第三节 球墨铸铁
&一、组织和性能
经过球化处理的铸铁液，浇注后石墨结晶球状，获得球墨铸铁，从而提高了铸铁的力学性能。
[组织]：基体+球状石墨，基体的组织有多种，常见的如图所示。
[性能]：球墨铸铁的强度、塑性与韧性都大大优于灰铸铁，力学性能可与相应组织的铸钢相媲美。缺点是凝固收缩较大，容易出现缩松与缩孔，熔铸工艺要求高，铁液成分要求严格。
铁素体基体球墨铸铁
铁素体珠光体基体球墨铸铁
珠光体基体球墨铸铁
下贝氏体基体球墨铸铁
二、热处理
铸态下的球墨铸铁基体组织一般为铁素体与珠光体，采用热处理方法来改变球墨铸铁基体组织，可有效地提高力学性能。常用的热处理方法如下：
[退火]：球墨铸铁的退火分为去应力退火、低温退火和高温退火。去应力退火工艺与灰铸铁相同。低温退火和高温退火的目的是使组织中的渗碳体分解，获得铁素体球墨铸铁，提高塑性与韧性，改善切削加工性能。
[正火]：球墨铸铁正火的目的是增加基体中珠光体的数量，或获得全部珠光体的基体，起细化晶粒，提高铸件的强度和耐磨性能的作用。正火分为低温正火和高温正火。
[调质处理]：将铸件加热到860～920℃，保温2～4小时后油中淬火，然后在550～600℃回火2～4小时，得到回火索氏体加球状石墨的组织，具有良好的综合力学性能，用于受力复杂和综合力学性能要求高的重要铸件，如曲轴与连杆等。
[等温淬火]：将铸件加热到850～900℃，保温后迅速放入250～350℃的盐浴中等温60～90分钟，然后出炉空冷，获得下贝氏体基体加球状石墨的组织，使综合力学性能良好，用于形状复杂，热处理易变形开裂，要求强度高、塑性和韧性好、截面尺寸不大的零件。
三、球墨铸铁的牌号及用途
[牌号表示]：是由“QT”（“球铁”两字汉语拼音字首）后附最低抗拉强度
σb值（MPa）和最低断后伸长率的百分数表示。例如牌号QT700―2表示最低抗拉强度
为600MPa、最低断后伸长率
δ为2％的球墨铸铁。
[应用场合]：球墨铸铁的力学性能优于灰铸铁，与钢相近，可用它代替铸钢和锻钢制造各种载荷较大、受力较复杂和耐磨损的零件。如珠光体球墨铸铁常用于制造汽车、拖拉机或柴油机中的曲轴、连杆、凸轮轴、齿轮，机床中的主轴、蜗杆、蜗轮等。而铁素体球墨铸铁多用于制造受压阀门、机器底座、汽车后桥壳等。&
球墨铸铁件
&球墨铸铁的牌号、力学性能及用途（摘自GB/T
基体组织类型
承受冲击、振动的零件，如汽车、拖拉机的轮毂、驱动桥壳、差速器壳、拨叉，农机具零件，中低压阀门，上、下水及输气管道，压缩机上高低压汽缸，电机机壳，齿轮箱，飞轮壳等
铁素体+珠光体
机器座架、传动轴、飞轮、电动机架，内燃机的机油泵齿轮、铁路机车车辆轴瓦等
珠光体+铁素体
载荷大、受力复杂的零件，如汽车、拖拉机的曲轴、连杆、凸轮轴、气缸套，部分磨床、铣床、车床的主轴，机床蜗杆、蜗轮，轧钢机轧辊、大齿轮，小型水轮机主轴，气缸体，桥式起重机大小滚轮等
珠光体或回火组织
贝氏体或回火马氏体
高强度齿轮，如汽车后桥螺旋锥齿轮，大减速器齿轮，内燃机曲轴、凸轮轴等
附表：球墨铸铁中外牌号对照
铸铁牌号
国际标准（ISO）
泛美标准（COPANT）珠光体球墨铸铁的典型牌号为QT700-2--钢铁知识的博客--凤凰网博客
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珠光体球墨铸铁的典型牌号为QT700-2
