球墨铸铁
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球墨铸铁
铸铁是含碳量大于2.11%的铁碳合金，由工业生铁、废钢等钢铁及其合金材料经过高温熔融和铸造成型而得到，除Fe外，还含及其它铸铁中的碳以石墨形态析出，若析出的石墨呈条片状时的铸铁叫灰口铸铁或灰铸铁、呈蠕虫状时的铸铁叫蠕墨铸铁、呈团絮状时的铸铁叫白口铸铁或码铁、而呈球状时的铸铁就叫球墨铸铁。球墨铸铁是一种具有优良机械性能的灰口铸铁。一般在浇注之前，在铁液中加入少量球化剂（通常为镁、稀土镁合金或含铈的稀土合金）和孕育剂（通常为硅铁），使铁水凝固后形成球状石墨。此种铸铁的强度和韧性比其他铸铁高，有时可代替铸钢和可锻铸铁（malleablecastiron），在机械制造工业中得到了广泛应用。球墨铸铁在国外是1947年用于工业生产的。
主要性能
球铁铸件差不多已在所有主要工业部门中得到应用，这些部门要求高的强度、塑性、韧性、耐磨性、耐热和机械冲击、耐高温或低温、耐腐蚀以及尺寸稳定性等。为了满足使用条件的这些变化、球墨铸铁有许多牌号，提供了机械性能和物理性能的一个很宽的范围。
如国际标准化组织ISO1083所规定的大多数球墨铸铁铸件，主要是以非合金态生产的。显然，这个范围包括抗拉强度大于800牛顿/平方毫米，延伸率为2%的高强度牌号。另一个极端是高塑性牌号，其延伸率大于17%，而相应的强度较低(最低为370牛顿/平方毫米）。强度和延伸率并不是设计者选择材料的唯一根据，而其它决定性的重要性能还包括屈服强度、弹性模数、耐磨性和疲劳强度、硬度和冲击性能等。另外，耐蚀性和抗氧化以及电磁性能对于设计者也许是关键的。为了满足这些特殊使用，研制了一组奥氏体球铁，通常叫Ni一Resis球铁。这些奥氏体球铁，主要用镍、铬和锰合金化，并且列入国际标准。
为珠光体型球墨铸铁，具有中高等强度、中等韧性和塑性，综合性能较高，耐磨性和减振性良好，铸造工艺性能良好等特点。能通过各种热处理改变其性能。
球墨铸铁常用于生产受力复杂，强度、韧性、耐磨性等要求较高的零件，主要用于各种动力机械曲轴、凸轮轴、连接轴、连杆、齿轮、离合器片、液压缸体等零部件。如汽车、拖拉机、内燃机等的曲轴、凸轮轴，还有通用机械的中压阀门等。
球墨铸铁除铁外的化学成分通常为：含碳量3.0～4.0%，含硅量1.8～3.2%，含锰、磷、硫总量不超过3.0%和适量的稀土、镁等球化元素。
化学成份的控制
一. C、Si、CE的选择
由于球状石墨对基体的削弱作用很小，故球墨铸铁中石墨数量的多少，对力学性能的影响不显著，当含碳量在3.2%~3.8%范围内变化时，对力学性能无明显的影响。所以过程中确定碳硅含量时，主要考虑保证铸造性能，将碳当量选择在共晶成分左右。具有共晶成分的铁液的流动性能最好，形成集中缩孔的倾向大，铸件组织的致密度高。但碳当量过高时，容易产生石墨漂浮的同时，一定程度上对球化有影响，主要表现在要求的残余Mg量高。使铸铁中夹杂物的数量增多，降低铸铁性能。
硅球墨铸铁中使铁素体增加的作用比灰铸铁大，所以硅含量的高低，直接影响球墨铸铁基体中的铁素体量。硅在球墨铸铁中对性能的影响很大，主要表现在硅对基体的固溶强化作用的同时，硅能细化石墨，提高石墨球的圆整度。所以球铁中的硅含量的提高，很大程度上提高强度指标，降低韧性。球墨铸铁经过球化处理过的铁液有较大的结晶过冷和形成白口倾向，硅能够减少这种倾向。但是硅量控制过高，大断面球铁中促使碎块状石墨的生成，降低铸件的力学性能。资料显示，球墨铸铁中硅以孕育的方式加入，一定程度上提高性能。
根据上述分析，从改善铸造性能的角度出发，铁水的碳当量选在共晶点附近最好，此时铁水的流动性最好，集中缩孔倾向较大，易于补缩等。但碳当量过高会引起石墨漂浮，石墨漂浮层的厚度会随着碳当量的增加而加厚。应当指出，碳当量太高是产生石墨漂浮的主要原因，但不是唯一的原因，铸件大小、壁厚、浇注温度也是一些重要因素。
二. 锰（Mn）
