工程材料學 鑄鐵的組織與性能

實驗一  鑄鐵的組織與性能<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

一、實驗目的

1、觀察灰口鑄鐵中不同類型石墨的形貌及基體組織。

2、觀察灰口鑄鐵中磷共晶的形態及分佈。

二、實驗原理

鑄鐵是含碳量大於2.14%或組織中具共晶的鐵碳合金。工業上所用的鑄鐵，實際上都不是簡單的鐵——碳二元合金，而是以鐵、碳、硅爲主要元素的多元合金。

鑄鐵中的碳可以以滲碳體的形式存在，也可以石墨的形式存在。根據碳在鑄鐵中的存在形態的不同，通常可將鑄鐵分爲白口鐵、灰口鑄鐵和麻口鑄鐵。而根據鑄鐵中石墨的形態不同，又可分爲普通灰口鑄鐵，蠕蟲狀石墨鑄鐵，球墨鑄鐵以及可鍛鑄鐵。

   鑄鐵中的金屬基體一般都是由珠光體。鐵素體或珠光體+鐵素體組成。基體上與共析鋼或亞共析鋼的基體組織相同。

灰口鑄鐵的金相特點，是在鋼的基礎上分佈着片狀石墨，其組織是根據石墨片的大小、長度、分佈及基體的類型不同有很大的差異，這主要決定於化學成份和鑄造條件而定。

（一）灰口鑄鐵

1、灰口鑄鐵的石墨類型   

灰口鑄鐵中石墨的大小、數量和分佈對機械性能有很大的影響。爲了便於比較，對鑄鐵中石墨進行了分類評級，我國按石墨的形成原因和分佈特徵，將其分爲A、B、C、D、E和F六種類型。 

A型石墨：石墨片的尺寸和分佈都比較均勻，且無方向性。這種石墨是碳當量爲共晶成份或接近共晶成分的鐵水在共晶溫度範圍內從鐵水中和奧氏體同時析出的，其生成條件是具有較小的過冷度，這樣才能造成均勻生核和長大，使各處的結晶和生長速度相差不大，最後得到大小和分佈均勻的A型石墨（見圖1）。 

B型石墨：點狀石墨被捲曲的片狀石墨所包圍，無方向性，具有菊花形態。稱爲菊花狀石墨（見圖2）。這類石墨的特點是由於過冷度較大，首先從液相中析出細小的樹枝狀奧氏體，接着在樹枝的間隙中產生奧氏體與石墨共晶，這時的石墨片分枝多而密，形成菊花中心的點狀石墨。但是，因爲不是在非常強烈的過冷條件下結晶，在初晶產物放出結晶潛熱的條件下減慢了包圍着初晶產物外層的鐵水的結晶速度，而且又只能由沿着初生產物向外呈放射狀的方向通過液體金屬進行散熱。所以外層石墨生長成爲較粗大的曲片形，大致呈放射狀分佈，直至遇到鄰近的共晶團爲止。這類石墨常在碳、硅含量較高，過冷度較大的亞共晶灰鑄鐵中出現，B型石墨由於呈聚集分佈，因而使鑄鐵的強度有所降低。 

C型石墨：是由大片狀的初生石墨與較細小的共晶石墨所組成。石墨大小相差很大，但分佈比較均勻，無方向性（見圖3）。這種類型的石墨主要出現在過共晶程度較大，冷卻速度較慢的厚壁鑄件中，由於緩慢冷卻，共晶結晶前形成的初生石墨在鐵水中能充分長大，形成粗片狀石墨。隨着初生石墨的析出，鐵水的含碳量逐漸降低，在共晶溫度下，具有共晶成分的鐵水發生共晶轉變而析出共晶石墨，結果形成粗片狀的初生石墨和細小的共晶石墨片混雜分佈的形式。粗大石墨片的存在，使鑄鐵的機械性能顯著降低。 

D型石墨：點狀與小片狀的石墨無方向性的分佈（見圖4）。它是在較大過冷條件下生成的共晶石墨。這類石墨往往出現在碳、硅含量較低，過冷度較大的亞共晶灰口鑄鐵中。結晶時，首先形成樹枝狀的奧氏體，由於過冷度較大，分佈於枝晶間隙中的剩餘鐵水發生共晶轉變時，幾乎同時生成大量的石墨核心，這些石墨核心只能作微小的生長，產生多而密的分枝，所以在顯微鏡下，石墨呈點。片狀分佈在奧氏體的樹枝間隙中，除了低碳和強烈過冷外，鐵水過熱也是D型石墨生成的條件。因爲過熱會使石墨生成的核心減少，石墨結晶困難，需要有較大的過冷度。這類石墨由於密集分佈，也使機械性能有所下降。 