珠光体球墨铸铁是指基体组织以珠光体为主其余为铁素体的球墨铸铁。图7.7所示为典型的¨牛眼”状石里组织。珠光体球墨铸铁的典型牌号为QT700-2、QT800-2，一般可在铸态或正火处理获得。其力学性能特点是强度和硬度较高[( HB) 225～335]，具有一定的韧性。另外，这种铸铁的屈／强比约为0.7～0.8，比45号锻钢的高（，15号锻钢的约为0.59），低的缺口敏感性，同f1寸石墨的存在使得有较好的耐磨性。并且小能量多次冲击韧性比铁素体球墨铸铁高。这种球墨铸铁特别适合于制造承受重载荷及受摩擦磨损的零件，如中、小功率内燃机的曲轴、齿轮等，此外珠光体球墨铸铁广泛用于制造机床及其他机器上一些受滑动摩擦的零件，如立式机床的主轴及镗床拉杆等。图7.6 &退火球铁铁素体 & &QT500-7、QT600-3是典型的铁素体一珠光体混合基体的球墨铸铁，这种球墨铸铁的强度和韧性介于铁素体和珠光体球墨铸铁之间，有较好的强度和韧性的配合。并且，通过铸态控制或采用不同的热处理T艺可以调整和改善组织中铁素体和珠光体的相对数量及形态、分布，从而获得不同强韧性配合的球墨铸铁以满足不同服役条件的要求。因此，经常用于制造汽车、农业机械、冶金设备及柴油机申的一些部件。 & &奥氏体一贝氏体球墨铸铁又称奥贝球铁，与普通基体的球墨铸铁相比，它具有强度、塑性和韧性都很高的综合力学性能，如其抗拉强度可达到900～l／lOOMPa，并有一定的伸长率，降低抗拉强度，伸长率可达1()%以上。从图7.8的不同组织的球墨铸铁性能比较可见，奥氏体一贝氏体球墨铸铁的强度明显高于以上任何一种球墨铸铁。此外，奥氏体一贝氏体球墨 & &1 67星≯蜊瞬《塔网7.8 &不同组织的球墨 & &铸铁性能比较铸铁与普通球墨铸铁相比有更高的冲击韧性和抗点蚀疲劳的能力，尤其是有高的弯fH1疲劳性能和良好的耐磨性。因此，奥氏体一贝氏体球墨铸铁是近几十年来铸铁冶金研究的重大成就之一，它是目前具有最好综合性能的一种球墨铸铁，可用于代替某些锻钢件或用于普通球墨铸铁不能胜任的零件，如在承受高载荷的曲轴、齿轮、连杆等场合已获得广泛的应用。 & &7.3.3 &球墨铸铁的热处理 & &热处理对于改善球墨铸铁的性能有特殊的重要作用。与灰铁相比，Fh于球墨铸铁是球状石墨，使得它对金属基体的缩减、切割作用减到了最低限度，金属基体组织可以充分发挥其作用。通过各种热处理，可大幅度地调整和改善球墨铸铁性能以满足不同零件的要求。故球墨铸铁件和钢件一样可以进行热处理，热处理形式有退火、正火、调质、高温淬火、感应加热淬火等。但是由于其成分和组织特点，球墨铸铁的热处理有其特殊的特点。 & &(1)球墨铸铁热处理特点 & &球墨铸铁的共析转变不是在恒定的温度下进行，而是在一个较宽的温度范围内进行。在此范围内，是一个南铁素体、奥氏体和石墨组成的三相平衡区，在共析转变区的各个温度都对应着铁素体和奥氏体的不同平衡数量，而且爽氏体的化学成分也是一个变量，随共析转变温度提高，奥氏体中实际碳含量增高。所以，改变不同的热处理加热温度和保温时间，冷却后可获得不同比例的铁素体和珠光体基体组织，因而可较大幅度地调整铸铁的力学性能。 & &合金元素Si显著提高共析转变温度，大约每增加1%的Si．共析温度可提高28℃．因此在选择热处理加热温度时，应考虑这一点。 & &铸铁组织的最大特点是存在石墨高碳相，它在热处理过程中虽不发生相变，但会参与基体组织的变化过程。在共析温度以上加热过程中，随保温时间的增加，石墨中的碳原子可源源不断地向奥氏体中扩散，使奥氏体的含碳量逐渐增加。当冷却时，由于奥氏体中碳的平衡浓度要降低，因此又会伴随碳原子向石墨高碳相沉积或析出。所以，在热处理过程中，石墨相当于一个“碳库”，如果调节热处理的温度及保温时问，就可调节奥氏体中碳的浓度，再选择不同的冷却速度，就可获得不同的组织及性能。
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提高球墨铸铁材质的铁素体含量
