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球墨鑄鐵的金相組織、性能及典型缺陷

嘉峪檢測網 2023-06-20 08:45

球墨鑄鐵的概述

球墨鑄鐵是指鐵液在凝固過程中碳以球型石墨析出的鑄鐵。與灰鑄鐵相比，其金相組織的最大不同是石墨形狀的改變，避免了灰鑄鐵中尖銳石墨的存在，使得石墨對金屬基體的切口作用大為減少，基本消除了片狀石墨引起的應力集中現象，使得金屬基體的強度利用率達到70-90％，從而使金屬基體的性能得到很大程度的發揮。

球墨鑄鐵可以像鋼一樣，通過熱處理和合金化等措施來進一步提高其使用性能。比如，處理過的球墨鑄鐵可以取得很好的韌性，延伸率高達24％；抗拉強度可以高達1400MPa，基本接近鋼材。

與鋼材相比，球墨鑄鐵還有很多優點。比如鑄造性能好，成本相對較低。由于球墨鑄鐵產量的不斷增加，性能不斷開發，現已成功部分取代了鍛鋼和鑄鋼，成為前景廣闊的金屬結構材料。

球墨鑄鐵的金相組織與力學性能

力學性能與金屬的金相組織密切相關，什么樣的金相結構決定了什么樣的力學性能。球墨鑄鐵也不例外，只有石墨球化，才能發揮金屬基體的作用，使鑄鐵的力學性能大幅度提高。也只有石墨球化，進一步改變基體的性能才更有意義。因此，對球墨鑄鐵的金相研究，是我們了解球墨鑄鐵，使用球墨鑄鐵的前提條件。

1、球墨鑄鐵的形成

球狀石墨的形成經歷了形核與生長兩個階段。其中的形核是石墨的首要過程，鐵液在熔煉及隨后的球化、孕育處理中產生大量的非金屬夾雜物，初生的夾雜物非常小，在隨后澆鑄、充型、凝固過程相互碰撞、聚合變大，上浮或下沉，成為石墨析出的核心。

所以，石墨生長過程的控制是獲得球狀石墨的關鍵。

石墨形核的條件：

石墨的形核分均質形核和異質形核。

均質形核：C的微觀原子團

（C6）n ——晶胚

鐵液過冷度達200－300℃

異質形核：形核基底的外來質點

符合晶格匹配關系（失配度δ<12%)

界面能要求——外來質點被石墨潤濕

形核物質：

1、石墨：未溶石墨、添加晶體石墨、非平衡石墨

2、巖狀結構碳化物基底

3、氧化物

4、硫化物/氧化物

5、鉍及鉍的化合物

球墨鑄鐵的孕育：

提高孕育效果的措施

a.選擇強效孕育劑

b.必要的S的含量

c.改善處理方法

d.提高鑄件冷卻速度

球狀石墨的生長：

a、極低的硫、氧含量

b、限制反球化元素

c、保證必要的冷卻速度

d、添加的球化元素

2、金相組織

球狀石墨外貌接近球形，內部呈放射狀，有明顯的偏光效應。

石墨是由很多角錐體枝晶組成的多晶體，各枝晶的基面垂直于球徑，C軸呈輻射狀指向球心。

球化分級：

石墨大小：

GB9441－1998球墨鑄鐵金相檢驗標準將石墨大小分成六級。

球墨鑄鐵石墨球的大小對力學性能的影響很大，減小石墨球徑，增加石墨球在單位面積的個數可以明顯地提高球墨鑄鐵的強度、塑性和韌性。石墨球徑的減小，使單位面積上球墨鑄鐵數量增多，可使抗疲勞強度提高，因此，細化石墨也是提高抗疲勞強度的一個要求。

石墨球大小分級（GB9441-1988）

3、各種基體與力學性能的關系

(1)鐵素體

根據GB9441-1988球墨鑄鐵金相檢驗評定鐵素體數量。其百分比，按大多數視場對照圖片評定。一般不檢查牛眼鐵素體數量，僅檢查與其共存的珠光體數量。

(2)珠光體

在球墨鑄鐵中，珠光體的形態一般分三級：粗狀珠光體、片狀珠光體、細片狀珠光體。隨著珠光體的細化，球墨鑄鐵的強度和硬度有所提高。若基體為粒狀珠光體，則球墨鑄鐵在保持一定強度的同時，具有更高的塑性。

