[科普中国]-灰口铁

概述

铸铁作为一种工程材料始于十四世纪，在此以前铁制品是由熟铁制得的，熟铁则是通过铁矿石的初步还原获得的。熟铁实质上是含有一定百分比的炉渣的纯铁。我们知道的钢出现于十九世纪，它是随着铸铁生产技术的进步而产生的。

今天铸铁这一术语指的是以铸造形式使用的黑色金属家族。现有的铸铁系列如右图所示，灰口铁是一种高碳铁碳硅合金，其化学成分与可锻铸铁相似，后者已经通过热处理改变了它的组织，从而获得一定的延展性。白口铁具有一种坚硬的铸态组织，延性铸铁的延展性和可锻铸铁相似，但是这种延展性是通过在浇包内进行加料处理获得的。合金铁通常是灰口铁或白口铁加入一定的合金以提高硬度和抗腐蚀性能，由此可见铸铁这一术语的定义是指一族而不是指某一特种材料。1

灰口铁始见于西汉，山东滕县(今滕州)皇殿岗战国西汉冶铸遗址出上的铁块、河北满城汉墓出土的轴承，都是它的制品。中国古代灰口铁的基本特点是含硅量较低，含碳量也较低，这种灰口铁的获得很可能与冷却速度有关。2

碳在这种铁的合金里是以片状的石墨形态存在。质较软，可进行切削加工。热时容易流动，铸造性能好。较耐磨。强度及延展性差。由于石墨质软并有润滑作用，因而这种生铁具有良好的切削、耐磨和铸造性能等优点。但是，由于有片状石墨的存在，降低了它的抗拉强度，使它不能锻轧，只能用于制造各种铸件，如铸造机床床座、铁管等。见水易生锈。铸造易产生气孔。

灰口铁冶金学所有的铸铁都有一个共同点，即它们的含碳量大致高于2%。含碳量较低的铁碳合金称为钢。钢中含有的碳，或者溶解在钢里，或者以碳化物的形式存在。铸铁不会发生这种情况。奥氏体中碳的溶解度极限为1.7%。如果铁碳合金含有3%或4%的碳量，那末直到1.7%的碳会进入固溶体中，其余的碳就以石墨形式的室温结构存在。这样，灰口铁和其他铸铁所含的碳可分为两部分：一部分溶解在铁内(化合碳)：另一部分以石墨的形式存在。实践中采用的方法是说明总含碳量和化合碳的含量。灰口铁可看作为含石墨的钢。

灰口铁的化学成分中，总碳量为2%到4%，并含有至少1%的硅。灰口铁的基体通常具有铁素体、珠光体或马氏体的显微组织。石墨实际上以三度的玫瑰状结构存在，但金相哳面显示出的石墨却是片状石墨。因为金相研究需要试样的横断面。形状尺寸和石墨片的分布都会对性能产生影响。因而铸造工人对此需密切注意。

用于描述钢的相关系的铁碳平衡图表明，在高碳(>2%)的铁碳合金中，渗碳体应当是最多的相。如果这种相图标到100铂碳、那末可以称它为铁—石墨图。实际上石墨在所有的铁碳合金中是碳的稳定形式，因此，从热力学来说，石墨应当形成。灰口铁中的硅有助于石墨的形成。为了防止富渗碳体相(莱氏体)的形成，在大多数商业铸铁中；要控制化学过程以及冷却速率。重要的灰口铁都有一种含有大小不等分布广泛的片状石墨的基体，这种基体的含碳量一般小于1%。铁素体基体会造成低强度的灰口铁，珠光体基体则导致高强度；高碳基体铁淬火硬化产生高强度的马氏体基体。1

性能灰口铁的强度、塑性和韧性比钢低得多，例如珠光体-铁素体灰口铁只有，几乎等于零，约 ；而45钢正火可达， ，。但灰口铁具有优良的铸造性、耐磨性、切削加工性、消震性和缺口不敏感性，这些则为钢所不及。铸铁的这些性能是和其组织密切相关的。我们知道石墨是很松软且十分脆弱的，铸铁中有了石墨，就相当于内部有了孔洞和缝隙，所以长期以来，人们把铸铁形容成内部带有大量孔洞和缝隙的钢。石墨不仅削少了基体受载有效面积，尤其是引起严重的应力集中，急剧地削弱了基体的承载能力，这是灰口铁强度和塑性较低的原因。

