工程材料学 铸铁的组织与性能

实验一  铸铁的组织与性能

一、实验目的

1、观察灰口铸铁中不同类型石墨的形貌及基体组织。

2、观察灰口铸铁中磷共晶的形态及分布。

二、实验原理

铸铁是含碳量大于2.14%或组织中具共晶的铁碳合金。工业上所用的铸铁，实际上都不是简单的铁——碳二元合金，而是以铁、碳、硅为主要元素的多元合金。

铸铁中的碳可以以渗碳体的形式存在，也可以石墨的形式存在。根据碳在铸铁中的存在形态的不同，通常可将铸铁分为白口铁、灰口铸铁和麻口铸铁。而根据铸铁中石墨的形态不同，又可分为普通灰口铸铁，蠕虫状石墨铸铁，球墨铸铁以及可锻铸铁。

   铸铁中的金属基体一般都是由珠光体。铁素体或珠光体+铁素体组成。基体上与共析钢或亚共析钢的基体组织相同。

灰口铸铁的金相特点，是在钢的基础上分布着片状石墨，其组织是根据石墨片的大小、长度、分布及基体的类型不同有很大的差异，这主要决定于化学成份和铸造条件而定。

（一）灰口铸铁

1、灰口铸铁的石墨类型   

灰口铸铁中石墨的大小、数量和分布对机械性能有很大的影响。为了便于比较，对铸铁中石墨进行了分类评级，我国按石墨的形成原因和分布特征，将其分为A、B、C、D、E和F六种类型。 

A型石墨：石墨片的尺寸和分布都比较均匀，且无方向性。这种石墨是碳当量为共晶成份或接近共晶成分的铁水在共晶温度范围内从铁水中和奥氏体同时析出的，其生成条件是具有较小的过冷度，这样才能造成均匀生核和长大，使各处的结晶和生长速度相差不大，最后得到大小和分布均匀的A型石墨（见图1）。 

B型石墨：点状石墨被卷曲的片状石墨所包围，无方向性，具有菊花形态。称为菊花状石墨（见图2）。这类石墨的特点是由于过冷度较大，首先从液相中析出细小的树枝状奥氏体，接着在树枝的间隙中产生奥氏体与石墨共晶，这时的石墨片分枝多而密，形成菊花中心的点状石墨。但是，因为不是在非常强烈的过冷条件下结晶，在初晶产物放出结晶潜热的条件下减慢了包围着初晶产物外层的铁水的结晶速度，而且又只能由沿着初生产物向外呈放射状的方向通过液体金属进行散热。所以外层石墨生长成为较粗大的曲片形，大致呈放射状分布，直至遇到邻近的共晶团为止。这类石墨常在碳、硅含量较高，过冷度较大的亚共晶灰铸铁中出现，B型石墨由于呈聚集分布，因而使铸铁的强度有所降低。 

C型石墨：是由大片状的初生石墨与较细小的共晶石墨所组成。石墨大小相差很大，但分布比较均匀，无方向性（见图3）。这种类型的石墨主要出现在过共晶程度较大，冷却速度较慢的厚壁铸件中，由于缓慢冷却，共晶结晶前形成的初生石墨在铁水中能充分长大，形成粗片状石墨。随着初生石墨的析出，铁水的含碳量逐渐降低，在共晶温度下，具有共晶成分的铁水发生共晶转变而析出共晶石墨，结果形成粗片状的初生石墨和细小的共晶石墨片混杂分布的形式。粗大石墨片的存在，使铸铁的机械性能显著降低。 

D型石墨：点状与小片状的石墨无方向性的分布（见图4）。它是在较大过冷条件下生成的共晶石墨。这类石墨往往出现在碳、硅含量较低，过冷度较大的亚共晶灰口铸铁中。结晶时，首先形成树枝状的奥氏体，由于过冷度较大，分布于枝晶间隙中的剩余铁水发生共晶转变时，几乎同时生成大量的石墨核心，这些石墨核心只能作微小的生长，产生多而密的分枝，所以在显微镜下，石墨呈点。片状分布在奥氏体的树枝间隙中，除了低碳和强烈过冷外，铁水过热也是D型石墨生成的条件。因为过热会使石墨生成的核心减少，石墨结晶困难，需要有较大的过冷度。这类石墨由于密集分布，也使机械性能有所下降。 

