實驗一鑄鐵的組織與性能

一、實驗目的

1、觀察灰口鑄鐵中不同類型石墨的形貌及基體組織。

2、觀察灰口鑄鐵中磷共晶的形態(tài)及分布。

二、實驗原理

鑄鐵是含碳量大于2.14%或組織中具共晶的鐵碳合金。工業(yè)上所用的鑄鐵，實際上都不是簡單的鐵——碳二元合金，而是以鐵、碳、硅為主要元素的多元合金。

鑄鐵中的碳可以以滲碳體的形式存在，也可以石墨的形式存在。根據碳在鑄鐵中的存在形態(tài)的不同，通�？蓪㈣T鐵分為白口鐵、灰口鑄鐵和麻口鑄鐵。而根據鑄鐵中石墨的形態(tài)不同，又可分為普通灰口鑄鐵，蠕蟲狀石墨鑄鐵，球墨鑄鐵以及可鍛鑄鐵。

鑄鐵中的金屬基體一般都是由珠光體。鐵素體或珠光體+鐵素體組成�；�體上與共析鋼或亞共析鋼的基體組織相同。

灰口鑄鐵的金相特點，是在鋼的基礎上分布著片狀石墨，其組織是根據石墨片的大小、長度、分布及基體的類型不同有很大的差異，這主要決定于化學成份和鑄造條件而定。

（一）灰口鑄鐵

1、灰口鑄鐵的石墨類型

灰口鑄鐵中石墨的大小、數量和分布對機械性能有很大的影響。為了便于比較，對鑄鐵中石墨進行了分類評級，我國按石墨的形成原因和分布特征，將其分為A、B、C、D、E和F六種類型。

A型石墨：石墨片的尺寸和分布都比較均勻，且無方向性。這種石墨是碳當量為共晶成份或接近共晶成分的鐵水在共晶溫度范圍內從鐵水中和奧氏體同時析出的，其生成條件是具有較小的過冷度，這樣才能造成均勻生核和長大，使各處的結晶和生長速度相差不大，最后得到大小和分布均勻的A型石墨（見圖1）。

B型石墨：點狀石墨被卷曲的片狀石墨所包圍，無方向性，具有菊花形態(tài)。稱為菊花狀石墨（見圖2）。這類石墨的特點是由于過冷度較大，首先從液相中析出細小的樹枝狀奧氏體，接著在樹枝的間隙中產生奧氏體與石墨共晶，這時的石墨片分枝多而密，形成菊花中心的點狀石墨。但是，因為不是在非常強烈的過冷條件下結晶，在初晶產物放出結晶潛熱的條件下減慢了包圍著初晶產物外層的鐵水的結晶速度，而且又只能由沿著初生產物向外呈放射狀的方向通過液體金屬進行散熱。所以外層石墨生長成為較粗大的曲片形，大致呈放射狀分布，直至遇到鄰近的共晶團為止。這類石墨常在碳、硅含量較高，過冷度較大的亞共晶灰鑄鐵中出現(xiàn)，B型石墨由于呈聚集分布，因而使鑄鐵的強度有所降低。

C型石墨：是由大片狀的初生石墨與較細小的共晶石墨所組成。石墨大小相差很大，但分布比較均勻，無方向性（見圖3）。這種類型的石墨主要出現(xiàn)在過共晶程度較大，冷卻速度較慢的厚壁鑄件中，由于緩慢冷卻，共晶結晶前形成的初生石墨在鐵水中能充分長大，形成粗片狀石墨。隨著初生石墨的析出，鐵水的含碳量逐漸降低，在共晶溫度下，具有共晶成分的鐵水發(fā)生共晶轉變而析出共晶石墨，結果形成粗片狀的初生石墨和細小的共晶石墨片混雜分布的形式。粗大石墨片的存在，使鑄鐵的機械性能顯著降低。

