臨界點數據來自實驗或熱力學計算，這些數據符合熱力學平衡條件。也就是說，合金溫度發生變化時，其組分原子有充分時間遷移而達到該溫度下的濃度平衡。平衡狀态雖然難以在鑄件實際相變過程中出現，但要認識合金組織形成過程和組織轉變規律，首先需依靠合金相圖。

碳和矽都是鑄鐵中主要常存元素。矽的存在使鐵碳相圖發生明顯變化，有助于提高鐵碳合金按穩定系轉變傾向。因此，矽是影響鑄鐵組織的重要元素。為了進一步掌握鑄鐵組織的變化規律，人們構建了鐵碳矽三元相圖。三元相圖比鐵碳二元相圖更加接近工業鑄鐵實際情況。

力學性能

鑄鐵中含有強度和硬度都很低的石墨。石墨破壞了材料的連續性和整體性，使其斷裂和變形的性質不同于鋼，并導緻力學性能出現一些特有變化規律。

鑄鐵力學性能受到一系列因素的影響。最顯著的影響是石墨的形态、數量和分布狀态，其他組成相的類型、化學成分、分布狀态以及鑄件成形和處理過程也有一定影響。本章将從鑄鐵斷裂特征及機制開始讨論各項力學性能及其影響因素，内容側重常溫及低溫力學性能。

1灰鑄鐵的斷裂

材料在外力作用下産生的應力超過自身斷裂強度後發生斷裂。斷裂是機械零件失效的重要因素之一。

材料斷裂過程比較複雜。但是總體上看，都要經曆内部裂口萌主(裂口形核)、裂口擴展、斷裂三個階段。斷裂前不發生明顯塑攔王形的斷裂屬于脆性斷裂。在正應力作用下，脆性斷裂是材料原子間結合力最弱的晶體學平面(解埋面)分離而形成的斷裂，也稱解瑚斷裂。出現明顯塑性變形後發生的斷裂稱為延性斷裂。廷生斷裂是在切應力作用下沿滑移面發生滑移而導緻的斷裂，也稱剪切斷裂。

虧關脆性斷裂的裂口形核機制，位錯塞積理論認為，材料受力後運動位錯受到晶界和雜質相阻擋産生位錯塞積。塞積群所構成回應中集中超過材料強度時，塞積群前端萌牛裂u，脆性斷裂前裂口以極決速度擴展。根據應力關系分析，材料屈服應力同時大于口形核應力和斷裂應力時，一旦有裂口萌生，将在無塑變情況下斷裂。

下面以拉伸斷裂為例說明鑄鐵斷裂過程。實驗觀察證實，灰鑄鐵拉伸斷裂開始于石墨片斷裂。石墨内部存在許多晶體缺陷，如旋轉晶界、刃型位錯與螺位錯、孿晶界、小角度傾斜晶界等。低應力下，石墨可能沿旋轉晶界撕裂成小段，也可能因孿晶或傾斜晶界上的位錯塞積而沿六方晶格的(0001)面滑移導緻劈裂。大多數微裂口發生于孿晶界，可認為孿晶界位錯塞積應力是裂口産生的主要根源。

工藝性能

鑄鐵的工藝性能主要有鑄造性能、焊接性能和切削性能。

特點

1.成分與組織特點

鑄鐵與碳鋼相比較，其化學成分中除了有較高的C、Si含量外(C2.5%～4，0%、Si1.0%一3.0%)，還含有較高的雜質元素Mn、P，S，在特殊性能的合金鑄鐵中，還含有某些合金元素。所有這些元素的存在及其含量，都将直接影響鑄鐵的組織和性能。

由于鑄鐵中的碳主要是以石墨(G)形式存在的，所以鑄鐵的組織是由金屬基體和石墨所組成的。鑄鐵的金屬基體有珠光體、鐵素體和珠光體加鐵素體三類，它們相當于鋼的組織。因此，鑄鐵的組織特點，可以看成是在鋼的基體上分布着不同形狀的石墨。

2.鑄鐵的性能特點

鑄鐵的抗拉強度、塑性和韌性要比碳鋼低。雖然鑄鐵的機械性能不如鋼，但由于石墨的存在，卻賦予鑄鐵許多為鋼所不及的性能。如良好的耐磨性、高消振性、低缺口敏感性以及優良的切削加工性能。此外，鑄鐵的碳含量高，其成分接近于共晶成分，因此鑄鐵的熔點低，約為1200℃左右，鐵水流動性好，由于石墨結晶時體積膨脹，所以傳送收縮率小，其鑄造性能優于鋼，因而通常采用鑄造方法制成鑄件使用，故稱之為鑄鐵。

