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鑄鐵顯微組織及分析

2022-06-30 14:48:27 作者：理化檢驗物理分冊來源：每天學點熱處理分享至：

鑄鐵為含碳量在2%以上的鐵碳合金，俗稱生鐵。工業用鑄鐵一般含碳量為2%～4%。由于碳在鐵中固溶量有限，且滲碳體不穩定，適當條件下即會分解為鐵和碳單質即石墨，因此在鑄鐵中多以石墨形態存在，有時也以滲碳體形態存在。除碳外，鑄鐵中還含有1%～3%的硅，以及錳、磷、硫等元素。合金鑄鐵還含有鎳、鉻、鉬、鋁、銅、硼、釩等元素。碳、硅是影響鑄鐵顯微組織和性能的主要元素。鑄鐵材料沒有嚴格的分類，可按鑄鐵的使用性能、斷口特征或成份特征進行分類。較為方便和常用的則是將鑄鐵分為七大類（見下表）。

鑄鐵的組織視化學成分和冷卻速度而異，當鑄鐵凝固的冷卻速度足夠大時，得到白口鑄鐵組織，隨冷卻速度減小，鑄鐵組織依次改變為麻口鑄鐵、珠光體灰口鑄鐵、珠光體鐵素體灰口鑄鐵和鐵素體灰口鑄鐵；球墨鑄鐵是在澆鑄前向灰口鑄鐵加入少量球化劑獲得球狀石墨的鑄鐵。球墨鑄鐵具備優于灰鐵的強度、范性和韌性；可鍛鑄鐵又叫可鍛鑄鐵，由白口鑄鐵經過石墨化退火后制成，是一種強度韌性都較高的鑄鐵。

以下對生產中應用較多的鑄鐵成分、顯微組織及其性能進行分析。

1、灰口鑄鐵

灰口鑄鐵應用最廣泛，占鑄鐵總產量的80%以上。其中碳全部或部分以自由碳-片狀石墨形式存在，因此斷口呈現灰色。其顯微組織根據石墨化程度的不同分為鐵素體、珠光體、鐵素體+珠光體灰口鑄鐵。而所有灰口鑄鐵組織的共同特征是，在這些鑄鐵的組織總有一個相當于鋼的組織的金屬基體，在這基體上分布著片狀石墨。

由于石墨片對鋼基體產生割裂作用，破壞了鋼基體的連續性、完整性，減少了鋼基體的有效面積，使其抗拉強度低于鋼、而塑性和韌性近于零，屬于脆性材料。灰口鑄鐵不能承受加工變形，但是卻具有優良的鑄造性能，同時切削加工性能也很好。

灰鑄鐵的化學成分范圍一般為：w（C）=2.7%～3.6%，w（Si）=1.0%～2.5%，w（Mn）=0.5%～1.3%，w（P）≤0.3%，w（S）≤0.15%。

（1）未經浸蝕的灰口鑄鐵

為了研究石墨的形狀和分布，一般均先觀察未經腐蝕的樣品。由于片狀石墨無反光能力，故試樣未經腐蝕即可看出灰黑色。石墨性脆，在磨制時容易脫落，在顯微鏡下表現為空洞。

未經腐蝕的基體在顯微鏡下呈現白亮色，黑色條狀物即為石墨。

（2）鐵素體基灰口鑄鐵

鑄件結晶時共晶滲碳體發生分解，即進行第一階段石墨化，然后又在隨爐緩慢冷卻過程中使二次滲碳體及共析滲碳體發生分解，即進行中間和第二階段石墨化，石墨化的三個階段在結晶時都得以充分進行。這樣就可獲得鐵素體灰口鑄鐵。鐵素體基灰口鐵因強度和硬度低，一般很少應用。

顯微組織中長條粗大的為石墨片，圍繞石墨片的基體組織是勻質的鐵素體。

（3）珠光體基灰口鑄鐵

鑄件結晶時共晶滲碳體發生分解，隨后采用較快的冷卻速度，第二階段石墨化由于溫度低來不及進行，只進行第一階段和中間階段的石墨化，最終獲得珠光體基的灰口鑄鐵。珠光體基灰口鑄鐵增加了鑄件的強度和耐磨性。

顯微組織中的基體組織是珠光體，珠光體基體上分布細小均勻的石墨

（4）鐵素體+珠光體基灰口鑄鐵

鐵素體+珠光體基灰口鑄鐵結晶時同鐵素體灰口鑄鐵，第一階段和中間階段石墨化都得以充分進行，但第二階段的石墨化只能部分進行。得到鐵素體和珠光體基混合的基體。

如圖中顯示，黑色條狀物為石墨，圍繞石墨片是白色的鐵素體，石墨片和鐵素體是連通的。其余黑色的部分為珠光體。

（5）變質灰口鑄鐵

灰口鑄鐵的孕育處理是為了提高灰口鑄鐵的強度、硬度，使石墨片細化，增加石墨結晶核心，得到的顯微組織為細密珠光體基體上分布有細小的石墨片，提高了抗拉強度和硬度。孕育鑄鐵適用于較高強度，高耐磨性和氣密性鑄件。