    E型石墨：在初生奥氏体的晶间分布着有方向性的短片石墨，其特征和成因与D型石墨基本相同，只是E型石墨的分布具有明显的方向性（见图5）。在实际生产中，D型和E型石墨通常不作严格区分，分称D、E型石墨，也称过冷石墨或枝晶石墨。E型石墨因分布的方向性较强，它对机械性能的影响也较D型石墨大一些。 

   F型石墨：其特点是星状（或蜘蛛状）与短片状石墨混合均匀分布（见图6），F型石墨是过共晶铁水在较大过冷度的条件下形成的。大块的为初生石墨，片状石墨在其上生长。

（二）灰口铸铁的基体组织  

实际生产中应用的灰口铸铁主要是以珠光体为基体的，随着基体中珠光体含量的增加和细化，铸铁的强度、硬度和耐磨性提高。珠光体的细化程度与奥氏体的成分、晶粒度、分解温度有关，灰口铸铁中珠光体类型组织的形成过程与钢相似，不再重述。灰口铸铁的基体组织为铁素体、铁素体＋珠光体、珠光体组织（见图1～图9）。

磷共晶：铸铁经常含有较多的磷，它在奥氏体或体素体中溶解度很小；在古陶纯铁中的溶解12%，而含碳3.5%的铸铁中只能溶解0.3%。再加上结晶偏析的结果。虽然含磷量比上述数值小，也总有磷共晶出现。铸铁中含有0.1%磷，组织中就会出现1%的二元磷共晶。但铸铁中的磷共晶往往既有二元的也有**的，有时还有碳化物组成磷共晶—碳化物复合物，其数量超过铸铁中磷含量的10倍，主题中促进石墨的因素，大多促进二元磷共晶的生成，促进碳化物形成的因素，则促进**磷共晶的生成。二元磷共晶：由磷化三铁和点状铁素体多组成（见图10）；**磷共晶：由磷化三铁，碳化三铁和点状铁素体所组成（见图11）；磷共晶——碳化物复合物，在二元或**磷共晶上镶有较大的碳化物条或块（见图12）。

经硝酸酒精溶液浸蚀后，磷共晶为白亮的，磷化三铁的基体上发表着粒状铁素体，有时粒状呈鱼骨状规则地排列在基体上。

（二）球墨铸铁

球墨铸铁的组织是由球状石墨和金属基体所组成。石墨球通常是孤立地分布在金属基体中的、石墨的圆整度越好、球径越小，分布越均匀，则球墨铸铁的机械性能亦越高，球墨铸铁的基体组织在铸态下变化较大，一般很难获得单一的基体组织，其组织：“珠光体+铁素体+球状石墨”（见图13）。

球墨铸铁的组织可以看成是钢的组织加球状石墨所组成，而机械性能又主要取决于金属基体，因此，像钢一样，通过热处理可以改变其基体组织，从而显著地改善球墨铸铁的性能。球墨铸铁虽然碳含量比钢高得多，但通过热处理控制其不同的石墨化程度、不仅可以获得类似于低碳钢的铁素体基体（退火处理见图14）和类似于中、高碳钢的铁素体+珠光体，甚至珠光体基体组织，而且还可以获得不同相对量和形态的铁素体+珠光体基体组织（正火处理见图15）。因此，球墨铸铁热处理后，即可获得相当于低碳钢的机械性能，又可获得相当于中、高碳钢的机械性能，这是钢的热处理所达不到的。此外等温淬火是目前发挥球墨铸铁材料潜力最有效的一种热处理方法，球墨铸铁等温淬火后，可以获得高强度或超强度，同时具有较高的塑性韧性和具备良好的综合机械性能及耐磨性，还有热处理变形小的特点。所以，经适当的等温处理的球墨铸铁可以满足日益发展的高速、大马达、受力复杂机件的性能要求，从而扩大了球墨铸铁的使用范围。调质处理后的球墨铸铁，具有较好的综合机械性能，而热处理工艺及设备则比等温淬火简单，且被切割加工性比较好，球墨铸铁经调质处理后，组织为素氏体+球状石墨，可代替部分铸钢和锻钢制造一些重要的结构零件，如连杆、曲轴等。对球墨铸铁进行感应加热表面淬火，使它们除具有良好的综合机械性能外，同时工作表面具有较高的硬度和耐磨性以及疲劳强度。根据某些球墨铸铁件往往需要在强烈的磨损或在氧化、腐蚀介质的条件下工作的需要，必须进行化学热处理，如：氮化、软氮化、渗硼等。

