铸造合金及制备工艺-灰口铸铁
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第二篇铸铁及其熔炼 第二章 灰铸铁
第三节 灰铸铁癿结晶
• • • • • • • • • 一、碳在铸铁中癿存存形式 二、铁—碳（渗碳体）合金二元相图 三、灰铸铁癿结晶 1、灰铸铁癿一次结晶 2、灰铸铁癿二次结晶 四、石墨结晶癿特点 1、G形核 2、G长大 3、灰铸铁中片状石墨癿形态
•
第四节 影响铸铁组织和性能癿主要因素
• • • • • • • • • • • • • 一、铸铁癿化学成分对铸铁组织和性能癿影响 1、各元素在铸铁中癿存在形式 2、铸铁中常见元素有对铁—碳双重相图各临界点癿影响 3、化学成份对铸铁G化癿影响 4、化学成分对金属基体癿影响 5、碳当量CE和共晶度SC 二、铸件况却速度对铸铁组织和性能癿影响 1、铸件壁厚对况却速度癿影响 2、浇注温度对铸件况却速度癿影响 3、 2、炉料癿影响
第二节 灰铸铁癿金相组织、性能特点、牌 号及技术要求
一、灰铸铁癿金相组织 • 灰铸铁癿金相组织由片状石墨和金属基体两部分组成（即： F+G片、F+P+G片戒P+G片）。此外，还有少量癿夹杂物， 如硫化物、磷化物、碳化物、氧化物等。 • 1、石墨及其对性能癿影响 • 石墨本身有两个显著癿特点：一是密度小（约2.25g/cm3， 仅为铁癿1/3），在铸铁组织中占体积大；二是石墨本身软 而脆，力学能差，且强度较低（σb＜20Mpa）。石墨在铸 铁组织中就相当于存在着许多切口一样，对金属基体起着 割离作用；另一方面，引起应力集中，致使金属基体癿力 学性能得丌到充分癿収挥（据测定基体癿性能収挥 30%~50%）。石墨对灰铸铁性能癿影响起着决定性癿作用。 这主要表现在石墨癿形状、分布、大小和数量等方面。
• 2、金属基体对性能的影响 • 灰铸铁癿金属基体主要分为三种：F体、F体+P体、P体。 如面2-8所示。 • （1）F体：铁素体本身质软，强度和硬度较低（σb约 为250MPa，硬度约为90HBS）,塑性高（δ约为50% 左右）。但是在铁素体基体癿灰铸铁中,由于片状石墨 癿存在，铁素体癿塑性难収挥。 • （2）F体+P体：铁珠光体本身强度硬度较高（σb约为 700MPa，硬度约为200HBS），塑性低（δ约为 15%），在实际生产中，随着P含量癿提高，其强度硬 度也在提高，见图2-9所示。
合金铸铁的概念
合金铸铁的概念合金铸铁是一种铸造材料，它是由铁、碳和其他元素组成的合金。
它的特点是硬度高、强度大、耐磨性好、耐腐蚀性强等。
这种材料在机械制造、汽车制造、航空航天等领域得到了广泛的应用。
本文将介绍合金铸铁的概念、种类、特点等方面的内容。
一、概念合金铸铁是由铁、碳和其他元素组成的合金材料。
它的铸造工艺与普通铸铁相同，但是由于添加了其他元素，使得合金铸铁的性能更加优异。
合金铸铁的主要成分是铁和碳，其中铁的含量在85%以上，碳的含量在1.7%以下。
除此之外，合金铸铁还含有其他元素，如硅、锰、磷、硫、铬、镍、钼等。
这些元素的添加可以改善合金铸铁的性能，如提高硬度、强度、耐腐蚀性等。
二、种类根据不同的元素组成，合金铸铁可以分为多种类型。
下面介绍几种常见的合金铸铁：1、灰口铸铁灰口铸铁是最常见的一种合金铸铁。
它的主要成分是铁、碳和硅，其中硅的含量在1-3%之间。
灰口铸铁的特点是硬度低、韧性好、抗压强度较高。
它广泛应用于机械制造、汽车制造等领域。
2、球墨铸铁球墨铸铁是一种含有球状石墨的合金铸铁。
它的主要成分是铁、碳和镁，其中镁的含量在0.03-0.05%之间。
球墨铸铁的特点是强度高、韧性好、耐磨性强、抗拉强度高、抗压强度高等。
它广泛应用于汽车制造、机械制造、航空航天等领域。
3、白口铸铁白口铸铁是一种含有石墨和碳化物的合金铸铁。
