铸铁的新型工程材料：蠕墨铸铁和可锻铸铁

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：图1-23曲轴1.2.3.3蠕墨铸铁蠕墨铸铁是近年来发展起来的一种新型工程材料。图1-24用蠕墨铸铁制造的气缸盖1.2.3.4可锻铸铁可锻铸铁是由白口铸铁在固态下经长时间石墨化退火而获得的一种具有团絮状石墨的高强度铸铁，又称为马铁。

铸铁是含碳量在2%以上的铁碳合金。工业用铸铁一般含碳量为2.5%～3.5%。碳在铸铁中多以石墨形态存在，有时也以渗碳体形态存在。除碳外，铸铁中还含有1%～3%的硅，以及锰、磷、硫等元素。它与钢相比，抗拉强度、塑性、韧性较低，但具有优良的铸造性。铸铁可分为以下几类。

1.2.3.1　灰口铸铁

灰口铸铁含碳量较高，为2.7%～4.0%，碳主要以片状石墨形态存在，断口呈灰色，简称灰铁。熔点低（1 145～1 250 °C），凝固时收缩量小，抗压强度和硬度接近碳素钢，减振性好。由于片状石墨存在，故其耐磨性好。铸造性能和切削加工性能较好，常用于制造机床床身、气缸、箱体等结构件。其牌号由“HT+数字”组成，其中，“HT”是“灰铁”二字汉语拼音的首字母，用以表示灰铸铁，其后的数字表示铸铁的最低抗拉强度。例如，HT250表示抗拉强度Rm≥250 MPa的灰铸铁。

灰铸铁的热处理仅能改变其基体组织，改变不了石墨形态，因此，热处理不能明显改变灰铸铁的力学性能，并且灰铸铁的低塑性又使快速冷却的热处理方法难以实施，所以灰铸铁的热处理受到一定的局限性。其热处理主要用于消除应力和改善切削加工性能等。

1.2.3.2　球墨铸铁

球墨铸铁是将灰口铸铁铁水经球化处理后获得，析出的石墨呈球状，简称球铁。碳全部或大部分以自由状态的球状石墨存在，断口成银灰色。其牌号以由“QT”和两组数字组成。其中，“QT”是“球铁”二字的汉语拼音首字母，代表球墨铸铁；两组数字分别表示其最低抗拉强度和最低伸长率。例如，QT400-18表示最低抗拉强度为400 MPa，最低伸长率为18%的球墨铸铁。

在球墨铸铁中，球形石墨对金属基截面削弱作用较小，使得基体比较连续；而且在拉伸时，应力集中明显减弱，从而使基体强度利用率可达70%～90%。故球墨铸铁的强度、塑性和韧性都超过灰铸铁，刚度也比灰铸铁好。球墨铸铁不仅具有远远超过灰铸铁的力学性能，还具有灰铸铁的一系列优点，如良好的铸造性、减摩性、切削加工性及低的缺口敏感性等；甚至在某些性能方面可与锻钢相媲美，如疲劳强度大致与中碳钢相近，耐磨性优于表面淬火钢等。但球墨铸铁的减振能力要比灰铸铁低很多。

球墨铸铁中金属基体是决定球墨铸铁力学性能的主要因素，因此球墨铸铁可通过合金化和热处理强化的方法来进一步提高其力学性能。因此，球墨铸铁可以在一定条件下代替铸钢、锻钢等，用以制造受力复杂、载荷较大和要求耐磨的铸件。

铁素体球墨铸铁具有较高的塑性和韧性，常用于制造阀门、汽车后桥壳、机器底座。珠光体基体球墨铸铁具有中高强度和较高的耐磨性，常用于制作拖拉机或柴油机的曲轴、凸轮轴、部分机床的主轴、轧辊等。贝氏体球墨铸铁具有高的强度和耐磨性，常用于制造汽车上的齿轮、传动轴及内燃机曲轴、凸轮轴等。图1-23所示为用QT800制造的曲轴。

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图1-23　曲轴

1.2.3.3　蠕墨铸铁

蠕墨铸铁是近年来发展起来的一种新型工程材料。它是将灰口铸铁铁水经蠕化处理后获得，析出的石墨呈蠕虫状。其牌号是以“蠕”字的汉语拼音“Ru”和“铁”字的汉语拼音首字母“T” 作为代号，后面的一组数字表示其最低抗拉强度值。例如：牌号RuT300表示最低抗拉强度为300 MPa的蠕墨铸铁。

与片状石墨相比，蠕虫状石墨的长厚比值明显减小，尖端变钝，因而对基体的割裂程度减小，其引起的应力集中也减小。因此，蠕墨铸铁的强度、塑性和抗疲劳性优于灰铸铁，其力学性能介于灰铸铁与球墨铸铁之间，常用于制造承受热循环载荷的零件，如钢锭模、玻璃模具、柴油机气缸、气缸盖（见图1-24）、排气阀以及结构复杂、强度要求高的铸件，如液压阀的阀体、耐压泵的泵体等。

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图1-24　用蠕墨铸铁制造的气缸盖

1.2.3.4　可锻铸铁

可锻铸铁是由白口铸铁在固态下经长时间石墨化退火而获得的一种具有团絮状石墨的高强度铸铁，又称为马铁。由于可锻铸铁中的石墨呈团絮状，所以明显减轻了石墨对基体金属的割裂。与灰铸铁相比，可锻铸铁的强度和韧性有明显提高，但可锻铸铁并不能用锻造方法制成零件。