灰口铁的其他性能也可以从石墨的存在得到解释。例如，优良的铸造性不仅是因为铸铁的熔点比钢低，流动性好，还在于铸铁凝固过程中析出比容较大的石墨，部分地补偿了基体的收缩， 因此收缩率比钢小，铸造内应力以及变形与开裂倾向随之减轻。良好的加工性是由于石墨割裂了基体，使切屑崩碎，且石墨对刀具有一定润滑作用。良好的耐磨性是由于石墨本身具有润滑作用，而且石墨剥落后留下孔隙具有储存润滑剂的作用。良好的吸震性是由于石墨对基体的割裂，使能量不利于传递。缺口不敏感性是由于石墨的存在就相当于本身已经有了许多缺口。

灰口铁的基体种类对其性能也有一定影响，但主要因素是石墨。石墨的数量、大小、形状和分布特点对铸铁的机械性能起决定性的作用。石墨片越多越粗越不均匀，对基体的削弱作用就越严重，机械性能就越差。但需要指出，石墨对铸铁抗压强度的削弱比对抗拉强度的削弱为轻，因为在压力作用之下，石墨的应力集中问题影响不大。所以铸铁的抗压强度并不比钢低多少，通常抗压强度为抗拉强度的3—4倍。

长期来，人们为提高灰口铁的机械性能，在改善石墨的形态、数量、大小和分布等方面作了许多工作，浇铸前往铁水中加入少量的硅铁或硅钙合金，进行孕育处理(或称为变质处理)，造成人工石墨晶核，以获得细珠光体基体和细片状石墨的孕育铸铁；对白口铁铸件进行退火，使渗碳体分解成为团絮状石墨的可锻铸铁，以及对铁水进行球化处理，以获得球状石墨的球墨铸铁等等，使铸铁的机械性能有了很大改善。3

灰口铁的热处理灰口铁通过热处理只能改变基体的组织，不能改变石墨的形状、大小、数量和分布，因此不能从根本上消除片状石墨对机械性能的有害影响。生产上对灰口铁的热处理主要有以下几种：

时效和消除应力退火铸件由于形状复杂，各处厚薄不均，在冷却过程中各部分有温度差，因此组织不同，加上型腔妨碍铸件自由收缩，结果在铸件中产生复杂的内应力。这不仅降低铸件强度，而且日久以后因为内应力的重新分布会引起零件变形。为此普通铸铁件都要进行时效处理，以消除内应力。对手要求高精度的或大型复杂铸件(如床身、机座)，还应进行两次时效，以彻底消除内应力。这时工艺路线如下：

铸造粗加工时效半精加工时效精加工

消除内应力的陈旧时效方法是将铸件露置室外半年或一、二年，任其风吹雨淋，使内应力在长期的露置过程中重新分布，逐渐转化为变形。这种自然时效的方法时间长，效果差(内应力消除不彻底)，目前已多被人工时效所代替。人工时效是将铸件缓慢地加热到500—550℃的温度，保温3—5小时或更长时间，然后随炉缓慢冷却200℃左右出炉空冷。人工时效也称为低温退火或消除应力退火。

软化退火铸件的表层以及薄截面处，由于冷却较快，往往产生白口，硬度过高，不便加工，且使用中容易剥落。为此，常将铸件加热到850—950℃的高温，保温1一2小时，进行软化退火，以消除白口，降低硬度，改善加工性。在软化退火过程中，部分渗碳体分解为奥氏体和石墨。软化退火后基体可为铁素体或珠光体加部分铁素体。

如需要适当提高灰口铁的硬度和耐磨性，则用正火代替软化退火。正火后基体为细珠光体。灰口铁的软化退火和正火工艺如右图所示。

表面淬火表面淬火的目的是提高表面硬度和耐磨性。机床导轨面经表面淬火，使0.3mm左右的表层得到细马氏体加石墨的组织，，可使耐磨性提高1.5倍，

我国第一机械工业部已将机床导轨面的表面淬火列入推广项目。表面淬火的加热方法有氧一乙炔火焰、高频或中频感应加热以及接触电加热等。如右图所示，右图为导轨面接触电加热表面淬火示意图。3