3、麻口鑄鐵

麻口鑄鐵，是介于白口鑄鐵和灰鑄鐵之間的一種鑄鐵，其斷口呈灰白相間的麻點狀。麻口鑄鐵中的碳既以滲碳體形式存在，又以石墨狀態存在，斷口來雜著白亮的游離滲碳體和暗灰色的石墨。鑄鐵凝固時增大冷卻速度不僅導致第二階段滲碳體并且中間階段甚至第一階段石墨化也未能或未能充分進行，則會得到含有二次滲碳體甚至萊氏體的麻口鐵。麻口鑄鐵脆性大性能不好，故極少應用。

4、球墨鑄鐵

球墨鑄鐵是近三十多年來發展起來的一種優良的鑄鐵材料。球墨鑄鐵是在澆鑄前向灰口鑄鐵加入少量球化劑獲得球狀石墨的鑄鐵。球狀石墨通常是孤立地分布在基體中。球狀石墨對基體的分割作用較輕，對應力集中的影響較小，能充分地發揮基體的強度、韌性和塑性。其整體的力學性能均高于灰口鑄鐵。球墨鑄鐵碳含量要高（3.6%~4.0%）。

（1）鐵素體基球墨鑄鐵

鐵素體球墨鑄鐵的基體中鐵素體體積含量在80%以上，具有較高的塑性。它由鑄造加退火獲得。退火過程中基體中的滲碳體分解出石墨，自奧氏體中析出石墨，這些石墨集聚于原球狀石墨周圍，基體全轉換為鐵素體。

顯微組織圖中可以清晰地看到球狀的石墨，圍繞球狀石墨的基體組織為鐵素體。

（2）珠光體基球墨鑄鐵

珠光體球墨鑄鐵中珠光體體積含量在80%以上，具有較高的強度和疲勞強度，耐磨性比較好，并具有一定的范性和韌性。它可通過鑄造加正火獲得。正火的目的是將基體組織轉換為細的珠光體組織。通過加熱基體為鐵素體及珠光體的球墨鑄鐵，使原鐵素體及珠光體轉換為奧氏體，并有部分球狀石墨溶解于奧氏體，經保溫后空冷奧氏體轉變為細珠光體，因此鑄件的強度提高。

顯微組織圖以石墨和珠光體為背景，圍繞球狀石墨的是珠光體。

（3）鐵素體+珠光體基球墨鑄鐵

鐵素體＋珠光體球墨鑄鐵的結晶先經歷球狀石墨的形成，接著圍繞著石墨球形成貧碳區，這時候奧氏體形核并生長、兼并和粗化，球化繼續進行最后形成一圈封閉暈圈。這層閉暈圈（白色部分）為多晶態的鐵素體，圍繞在球狀石墨周圍的黑色基體組織為珠光體。

5、白口鑄鐵

白口鑄鐵其中碳除少量溶于鐵素體外，絕大部分以滲碳體的形式存在于鑄鐵中。白口鑄鐵的特點是硬而脆，很難加工。在實際生產中，可利用白口鑄鐵硬度高的特點，制造一些高耐磨性的零件和工具。另外還可鑄成具有一定深度的白口表面層，而心部則為灰口組織的“冷硬鑄鐵件”。

普通白口鑄鐵的化學成分一般為：2.8%～3.6%C，0.5%～1.3%Si，0.4%～0.9%Mn。常用于耐磨/抗磨的場合，為了提高白口鑄鐵的韌性及耐磨性，常加入一些合金元素如鉻（中鉻、高鉻）以及鉬、鎳、釩、硼和稀土等。

(1)普通白口鐵

下圖為鑄態白口鐵金相組織，深色部分：大塊島狀物為珠光體，小塊為珠光體和低溫萊氏體，白色部分為滲碳體。

（2）高鉻鑄鐵

鉻系白口鑄鐵中用得最廣泛的是含鉻量為12%～20%的高鉻白口鑄鐵，組織中形成(cr，Fe)7C3的碳化物。高鉻白口鑄鐵通常要進行高溫熱處理析出二次碳化物，冷卻時奧氏體轉變成為馬氏體。高鉻白口鑄鐵在干磨中有廣泛應用，如煉鐵高爐料盅和溜槽襯板等。

顯微組織圖中深色部分為回火馬氏體和析出的粒狀二次碳化物，淺色部分為滲碳體。

6、可鍛鑄鐵（展性鑄鐵）

可鍛鑄鐵又叫展性鑄鐵，是一種強度韌性都較高的鑄鐵，它是由含碳和硅不高的白口鑄鐵經過石墨化退火后制成的。可鍛鑄鐵因石墨呈團絮狀，團絮狀石墨對金屬基體的破壞比片狀石墨的輕，而使塑性和韌性均優于灰口鑄鐵，它由含碳和硅不高的白口鑄鐵經石墨化退火而成。退火的目的在于使鑄件中得滲碳體發生分解、形成團絮狀石墨。采取不同的工藝得到鐵素體基可鍛鑄鐵或珠光體基鑄鐵。

目前生產中可鍛鑄鐵的元素含量為：w（C）=2.2%～2.8%， w（Si）=1.0%～1.8% ，w（Mn）=0.4%～1.2%，w（p）<0.2%，w（s）<0.18%。

（1）鐵素體基可鍛鑄鐵

在鑄鐵的冷卻過程當中石墨從奧氏體中直接析出，退火速度稍慢（爐冷），便可得到鐵素體基可鍛鑄鐵。鐵素體基可鍛鑄鐵石墨含量少，強度雖不太高，但韌性和塑性比較好。

顯微組織中可以看到團絮狀石墨周圍圍繞的是鐵素體，白色基體部分為鐵素體。