鑄鐵

鑄鐵是指含碳量在2%以上的鑄造鐵碳合金的總稱，通常由生鐵、廢鋼、鐵合金等以不同比例配合通過熔煉而成。主要元素除鐵、碳以外還有硅、錳和少量的磷與硫等元素，是將生鐵（有時有煉鋼生鐵）重新回爐熔化，并加進鐵合金、廢鋼、回爐鐵調整成分而得到的。

鑄鐵

含碳量在2%以上的鐵碳合金。工業用鑄鐵一般含碳量為2%～4%。碳在鑄鐵中多以石墨形態存在，有時也以滲碳體形態存在。除碳外，鑄鐵中還含有1%～3%的硅，以及錳、磷、硫等元素。合金鑄鐵還含有鎳、鉻、鉬、鋁、銅、硼、釩等元素。碳、硅是影響鑄鐵顯微組織和性能的主要元素。鑄鐵可分為：

1. 灰口鑄鐵。含碳量較高（2.7%～4.0%），碳主要以片狀石墨形態存在，斷口呈灰色，簡稱灰鐵。熔點低（1145～1250℃），凝固時收縮量小，抗壓強度和硬度接近碳素鋼，減震性好。由于片狀石墨存在，故耐磨性好。鑄造性能和切削加工較好。用于制造機床床身、汽缸、箱體等結構件。其牌號以“HT”后面附兩組數字。例如：HT20-40（*數字表示最低抗拉強度，第二組數字表示最低抗彎強度）。

2. 白口鑄鐵。碳、硅含量較低，碳主要以滲碳體形態存在，斷口呈銀白色。凝固時收縮大，易產生縮孔、裂紋。硬度高，脆性大，不能承受沖擊載荷。多用作可鍛鑄鐵的坯件和制作耐磨損的零部件。

3. 可鍛鑄鐵。由白口鑄鐵退火處理后獲得，石墨呈團絮狀分布，簡稱韌鐵。其組織性能均勻，耐磨損，有良好的塑性和韌性。用于制造形狀復雜、能承受強動載荷的零件。

4. 球墨鑄鐵。將灰口鑄鐵鐵水經球化處理后獲得，析出的石墨呈球狀，簡稱球鐵。碳全部或大部分以自由狀態的球狀石墨存在，斷口成銀灰色。比普通灰口鑄鐵有較高強度、較好韌性和塑性。其牌號以“QT”后面附兩組數字表示，例如：QT45-5（*組數字表示最低抗拉強度，第二組數字表示最低延伸率）。用于制造內燃機、汽車零部件及農機具等。

5. 蠕墨鑄鐵。將灰口鑄鐵鐵水經蠕化處理后獲得，析出的石墨呈蠕蟲狀。力學性能與球墨鑄鐵相近，鑄造性能介于灰口鑄鐵與球墨鑄鐵之間。用于制造汽車的零部件。

6. 合金鑄鐵件。普通鑄鐵加入適量合金元素（如硅、錳、磷、鎳、鉻、鉬、銅、鋁、硼、釩、錫等）獲得。合金元素使鑄鐵的基體組織發生變化，從而具有相應的耐熱、耐磨、耐蝕、耐低溫或無磁等特性。用于制造礦山、化工機械和儀器、儀表等的零部件。

鑄鐵

由于鑄件壁厚不均勻，在加熱，冷卻及相變過程中，會產生效應力和組織應力。另外大型零件在機加工之后其內部也易殘存應力，所有這些內應力都必須消除。去應力退火通常的加熱溫度為500～550℃保溫時間為2～8h，然后爐冷（灰口鐵)或空冷（球鐵)。采用這種工藝可消除 鑄件內應力的90～95%，但鑄鐵組織不發生變化。若溫度超過550℃或保溫時間過長，反而會引起石墨化，使鑄件強度和硬度降低。

1. 消除鑄件白口的高溫石墨化退火

鑄件冷卻時，表層及薄截面處，往往產生白口。白口組織硬而脆、加工性能差、易剝落。因此必須采用退火（或正火）的方法消除白口組織。退火工藝為：加熱到550－950℃保溫2～5 h，隨后爐冷到500-550℃再出爐空冷。在高溫保溫期間 ，游離滲碳體和共晶滲二次滲碳體和共析滲碳體也分解，發生石墨化過程。由于滲碳體提高鑄件的機械性能。有時正火也是球鐵表面淬火在組織上的準備、正 火分高溫正火和低溫正火。高溫正火溫度一般不超過950～980℃，低溫正火一般加熱到共折溫度區間820～860℃。正火之后一般還需進行回火處理，以消除正火時產生的內應力，以達到鑄件白口的高溫石漠化退火。

