從鐵碳合金相圖知道，含碳量大于2.11% 的鐵碳合金稱為鑄鐵cast iron）。雖然鑄鐵的強度、塑性和韌性較差，不能進行鍛造，但它卻具有優(yōu)良的鑄造性、減摩性、切削加工性等一系列的性能特點，加上它的生產(chǎn)設(shè)備和工藝簡單、價格低，因此廣泛應(yīng)用于機械制造、石油、化工、冶金、礦山、交通運輸、國防工業(yè)等部門。據(jù)統(tǒng)計，按重量百分比計算，在農(nóng)業(yè)機械中鑄鐵件約占(40～60)%；汽車、拖拉機中約占(50～70)%；機床中約占(60～90)%。特別是近年來由于稀土鎂球墨鑄鐵的發(fā)展，更進一步打破了鋼與鑄鐵的使用界限，不少過去使用碳鋼和合金鋼制造的重要零件，如曲軸、連桿、齒輪等，如今已可采用球墨鑄鐵來制造“以鐵代鋼”、“以鑄代鍛”。這不僅為國家節(jié)約了大量的鋼材，而且還大大減少了機械加工的工時，降低了產(chǎn)品的成本。
鑄鐵之所以具有這些特性，除了因為它具有接近共晶的成分，熔點低，流動性好，易于鑄造外，還因為它的C、Si含量較高， 使碳大部分不以化合(Fe3C)而是呈游離的石墨狀態(tài)存在，石墨有潤滑作用和吸油能力，因而鑄鐵有良好的減摩性和切削加工性。根據(jù)碳在鑄鐵組織中存在形式不同，可分為以下幾類：
1.白口鑄鐵（white cast iron）
簡稱為白口鐵，完全按照Fe-Fe3C 相圖進行結(jié)晶而得到的鑄鐵。其中碳全部以滲碳體(Fe3C)形式存在，斷口呈銀白色。由于存在有大量硬而脆的Fe3C，硬度高，脆性大，很難切削加工。很少用來直接制造機器，主要用于煉鋼原料或制造可鍛鑄鐵的毛坯。
2.灰口鑄鐵（gray cast iron）
碳主要結(jié)晶成游離狀態(tài)的石墨。其中碳大部分或全部以片狀石墨形狀存在，斷口為暗灰色，常見的鑄鐵件多數(shù)是灰口鑄鐵。
3.可鍛鑄鐵(malleable iron)
由一定成分的白口鑄鐵經(jīng)石墨化退火處理而獲得，其中碳大部分或全部以團狀石墨形式存在，由于具有較灰口鑄鐵高得多的塑性和韌性，習(xí)慣上稱為可鍛鑄鐵，實際上不能鍛。
4.球墨鑄鐵(nodular cast iron)
鐵水在澆注前經(jīng)球化處理，其中碳大部分或全部以球狀石墨形式存在，機械性能高，生產(chǎn)工藝比可鍛鑄鐵簡單，近年來日益得到廣泛的應(yīng)用。
5.蠕墨鑄鐵
碳以蠕蟲狀石墨形式存在，介于片狀和球狀石墨之間，是近十幾年發(fā)展起來的新型鑄鐵。
此外，為了滿足一些特殊要求，向鑄鐵中加入一些合金元素，如Cr、Al、B等，可得到耐蝕鑄鐵、 耐熱鑄鐵及耐磨鑄鐵等合金鑄鐵。
二、鑄鐵的石墨化及影響因素
從以上各種鑄鐵的組織可見， 鑄鐵中的碳可能以化合狀態(tài)(Fe3C)或自由狀態(tài)(石墨)兩種形態(tài)存在。鑄鐵在結(jié)晶過程中，碳以石墨形態(tài)析出的現(xiàn)象稱為石墨化。鑄鐵中石墨化程度直接決定了鑄鐵的組織和性能。影響鑄鐵中石墨化的因素主要有化學(xué)成分和冷卻速度。
1.化學(xué)成分
(1)碳和硅