它的主要成分是铁、碳和钼，其中钼的含量在1-3%之间。
白口铸铁的特点是硬度高、韧性差、易断裂。
它广泛应用于制造耐磨件、切削工具等领域。
三、特点合金铸铁具有以下特点：1、硬度高：由于合金铸铁中添加了其他元素，使得它的硬度比普通铸铁高。
2、强度大：合金铸铁的强度比普通铸铁高，可以承受更大的负荷。
3、耐磨性好：由于合金铸铁中添加了一些耐磨元素，使得它的耐磨性比普通铸铁强。
4、耐腐蚀性强：合金铸铁中添加的一些元素可以使其具有较好的耐腐蚀性能。
四、应用合金铸铁在机械制造、汽车制造、航空航天等领域得到了广泛的应用。
铸铁分类及技术要求
铸铁分类①灰口铸铁。
含碳量较高（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（1145～1250℃），凝固时收缩量小，抗压强度和硬度接近碳素钢，减震性好。
用于制造机床床身、汽缸、箱体等结构件。
②白口铸铁。
碳、硅含量较低，碳主要以渗碳体形态存在，断口呈银白色。
凝固时收缩大，易产生缩孔、裂纹。
硬度高，脆性大，不能承受冲击载荷。
多用作可锻铸铁的坯件和制作耐磨损的零部件。
③可锻铸铁。
由白口铸铁退火处理后获得，石墨呈团絮状分布，简称韧铁。
其组织性能均匀，耐磨损，有良好的塑性和韧性。
用于制造形状复杂、能承受强动载荷的零件。
④球墨铸铁。
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。
比普通灰口铸铁有较高强度、较好韧性和塑性。
用于制造内燃机、汽车零部件及农机具等。
⑤蠕墨铸铁。
将灰口铸铁铁水经蠕化处理后获得，析出的石墨呈蠕虫状。
力学性能与球墨铸铁相近，铸造性能介于灰口铸铁与球墨铸铁之间。
用于制造汽车的零部件。
⑥合金铸铁。
普通铸铁加入适量合金元素（如硅、锰、磷、镍、铬、钼、铜、铝、硼、钒、锡等）获得。
合金元素使铸铁的基体组织发生变化，从而具有相应的耐热、耐磨、耐蚀、耐低温或无磁等特性。
用于制造矿山、化工机械和仪器、仪表等的零部件。
灰铸铁及球铁铸件均可进行表面淬火。
一般采用高(中) 频感应加热表面淬火和电接触表面淬火。
稀土镁铝球铁等温淬火后σb=1200～1400MPa，αk=3～3.6J／cm2，HRC＝47～51。
但应注意等温淬火后再加一道回火工序。
铸件毛坯外观技术要求表面粗糙度：毛坯非加工粗糙度应符合GB/T6060.1《表面粗糙度比较样块表面质量》规定，不大于Ra:25um不允许有气孔、裂纹、冷隔、夹渣、缩松、沙眼等缺陷，表面及内壁应光滑平整，不允许有穿透性缺陷及严重的残缺类缺陷。
铸件表面应平整，浇口、结疤、毛刺、飞边、粘砂等应清除干净。
铸件应无白口，局部边缘发现的少量白口，应不能影响机械加工。
第2章 灰铸铁
第二章普通灰铸铁第一节铁－碳双重相图合金相图是分析合金金相组织的有用工具。
铸铁是以铁元素为基的含有碳、硅、锰、磷、硫等元素的多元铁合金，但其中对铸铁的金相组织起决定作用的主要是铁、碳和硅，所以，除根据铁－碳相图来分析铸铁的金相组织外，还必须研究铁－碳－硅三元合金的相图。
一、铁－碳相图的二重性从热力学的观点看，在一定的条件下，高温时的渗碳体能自动分解成为奥氏体和石墨，这表明渗碳体的自由能较高，亦即在这个条件下一定成分的铸铁以奥氏体和石墨的状态存在时具有较低的能量，是处于稳定平衡的状态，说明了奥氏体加渗碳体的组织，虽然亦是在某种条件下形成，在转变过程中也是平衡的，但不是最稳定的。
从结晶动力学（晶核的形成与长大过程）的观点来看，以含C 4.3% 的共晶成分液体在低于共晶温度的凝固为例：在液体中形成含C 6.67% 的渗碳体晶核要比形成含C 100% 的石墨核容易，而且渗碳体是间隙型的金属间化合物，并不要求铁原子从晶核中扩散出去。
因此，在某些条件下，奥氏体加石墨的共晶转变的进行还不如莱氏体共晶转变那样顺利。
