铸铁材料的显微组织及分析

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      铸铁为含碳量在2%以上的铁碳合金，俗称生铁。工业用铸铁一般含碳量为2%～4%。由于碳在铁中固溶量有限，且渗碳体不稳定，适当条件下即会分解为铁和碳单质即石墨，因此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。合金铸铁还含有镍、铬、钼、铝、铜、硼、钒等元素。碳、硅是影响铸铁显微组织和性能的主要元素。铸铁材料没有严格的分类，可按铸铁的使用性能、断口特征或成份特征进行分类。较为方便和常用的则是将铸铁分为七大类（见下表）。

                               
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　　铸铁的组织视化学成分和冷却速度而异，当铸铁凝固的冷却速度足够大时，得到白口铸铁组织，随冷却速度减小，铸铁组织依次改变为麻口铸铁、珠光体灰口铸铁、珠光体铁素体灰口铸铁和铁素体灰口铸铁；球墨铸铁是在浇铸前向灰口铸铁加入少量球化剂获得球状石墨的铸铁。球墨铸铁具备优于灰铁的强度、范性和韧性；可锻铸铁又叫可锻铸铁，由白口铸铁经过石墨化退火后制成，是一种强度韧性都较高的铸铁。

　　以下对生产中应用较多的铸铁成分、显微组织及其性能进行分析。

　　1、灰口铸铁

　　灰口铸铁应用最广泛，占铸铁总产量的80%以上。其中碳全部或部分以自由碳-片状石墨形式存在，因此断口呈现灰色。其显微组织根据石墨化程度的不同分为铁素体、珠光体、铁素体+珠光体灰口铸铁。而所有灰口铸铁组织的共同特征是，在这些铸铁的组织总有一个相当于钢的组织的金属基体，在这基体上分布着片状石墨。

　　由于石墨片对钢基体产生割裂作用，破坏了钢基体的连续性、完整性，减少了钢基体的有效面积，使其抗拉强度低于钢、而塑性和韧性近于零，属于脆性材料。灰口铸铁不能承受加工变形，但是却具有优良的铸造性能，同时切削加工性能也很好。

　　灰铸铁的化学成分范围一般为：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）未经浸蚀的灰口铸铁

　　为了研究石墨的形状和分布，一般均先观察未经腐蚀的样品。由于片状石墨无反光能力，故试样未经腐蚀即可看出灰黑色。石墨性脆，在磨制时容易脱落，在显微镜下表现为空洞。

　　未经腐蚀的基体在显微镜下呈现白亮色，黑色条状物即为石墨。

                               
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　　（2）铁素体基灰口铸铁

　　铸件结晶时共晶渗碳体发生分解，即进行第一阶段石墨化，然后又在随炉缓慢冷却过程中使二次渗碳体及共析渗碳体发生分解，即进行中间和第二阶段石墨化，石墨化的三个阶段在结晶时都得以充分进行。这样就可获得铁素体灰口铸铁。铁素体基灰口铁因强度和硬度低，一般很少应用。

　　显微组织中长条粗大的为石墨片，围绕石墨片的基体组织是匀质的铁素体。

                               
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　　（3）珠光体基灰口铸铁

　　铸件结晶时共晶渗碳体发生分解，随后采用较快的冷却速度，第二阶段石墨化由于温度低来不及进行，只进行第一阶段和中间阶段的石墨化，最终获得珠光体基的灰口铸铁。珠光体基灰口铸铁增加了铸件的强度和耐磨性。

　　显微组织中的基体组织是珠光体，珠光体基体上分布细小均匀的石墨。

                               
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　　（4）铁素体+珠光体基灰口铸铁

　　铁素体+珠光体基灰口铸铁结晶时同铁素体灰口铸铁，第一阶段和中间阶段石墨化都得以充分进行，但第二阶段的石墨化只能部分进行。得到铁素体和珠光体基混合的基体。

　　如图中显示，黑色条状物为石墨，围绕石墨片是白色的铁素体，石墨片和铁素体是连通的。其余黑色的部分为珠光体。

                               
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　　（5）变质灰口铸铁

　　灰口铸铁的孕育处理是为了提高灰口铸铁的强度、硬度，使石墨片细化，增加石墨结晶核心，得到的显微组织为细密珠光体基体上分布有细小的石墨片，提高了抗拉强度和硬度。孕育铸铁适用于较高强度，高耐磨性和气密性铸件。

                               
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　　2、麻口铸铁

　　麻口铸铁，是介于白口铸铁和灰铸铁之间的一种铸铁，其断口呈灰白相间的麻点状。麻口铸铁中的碳既以渗碳体形式存在，又以石墨状态存在，断口来杂着白亮的游离渗碳体和暗灰色的石墨。铸铁凝固时增大冷却速度不仅导致第二阶段渗碳体并且中间阶段甚至第一阶段石墨化也未能或未能充分进行，则会得到含有二次渗碳体甚至莱氏体的麻口铁。麻口铸铁脆性大性能不好，故极少应用。

                               
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　　3、球墨铸铁

　　球墨铸铁是近三十多年来发展起来的一种优良的铸铁材料。球墨铸铁是在浇铸前向灰口铸铁加入少量球化剂获得球状石墨的铸铁。球状石墨通常是孤立地分布在基体中。球状石墨对基体的分割作用较轻，对应力集中的影响较小，能充分地发挥基体的强度、韧性和塑性。其整体的力学性能均高于灰口铸铁。球墨铸铁碳含量要高（3.6%~4.0%）。