（三）蠕墨铸铁

蠕墨铸铁的石墨形态是蠕虫状和球状石墨共存的混合形态，蠕虫状石墨是介于片状石墨和球状石墨之间的中间石墨形态（见图16）。其基体组织为铁素体，其力学性能介于灰铸铁与球墨铸铁之间，其铸造性能比球墨铸铁好，与灰铸铁接近。因此形状复杂的铸铁也能用蠕墨铸铁制造。

此外灰铸铁中还会出现莱氏体，即白口化(见图17)。

（四）可锻铸铁

可锻铸铁的生产过程是先浇注成白口铸铁件，然后再退火成灰口组织。可锻铸铁中的石墨呈团絮状分布（见图18），对金属基体的割裂和破坏较小、石墨尖端引起的应力集中小，金属基体的强度、塑性及韧性可较大程度地发挥作用。故可锻铸铁的机械性能比灰铸铁高、特别是塑性、韧性要高得多。可锻铸铁中的团絮状石墨数量愈少、外形越规则，分布愈细小均匀，其机械性能愈多。可锻铸铁的机械性能除与石墨团的形状、大小、数量和分布有关外、还与金属基体的组织有很大的关系，可锻铸铁的基体有铁素体基体和珠光体基体两种，铁素体基体具有一定的强度和较多的塑性与韧性，主要用作承受冲击和震动的铸件。珠光体基体具有高的强度、硬度和耐磨性以及一定的塑性、韧性，主要用以要求高强度、硬度、耐磨的铸件。

（五）铸铁金相试样的特点

在生产实践和今后的工作中，我们将要碰到大量的铸铁工件的金相检验，在此就铸铁金相试样的制备特点作一简短的说明：铸铁（不包括白口铸铁）试样的抛光，既要使基体表面无道痕，又要保证石墨不污染，不脱落，重要的是要能正确的显示石墨的形态和大小，试样磨平后，用新砂纸（丛粗到细）磨制。用旧了的砂纸是不利于磨制石墨，会使石**落，石**落后，其空腔会由于周围金属变形而变小，或由于腐蚀而扩大，磨面被污物充填。在抛光时，为了防止石**落或污染，要选择短毛纤维柔软的丝织物较为适宜。抛光磨料可用氧化镁，开始抛光时，使用抛光盘的外圈以提高切削速度，要注意随时转动试样（特别是球铁），防止出现“彗星尾巴”。随着抛光接近完成，要逐步减轻压力，并将试样移至抛光盘中心区。抛光过程中必须保持抛光盘湿度适宜，水分过多或过少都会带来不良后果。

经正确地抛光后的铸铁试样，石墨呈灰色，球状石墨可见放射状特征。

对于铁素体基体，则推荐用硝酸酒精溶液。但要注意，石墨会吸收硝酸，腐蚀后，往往引起石墨的膨胀，并导致石墨球或石墨片局部脱落。

三、实验方法及指导

1、实验内容及步骤

（1）观察灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁和蠕墨铸铁的金相组织。见表1。

（2）描绘出几种合金钢的组织示意图。

2、实验设备及材料

设备：金相显微镜。

试样：灰铸铁的各种石墨形态和各种基体组织的金相试样一套；球墨铸铁的各种石墨形态和基体组织的金相试样一套；可锻铸铁金相组织试样； 蠕墨铸铁金相组织试样。

表1     常见铸铁组织

四、实验报告

1、实验目的

2、画出所观察试样的显微组织示意图，并标明材料、状态、显微组织、腐蚀剂、放大倍数。