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Chapter7 铸 铁 铸铁是以铁-碳-硅为主的多元铁基合金。普通铸铁的化学成分一般为2～4％碳，1～3％硅，0.02～0.25％硫，0.05～1.0％磷。 铸铁的铸造性能优良，因而通常采用铸造的方法制造成铸件使用，故称之为铸铁。 铸铁是人类使用最早的金属材料之一。到目前为止，铸铁仍是一种被广泛使用的金属材料。从整个工业生产中使用金属材料的数量来看，铸铁的使用量仅次于钢材。被广泛地应用于机械制造、冶金、矿山、石油化工、交通运输、建筑和国防生产部门。 7.1 铸铁的特点和分类 一、铸铁的特点 1 成分特点 铸铁与碳钢相比较，有较高的碳和硅含量，还有较高的杂质元素硫和磷。 2 组织特点 铸铁中的碳主要有如下三种分布形式： 溶于铁晶格的间隙中，形成间隙固溶体，如铁素体、奥氏体；与Fe生成化合物，如Fe3C碳化物；以游离的石墨形式析出。 铸铁中的碳主要是以石墨的形态存在，组织是由金属基体和石墨所组成的。 铸铁的金属基体有铁素体、铁素体＋珠光体、珠光体，经热处理后有马氏体、贝氏体等组织，它们相当于钢的组织。 铸铁中石墨的形态可分为四种：片状石墨、球状石墨、蠕虫状石墨、 团絮状石墨。 3、性能特点 （1）机械性能低 铸铁的机械性能主要取决于铸铁基体组织以及石墨的数量、形状、大小及分布特点。 石墨的机械性能很低，硬度仅为HB3～5，抗拉强度为20MPa，延伸率接近零。 石墨减小铸铁件的有效承载截面积，同时石墨尖端易使铸件在承载时产生应力集中，形成脆性断裂。因此，铸铁的抗拉强度、塑性和韧性要比碳钢低。 （2）良好的耐磨性、高的消振性、低的缺口敏感性、优良的切削加工性和铸造性能。 二、铸铁的分类 根据铸铁中的碳在结晶过程中的析出状态以及凝固后断口颜色的不同，可分为三大类： 白口铸铁：碳除少量溶于铁素体外，其余全部以化合物状态的渗碳体析出，凝固后断口呈白亮的颜色； 麻口铸铁：碳既以化合状态的渗碳体析出，又以游离状态的石墨析出，凝固后断口夹杂着白亮的渗碳体和暗灰色的石墨 ； 灰口铸铁：碳全部或大部分以游离状态的石墨析出，凝固后断口呈灰色 。 灰口铸铁按石墨的形状又可分为： 灰口铸铁 －石墨为片状； 球墨铸铁－石墨为球状；可锻铸铁－石墨为团絮状；蠕墨铸铁－石墨为蠕虫状。 7.2 铸铁的石墨化 一、Fe-Fe3C和Fe-C双重状态图 Fe3C是一个介稳定的相，石墨是稳定相。反映铁-碳合金结晶过程和组织转变规律的状态图有两种：即Fe-Fe3C状态图(亦称为铁－碳合金亚稳定系状态图)和Fe-C状态图(亦称为铁－碳合金稳定系状态图)，研究铸铁时，通常把两者叠加在一起，得到铁－碳合金双重状态图。 二、铸铁的石墨化过程 铸铁中石墨的形成过程称为石墨化过程。 1、热力学条件 按Fe-C系相图进行结晶，铸铁冷却时的石墨化过程应包括： 从液体中析出一次石墨；由共晶反应生成共晶石墨；由奥氏体中析出二次石墨；由共析反应生成共析石墨。 铸铁加热时的石墨化过程：介稳定的渗碳体，当在比较高的温度下长时间加热时，会发生分解产生石墨化，即Fe3C→3Fe+C 第一阶段石墨化：无论是冷却时的石墨化过程或是加热时的石墨化过程，凡是发生在P′S′K′线温度以上的石墨化。第二阶段石墨化：凡是发生在P′S′K′线温度以下的石墨化。 2、动力学条件 共晶成分铸铁的液相碳含量为4.3%，渗碳体的碳含量为6.67%，而石墨的碳含量接近于100％，液相与渗碳体的碳浓度差较小。 从晶体结构的相似程度来分析，渗碳体的晶体结构比石墨更相近于液相。因而，液相结晶时有利于渗碳体晶核的形成。 石墨形核和长大时，不仅需要碳原子通过扩散而集中，还要求铁原子从石墨长大的前沿作相反方向扩散，故石墨较难长大。 而渗碳体的结晶长大过程，主要依赖于碳原子的扩散，并不要求铁原子作长距离的迁移，所以长大速度快。 可见，从结晶的形核和长大过程的动力学条件来看都是有利于渗碳体的形成。当结晶冷却速度(过冷度)增大时，动力学条件的影响表现得更为强烈。 三、影响铸铁石墨化的因素 1、化学成分的影响 ① 碳和硅 碳和硅都是强烈促进石墨化的元素。 石墨来源于碳，随着碳含量的提高，铁水中的碳浓度和未溶解的石墨微粒增多，有利于石墨形核，从而促进了石墨化。 硅与铁原子的结合力大于碳与铁原子之间的结合力。硅溶于铁水和铁的固溶体中，由于削弱了铁和碳原子之间的结合力，而促使石墨化。 硅还降低铸铁共晶成分的碳浓度，铸铁中加入硅可代替一部分碳，硅促进石墨化的作用约相当于碳的三分之一。 为了综合考虑碳和硅的影响，常用碳当量(CE)和共晶度(SC)表示。 碳当量是将硅含量折合成相当的碳量与实际碳含量之和， 即：CE=C%+1/3Si% 共晶度是指铸铁的碳含量