　　（1）铁素体基球墨铸铁

　　铁素体球墨铸铁的基体中铁素体体积含量在80%以上，具有较高的塑性。它由铸造加退火获得。退火过程中基体中的渗碳体分解出石墨，自奥氏体中析出石墨，这些石墨集聚于原球状石墨周围，基体全转换为铁素体。

　　显微组织图中可以清晰地看到球状的石墨，围绕球状石墨的基体组织为铁素体。

                               
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　　（2）珠光体基球墨铸铁

　　珠光体球墨铸铁中珠光体体积含量在80%以上，具有较高的强度和疲劳强度，耐磨性比较好，并具有一定的范性和韧性。它可通过铸造加正火获得。正火的目的是将基体组织转换为细的珠光体组织。通过加热基体为铁素体及珠光体的球墨铸铁，使原铁素体及珠光体转换为奥氏体，并有部分球状石墨溶解于奥氏体，经保温后空冷奥氏体转变为细珠光体，因此铸件的强度提高。

　　显微组织图以石墨和珠光体为背景，围绕球状石墨的是珠光体。

                               
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　　（3）铁素体+珠光体基球墨铸铁

　　铁素体＋珠光体球墨铸铁的结晶先经历球状石墨的形成，接着围绕着石墨球形成贫碳区，这时候奥氏体形核并生长、兼并和粗化，球化继续进行最后形成一圈封闭晕圈。这层闭晕圈（白色部分）为多晶态的铁素体，围绕在球状石墨周围的黑色基体组织为珠光体。

                               
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　　4、白口铸铁

　　白口铸铁其中碳除少量溶于铁素体外，绝大部分以渗碳体的形式存在于铸铁中。白口铸铁的特点是硬而脆，很难加工。在实际生产中，可利用白口铸铁硬度高的特点，制造一些高耐磨性的零件和工具。另外还可铸成具有一定深度的白口表面层，而心部则为灰口组织的“冷硬铸铁件”。

　　普通白口铸铁的化学成分一般为：2.8%～3.6%C，0.5%～1.3%Si，0.4%～0.9%Mn。常用于耐磨/抗磨的场合，为了提高白口铸铁的韧性及耐磨性，常加入一些合金元素如铬（中铬、高铬）以及钼、镍、钒、硼和稀土等。

　　(1)普通白口铁

　　下图为铸态白口铁金相组织，深色部分：大块岛状物为珠光体，小块为珠光体和低温莱氏体，白色部分为渗碳体。

                               
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　　（2）高铬铸铁

　　铬系白口铸铁中用得最广泛的是含铬量为12%～20%的高铬白口铸铁，组织中形成(cr，Fe)7C3的碳化物。高铬白口铸铁通常要进行高温热处理析出二次碳化物，冷却时奥氏体转变成为马氏体。高铬白口铸铁在干磨中有广泛应用，如炼铁高炉料盅和溜槽衬板等。

　　显微组织图中深色部分为回火马氏体和析出的粒状二次碳化物，浅色部分为渗碳体。

                               
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　　5、可锻铸铁（展性铸铁）

　　可锻铸铁又叫展性铸铁，是一种强度韧性都较高的铸铁，它是由含碳和硅不高的白口铸铁经过石墨化退火后制成的。可锻铸铁因石墨呈团絮状，团絮状石墨对金属基体的破坏比片状石墨的轻，而使塑性和韧性均优于灰口铸铁，它由含碳和硅不高的白口铸铁经石墨化退火而成。退火的目的在于使铸件中得渗碳体发生分解、形成团絮状石墨。采取不同的工艺得到铁素体基可锻铸铁或珠光体基铸铁。

　　目前生产中可锻铸铁的元素含量为：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）铁素体基可锻铸铁

　　在铸铁的冷却过程当中石墨从奥氏体中直接析出，退火速度稍慢（炉冷），便可得到铁素体基可锻铸铁。铁素体基可锻铸铁石墨含量少，强度虽不太高，但韧性和塑性比较好。

　　显微组织中可以看到团絮状石墨周围围绕的是铁素体，白色基体部分为铁素体

                               
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　　（2）珠光体基可锻铸铁

　　在铸铁的冷却过程当中石墨从奥氏体中直接析出，退火速度稍快，便可得到珠光体基可锻铸铁。珠光体基可锻铸铁虽然在韧性和塑性方面赶不上铁素体基可锻铸铁，但是它的强度和硬度比较高，耐磨性好。

　　显微组织中团絮状石墨，周围围绕的是珠光体。

                               
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　　（3）铁素体+珠光体基可锻铸铁

　　铁素体+珠光体基可锻铸铁在晶界过程中纯的珠光体灰口铸铁发生铁素体分解，得到石墨片加渗碳片。

　　显微组织中可以清晰地看到围绕团絮状石墨周围的是铁素体，外围是珠光体。

                               
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（来源：网络）

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datafield

平面金相图片都很抽象，不好想像，难以理解；要是有立体三维金相，就更好理解材料在微观结构上的特点现象了。

xcxso

datafield 发表于 2023-2-5 10:10
平面金相图片都很抽象，不好想像，难以理解；要是有立体三维金相，就更好理解材料在微观结构上的特点现象了 ...

看多了就好了，三维立体金相也未必多好看（SEM扫描图片）