研究表明不同温度下不同基体组织对低温冲击韧性有较大的影响，塑性较高的铁素体球铁能获得较高的冲击韧性指标 && 4.1.1 化学成份 && 降低促进或稳定珠光体形成元素如：Mn、V、Zr、Nb、Ti、Cr、Mo、W、Cu、Pb、Sb 等元素，其中值 得一提的两个元素，一个是锰，它对球墨铸铁的冲击韧性和脆性转变温度都有特别不利的影响，每提高 0.1% 的锰含量，球铁的脆性转变温度提高 10℃～12℃，所以，尽量选择低锰生铁和废钢作为原材料；另一个元素 是 Cu，他虽然是中性元素，提高珠光体含量的作用不明显，但是，随着含 Cu 量的增加，球墨铸铁的脆性转 变温度升高，并且冲击韧度也下降。 && 适量提高铁素体形成元素，如：C、Si、Ca、Ba、Al、Bi 等元素，其中值得一提的是 Si 元素，众所周知，& & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & &Si 是强烈促进石墨化元素，有利于提高铁素体含量，但 Si 量增加，冲击韧性明显下降，Si 含量每提高 01.% 脆性转变温度就提高 5.5℃～6℃，含 Si 量在 4%左右的球墨铸铁，虽具有全部的铁素体基体，但脆性很大， 就是常温下也难于在有冲击载荷的条件下使用，因此，具有低温冲击性能要求的球铁中 Si 含量一般控制在 1.6～2.0%。 && 4.1.2 降低铸件随型冷却速度 && 一定成份的球铁，改变其共晶阶段冷却速度，可在较大范围内改变其基体组织，也就是说铸件随型冷却速度愈慢，其基体组织中铁素体含量愈高，铸件越厚，冷却速度越慢，铁素体含量越高。但应防止出现晶粒及石墨球粗大；造型材料不同，导热能力不同，导致随型铸件冷却速度也不同，应选用干型砂或树脂砂等导热较慢的造型材料，同时应适当放宽铸型厚度（俗称加大吃砂量），尽量减少或不用冷铁，对于薄壁件来说，适当提高浇铸温度的措施来减缓铸件冷却速度，尽量延长开箱时间，有条件的可将随型铸件集中摆放，减缓散热。 && 4.1.3 热处理 && 从图4、图 5 可看出，通过热处理工艺后，提高了铁素体含量，延伸率、冲击韧性都得到了较大幅度的提高，通过退火处理部分元素在高温下能得以扩散，铸件基体组织的晶格变细、晶粒细化，铁素体量和性能得以稳定提高。同时，通过热处理的方法，可适当放宽对原辅材料中部分元素的苛刻要求。对于达不到要求的或中小铸件可通过热处理的措施来祢补。 && 4.2 细化晶粒、增加共晶团数量 && 随着材料晶粒尺寸的增大，材料的断裂应力显着降低，当晶粒尺寸大于某一临界尺寸时，既出现脆性断裂，细化及减小晶粒尺寸可降低脆性转变温度，从而提高球墨铸铁低温冲击韧性指标。 && 4.2.1 合成铸铁熔炼工艺 && 采用废钢和回炉球铁作为主要原料，采用石墨增 C，硅铁或碳化硅增 Si 的方式熔炼球铁铁液。由于 C、 Si 的熔点比铁液的温度高，主要是靠扩散溶解的方式进入铁液，在铁液中存在着大量的[C]的微晶，这种微晶 是先共析或共晶石墨很好的外来形核基底，有利于细化晶粒。 &&& & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & && 4.2.2 多次孕育 && 孕育的实质是脱氧、脱硫形成外来晶粒，其目的是增加石墨形核能力，细化晶粒，增加石墨球数量，增加铁素体含量，经过三次孕育，尤其是浇铸过程中采用 0.3～1mm 的含 Ba 孕育剂进行瞬时孕育，孕育量虽 少，但孕育效果显着。 && 4.3 净化铁液，减少晶粒内部、晶粒间的夹渣及夹杂物 && 材料断裂往往是穿晶或沿晶断裂，材料晶粒内部或晶粒间有夹杂或夹杂物，削弱了材料的键合力，在冲击载荷作用下，经常形成为裂纹源，或裂纹传播的途径，降低材料的耐低温冲击能力。 && 4.3.1 铁液预处理 && 4.3.1.1 脱氧、脱硫处理 && 对于采用冲天炉--电路双联熔炼的厂家，可采取摇包方式冲入方式或气动脱硫方式进行脱硫，使原铁液 中的硫含量降至 0.02%一下，不过，现在用的脱硫剂大部分为 CaO 或 CaC2 成份，这种脱硫剂脱氧能力较 差，能适当辅助以一些脱氧元素如 Ca、Ba、Al 等元素就更好。对于采用电炉直接熔炼也有必要采取铁水的 脱氧、脱硫处理。 && 4.3.1.2 铁液的过热及静置 && 提高铁液熔炼温度，可以使原材料中带入的夹杂物，以及在熔炼过程中形成的夹渣及夹杂物上浮至铁液表面，尤其是对于采用废钢增碳工艺更要适当提高熔炼温度≥1500℃，增加保温时间，不然，碳不能完全溶 到铁液中，形成夹渣。对球化后的铁液进行 1～3min 的静置，有利于活泼金属如 Mg、Ba、Al、Fe 的氧化物 及硫化物上浮，从而净化铁液。 && 4.3.1.3 多覆盖 勤扒渣 && 多覆盖有利于熔炼过程，浇铸过程中减少铁液和空气的接触时间，降低铁液中的氧含量；勤扒渣，有利于聚集在熔炼过程或球化过程中形成的残存氧化物、硫化物，从而使铁--渣分离，保证进入型腔前的铁液得 到良好的净化。&& 4.3.1.4 铁液过滤 && 结合浇铸系统在型上或型内设置一个带有过滤器的集渣包，一是阻止固、液态渣的通过；二是有利于铁液平稳注入型腔，减少二次氧化渣的形成；三是在集渣包中上浮一些集渣物，尽量减少一次渣进入型腔。 && 4.4 降低晶界偏析元素 && Mn、Sb、Sn、As、Ti 等元素为晶界偏析元素，应尽量降低其含量。 && 4.5 降低氧化物、硫化物形成元素 && Ca、Ba、Al、Mg、稀土元素易形成氧化物、硫化物，应尽量降低其含量 && 4.6 专用球化剂、孕育剂 && 用于生产耐低温冲击球铁的球化剂、孕育剂应注意如下三原则 && 一是：高的稳定的球化及孕育效果：这一方面取决于球化剂本身的成分稳定，主要元素如 Mg、Re、Ca、 Ba 等偏差范围应小于±0.3%；另一方面是铁水质量的稳定，如出铁温度，S、O 含量的稳定；再次就是操作 工艺的稳定，如出铁速度及除铁位置的控制，防止出铁过慢使铁水直冲球化剂。 && 二是：较强的墨化能力，Mg、Re 是主要的球化元素，同时也是较强的白口形成元素。应以 Mg 为主， 辅以 Re 元素，同时合理搭配 Ca、Ba、Bi 等墨化能力较强的元素。 && 三是：较低的形渣能力，一方面应尽量减少球化剂、孕育剂中的渣含量，如 MgO、稀土的氧化物及其他 的外来渣。同时，球化剂、孕育剂中的 Ca、Ba 含量要适中，因为它们具有较强的形渣能力。 && 5.一对矛盾的化解 && 球化剂、孕育剂中 Mg、Re、Ca、Ba 等元素的含量及其加入量与球化效果及低温冲击性能存在着一定 的矛盾，加入铁水中的 Mg、Re、Ca、Ba 等元素过量，会造成上述元素的残留铁水中的量偏高，其氧化、硫化渣较高势必影响冲击性能。但也不能因噎废食，上述元素过低也会影响球化效果及基体组织，达不到效果。应针对不同的铁水质量，铸件大小、形状、壁厚、浇注时间等条件选用恰到好处的专用球化剂、孕育剂及其配套工艺措施。 && 6.结语 &&总的来说，只要控制好铁水的冶金质量，控制适量的 C、Si、Mn、Ca、Ba、Re、等元素的含量，尽量降低其他元素的含量，选用特制球化剂、孕育剂及配套工艺，严格工艺过程，完善各项参数的检测手段。那么，稳定生产耐低温冲击球铁铸件并不是一件十分困难的事情。&资料来源：互联网
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