可锻铸铁牌号以“KT+字母+两组数字”表示，其中，“KT”是“可铁”二字汉语拼音的首字母，表示可锻铸铁；其后加汉语拼音字母“H”表示黑心可锻铸铁，加“Z”表示珠光体基体可锻铸铁；随后的两组数字分别表示最低抗拉强度和最低断后伸长率的百分值。例如牌号KTH 350—10表示最低抗拉强度为350 MPa、最低断后伸长率为10%的黑心可锻铸铁，即铁素体可锻铸铁；KTZ 650—02表示最低抗拉强度为650 MPa、最低断后伸长率为2%的珠光体可锻铸铁。

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图1-25　可锻铸铁浮球式疏水阀

可锻铸铁的力学性能介于灰铸铁与球墨铸铁之间，有较好的耐蚀性，但由于退火时间长，生产效率极低，其使用受到限制，故可锻铸铁一般用于制造形状复杂、承受冲击载荷且壁厚小于25 mm的铸件（如汽车、拖拉机的后桥壳、轮毂）。可锻铸铁也适用于制造在潮湿空气、炉气和水等介质中工作的零件，如管接头、阀门等。图1-25所示为用可锻铸铁浮球式疏水阀。

1.2.3.5　合金铸铁

合金铸铁是指在普通铸铁中加入合金元素而具有特殊性能的铸铁。通常加入的合金元素有硅、锰、磷、镍、铬、钼、铜、铝、硼、钒、钛、锑、锡等。合金铸铁根据合金元素的加入量分为低合金铸铁（合金元素含量＜3%）、中合金铸铁（合金元素含量为＞10%）。合金铸铁与相似条件下使用的合金钢相比，熔炼简便、成本低廉，具有良好的使用性能。但其脆性较大，综合力学性能不如钢。合金铸铁具有一般铸铁不具备的耐高温、耐腐蚀、抗磨损等特性。常见的合金铸铁有以下几类：

1. 耐磨铸铁

耐磨铸铁按其工作条件和磨损形式的不同可分为减磨铸铁和抗磨铸铁两大类。

（1）减磨铸铁，在有润滑、受黏着磨损条件下工作，如机床导轨、发动机缸套、活塞环、轴承等。减摩铸铁的组织通常是在软基体上牢固地嵌有坚硬的强化相。一般珠光体灰铸铁能满足这一要求，铁素体是软基体，磨损后形成沟槽，可储存润滑油，以降低磨损；渗碳体是硬质相，起耐磨作用；片状石墨可起储油润滑作用。在普通灰铸铁中加入适量的磷、钒、铬、钼、稀土等元素，可增加珠光体，细化珠光体和石墨，进一步提高硬度和耐磨性。

（2）抗磨铸铁，是在干摩擦条件下经受各种磨粒的作用，例如轧辊（见图1-26）、杂质泵叶轮、破碎机锤头、球磨机的衬板、磨球等，要求有高而均匀的硬度。白口铸铁是一种很好的抗磨铸铁，我国很早就用它制作犁铧等耐磨铸件，但普通白口铸铁因其脆性大不能制作承受冲击载荷的零件。普通白口铸铁中加入Cr、Mo、Cu、V、B等元素，可促进白口化，提高淬透性。目前，抗磨铸铁主要有抗磨白口铸铁、激冷铸铁、中锰耐磨铸铁等。

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图1-26　合金铸铁轧辊

2. 耐热铸铁

耐热铸铁指在高温下具有良好的抗氧化和抗生长能力的铸铁。氧化是铸铁在高温下与周围气氛接触使表层发生化学腐蚀的现象。生长是铸铁在反复加热冷却时产生的不可逆体积长大的现象，铸件“生长”的原因是氧化性气体沿石墨片边界或裂纹渗入铸铁内部发生内氧化；铸件中的渗碳体在高温下分解成密度小的石墨及在加热冷却过程中铸铁基体组织发生相变引起体积的不可逆膨胀。结果将使铸件失去精度和产生微裂纹。因此，制造高温铸铁件，如加热炉炉底板、换热器、坩埚、废气管道及压铸模等，必须使用耐热铸铁制造。

耐热铸铁按其成分可分为硅系、铝系、硅铝系及铬系等。其中铝系耐热铸铁脆性较大，而铬系耐热铸铁的价格较贵，所以，我国多采用硅系和硅铝系耐热铸铁。

3. 耐蚀铸铁

在石油化工、造船等工业中，阀门、管道、泵体、容器等各种铸铁件经常在大气、海水及酸、碱、盐等介质中工作，要求具有较高的耐蚀性能。普通铸铁通常是由石墨、渗碳体和铁素体组成的多相合金。在电解质溶液中，石墨的电极电位最高，渗碳体次之，铁素体最低。因此，铁素体将不断被溶解，产生严重的电化学腐蚀。为了提高铸铁基体的电极电位，并使铸铁表面形成一层致密的钝化膜，需加入大量的硅、铝、铬、镍、铜等合金元素，同时应尽量降低耐蚀铸铁中的渗碳体和石墨含量，且组织最好为铁素体加上孤立分布的球状石墨组织。耐蚀铸铁分为高硅、高铝、高铬耐蚀铸铁等，其中以高硅耐蚀铸铁应用最广。

铸铁的新型工程材料：蠕墨铸铁和可锻铸铁

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