碳和硅是強烈促進石墨化的元素。鑄鐵中C、Si越高，石墨化越容易進行，越容易得到灰口組織。但過高，石墨多而粗大，組織中鐵素體量增多，珠光體量減少，力學(xué)性能降低。因此，為了保得到一定數(shù)量的石墨，避免形成白口鑄鐵，灰口鑄鐵中C 一般控制在(2.5～4.0) %，Si控制在(1.0～3.0) %，厚壁件取下限，薄壁件取上限。砂型鑄造時，碳硅含量與鑄鐵組織的關(guān)系如圖21-2所示。
(2)硫
S是強烈阻礙石墨化的元素，S阻礙C原子的擴散，S還能增強Fe、C原子的結(jié)合力。強烈的阻礙石墨化，S能使鐵水的流動性降低，收縮量增大，使鑄鐵有較大的熱裂傾向，因此鑄鐵中S 含量越低越好，一般要控制在0.15%以下。
(3)錳
Mn本身是阻礙石墨化的元素，但它能與S結(jié)合，形成MnS浮集到渣中，從而削弱了S阻礙石墨化作用，Mn一般為(0.5～1.4) %。
4)磷
P對石墨化稍起促進作用，改善鑄造性能。但P具有冷脆性，是有害元素，要控制使用。
2.冷卻速度
冷卻速度對鑄鐵石墨化的影響很大。冷卻越慢，原子擴散越充分，越有利于石墨化進行。而快冷阻止石墨化越容易得到白口組織。
冷卻速度的大小主要取決于澆注溫度、鑄件壁厚和鑄型導(dǎo)熱能力等多種因素。澆注溫度愈高，使得鐵水凝固前鑄型吸收的熱量愈多，鑄件冷卻就愈慢；各種造型材料的導(dǎo)熱性不同，鑄件在金屬型中的冷卻比在砂型中快。同是砂型，濕型的冷卻速度大于干型和預(yù)熱的鑄型；鑄件壁厚是影響冷卻速度的一個重要因素，鑄件壁越厚，則冷卻速度越小，石墨化就越完全。所以，在實際生產(chǎn)中常常發(fā)現(xiàn)同一厚壁處為灰口，而薄壁處出現(xiàn)白口的現(xiàn)象。鑄鐵的化學(xué)成分(C+Si)和冷卻速度對組織的影響如圖21-3所示。 生產(chǎn)中就是利用這一關(guān)系，對于不同壁厚的鑄件通過調(diào)整C和Si 的含量以保得到所需要的灰口組織。
第二節(jié) 灰口鑄鐵
灰口鑄鐵(簡稱為灰鐵)是價格便宜，應(yīng)用一種鑄鐵，占各種鑄鐵總含量的80%以上。
一、灰口鑄鐵的成分、組織與性能
(一)灰口鑄鐵的成分與組織
灰口鑄鐵的化學(xué)成分大致為：(2.6～3.6) %C，(1.2～3.0) %Si，(0.4～1.2)%Mn，≤0.15%S，≤0.3%P。
灰口鑄鐵組織特點是石墨呈片狀分布在金屬的基體組織上。按金屬基體組織的不同，灰口鑄鐵分為三種類型：鐵素體灰口鑄鐵；鐵素體－珠光體灰口鑄鐵；珠光體灰口鑄鐵。
1.鐵素體灰口鑄鐵
它是在鐵素體的金屬基體上分布著粗大的片狀石墨。此鑄鐵的強度、硬度低，很少用來制造機器零件，但質(zhì)軟，易加工，鑄造性能好，可用來制造少數(shù)要求不高的鑄件或薄件。
2.鐵素體--珠光體灰口鑄鐵
它是在珠光體和鐵素體組成的金屬基體上分布著片狀石墨，其石墨片稍粗大，數(shù)量也較多，因此，其強度、硬度較差，此種鑄造時易控制，切削性能較好，用途廣。
3.珠光體灰口鑄鐵
它是在珠光體的基體上分布著細小而均勻的片狀石墨。強度、硬度高，主要用于制造重要機件。
(二)灰口鑄鐵的性能
1.機械性能