至于共析转变，也可以从热力学、动力学两方面去分析而得到和上面相似的结论。
C相图只是介稳定的，Fe－C（石墨）由此可见，从热力学观点上看，Fe－Fe3C相图转变也是相图才是稳定的。
从动力学观点看，在一定条件下，按Fe－Fe3可能的，因此就出现了二重性。
二、铁－碳双重相图及其分析对铸铁合金长期使用与研究的结果，人们得到了如图2﹣1所示的铁碳合金C介稳定系相图与Fe－C（石墨）稳定系相图，分别以实双重相图，即Fe－Fe3线和虚线表示。
表2﹣1为图中各临界点的温度及含碳量。
图2-1 铁－碳相图G－石墨Fe3C－渗碳体表2﹣1 铁碳相图各临界点的温度、成分从这里看出，在稳定平衡的Fe－C相图中的共晶温度和共析温度都比介稳定平衡的高一些。
共晶温度高出6℃，共析温度高出9℃，这是容易理解的。
如图2﹣2的示意图所示，共晶成分的液体的自由能和共晶莱氏体(奥氏体加渗碳体)的自由能都是随着温度的上升而减低的，这二条曲线的交点就是共晶温度Tc。
高清金相图谱之白口铸铁与灰铸铁（80张，彩色）
高清金相图谱之白口铸铁与灰铸铁（80张，彩色）白口铸铁是由化学成分中的碳以碳化物形式存在、铸态组织不含石墨、断口呈白色的铸铁，组织与碳含量的关系如图所示。
铁碳合金亚稳定凝固相图及组织白口铸铁可分为3类：（1）CE<>，Sc<>（共晶度Sc指铸铁含碳量与共晶点实际碳量的比值）的为亚共晶白口铸铁，高温组织为枝晶状奥氏体和莱氏体（连续的渗碳体上分布着岛状奥氏体），室温时组织为珠光体和莱氏体；（2）CE=4.3%，Sc=1的共晶白口铸铁；（3）CE>4.3%，Sc>1的为过共晶白口铸铁，组织为初晶渗碳体（大板条状）和莱氏体。
灰铸铁灰铸铁是石墨呈片状分布，断裂时断口呈暗灰色的铸铁。
根据化学成分在Fe-C相图上的位置，灰铸铁分为亚共晶、工具、过共晶三种。
灰铸铁的凝固组织包括初生奥氏体、初生石墨、共晶体（共晶石墨+共晶奥氏体）以及共晶晶粒边界区生长的组织。
详细介绍请查看“一文了解铸铁”。
金相赏析材料亚共晶白口铸铁放大倍数400X处理工艺铸态平衡冷却浸蚀剂4%硝酸酒精溶液组织说明大块黑色区域为珠光体，枝晶状不明显，分布在麻点状的共晶莱氏体基体上，在枝晶珠光体边缘有一圈纯色组织为析出的二次渗碳体组织。
材料亚共晶白口铸铁放大倍数400X处理工艺铸造快速冷却浸蚀剂4%硝酸酒精溶液组织说明大块蓝黑色枝晶状区域为先析出奥氏体转变成的珠光体，分布在麻点状的共晶莱氏体基体上，枝晶珠光体边缘纯色组织为析出的二次渗碳体。
材料共晶白口铸铁放大倍数500X处理工艺铸造平衡冷却浸蚀剂4%硝酸酒精溶液组织说明由圆粒状或条状分布的珠光体(黑色)与渗碳体基体(黄色)构成的机械混合物，平衡冷却时粒状珠光体较多，也称蜂窝状莱氏体。
材料共晶白口铸铁放大倍数200X处理工艺铸造快速冷却浸蚀剂4%硝酸酒精溶液组织说明由圆粒状或条状分布的珠光体(黑色)与渗碳体基体(其它色)构成的机械混合物，快速冷却时条状珠光体明显，也称板条状莱氏体。
常用铸造合金材料
常用铸造合金材料铸造合金是指用于铸造工艺的金属合金材料。
它们具有良好的流动性和铸造性能，适用于各种铸造方法，常用于制造复杂形状和大型铸件。
以下是一些常用的铸造合金材料：1. 灰铸铁（Gray Cast Iron）：灰铸铁是一种碳含量较高的铸铁材料，通常含有3%-4%的碳。
它具有良好的铸造性能和低成本，广泛应用于汽车发动机缸体、机械设备底座和重型铸件等。
2. 白口铸铁（White Cast Iron）：白口铸铁是一种碳含量极高的铸铁材料，通常含有2%-3%的碳。
它具有良好的硬度和耐磨性，常用于制造磨石、切割工具和轴承等。
3. 球墨铸铁（Ductile Cast Iron）：球墨铸铁是一种含有球状石墨颗粒的铸铁材料，通常含有2%-4%的碳和0.03%-0.03%的镁。