2. 球鐵的淬火及回火

為了提高球鐵的機械性能，一般鑄件加熱到Afc1以上30～50℃（Afc1代表加熱時A形成終了溫度），保溫后淬入油中，得到馬氏體組織。為了適當降低淬火后的殘余應力，一般淬火后應進行回火，低溫回火組織為回火馬氏作加殘留貝氏體再加球狀石墨。這種組織耐磨性好 ，用于要求高耐磨性，高強度的零件。中溫回火溫度為350-500℃回火后組織為回火屈氏體加球狀石墨，適用于要求耐磨性好、具有一定效穩定性和彈性的厚件。高溫 回火溫度為500-60D℃，回火后組織為回火索氏作加球狀石墨，具有韌性和強度結合良好的綜合性能，因此在生產中廣泛應用。

3. 球鐵的等溫淬火

球鐵經等溫淬火后可以獲得高強度，同時兼有較好的塑性和韌性。多溫淬火加熱溫度的選擇主要考慮使原始組織全部A化、不殘留F，同時也避免A晶粒長大。加熱溫度一般采用Afc1以上30～50℃，等溫處理溫度為0～350℃以保證獲得具有綜合機械性能的下貝氏體組織。稀土鎂鋁球鐵等 溫淬火后σb=1200～1400MPa，αk=3～3.6J/cm2，HRC=47～51。但應注意等溫淬火后再加一道回火工序。

4. 表面淬火

為了提高某些鑄件的表面硬度、耐磨性及疲勞強度，可采用表面淬火。灰鑄鐵及球鐵鑄件均可進行表面淬火。一般采用高（中） 頻感應加熱表面淬火和電接觸表面淬火。

5. 化學熱處理

對于要求表面耐磨或抗氧化、耐腐蝕的鑄件，可以采用類似于鋼的化學熱處理工藝，如氣體軟氯化、氯化、滲硼、滲硫等處理。

鑄鐵中石墨的形成過程稱為石墨化過程。鑄鐵組織形成的基本過程就是鑄鐵中石墨的形成過程。因此，了解石墨化過程的條件與影響因素對掌握鑄鐵材料的組織與性能是十分重要的。

根據Fe-C合金雙重狀態圖，鑄鐵的石墨化過程可分為三個階段：

*階段，即液相亞共晶結晶階段。包括，從過共晶成分的液相中直接結晶出一次石墨，從共晶成分的液相中結晶出奧氏體加石墨，由一次滲碳體和共晶滲碳體在高溫退火時分解形成的石墨。

中間階段，即共晶轉變亞共析轉變之間階段。包括從奧氏體中直接析出二次石墨和二次滲碳體在此溫度區間分解形成的石墨。

第二階段，即共析轉變階段。包括共折轉變時，形成的共析石墨和共析滲碳體退火時分解形成的石墨。

鑄鐵的組織取決于石墨化進行的程度，為了獲得所需要的組織，關鍵在于控制石墨化進行的程度。實踐證明，鑄鐵化學成分、鑄鐵結晶的冷卻速度及鐵水的過熱和靜置等諸多因素都影響石墨化和鑄鐵的顯微組織。

1. 化學成分的影響

鑄鐵中常見的C，Si、Mn、P、S中，C，Si是強烈促進石墨化的元素，S是強烈阻礙石墨化的元素。實際上各元素對鑄鐵的石墨化能力的影響極為復雜。其影響與各元素本身的含量以及是否與其它元素發生作用有關 ，如Ti、Zr、B、Ce、Mg等都阻礙石墨化，但若其含量極低(如B、Ce<0.01%，T<0.08%)時，它們又表現出有促進石墨化的作用。

2. 冷卻速度的影響

一般來說，鑄件冷卻速度趨緩慢，就越有利于按照Fe-G穩定系狀態圖進行結晶與轉變，充分進行石墨化；反之則有利于按照 Fe-Fe3C亞穩定系狀態圖進行結晶與轉變，最終獲得 白口鐵。尤其是在共析階段的石墨化，由于溫度較低，冷卻速度增大，原子擴散困難，所以通常情況下，共析階段的石墨化難以充分進行。

鑄鐵的冷卻速度是一個綜合的因素，它與澆注溫度、傳型材料的導熱能力以及鑄件的壁厚等因素有關。而且通常這些因素對兩個階段的影響基本相同。

提高澆注溫度能夠延緩鑄件的冷卻速度，這樣既促進了*階段的石墨化，也促進了第二階段的石墨化。因此，提高澆注溫度在一定程度上能使石墨粉化 ，也可增加共析轉變。

3. 鑄鐵的過熱和高溫靜置的影響

在一定溫度范圍內，提高鐵水的過熱溫度，延長高溫靜置的時間，都會導致鑄鐵中的石墨基體組織的細化，使鑄鐵強度提高。進一步提高過熱度，鑄鐵的成核能力下降，因而使石墨形態變差，甚至出現自由滲聯體，使強度反而下降，因而存在一個‘臨界溫度’。臨界溫度的高低，主要取決于鐵水的化學成分及鑄件的冷卻速度.一般認為普通灰鑄鐵的臨界溫度約在1500一1550℃左右，所以總希望出鐵溫度高些。