灰口鑄鐵組織是鋼的基體上分布有片狀石墨，石墨的密度為鑄鐵的1/3，其體積約占鑄鐵的（7～10）%，石墨的抗拉強度小于20MPa，塑性近于零，硬度3HBS，石墨的這種特性是改變灰口鑄鐵機械性能的主要因素。
由于片狀石墨象刀口一樣對金屬基體的嚴重割裂作用，減少了基體受力的有效面積，使鑄件金屬基體的作用不能充分發(fā)揮，據(jù)統(tǒng)計灰口鑄鐵金屬基體強度的利用率一般不超過（30～50）%，這表現(xiàn)為鑄鐵抗拉強度比碳鋼低得多，σb為(120～250)MPa，塑性、韌性較差，并且?guī)缀鯖]有延伸率(δ≈0)，使普通灰口鑄鐵成為脆性材料， 故常把灰口鑄鐵看成具有大量微小裂紋或孔洞的碳鋼。但石墨對基體的割裂作用和造成的應(yīng)力集中對壓應(yīng)力的有害影響較小，所以灰口鑄鐵的抗壓強度較高。石墨數(shù)量愈多，愈粗大，分布愈不均勻，對基體的割裂就愈嚴重，其機械性能愈差。由上可知，普通灰鐵性能好壞的關(guān)鍵是組織中的石墨，即其性能取決于鑄鐵的石墨化程度。
2.工藝性能
由于鑄鐵很脆，因此不能進行鍛造和沖壓，焊接時易于產(chǎn)生裂紋，并出現(xiàn)白口組織，使切削加工增加困難，所以說焊接性能差。
灰口鑄鐵接近共晶成分，鑄造時流動性好，又由于石墨膨脹可使收縮減小，鑄造性能好。
由于石墨具有割裂基體連續(xù)性的作用，從而使鑄件的切削屑易脆斷成碎片，具有良好的切削加工性。
3.減振性
鑄鐵中的石墨對振動能起緩沖作用，阻止晶粒間振動能的傳遞，并將振動能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋Ｋ?，灰口鑄鐵具有很好的減振性。并且，粗大片狀石墨的減振能力大于球狀石墨，因此對于承受振動較大的零件，在強度允許時應(yīng)先采用具有片狀石墨的普通灰口鑄鐵。
4.耐磨性
石墨對鑄鐵耐磨性的影響主要表現(xiàn)在儲油與潤滑兩個方面。鑄鐵摩擦面上的石墨構(gòu)成大量的顯微凹坑，起儲油作用，可維持油膜的連續(xù)性，同時石墨本身又是良好的潤滑劑，脫落在摩擦面上也起潤滑作用。所以灰口鑄鐵具有良好的耐磨性。
5.缺口敏感性小
石墨在鑄鐵中形成大量的小切口，從而減少了它對外來切口( 孔洞、斷面的急劇過渡、非金屬夾雜等)的敏感性。因此， 表面加工質(zhì)量不高對鑄鐵疲勞強度的不利影響要比對鋼的影響小得多。
由于灰口鑄鐵具有以上一系列的特點，故被廣泛地用來制造各種承受壓力和要求消振性好的床身、機架、箱體、殼體和經(jīng)受摩擦的導(dǎo)軌、缸體、活塞環(huán)等。
二、灰口鑄鐵的孕育處理
普通灰口鑄鐵的大弱點是強度低，這是因為一般灰口鑄鐵的C、Si含量較高，石墨片和基體組織比較粗大。 提高灰口鑄鐵機械性能的有效方法之一是采用孕育處理（inoculation）的方法。它是把作為孕育劑（inoculant）的硅鐵或硅鈣合金(加入量一般為鐵水總質(zhì)量的0.4%左右)沖入到C、Si含量稍低的鐵水中，經(jīng)攪拌去渣后進行澆注，以獲得大量的人工晶核，從而得到石墨片極為細小且均勻分布的珠光體灰口鑄鐵，這種鑄鐵又常稱為“孕育鑄鐵”（ inoculated cast iron）。其強度、硬度比普通灰口鑄鐵有顯著提高。