性能

1.優良的鑄造性能

由于友鑄鐵的化學成分接近共晶點，所以鐵水流動性好，可以鑄造非常複雜的零件。另外，由于石墨比容較大，使鑄件凝固時的收縮量減少，可簡化工藝，減輕鑄件的應力并可得到緻密的組織。

2.優良的耐磨性和消震性

石墨本身具有潤滑作用，石墨掉落後的空洞能吸附和儲存潤滑油，使鑄件有良好的耐磨性。此外，由于鑄件中帶有硬度很高的磷共晶，又能使抗磨能力進一步提高，這對于制備活塞環、氣缸套等受摩擦零件具有重要意義。

石墨可以阻止後動的傳播，灰鑄鐵的消誇大能力是鋼的10倍，常用來制作承受振動的機床底座。

3.較低的缺口敏感性和良好的切削加工性能

灰鑄鐵中由于石墨的存在，相當于存在很多小的缺口時表面的缺陷、缺口等幾乎沒有敏感性，因此，表面的缺陷對鑄鐵的疲勞強度影響較小，但其疲勞強度比鋼要低。由于發鑄鐵中的石墨可以起斷屑作用和對刀具的潤滑起減障作用，所以其可切削加工性是優良的。

4.灰鑄鐵的機械性能

鑄鐵的抗拉強度、塑性、韌性及彈性模量都低于碳素鏽鋼，如表所示。灰鑄鐵的抗壓強度和硬度主要取決于基體組織。灰鑄鐵的抗壓強度一般比抗拉強度高出三四倍，這是灰鑄鐵的一種特性。因此，與其把灰鑄鐵用作抗拉零件還不如做耐壓零件更适合。這就是廣泛用作機床床身和支柱受耐壓零件的原因。

熱處理工藝

1.消除應力退火

由于鑄件壁厚不均勻，在加熱，冷卻及相變過程中，會産生效應力和組織應力。另外大型零件在機加工之後其内部也易殘存應力，所有這些内應力都必須消除。去應力退火通常的加熱溫度為500～550℃保溫時間為2～8h，然後爐冷(灰口鐵)或空冷(球鐵)。采用這種工藝可消除鑄件内應力的90～95%，但鑄鐵組織不發生變化。若溫度超過550℃或保溫時間過長，反而會引起石墨化，使鑄件強度和硬度降低。

2.消除鑄件白口的高溫石墨化退火

鑄件冷卻時，表層及薄截面處，往往産生白口。白口組織硬而脆、加工性能差、易剝落。因此必須采用退火(或正火)的方法消除白口組織。退火工藝為：加熱到550－950℃保溫2～5 h，随後爐冷到500-550℃再出爐空冷。在高溫保溫期間，遊高滲碳體和共晶滲碳體分解為石墨和A，在随後護冷過程中二次滲碳體和共析滲碳體也分解，發生石墨化過程。由于滲碳體的分解，導緻硬度下降，從而提高了切削加工性。

3.球鐵的正火

球鐵正火的目的是為了獲得珠光體基體組織，并細化晶粒，均勻組織，以提高鑄件的機械性能。有時正火也是球鐵表面淬火在組織上的準備、正火分高溫正火和低溫正火。高溫正火溫度一般不超過950～980℃，低溫正火一般加熱到共折溫度區間820～860℃。正火之後一般還需進行四人處理，以消除正火時産生的内應力。

4.球鐵的淬火及回火

為了提高球鐵的機械性能，一般鑄件加熱到Afc1以上30～50℃(Afc1代表加熱時A形成終了溫度)，保溫後淬入油中，得到馬氏體組織。為了适當降低淬火後的殘餘應力，一般淬火後應進行回火，低溫回火組織為回火馬氏作加殘留貝氏體再加球狀石墨。這種組織耐磨性好，用于要求高耐磨性，高強度的零件。中溫回火溫度為350-500℃回火後組織為回火屈氏體加球狀石墨，适用于要求耐磨性好、具有一定效穩定性和彈性的厚件。高溫回火溫度為500-60D℃，回火後組織為回火索氏作加球狀石墨，具有韌性和強度結合良好的綜合性能，因此在生産中廣泛應用。

5.球鐵的多溫淬火

球鐵經等溫淬火後可以獲得高強度，同時兼有較好的塑性和韌性。多溫淬火加熱溫度的選擇主要考慮使原始組織全部A化、不殘留F，同時也避免A晶粒長大。加熱溫度一般采用Afc1以上30～50℃，等溫處理溫度為0～350℃以保證獲得具有綜合機械性能的下貝氏體組織。稀土鎂鋁球鐵等溫淬火後σb=1200～1400MPa，αk=3～3.6J／cm2，HRC＝47～51。但應注意等溫淬火後再加一道回火工序。