1. 沖天爐構造

沖天爐的基本構造。爐身、風箱及煙道等用鋼板焊成。爐身內部通常砌以耐火磚層，以便抵御焦碳燃燒產生的高溫作用。為了儲存鐵液，多數沖天爐都配有前爐。

2. 沖天爐熔煉原理

在熔煉過程中，爐身的下部裝滿焦碳，稱為底焦。在底焦的上面交替裝有一批批的鐵料（生鐵、廢鋼、回爐料、鐵合金等）、焦碳及熔劑（石灰石、螢石等）。通過鼓風，使底焦強烈燃燒，產生的高溫爐氣沿爐身高度方向上升，使其上面一層鐵料熔化。

3. 沖天爐熔煉的優缺點及其應用

沖天爐是最普遍應用的鑄鐵熔煉設備。它用焦炭作燃料，焦炭燃燒產生的熱量直接用來熔化爐料和提高鐵液溫度，在能量消耗方面比電孤爐和其它熔爐節省。而且設備比較簡單，大小工廠皆可采用。但沖天爐也存在一定的缺點，主要是由于鐵液直接與焦炭接觸，故在熔煉過程中會發生鐵液增碳和增硫的過程。

采用了沖天爐一電孤爐雙聯熔煉法或沖天爐一感應電爐雙聯熔煉法，以充分利用沖天爐熔化效率較高、電孤爐和感應電爐對鐵液過熱能力強及化學成分控制容易的優點。

1. 感應電爐構造及工作原理

感應電爐是利用電流感應產生熱量來加熱和熔化鐵料的熔爐。爐子的構造分為有芯式和無芯式兩種，在無芯式感應電爐中，坩堝內的鐵料在交變磁場的作用下產生感應電流，并因此產生熱量，而將其自身熔化和使鐵液過程熱。在有芯式感應電爐中，需要加入用其它熔爐（如沖天爐）熔化的鐵液，在環形鐵芯內產生的交變磁場使溝槽內的鐵液過程，并利用溝槽中鐵液與其上面熔池中的鐵液循環作用而加熱全部鐵液。無芯式感應電爐具有熔化固體爐料的能力，而有芯感應電爐只能過熱已熔化的鐵液，但在過熱鐵液的電能消耗方面，則以有芯感應電爐更為節省。

2. 感應電爐熔煉的優缺點及其應用

與沖天爐熔煉相比，感應電爐熔煉的優點是熔煉過程中不會有增碳和增硫現象，而且熔煉過程可以造渣覆蓋鐵液，在一定程度上能防止鐵液中硅、錳及合金元素的氧化，并減少鐵液從爐氣中吸收氣體，從而使鐵液比較純凈。這種熔煉方法的缺點是電能耗費大。

感應電爐適用于熔煉高質量灰鑄鐵、合金鑄鐵、球墨鑄鐵及蠕墨鑄鐵等。無芯感應電爐能夠直接熔化固體爐料，而且開爐及停爐比較方便，適合于間斷性生產條件。有芯感應電爐開爐及停爐不便，適合于連續性生產。這種爐子熔化固體爐料的熱效率低，而對過熱鐵液的熱效率高，故適于與沖天爐配合使用。目前這兩種形式的感應電爐在鑄鐵生產上都得到應用。

1. 電弧爐構造及工作原理

電弧爐熔煉是利用石墨電極與鐵料（鐵液）之間產生電弧所發生的熱量來熔化鐵料和使鐵液進行過熱的。生產上普遍使用的是三相電弧爐。在電弧爐熔煉過程中，當鐵料熔清后，進一步地提高溫度及調整化學成分的冶煉操作是在熔渣覆蓋鐵液的條件下進行。電弧爐依照爐渣和爐襯耐火材料的性質而分為酸性和堿性兩種。堿性電弧爐具有脫硫和脫磷的能力。

2. 弧爐熔煉的優缺點及其應用

電弧爐熔煉的優點是熔化固體爐料的能力強，而且鐵液是在熔渣覆蓋條件下進行過熱和調整化學成分的，故在一定程度上能避免鐵液吸氣和元素的氧化。這為熔煉低碳鑄鐵和合金鑄鐵創造了良好的條件。電弧爐的缺點是耗電能多，從熔化的角度看不如沖天爐經濟，故鑄鐵生產上常采用沖天一電弧爐雙聯法熔煉。由于堿性電弧爐襯耐急冷急熱性差，在間歇式熔煉條件下，爐襯壽命短，導致熔煉成本高，故多采用酸性電弧爐與沖天爐相配合。