孕育鑄鐵具有較高的強度和硬度，可用來制造力學(xué)性能要求較高的鑄件，如汽缸、曲軸、凸輪、機床床身等，尤其是截面尺寸變化較大的鑄件。
另外，工廠里常用去應(yīng)力退火和軟化退火來消除鑄件內(nèi)應(yīng)力和白口組織。
三、灰口鑄鐵的牌號和應(yīng)用
灰口鑄鐵的牌號由“灰鐵”漢語拼音的字首“HT”和后面的三位數(shù)字組成。后續(xù)數(shù)字表示低抗拉強度(MPa)的數(shù)值。表21-1列出灰口鑄鐵的牌號、性能和用途。
第三節(jié) 可鍛鑄鐵
可鍛鑄鐵又稱馬鐵或瑪鋼，實際并不可以鍛造，這些名稱只表示它具有一定的塑性δ＝(2～12) %和韌性aKU≤30J/cm２，故稱為展性鑄鐵或韌性鑄鐵?？慑戣T鐵是由白口鑄鐵通過退火處理使?jié)B碳體分解而得到團絮狀石墨的一種高強度鑄鐵。按退火方法不同有黑心和白心兩種類型鑄鐵。黑心可鍛鑄鐵依靠石墨化退火獲得，白心可鍛鑄鐵利用氧化脫碳退火來制取。后者已很少生產(chǎn)，我國主要生產(chǎn)黑心可鍛鑄鐵。
可鍛鑄鐵的化學(xué)成分為：(2.4～2.7)%C，(1.4～1.8)%Si，(0.5～0.7)%Mn，<0.08%P，<0.25%S。C、Si含量很低，就是為了保證在通常冷卻條件下得到白口鑄鐵件。
根據(jù)基體組織的不同，可分為鐵素體可鍛鑄鐵和珠光體可鍛鑄鐵，其顯微組織如圖21-5所示。
由于石墨呈團狀，對基體的割裂破壞作用比片狀石墨小得多，因此有較高的強度σb＝（300～700）MPa，以及較好的塑性和韌性，適于生產(chǎn)對機械性能要求較高，承受沖擊負荷的薄壁( 厚度不超過25mm)形狀復(fù)雜的小型鑄件，如各種管接頭、閥門及汽車上的一些小零件。但可鍛鑄鐵生產(chǎn)周期長，工藝復(fù)雜，成本較高，近年來有些可鍛鑄鐵件已部分地被球墨鑄鐵所代替。
第四節(jié) 球墨鑄鐵
一、球墨鑄鐵的組織和性能
球墨鑄鐵(簡稱為球鐵)是近幾十年來鑄鐵生產(chǎn)發(fā)展的一個重要方面，結(jié)合我國資源特點，于六十年代創(chuàng)造了稀土鎂球墨鑄鐵。目前已成功地用于鑄造一些受力復(fù)雜，強度、韌性、耐磨性要求較高的零件。
球墨鑄鐵是通過球化和孕育處理得到球狀石墨，有效地提高了鑄鐵的機械性能，特別是提高了塑性和韌性，從而得到比碳鋼還高的強度。
球墨鑄鐵與灰口鑄鐵相比，C、Si含量較高，而Mn較低，對S、P的限制較嚴。其化學(xué)成分一般為：(3.5～3.8)%C，(2.0～3.0)%Si，(0.5～0.7)%Mn，<0.08%P，<0.02%S，(0.03～0.07)%Mg(此為無稀土元素時)，當(dāng)有稀土元素存在時，則Mg可低些。
根據(jù)基體組織的不同，常用的球墨鑄鐵分為三種類型：鐵素體球鐵、鐵素體--珠光體球鐵及珠光體球鐵。
球墨鑄鐵良好的機械性能是與其組織特點分不開的，在球鐵中，石墨結(jié)晶成球狀，對基體的割裂作用大為減小，基體強度的利用率達（70～90）%，抗拉強度不僅高于鑄鐵，甚至還高于碳鋼，σb＝(400～600)MPa，σs＝(300～400)MPa。屈強比σs/σb為0.7～0.8，比鋼約高40%左右。塑性、韌性比灰口鑄鐵大大提高，δ＝(1.5～10)%，經(jīng)熱處理高可達δ＝(20～25)%。