D型石墨：點狀與小片狀的石墨無方向性的分布（見圖4）。它是在較大過冷條件下生成的共晶石墨。這類石墨往往出現(xiàn)在碳、硅含量較低，過冷度較大的亞共晶灰口鑄鐵中。結晶時，首先形成樹枝狀的奧氏體，由于過冷度較大，分布于枝晶間隙中的剩余鐵水發(fā)生共晶轉變時，幾乎同時生成大量的石墨核心，這些石墨核心只能作微小的生長，產生多而密的分枝，所以在顯微鏡下，石墨呈點。片狀分布在奧氏體的樹枝間隙中，除了低碳和強烈過冷外，鐵水過熱也是D型石墨生成的條件。因為過熱會使石墨生成的核心減少，石墨結晶困難，需要有較大的過冷度。這類石墨由于密集分布，也使機械性能有所下降。

E型石墨：在初生奧氏體的晶間分布著有方向性的短片石墨，其特征和成因與D型石墨基本相同，只是E型石墨的分布具有明顯的方向性（見圖5）。在實際生產中，D型和E型石墨通常不作嚴格區(qū)分，分稱D、E型石墨，也稱過冷石墨或枝晶石墨。E型石墨因分布的方向性較強，它對機械性能的影響也較D型石墨大一些。

F型石墨：其特點是星狀（或蜘蛛狀）與短片狀石墨混合均勻分布（見圖6），F(xiàn)型石墨是過共晶鐵水在較大過冷度的條件下形成的。大塊的為初生石墨，片狀石墨在其上生長。

（二）灰口鑄鐵的基體組織

實際生產中應用的灰口鑄鐵主要是以珠光體為基體的，隨著基體中珠光體含量的增加和細化，鑄鐵的強度、硬度和耐磨性提高。珠光體的細化程度與奧氏體的成分、晶粒度、分解溫度有關，灰口鑄鐵中珠光體類型組織的形成過程與鋼相似，不再重述�；铱阼T鐵的基體組織為鐵素體、鐵素體＋珠光體、珠光體組織（見圖1～圖9）。

圖1A型石墨100×

圖2B型石墨100×

圖3C型石墨100×

圖4D型石墨100×

圖5E型石墨100×

圖6F型石墨100×

磷共晶：鑄鐵經常含有較多的磷，它在奧氏體或體素體中溶解度很��；在古陶純鐵中的溶解12%，而含碳3.5%的鑄鐵中只能溶解0.3%。再加上結晶偏析的結果。雖然含磷量比上述數值小，也總有磷共晶出現(xiàn)。鑄鐵中含有0.1%磷，組織中就會出現(xiàn)1%的二元磷共晶。但鑄鐵中的磷共晶往往既有二元的也有**的，有時還有碳化物組成磷共晶—碳化物復合物，其數量超過鑄鐵中磷含量的10倍，主題中促進石墨的因素，大多促進二元磷共晶的生成，促進碳化物形成的因素，則促進**磷共晶的生成。二元磷共晶：由磷化三鐵和點狀鐵素體多組成（見圖10）；**磷共晶：由磷化三鐵，碳化三鐵和點狀鐵素體所組成（見圖11）；磷共晶——碳化物復合物，在二元或**磷共晶上鑲有較大的碳化物條或塊（見圖12）。

經硝酸酒精溶液浸蝕后，磷共晶為白亮的，磷化三鐵的基體上發(fā)表著粒狀鐵素體，有時粒狀呈魚骨狀規(guī)則地排列在基體上。

圖7灰鑄鐵正火400×

圖8灰鑄鐵鑄態(tài)400×

圖9灰鑄鐵退火400×

圖10二元磷共晶500×

圖11**磷共晶500×

圖12**磷共晶＋復合磷共晶500×

（二）球墨鑄鐵

圖13球墨鑄鐵鑄態(tài)400×

（珠光體＋球狀石墨）

圖14球墨鑄鐵退火態(tài)400×

（鐵素體＋球狀石墨）

球墨鑄鐵的組織是由球狀石墨和金屬基體所組成。石墨球通常是孤立地分布在金屬基體中的、石墨的圓整度越好、球徑越小，分布越均勻，則球墨鑄鐵的機械性能亦越高，球墨鑄鐵的基體組織在鑄態(tài)下變化較大，一般很難獲得單一的基體組織，其組織：“珠光體+鐵素體+球狀石墨”（見圖13）。