它具有良好的韧性和抗拉强度，常用于汽车发动机曲轴箱、悬架系统和管道等。
4. 铝合金（Aluminum Alloy）：铝合金具有较低的密度和良好的耐腐蚀性，是一种常用的轻质合金材料。
它具有良好的导热性和导电性，常用于航空航天、汽车和电子设备等领域。
5. 钢铁（Steel）：钢铁是一种含有较高碳量的铁合金材料，通常含有0.2%-2.1%的碳。
它具有良好的强度和硬度，广泛应用于建筑、制造和交通等领域。
6. 铜合金（Copper Alloy）：铜合金具有良好的导热性和导电性，常用于制造电线、电线和管道等。
它还具有优异的耐腐蚀性和可塑性，常用于制造装饰品和工艺品等。
7. 镁合金（Magnesium Alloy）：镁合金具有较低的密度和良好的强度，是一种轻质合金材料。
它具有良好的耐腐蚀性和刚韧性，常用于航空航天、汽车和电子设备等领域。
8. 镍合金（Nickel Alloy）：镍合金具有优异的耐腐蚀性和热稳定性，常用于制造航空航天发动机、化工设备和核电设备等。
它还具有良好的机械性能和耐高温性能。
除了上述常用的铸造合金材料，还有许多其他合金材料可用于铸造工艺。
灰口铁熔炼、浇注工艺操作规程
1.合金元素含量、力学性能和金相组织1.1元素含量和力学性能表11.2金相组织（内控）HT200：石墨：A型石墨，长度60-250um,无定向分布，数量6-9%。
允许有占石墨总数10-20%的D型石墨。
基体组织:珠光体﹥95%，中片状，铁素体﹤5%，二元磷共晶﹤4%。
HT250：石墨：A型石墨，长度60-250um,无定向分布，数量4-7%，允许有占石墨总数5-15%的D型石墨。
基体组织：珠光体﹥95%，中细片状，二元磷共晶﹤2%。
1.金属原材料2.1铸造原生铁HT200主要选用Z25、Z20、Z18、Z15和Z14生铁。
HT250主要选用Z20、Z18、Z15和Z14生铁（元素含量见表2），不能使用含有白口或粗大石墨的原生铁，因为原生铁中白口或粗大的石墨会遗传到铸件中。
表22.2废钢尽量使用低碳钢，不能锈蚀太严重，其厚度﹥2mm,高合金钢要单独配料使用，含钨、钼的 高合金不能使用。
废钢元素含量见表3. 表32.3回炉铁：回炉铁主要指铸件浇冒口，铸件废品和废沙箱等，应清除芯沙和粘沙，其用量根据回炉铁多少调节，不同牌号的回炉铁要分别堆放，并且挂牌标示。
2.4铁合金：铁合金主要指75号硅铁和75号锰铁，用于调节铁水中的硅和锰含量。
硅铁、锰铁元素含量分别见表4和表5.表4硅铁元素含量表表5锰铁元素含量表2.金属炉料的管理3.1购置炉料时向供应商索取生产厂家材质证书，铸造原生铁和铁合金进厂后必须认真及时化验元素含量，从多块材料中取样。
将其结果告诉炉工主管和熔炼工艺员。
3.2金属炉料必须按生产厂家和牌号分别标示堆码摆放，放在室内，专人保管和领取。
4．配料4.1根据铁水要求的元素含量，各原材料的元素含量，熔炼时各元素的变化和车间回炉数量（尽量不留，或余留很少），计算配料单。
HT200铸铁废钢用量一般为15-30%,HT250铸铁废钢用量为20-35%，S和P得在中頻炉熔炼变化甚微，控制原材料中S和P的含量不超标就可以。
灰铸铁和球墨铸铁及灰口铸铁区别
灰铸铁和球墨铸铁及灰口铸铁区别灰铸铁组织里的石墨是以片状存在,球墨铸铁组织里的石墨是以球状存在的.组织上的差别导致它们的性能也有巨大差异:灰铸铁强度\\塑性低(片状石墨割裂基体,引起应力集中),脆性大,消振性能好.主要用来生产一些强度要求不高,主要承受压应力的各种箱体\\底座等.球墨铸铁:球形石墨对基体的割裂作用降到最低,应力集中作用最小,故其强度很高,可以和中碳钢蓖美,可以充分发挥基体的性能,且有一定的塑性和良好的韧性.常用来制作一些强韧性要求高且形状复杂(铸造性能比钢好,但比灰铸铁要差)的工件,比如内燃机曲轴\\连杆等之类的零件.球墨铸铁一般还可以经过热处理来进行强化,而灰铸铁一般不能经过热处理来提高强度(片状石墨的影响).一、美国标准ASTM中关于铸件硬度的要求灰口铁铸件(ASTM A48-92)适用于主要考虑抗拉强度的一般工程用灰口铁铸件，铸件根据不同铸造试棒的抗拉强度分级。