球墨鑄鐵不僅具有遠遠超過灰鐵的機械性能，而且同樣也具有灰鐵的一系列優(yōu)點。如良好的鑄造性能、減摩性、切削加工性及低的缺口敏感性等。甚至在某些性能方面可與鍛鋼相媲美，如疲勞強度大致與中碳鋼相似，耐磨性優(yōu)于表面淬火鋼等。此外，球鐵還可適應(yīng)各種熱處理，使其機械性能提高到更高的水平。因此。球鐵一出現(xiàn)就得到迅速的發(fā)展。它可代替部分鋼作較重要的零件，對實現(xiàn)以鐵代鋼、以鑄代鍛起重要的作用，具有較大的經(jīng)濟效益。珠光體球鐵常用于制造曲軸、連桿、凸輪軸、機床主軸、水壓機氣缸、缸套、活塞等。鐵素體球鐵用于制造壓閥、機座、汽車后橋殼等。
二、球墨鑄鐵的牌號的應(yīng)用
球墨鑄鐵牌號由“QT”(“球鐵”兩字漢語拼音字首) 和兩組數(shù)字組成，前一組數(shù)字表示低抗拉強度，后一組數(shù)字表示低伸長率。如QT500-07，表示抗拉強度低值為500MPa，伸長率低值為7%的球墨鑄鐵。球墨鑄鐵的牌號、性能和用途見表21-3?！?br />
三、球墨鑄鐵的生產(chǎn)
球鐵的生產(chǎn)中要嚴格控制鐵水的化學(xué)成分，S、P含量愈低愈好。選擇適合的球化劑和孕育劑，球化劑的作用是使石墨結(jié)晶時呈球狀析出，常用的是稀土鎂合金和稀土硅鐵鎂，加入量為鐵水的（1～1.6）%。鎂是重要的球化元素，但密度小(1.74g/cm３) ，沸點低(1120℃)，若直接加到鐵水中，將立即沸騰，鎂的回收率低，且易出事故。稀土元素的球化作用比鎂弱，但有強烈的脫硫、去氣能力，還能細化組織，改善鑄造性能。孕育劑的作用是促進鐵水的石墨化，防止產(chǎn)生白口。由于鎂和稀土元素都是阻止石墨化的元素，球化同時需加孕育劑。孕育劑為75%硅鐵，加入量為鐵水重量的（0.4～1.0）%，同時要掌握好球化處理和熱處理工藝。
球化處理常用的方法是沖入法，處理時，先將球化劑放到鐵水包低部的堤壩內(nèi)，上面鋪以硅鐵粉和稻草灰，并壓緊，以延緩鐵水與球化劑的作用，防止球化劑上浮，提高吸收率。
開始時先將鐵水包容量的1/2～1/3鐵水沖入包內(nèi)，使球化劑與鐵水發(fā)生反應(yīng)，然后沖入其余鐵水，經(jīng)攪拌扒渣后，即可澆注。
將球化劑置于澆注系統(tǒng)中特制的反應(yīng)室內(nèi)進行球化處理的工藝稱為型內(nèi)球化，是近年來球化工藝的新發(fā)展。鎂的利用率高，質(zhì)量穩(wěn)定，并適合流水作業(yè)生產(chǎn)等優(yōu)點。
因球化處理時鐵水溫度有所降低，為保證流動性，應(yīng)使鐵水的出爐溫度高些。
四、球墨鑄鐵的熱處理
由于球鐵基體組織與鋼相同，球鐵石墨又不易引起應(yīng)力集中，因此它具有較好的熱處理工藝性能。凡是鋼可以采用的熱處理，在理論上對球鐵都適用。常用的熱處理方法有以下幾種：
1.退火
目的是為了獲得高塑性、韌性的鐵素體球鐵。如汽車、拖拉機的底盤鑄件需進行退火處理。
2.正火
目的是增加基體組織中珠光體的含量，并使其細化，提高鑄鐵的強度、硬度和耐磨性，如發(fā)動機的缸套、滑座和軸套等鑄件均要進行正火。