锰在球墨铸铁中起的作用与灰铸铁不同。灰铸铁中，锰除了强化铁素体和稳定珠光体外，还能减少硫的危害作用。球墨铸铁中，球化元素具有很强的脱硫能力，锰不再具有这种作用。由于锰具有严重的正偏析倾向，往往富集于共晶团晶界处，促使形成晶间碳化物，显著降低球墨铸铁的韧性。对厚大断面球铁来说，锰的偏析倾向更严重。同时锰含量的提高，基体中的珠光体含量提高，所以提高了强度指标的同时，降低韧性。对高韧性球墨铸铁中锰含量控制应更严格。因此，在原材料可能的情况下Mn越低越好。对与大型铸件锰的控制上限为Mn<0.3%。
三. 磷
磷在球墨铸铁中有严重的偏析倾向，易在晶界处形成磷共晶，严重降低球墨铸铁的韧性。磷还增大球墨铸铁的缩松倾向。当要求球墨铸铁有高的韧性时，应将磷控制在0.06%以下。
四. 硫
球墨铸铁中的硫与球化元素有很强的化合能力，生成硫化物和硫氧化物，不仅消耗球化剂，造成球化不稳定，而且还使夹杂物数量增多，球化衰退速度加快。熔炼中硫涉入从增碳剂中，过程控制尽可能降低原材料中硫含量的同时，采取炉前脱硫措施。
用Re—Mg合金处理后，一般硫的残留量S<0.02%，这对球化衰退和硫化物夹渣都没有影响，当原铁水中的S>0.02%时，必须采用脱硫处理。
五. 钼
Mo提高了材料的高温强度和常温强度，由于的使用，容易形成一定量的珠光体和碳化物，降低韧性，对于有Mo合金化的球墨铸铁，材料规范要求Mo含量0.3~0.7%控制。
六. 镁和稀土的含量
镁是主要的球化元素，稀土具有脱硫，中和反球化元素，对Mg具有保护作用，提高铁水的抗衰退能力。但是稀土元素是碳化物形成元素，因此在保证球化良好的情况下尽可能控制稀土的残留量。Re=0.01~0.04%，Mg=0.03~0.06%时可以保证球化。
根据上述分析计算，最终确定化学成份如下：
碳 C ：3.30～4.00%、硅 Si：2.15～2.93%、锰 Mn：0.46～0.66%、硫 S ：0.010～0.020%、磷 P ：0.027～0.035%、镁 Mg：0.027～0.060%、稀土Re：0.026～0.043%、碳当量：4.3～4.6
序号 牌号及种类 化学成分（质量分数据%）
碳 硅 锰 磷 硫 镁 稀土 铜 钼 其它
C Si Mn P S Mg RE Cu Mo
1 QT400-18 孕育前 3.6~3.9 ≤0.50 ≤0.08 ≤0.025
孕育后 3.6~3.9 2.2~2.8 0.04~0.06 0.03~0.05
2 QT400-15 孕育前 3.5~3.9 ≤0.50 ≤0.07 ≤0.02
孕育后 2.5~2.9 0.04~0.06 0.03~0.05
3 QT450-10 孕育前 3.4~3.9 ≤0.50 ≤0.07 ≤0.03
孕育后 2.2~3.1 0.025~0.06 0.02~0.05
4 QT500-7 孕育前 3.4~3.9 ≤0.60 ≤0.08 ≤0.03
孕育后 2.5~3.0 0.025~0.06 0.02~0.05
5 QT600-3 孕育前 3.6~3.8 0.50~0.70 ≤0.08 ≤0.025
孕育后 2.0~2.4 0.025~0.06 0.02~0.05 0.20~0.75
6 QT700-2 孕育前 3.7~4.0 0.50~0.80 ≤0.08 ≤0.02
孕育后 2.3~2.6 0.035~0.065 0.035~0.065 0.40~0.80 0.15~0.40
7 QT800-2 孕育前 3.7~4.0 ≤0.50 ≤0.07 ≤0.03
孕育后 2.3~2.6 0.82 0.39
8 QT900-2 孕育前 3.5~3.7 ≤0.50 ≤0.08 ≤0.025
孕育后 2.7~3.0 0.03~0.05 0.025~0.045 0.50~0.70 0.15~0.25
序号 零件名称 材质 化学成分(%) 力学性能
碳 硅 锰 磷 硫 铜 镁 镍 铬 钒 钼 钛 铌 其它 屈服强度
σ0.2（MPa）min 抗拉强度
σb
（MPa）min 延伸率
δ
(%)
min 断面收率
Z
(%)
min 硬度HB C Si Mn P S Cu Mg Ni Cr V Mo Ti Nb RE
1 QT450-10 3.6 1.7 0.5
320 475 12 / 180
2 QT450-10