球墨鑄鐵的組織可以看成是鋼的組織加球狀石墨所組成，而機械性能又主要取決于金屬基體，因此，像鋼一樣，通過熱處理可以改變其基體組織，從而顯著地改善球墨鑄鐵的性能。球墨鑄鐵雖然碳含量比鋼高得多，但通過熱處理控制其不同的石墨化程度、不僅可以獲得類似于低碳鋼的鐵素體基體（退火處理見圖14）和類似于中、高碳鋼的鐵素體+珠光體，甚至珠光體基體組織，而且還可以獲得不同相對量和形態(tài)的鐵素體+珠光體基體組織（正火處理見圖15）。因此，球墨鑄鐵熱處理后，即可獲得相當于低碳鋼的機械性能，又可獲得相當于中、高碳鋼的機械性能，這是鋼的熱處理所達不到的。此外等溫淬火是目前發(fā)揮球墨鑄鐵材料潛力最有效的一種熱處理方法，球墨鑄鐵等溫淬火后，可以獲得高強度或超強度，同時具有較高的塑性韌性和具備良好的綜合機械性能及耐磨性，還有熱處理變形小的特點。所以，經適當的等溫處理的球墨鑄鐵可以滿足日益發(fā)展的高速、大馬達、受力復雜機件的性能要求，從而擴大了球墨鑄鐵的使用范圍。調質處理后的球墨鑄鐵，具有較好的綜合機械性能，而熱處理工藝及設備則比等溫淬火簡單，且被切割加工性比較好，球墨鑄鐵經調質處理后，組織為素氏體+球狀石墨，可代替部分鑄鋼和鍛鋼制造一些重要的結構零件，如連桿、曲軸等。對球墨鑄鐵進行感應加熱表面淬火，使它們除具有良好的綜合機械性能外，同時工作表面具有較高的硬度和耐磨性以及疲勞強度。根據某些球墨鑄鐵件往往需要在強烈的磨損或在氧化、腐蝕介質的條件下工作的需要，必須進行化學熱處理，如：氮化、軟氮化、滲硼等。

圖15球墨鑄鐵正火態(tài)400×

珠光體＋鐵素體＋球狀石墨

圖16蠕蟲狀石墨＋金屬基體100×

圖17團絮狀石墨＋鐵素體100×

珠光體＋鐵素體＋蠕蟲狀石墨＋萊氏體

圖18蠕墨鑄鐵100×

（三）蠕墨鑄鐵

蠕墨鑄鐵的石墨形態(tài)是蠕蟲狀和球狀石墨共存的混合形態(tài)，蠕蟲狀石墨是介于片狀石墨和球狀石墨之間的中間石墨形態(tài)（見圖16）。其基體組織為鐵素體，其力學性能介于灰鑄鐵與球墨鑄鐵之間，其鑄造性能比球墨鑄鐵好，與灰鑄鐵接近。因此形狀復雜的鑄鐵也能用蠕墨鑄鐵制造。

此外灰鑄鐵中還會出現(xiàn)萊氏體，即白口化(見圖17)。

（四）可鍛鑄鐵

可鍛鑄鐵的生產過程是先澆注成白口鑄鐵件，然后再退火成灰口組織。可鍛鑄鐵中的石墨呈團絮狀分布（見圖18），對金屬基體的割裂和破壞較小、石墨尖端引起的應力集中小，金屬基體的強度、塑性及韌性可較大程度地發(fā)揮作用。故可鍛鑄鐵的機械性能比灰鑄鐵高、特別是塑性、韌性要高得多�？慑戣T鐵中的團絮狀石墨數量愈少、外形越規(guī)則，分布愈細小均勻，其機械性能愈多�？慑戣T鐵的機械性能除與石墨團的形狀、大小、數量和分布有關外、還與金屬基體的組織有很大的關系，可鍛鑄鐵的基體有鐵素體基體和珠光體基體兩種，鐵素體基體具有一定的強度和較多的塑性與韌性，主要用作承受沖擊和震動的鑄件。珠光體基體具有高的強度、硬度和耐磨性以及一定的塑性、韌性，主要用以要求高強度、硬度、耐磨的鑄件。