此外，還能將鑄態(tài)珠光體球鐵進行調(diào)質(zhì)和等溫淬火，以獲得高的強度和硬度，但是都只適宜于小件。
第五節(jié) 蠕墨鑄鐵及合金鑄鐵簡介
一、蠕墨鑄鐵
蠕墨鑄鐵是70年代發(fā)展起來的一種新型高強度鑄鐵。生產(chǎn)蠕墨鑄鐵的方法與球鐵相似，即在出鐵時往鐵水中加入蠕化劑，進行蠕化處理，然后加入孕育劑作孕育處理而得到。目前所用的蠕化劑有鎂鈦合金、稀土鎂鈦合金或稀土鎂鈣合金等。
蠕墨鑄鐵的石墨呈蠕蟲狀，短而厚，端部圓滑，分布均勻。其機械性能介于普通灰鑄鐵和球鐵之間，熱疲勞性能好。具有接近灰口鑄鐵的優(yōu)良的鑄造性能。它主要應(yīng)用于一些經(jīng)受熱循環(huán)載荷，要求組織致密、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、強度高的鑄件，如汽缸蓋、汽缸套、鋼錠模、液壓閥等鑄件。它是一種有發(fā)展前程的結(jié)構(gòu)材料。
蠕墨鑄鐵的牌號用“RuT”加一組數(shù)字表示。如RuT420， 表示抗拉強度不低于420MPa的蠕墨鑄鐵?！ ?br />
二、合金鑄鐵
隨著生產(chǎn)的發(fā)展，對鑄鐵不僅要求有更高的機械性能，而且有時還要求具有某些特殊性能。如耐磨性、耐熱性和耐蝕性等。為此，可向鑄鐵中加入一定量的合金元素制成合金鑄鐵（alloy cast iron）。
(一)耐磨鑄鐵(wear resistant cast iron)
向鑄鐵中加入一定的P、B、V或Ti等元素， 使鑄鐵組織中形成大量均布的高硬度顯微夾雜物，大大提高了鑄鐵的耐磨性。向鑄鐵中加入Cr、Mo和Cu等元素使基體組織細化和強化，也能提高耐磨性。高P、Cu、Ti合金鑄鐵是制造機床導(dǎo)軌的好材料。Cr、Mo、Cu 合金鑄鐵主要用在汽車、拖拉機、精密機床方面以及要求較高的大型柴油機汽缸套及活塞環(huán)等零件。此外，還有中錳球墨鑄鐵用于農(nóng)機上的耙片、犁鏵、球磨機的襯板、磨球、拖拉機上的履帶板等。
(二)耐熱鑄鐵（heat-resistant cast iron）
耐熱鑄鐵是指在高溫下具有較好的抗氧化和抗生長的能力。所謂“生長”是指由于氧化性氣體沿著石墨片的邊界和裂紋滲入鑄鐵內(nèi)部所造成的氧化以及由于Fe3C分解而發(fā)生的石墨化引起鑄鐵件體積膨脹。向鑄鐵中加入一定量的Al、Si或Cr等元素，一方面使鑄鐵表面形成致密的氧化膜(Al2O3、SiO2、Cr2O3)，使這類鑄鐵在高溫下具有抗氧化、不起皮的能力；另一方面，這些元素提高了鑄鐵組織的相變溫度，阻止了Fe3C的分解，增強了鑄鐵在高溫下的抗生長性，使鑄件的性能與尺寸穩(wěn)定，即提高了耐熱性。耐熱鑄鐵可用于制造爐門、爐柵等耐熱件。
(三)耐蝕鑄鐵（corrosion resistant cast iron）
耐蝕鑄鐵是指在腐蝕性介質(zhì)中工作時具有耐蝕能力的鑄鐵。它們主要應(yīng)用于化工部門，如閥門、管道、泵、容器等。提高鑄鐵耐蝕性主要靠加入大量的Si、Al、Cr、Ni、Cu等合金元素。在鑄件表面形成保護膜，可以提高鑄鐵的耐蝕性能。