在此类铸铁件中，化学成分相对于抗拉强度来说是次要的。
铸件在订货或生产时，根据单独铸造的试样性能分成若干个等级，每一等级采用一个数字后接一字母表示，数字表示单独铸造试棒的最小抗拉强度，字母表示试棒的规格。
例如：灰口铁铸件，ASTM A48，30B级表示按标准ASTM A48生产的，最小抗拉强度为30千磅/英寸2(207MPa)，试棒的公称直径为1.2英寸(30.5mm)。
标准述及“在生产厂和购买方达成书面协议时，要求铸件满足硬度、化学成分、显微组织、压漏、X线检验无缺陷、尺寸、表面精度等要求是必要的"。
机动车用灰口铁铸件(ASTM A159-88) 适用于以砂模铸造的，在汽车、拖拉机及相关工业中使用的灰口铁铸件。
订货合同应包括如下条款：是否需要特殊热处理。
进行硬度试验的表面。
所要求的表面硬化深度和表面硬度。
硬度要求：铸造厂应采取必要的控制和检验技术以保证铸件符合所规定的硬度范围，布氏硬度按ASTME10试验方法，在铸件表面已经去除足够厚度的材料后测试，以保证硬度读数的代表性。
灰口铸铁标准
灰口铸铁标准标题：灰口铸铁的生产工艺与应用灰口铸铁是一种常见的合金铸件材料，具有优良的机械性能和冲击韧性，广泛应用于汽车零部件、机械设备和建筑行业等领域。
本文将介绍灰口铸铁的生产工艺和应用。
## 1. 灰口铸铁的生产工艺灰口铸铁的生产工艺主要包括原料准备、熔炼、浇铸和热处理等环节。
### 1.1 原料准备灰口铸铁的主要原料是铸铁废料、生铁和冶金助剂。
其中，铸铁废料可以提供合适的成分和碳世带来。
### 1.2 熔炼熔炼是将原料加热至熔点并液化的过程。
灰口铸铁的熔炼一般采用高炉冶炼、电炉冶炼或转炉冶炼等方法。
在熔炼过程中，需要根据不同的铸件要求进行合金调整以提高材料的性能。
### 1.3 浇铸浇铸是将熔化的灰口铸铁液体倒入铸型中的过程。
铸型一般采用砂型、金属型或陶瓷型等材料制成，以获得所需的产品形状。
浇铸时需控制合适的浇注温度和速度，以避免产生缺陷。
### 1.4 热处理热处理是对灰口铸铁进行退火、淬火或正火等热处理过程，以调整其组织结构和性能。
热处理可以增强灰口铸铁的硬度、强度和耐磨性，提高其使用寿命和耐久性。
## 2. 灰口铸铁的应用灰口铸铁由于其良好的机械性能和耐用性，广泛应用于各个领域。
### 2.1 汽车行业灰口铸铁在汽车行业中主要用于发动机缸体、曲轴箱、曲轴等关键部件的制造。
其高强度和耐磨性能可以有效提升发动机的工作效率和可靠性。
### 2.2 机械设备灰口铸铁在机械设备制造中扮演着重要角色，常用于生产工具机、纺织机械、压力机和冲压机等设备的机身和底座。
其高强度和刚性能够保证设备的稳定性和可靠性。
### 2.3 建筑行业灰口铸铁在建筑行业中用于制造护栏、栏杆和楼梯扶手等构件。
由于需要承受较大的载荷和冲击力，灰口铸铁的高韧性和耐用性使其成为理想的选择。
## 结论灰口铸铁的生产工艺包括原料准备、熔炼、浇铸和热处理等步骤。
其广泛应用于汽车行业、机械设备和建筑行业等领域，获得了良好的效果。
灰口铸铁作为一种优质的合金材料，为各个行业的发展提供了良好的支持。
灰铸铁铸造工艺
孟州中原活塞环有限公司技术规范ZH/JS-01-01-01 灰铸铁铸造工艺2001-04-16 发布 2001-04-20实施孟州中原活塞环有限公司技术部发布孟州中原活塞环有限公司技术规范ZH/JS-01-01-01灰铸铁铸造工艺1 主题内容与适用范围本工艺规程规定了灰铸铁件熔炼、铸造的主要技术要求。
本工艺规程适用于GW-0.25型中频无芯感应炉熔炼、铸造灰铸铁零件。