6.表面淬火

為了提高某些鑄件的表面硬度、耐磨性及疲勞強度，可采用表面淬火。灰鑄鐵及球鐵鑄件均可進行表面淬火。一般采用高(中) 頻感應加熱表面淬火和電接觸表面淬火。

7.化學熱處理

對于要求表面耐磨或抗氧化、耐腐蝕的鑄件，可以采用類似于鋼的化學熱處理工藝，如氣體軟氯化、氯化、滲硼、滲硫等處理。

灰鑄鐵

灰鑄鐵抗拉強度及硬度的變化是由于機體組織及石墨大小、數量不同的結果。

純鐵素體為基體的灰鑄鐵：強度、硬度最低，純珠光體為基體的灰鑄鐵：強度、硬度較高，改變基體中鐵素體及珠光體相對含量，可得不同的抗拉強度及硬度的HT，石墨呈粗片狀的灰鑄鐵，抗拉強度較低，石墨呈細片狀的灰鑄鐵其抗拉強度較高。

灰鑄鐵中碳的存在狀态及其基體組織決定于鑄件冷卻速度：

①鐵水以很快速度冷卻時，第一階段石墨化過程（共析溫度以上）及第二階段石墨化過程（共析溫度下）完全被抑止将得到共晶滲碳體+二次滲碳體+珠光體組織，即白口鑄鐵組織。[鐵碳相圖：鐵水當溫度冷卻到液相時，開始從液相析出（γ）。1147共析溫度。L→γ+Fe3C（共晶滲碳體）溫度下降，A的飽和固溶碳量随溫度下降而降低，因而析出二次滲碳體，此反應持續到共析溫度。在共析反應中，A轉變為珠光體。冷卻到室溫後，組織由共晶滲碳體+二次滲碳體+珠光體組成]。

②鐵水以很慢的速度冷卻時由于滲C體是不穩定相，而石墨是穩定相。第一階段和第二階段石墨化過程都進行得很充分，最後得純鐵素體的灰鑄鐵組織。

③若石墨化的第一階段進行很完全，第二階段石墨化過程進行得不完全，則得珠光體+鐵素體、灰鑄鐵。

不同元素對鑄鐵石墨化及白口化的影響。

鑄鐵的補焊

鑄鐵在制造和使用中容易出現各種缺陷和損壞。鑄鐵補焊是對有缺陷鑄鐵件進行修複的重要手段，在實際生産中具有很大的經濟意義。

（一）鑄鐵的焊接性

鑄鐵含碳量高，塑性差，組織不均勻，焊接性很差，在焊接時，容易出現焊後易産生白口組織、焊後易出現裂紋、焊後易産生氣孔等問題。

白口組織是由于在鑄鐵補焊時，碳、矽等促進石墨化元素大量燒損，且補焊區冷速快，在焊縫區石墨化過程來不及進行而産生的。白口鑄鐵硬而脆，切削加工性能很差。采用含碳、矽量高的鑄鐵焊接材料或鎳基合金、銅鎳合金、高釩鋼等非鑄鐵焊接材料，或補焊時進行預熱緩冷使石墨充分析出，或采用釺焊，可避免出現白口組織。

裂紋通常發生在焊縫和熱影響區，産生的原因是鑄鐵的抗拉強度低，塑性很差（400℃以下基本無塑性），而焊接應力較大，且接頭存在白口組織時，由于白口組織的收縮率更大，裂紋傾向更加嚴重，甚至可使整條焊縫沿熔合線從母材上剝離下來。防止裂紋的主要措施有：采用純鎳或銅鎳焊條、焊絲，以增加焊縫金屬的塑性；加熱減應區以減小焊縫上的拉應力；采取預熱、緩冷、小電流、分散焊等措施減小焊件的溫度差。

（二）手工電弧焊補焊的方法：

（1）熱焊及半熱焊焊前将焊件預熱到一定溫度（400℃以上），采用同質焊條，選擇大電流連續補焊，焊後緩冷。其特點是焊接質量好，生産率低，成本高，勞動條件差。

（2）冷焊采用非鑄鐵型焊條，焊前不預熱，焊接時采用小電流、分散焊，減小焊件應力。焊縫的強度、顔色與母材不同，加工性能較差，但焊後變形小，勞動條件好，成本低。