    E型石墨：在初生奧氏體的晶間分佈着有方向性的短片石墨，其特徵和成因與D型石墨基本相同，只是E型石墨的分佈具有明顯的方向性（見圖5）。在實際生產中，D型和E型石墨通常不作嚴格區分，分稱D、E型石墨，也稱過冷石墨或枝晶石墨。E型石墨因分佈的方向性較強，它對機械性能的影響也較D型石墨大一些。 

   F型石墨：其特點是星狀（或蜘蛛狀）與短片狀石墨混合均勻分佈（見圖6），F型石墨是過共晶鐵水在較大過冷度的條件下形成的。大塊的爲初生石墨，片狀石墨在其上生長。

（二）灰口鑄鐵的基體組織  

實際生產中應用的灰口鑄鐵主要是以珠光體爲基體的，隨着基體中珠光體含量的增加和細化，鑄鐵的強度、硬度和耐磨性提高。珠光體的細化程度與奧氏體的成分、晶粒度、分解溫度有關，灰口鑄鐵中珠光體類型組織的形成過程與鋼相似，不再重述。灰口鑄鐵的基體組織爲鐵素體、鐵素體＋珠光體、珠光體組織（見圖1～圖9）。

磷共晶：鑄鐵經常含有較多的磷，它在奧氏體或體素體中溶解度很小；在古陶純鐵中的溶解12%，而含碳3.5%的鑄鐵中只能溶解0.3%。再加上結晶偏析的結果。雖然含磷量比上述數值小，也總有磷共晶出現。鑄鐵中含有0.1%磷，組織中就會出現1%的二元磷共晶。但鑄鐵中的磷共晶往往既有二元的也有**的，有時還有碳化物組成磷共晶—碳化物複合物，其數量超過鑄鐵中磷含量的10倍，主題中促進石墨的因素，大多促進二元磷共晶的生成，促進碳化物形成的因素，則促進**磷共晶的生成。二元磷共晶：由磷化三鐵和點狀鐵素體多組成（見圖10）；**磷共晶：由磷化三鐵，碳化三鐵和點狀鐵素體所組成（見圖11）；磷共晶——碳化物複合物，在二元或**磷共晶上鑲有較大的碳化物條或塊（見圖12）。

經硝酸酒精溶液浸蝕後，磷共晶爲白亮的，磷化三鐵的基體上發表着粒狀鐵素體，有時粒狀呈魚骨狀規則地排列在基體上。

（二）球墨鑄鐵

球墨鑄鐵的組織是由球狀石墨和金屬基體所組成。石墨球通常是孤立地分佈在金屬基體中的、石墨的圓整度越好、球徑越小，分佈越均勻，則球墨鑄鐵的機械性能亦越高，球墨鑄鐵的基體組織在鑄態下變化較大，一般很難獲得單一的基體組織，其組織：“珠光體+鐵素體+球狀石墨”（見圖13）。

球墨鑄鐵的組織可以看成是鋼的組織加球狀石墨所組成，而機械性能又主要取決於金屬基體，因此，像鋼一樣，通過熱處理可以改變其基體組織，從而顯著地改善球墨鑄鐵的性能。球墨鑄鐵雖然碳含量比鋼高得多，但通過熱處理控制其不同的石墨化程度、不僅可以獲得類似於低碳鋼的鐵素體基體（退火處理見圖14）和類似於中、高碳鋼的鐵素體+珠光體，甚至珠光體基體組織，而且還可以獲得不同相對量和形態的鐵素體+珠光體基體組織（正火處理見圖15）。因此，球墨鑄鐵熱處理後，即可獲得相當於低碳鋼的機械性能，又可獲得相當於中、高碳鋼的機械性能，這是鋼的熱處理所達不到的。此外等溫淬火是目前發揮球墨鑄鐵材料潛力最有效的一種熱處理方法，球墨鑄鐵等溫淬火後，可以獲得高強度或超強度，同時具有較高的塑性韌性和具備良好的綜合機械性能及耐磨性，還有熱處理變形小的特點。所以，經適當的等溫處理的球墨鑄鐵可以滿足日益發展的高速、大馬達、受力複雜機件的性能要求，從而擴大了球墨鑄鐵的使用範圍。調質處理後的球墨鑄鐵，具有較好的綜合機械性能，而熱處理工藝及設備則比等溫淬火簡單，且被切割加工性比較好，球墨鑄鐵經調質處理後，組織爲素氏體+球狀石墨，可代替部分鑄鋼和鍛鋼製造一些重要的結構零件，如連桿、曲軸等。對球墨鑄鐵進行感應加熱表面淬火，使它們除具有良好的綜合機械性能外，同時工作表面具有較高的硬度和耐磨性以及疲勞強度。根據某些球墨鑄鐵件往往需要在強烈的磨損或在氧化、腐蝕介質的條件下工作的需要，必須進行化學熱處理，如：氮化、軟氮化、滲硼等。