2 技术要求2.1球墨铸铁活塞环应符合零件的成分要求，具体以零件图纸要求为准：2.2当顾客有特殊要求时，按相应要求执行。
3 熔炼工艺3.1 炉料准备3.23.2.1浇注铁水包采用容量为80公斤和300公斤左右的铁水包，根据零件的浇注工艺安排选用。
修筑后包衬厚度为30-45mm，包底一般为平底，如有特殊要求另行规定。
3.2.2使用前，必须对新包充分烘烤至干，且铁水包应在热状态下使用，否则应对铁水包加热。
3.3孕育剂、保温覆盖剂的准备3.3.1孕育剂、保温覆盖剂应防水、防潮，否则应在200-400度下烘烤至干后使用。
3.3.2孕育剂的选用应按工艺要求选用，并制成符合要求的块度。
3.4装料熔化及炉前检验3.4.1装料时应先加新生铁和回炉料，大块料加在坩埚壁周围，小块料加在炉底及中心并尽量装满，送电熔化。
3.4.2新生铁和回炉料全部熔化后，根据配料单，按次序加入各种炉料。
一般原则上按如下顺序加入：废钢、钼铁、磷铁、锰铁、铜、硅铁等，继续加热使炉内铁水温度达到1420度左右。
3.4.3当炉温达到1420~1450o C时，观察三角试样断口晶粒粗细情况、色泽及白口宽度以确定孕育硅量是否较配料单要求适量增加。
4孕育处理4.1提前3-5分钟清除铁水包，包底孕育时在出铁前将足量孕育剂放置包底。
4.2当炉内铁液温度达到1450-1480o C时，切断电源，迅速将铁液表面的熔渣及保温覆盖剂扒净，出铁时，应连续均匀快速出铁至需要量，采用随流孕育时要同时完成孕育。
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C型石墨示 意图：粗大 的块片状， 对灰口铸铁 基体的破坏 作用大，该 型灰口铸铁 的强度很 低。
实际灰口铸铁中的C型石墨
C型石墨的深腐蚀扫描电镜照片
D型石墨示 意图：过冷 石墨或晶间 石墨，分布 在枝晶间， 无方向性。
实际灰口铸铁中的D型石墨
D型石墨的深腐蚀扫描电镜照片
E型石墨示意 图：枝晶间 石墨，分布 呈一定的方 向性，降低 了灰口铸铁 的强度。
2.2.2.1 石墨对灰口铸铁性能的影响 石墨的结构 石墨是碳的结晶体，属于层状晶体，晶格为 密排六方，如下图所示。
石墨的晶体结构
石墨的基面（C面）由正六角形的环作 为基本排列单位，每层面内原子靠共价 键结合，层面之间靠范德瓦尔斯力结合 （分子间力），约为层面内原子结合力 的1/10。 由于石墨层面内和层面之间的结合力不 同，结晶学 [10 1 0] 方向的导电、导热率 及力学性能都大大高于垂直于基面方向 (即结晶学[0001]方向)的性能。
实际灰口铸铁中的E型石墨
E型石墨的深腐蚀扫描电镜照片
石墨对灰口铸铁减震性的影响 灰口铸铁中存在大量的石墨片，阻止了震 动波的传播，将震动能转变为热能而消 散，所以，灰口铸铁中的石墨数量越多、 尺寸越大，即灰口铸铁的牌号越低，灰口 铸铁的减震性越好。
石墨对灰口铸铁减摩性的影响 石墨数量要适中，过少则润滑作用不 够，过多则基体割裂严重，增加磨损； 石墨大小要适中，过小则使润滑不 良，过大则割裂基体严重，增加磨损； 珠光体基体上分布着中等大小的石墨 可以提高灰口铸铁的减摩性。
石墨的力学性能低 比重轻，密度为3.25g/cm3 ，约为铁的 三分之一，3wt%的石墨析出时会形成约 10%的体积； 强度低， σb ＜20MPa； 伸长率低，δ ≈ 0%； 硬度低，HB≈3
石墨对灰口铸铁力学性能影响的原因 首先进行相同基体组织的灰口铸铁和 铸造碳钢的力学性能比较
性能指 标 铸造碳 钢 σb (MPa) 400 ∼ 600 δ (%) 10 ∼25 ∼0.5 ak (J/cm2) 20 ∼60 ∼5 E (N/M2) 2×1011 0.7 ∼1.6 1011 ×
灰口铸铁具有良好的减震性能 灰口铸铁中的震动波传播特点如下图 所示；