（五）鑄鐵金相試樣的特點

在生產實踐和今后的工作中，我們將要碰到大量的鑄鐵工件的金相檢驗，在此就鑄鐵金相試樣的制備特點作一簡短的說明：鑄鐵（不包括白口鑄鐵）試樣的拋光，既要使基體表面無道痕，又要保證石墨不污染，不脫落，重要的是要能正確的顯示石墨的形態(tài)和大小，試樣磨平后，用新砂紙（叢粗到細）磨制。用舊了的砂紙是不利于磨制石墨，會使石**落，石**落后，其空腔會由于周圍金屬變形而變小，或由于腐蝕而擴大，磨面被污物充填。在拋光時，為了防止石**落或污染，要選擇短毛纖維柔軟的絲織物較為適宜。拋光磨料可用氧化鎂，開始拋光時，使用拋光盤的外圈以提高切削速度，要注意隨時轉動試樣（特別是球鐵），防止出現(xiàn)“彗星尾巴”。隨著拋光接近完成，要逐步減輕壓力，并將試樣移至拋光盤中心區(qū)。拋光過程中必須保持拋光盤濕度適宜，水分過多或過少都會帶來不良后果。

經正確地拋光后的鑄鐵試樣，石墨呈灰色，球狀石墨可見放射狀特征。

對于鐵素體基體，則推薦用硝酸酒精溶液。但要注意，石墨會吸收硝酸，腐蝕后，往往引起石墨的膨脹，并導致石墨球或石墨片局部脫落。

三、實驗方法及指導

1、實驗內容及步驟

（1）觀察灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵的金相組織。見表1。

（2）描繪出幾種合金鋼的組織示意圖。

2、實驗設備及材料

設備：金相顯微鏡。

試樣：灰鑄鐵的各種石墨形態(tài)和各種基體組織的金相試樣一套；球墨鑄鐵的各種石墨形態(tài)和基體組織的金相試樣一套；可鍛鑄鐵金相組織試樣；蠕墨鑄鐵金相組織試樣。

表1常見鑄鐵組織

編號

鑄鐵名稱

顯微組織

浸蝕劑

1

灰口鑄鐵

A型石墨+金屬基體

未浸蝕

2

灰口鑄鐵

A型石墨+金屬基體

未浸蝕

3

灰口鑄鐵

A型石墨+金屬基體

未浸蝕

4

灰口鑄鐵

A型石墨+金屬基體

未浸蝕

5

灰口鑄鐵

A型石墨+金屬基體

未浸蝕

6

灰口鑄鐵

A型石墨+金屬基體

未浸蝕

7

高磷灰口鑄鐵

片狀石墨+細片狀珠光體+磷共晶

4%硝酸酒精

8

可鍛鑄鐵

團絮狀石墨+鐵素體

4%硝酸酒精

9

球墨鑄鐵

球狀石墨+金屬基體

未浸蝕

10

球墨鑄鐵

球化不良的球狀石墨+金屬基體

未浸蝕

11

球墨鑄鐵等溫淬火態(tài)

下貝氏體+球狀石墨

4%硝酸酒精

12

球墨鑄鐵調質態(tài)

回火索氏體+球狀石墨

4%硝酸酒精

13

球墨鑄鐵退火態(tài)

鐵素體+球狀石墨

4%硝酸酒精

14

球墨鑄鐵正火態(tài)

珠光體+球狀石墨

4%硝酸酒精

15

球墨鑄鐵鑄態(tài)

鐵素體+珠光體+球狀石墨

4%硝酸酒精

16

蠕墨鑄鐵

蠕狀石墨+金屬基體

未浸蝕

四、實驗報告

1、實驗目的

2、畫出所觀察試樣的顯微組織示意圖，并標明材料、狀態(tài)、顯微組織、腐蝕劑、放大倍數。

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