（三）蠕墨鑄鐵

蠕墨鑄鐵的石墨形態是蠕蟲狀和球狀石墨共存的混合形態，蠕蟲狀石墨是介於片狀石墨和球狀石墨之間的中間石墨形態（見圖16）。其基體組織爲鐵素體，其力學性能介於灰鑄鐵與球墨鑄鐵之間，其鑄造性能比球墨鑄鐵好，與灰鑄鐵接近。因此形狀複雜的鑄鐵也能用蠕墨鑄鐵製造。

此外灰鑄鐵中還會出現萊氏體，即白口化(見圖17)。

（四）可鍛鑄鐵

可鍛鑄鐵的生產過程是先澆注成白口鑄鐵件，然後再退火成灰口組織。可鍛鑄鐵中的石墨呈團絮狀分佈（見圖18），對金屬基體的割裂和破壞較小、石墨尖端引起的應力集中小，金屬基體的強度、塑性及韌性可較大程度地發揮作用。故可鍛鑄鐵的機械性能比灰鑄鐵高、特別是塑性、韌性要高得多。可鍛鑄鐵中的團絮狀石墨數量愈少、外形越規則，分佈愈細小均勻，其機械性能愈多。可鍛鑄鐵的機械性能除與石墨團的形狀、大小、數量和分佈有關外、還與金屬基體的組織有很大的關係，可鍛鑄鐵的基體有鐵素體基體和珠光體基體兩種，鐵素體基體具有一定的強度和較多的塑性與韌性，主要用作承受衝擊和震動的鑄件。珠光體基體具有高的強度、硬度和耐磨性以及一定的塑性、韌性，主要用以要求高強度、硬度、耐磨的鑄件。

（五）鑄鐵金相試樣的特點

在生產實踐和今後的工作中，我們將要碰到大量的鑄鐵工件的金相檢驗，在此就鑄鐵金相試樣的製備特點作一簡短的說明：鑄鐵（不包括白口鑄鐵）試樣的拋光，既要使基體表面無道痕，又要保證石墨不污染，不脫落，重要的是要能正確的顯示石墨的形態和大小，試樣磨平後，用新砂紙（叢粗到細）磨製。用舊了的砂紙是不利於磨製石墨，會使石**落，石**落後，其空腔會由於周圍金屬變形而變小，或由於腐蝕而擴大，磨面被污物充填。在拋光時，爲了防止石**落或污染，要選擇短毛纖維柔軟的絲織物較爲適宜。拋光磨料可用氧化鎂，開始拋光時，使用拋光盤的外圈以提高切削速度，要注意隨時轉動試樣（特別是球鐵），防止出現“彗星尾巴”。隨着拋光接近完成，要逐步減輕壓力，並將試樣移至拋光盤中心區。拋光過程中必須保持拋光盤溼度適宜，水分過多或過少都會帶來不良後果。

經正確地拋光後的鑄鐵試樣，石墨呈灰色，球狀石墨可見放射狀特徵。

對於鐵素體基體，則推薦用硝酸酒精溶液。但要注意，石墨會吸收硝酸，腐蝕後，往往引起石墨的膨脹，並導致石墨球或石墨片局部脫落。

三、實驗方法及指導

1、實驗內容及步驟

（1）觀察灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵的金相組織。見表1。

（2）描繪出幾種合金鋼的組織示意圖。

2、實驗設備及材料

設備：金相顯微鏡。

試樣：灰鑄鐵的各種石墨形態和各種基體組織的金相試樣一套；球墨鑄鐵的各種石墨形態和基體組織的金相試樣一套；可鍛鑄鐵金相組織試樣； 蠕墨鑄鐵金相組織試樣。

表1     常見鑄鐵組織

四、實驗報告

1、實驗目的

2、畫出所觀察試樣的顯微組織示意圖，並標明材料、狀態、顯微組織、腐蝕劑、放大倍數。