震动波在不同材料 中的传播特点
减震性录像\20081112104650.mpg 减震性录像\20081112105212.mpg
灰口铸铁制造机器底座或机架，可以有 效地吸收机器的震动能量，起到震动阻尼 作用。
灰口铸铁具有良好的铸造性能 灰口铸铁的流动性良好、收缩小、热裂 倾向小、铸造应力小，因此，灰口铸铁 可以铸造非常复杂的铸件或薄壁铸件。 灰口铸铁具有良好的机加工性能 由于片状石墨对刀具具有润滑作用，片 状石墨还有断屑作用，故灰口铸铁的机 加工性能良好。
灰口铸铁中的各种组织 高碳相：石墨G （graphite） 渗碳体Cm （cementite） ——碳化铁（iron carbide） 基体： 铁素体F (ferrite) 珠光体P (pearlite) 珠光体+铁素体 其它： 磷共晶 （phosphide eutectic） 硫化物 （sulphide，如MnS）
灰口铸铁具有良好的导热性 由于片状石墨的导热作用，灰口铸铁 的导热性能良好。 灰口铸铁适用于铸造有导热要求的铸 件，如发动机的缸体、缸盖要求迅速导 出燃烧热和缸壁与活塞环之间的摩擦 热，所以首选灰口铸铁制造这些铸件。
灰口铸铁具有良好的耐磨性能和小的缺 口敏感性能 石墨有减摩作用；石墨脱落后可以留 下储存润滑油的空洞。 石墨片本身的力学性能很低，就象灰 口铸铁中存在许多空洞一样，灰口铸铁 不再具有缺口敏感性。
灰口铸 10 0∼350 铁
由上表可得出下述结论：在基体组织相 同的情况下，灰口铸铁的力学性能比铸造 碳钢的力学性能低得多。
石墨对灰口铸铁基体的切割作用 灰口铸铁中石墨片的边缘都很尖锐，容 易造成灰口铸铁基体的局部应力集中； 当灰口铸铁承受较小的载荷时，也可能 引起灰口铸铁石墨片边缘处基体的应力 集中，甚至超过此处基体的屈服强度， 引起变形和裂纹，使灰口铸铁的强度大 大下降，如下图所示。
HB 110∼115 160∼230 3
F(含2%Si) 350∼400 P(中等片 层间距) G 800∼850 ＜20
因此，可以得出如下推论： 当灰口铸铁基体中的铁素体含量较多 时，灰口铸铁的强度较低，而当珠光体 的含量较多时，灰口铸铁的强度较高。 提高灰口铸铁强度的途径：提高珠光 体含量。 由于石墨的存在，灰口铸铁基体的强 度难以充分发挥，所以灰口铸铁的力学 性能实际上是被石墨削弱了的金属基体 的力学性能，它主要受控于石墨。
灰口铸铁中的磷共晶 (a)体积含量约1% (b)体积含量约2% (c)体积含量约4% (d)体积含量约6% 硝酸酒精浸蚀
(a)
(b)
三元磷共晶 (a)硝酸酒精浸蚀，Fe3P和Fe3C发亮，其上分布着粒状的铁素体或珠光 体 (b)将(a)图试样重新抛光，在碱性高铁氰化钾(Murakami试剂)中侵蚀， Fe3P变黑，Fe3C和F呈白色 ，表明这是三元磷共晶
石墨片的长度级别
石墨片的长度级别
石墨片的长度级别
石墨片的长度级别
石墨片越细小，意味着灰口铸铁晶粒越 细小，灰口铸铁的强度越高，但不是越小 越好（不能出现D型石墨）。
石墨的分布对灰口铸铁力学性能的影响 国际上将石墨分布分为5级：A、B、 C、D、E； 我国将石墨分布分为6级：A、B、C、 D、E、F。
根据凝固条件，磷共晶可分为两类 二元磷共晶 当灰口铸铁的碳当量高、冷却速度低 时，易于出现二元磷共晶， Fe-Fe3P， 熔点为1050℃，含磷10.2wt%，硬度 Hv≈400。
三元磷共晶 当灰口铸铁的碳当量低、冷却速度高 时，易于出现三元磷共晶， Fe-Fe3PFe3C，熔点为935℃，含磷6.98wt%，硬 度Hv≈600。 磷共晶显示：用一般硝酸酒精浸蚀试 样，磷共晶的类型在显微镜下很难区 分，需用不同的浸蚀剂进行浸蚀才可区 分，如下图所示。
试样中应 力分布与 缺口形状 的关系
石墨对灰口铸铁基体的减缩作用 石墨片本身的力学性能很低，它的存在 就象灰口铸铁基体中承受载荷的有效面 积缩小了一样，造成灰口铸铁力学性能 的下降。 由于石墨片对灰口铸铁基体的切割和 减缩作用，灰口铸铁基体的强度只能发 挥30∼50%；石墨引起的应力集中，容易 导致裂纹的早期发生，所以灰口铸铁容 易发生脆性断裂，它的塑性、韧性很 低。
石墨对灰口铸铁缺口敏感性的影响 材料的缺口敏感性：材料受力时，有缺口和 无缺口试样的强度性能存在差别，这种现象称 为材料的缺口敏感性或缺口效应。 灰口铸铁中存在大量的石墨，就象灰口铸铁 中已经存在大量的缺口一样，外来的缺口（如 铸件上的空洞、键槽、刀痕、非金属夹杂物 等）对灰口铸铁的强度的影响就不敏感了。 石墨越多、石墨片越大，灰口铸铁的缺口敏 感性就越低。
铸造合金及制备工艺
北京科技大学 材料成形与控制工程系 毛卫民
2 铸铁及其制备工艺 2.2 灰口铸铁
2.2.1 灰口铸铁的性能特点和应用 灰口铸铁：通常指具有片状石墨的铸铁(见下 图)，它的断口呈暗灰色。
灰口铸铁的石墨组织
灰口铸铁具有一定的力学性能，可以满足 一般使用要求。 σb=100 ∼ 350MPa，HB=143 ∼ 269； 塑性、韧性很低； 灰口铸铁只能制造结构件。
灰口铸铁制造工艺简单、成本低廉 灰口铸铁原材料来源广泛； 灰口铸铁熔炼容易； 灰口铸铁铸造容易； 灰口铸铁机加工容易。
灰口铸铁具有许多优点，因而灰口铸铁的 应用非常广泛，在某些机器产品中，灰口 铸铁铸件的重量约占机器总重量的1/2∼1/3 以上，如机床（床身、齿轮箱等）、发动 机（缸体、缸盖、飞轮、进气歧管等）是 最好的例证。
A型石墨示 意图：均匀 分布，没有 方向性，对 灰口铸铁力 学性能最有 利。
实际灰口铸铁中的A型石墨
A型石墨的深腐蚀扫描电镜照片
B型石墨示 意图：菊花 状，心部石 墨集中、细 小，该型石 墨分布的灰 口铸铁性能 较A型石墨 分布的灰口 铸铁性能 差。
实际灰口铸铁中的B型石墨
B型石墨 的深腐蚀 扫描电镜 照片
三元磷共晶组织
在Murakami试剂中浸蚀，磷共晶中的Fe3P 被染黑，F和 Fe3C呈白色，表明这是三元磷共晶
磷共晶对灰口铸铁性能的影响 磷共晶会增加灰口铸铁的脆性，所以 要严格控制灰口铸铁的含磷量。 磷共晶的硬度高，很耐磨，所以一些 减磨铸件需要增加适当的含磷量。 磷共晶会增加铁液的流动性，易于获 得完整铸件，所以一些艺术铸件可以通 过增加含磷量，以提高艺术铸件细节的 完整性。
铸件举例： 机床类灰口 铸铁铸件
铸件举例：灰铸铁发动机缸体
铸件举例： 泵类、管 类、电机类 灰口铸铁件
灰口铸铁件的产量最大，约占铸铁件总 产量的 66wt% (2005年我国灰口铸铁件 产量约1230万吨)，约占整个金属铸件总 产量的50wt%，所以，灰口铸铁是应用 最广泛的铸造金属材料。
灰口铸铁的国家标准 国家标准（GB9439-88）将灰口铸铁分 成六个牌号； HT100 σb≮100 MPa HT150 σb≮150 MPa HT200 σb≮200 MPa HT250 σb≮250 MPa
石墨数量对力学性能的影响 一般来说，石墨的数量越多，石墨的 减缩作用就越大，灰口铸铁的强度就越 低，因此，灰口铸铁中的含碳量越高， 它的强度就越低； 灰口铸铁中的含碳量越高，它的牌号 就越低。
石墨尺寸对灰口铸铁力学性能的影响 国际上将石墨大小分为8级（放大100 倍，长度单位：mm）： 8级：≤5；7级：＞5∼10； 6级： ＞10∼20； 5级： ＞20∼30 ； 4级： ＞30∼40 ； 3级： ＞40∼50 ； 2级： ＞50∼60 ；1级： ＞60 。
HT300 σb≮300 MPa HT350 σb≮350 MPa 力学性能试棒标准 上述力学性能试棒采用干砂型、立浇， 试棒尺寸为Φ30×340mm，同时浇注3根 试棒。