(3)奧氏體、貝氏體、馬氏體

由奧氏體、上貝氏體或下貝氏體通過等溫淬火，加入適當元素獲得。

(4)滲碳體

滲碳體多呈針狀、條狀，在球墨鑄鐵中易使基體變脆，故應避免其出現。

(5)磷共晶體

磷共晶體在球墨鑄鐵中對性能的危害比在灰鑄鐵中大得多。沿晶界分布的二元或三元磷共晶體，強烈降低球墨鑄鐵的韌性、塑性和強度，受沖擊時，裂痕總是沿磷共晶體邊緣開始開裂。

球墨鑄鐵的化學成分

選擇適當的化學成分是保證球墨鑄鐵獲得良好的金相組織和高性能的基本條件，化學成分的選擇既要利于石墨的球化和獲得滿意的基體，以期獲得滿意的性能，又要使球墨鑄鐵具有良好的鑄造性能。

1、五大元素

碳和硅：

由于石墨球對基體的削弱作用很小，所以碳含量在3.2-3.8%時，對力學性能無明顯影響。確定球墨鑄鐵的碳硅含量時，主要從保證鑄造性能考慮，將碳當量選擇在共晶成分左右。

當碳含量過低時，鑄件易產生縮松和裂紋；碳當量過高時，易產生石墨漂浮現象，結果使夾雜物增多。硅可以提高石墨球的圓整度，細化石墨，還可以減小結晶過冷和白口傾向。一般認為硅含量大于2.8％時，可能降低韌性，使韌性－脆性轉變溫度升高。

因此，選擇碳硅含量時，應按照高碳低硅的原則，鑄件在寒冷地區使用，則含硅量應適當降低。

鐵素體C：3.6-4.0% Si：2.4-2.8%

珠光體C：3.4-3.8% Si：2.2-2.4%

錳：

球墨鑄鐵中，由于球化元素具有很強的脫硫能力，不需要錳承擔這種功能。錳有嚴重的正偏析傾向，往往有可能富集于共晶團界處，嚴重時會促使形成晶間碳化物，顯著降低球墨鑄鐵的韌性。

鑄態鐵素體Mn：0.3-0.4%

珠光體球鐵Mn：0.4-0.8%

磷：

磷在球墨鑄鐵中有很強的偏析傾向，具有增大球鐵的縮松傾向，易在晶界處形成磷共晶，嚴重降低球鐵的韌性。對于寒冷地區使用的鑄件，易采用磷的下限含量。

磷的含量控制在0.04-0.06%以下。

硫：

球墨鑄鐵中硫與球化元素的化合能力很強，生成硫化物或硫氧化物，不僅消耗球化劑，造成球化不穩定，衰退速度加快，而且還使夾雜物數量增多，導致鑄件產生缺陷。

國外一般要求鐵液含硫量低于0.02%，我國目前由于焦炭含量較高等熔煉條件的限制，往往達不到這一標準，應進一步改善熔煉條件，有條件可進行爐外脫硫。

2、合金元素

球墨鑄鐵的合金元素主要有鉬、銅、鎳、鉻、銻、釩、鉍等金屬。

這些元素的主要是起提高鑄鐵的強度，穩定基體組織的作用。

球墨鑄鐵的典型缺陷

1、球化不良和球化退化

特征：斷口銀灰色，分布芝麻狀黑斑點。金相組織分布大量厚片石墨。

原因：原鐵液含硫高，過量反球化元素。建議選用低硫焦炭，脫硫處理，必要時增加球化劑稀土量，控制沖天爐鼓風強度和料位。

2、縮孔和縮松

特征：縮孔發生于第一次收縮階段。表面凹陷及局部熱節凹陷，含氣孔的暗縮孔，內壁粗糙。縮松發生于第二次收縮階段。被樹枝晶分割的溶池處成為真空，凝固后的孔壁粗糙、排滿樹枝晶的疏松孔為縮松。

原因：碳當量低，磷含量高，增加縮孔縮松傾向。

措施：提高鑄型剛度，如使用樹脂砂，提高鐵液碳當量。

3、石墨漂浮

特征：冷卻過程中的過共晶鐵液首先析出石墨球，上浮聚集成石墨漂浮，分布于鑄件最后部位的上部的冒口處。微觀觀察石墨球串接呈開花狀。

原因：碳當量和稀土殘留量高，爐料原始尺寸大、數量多，都可能增加石墨漂浮。

措施：建議C<4%，控制稀土含量，注意原生鐵與其他爐料的搭配。

4、反白口

特征：宏觀斷面為界限清晰的白亮塊，呈方向性白亮針，出現于熱節中心。金相觀察為過冷密集細針狀滲碳體。

原因：凝固熱節中心偏析富鎂、稀土、錳等白口化元素，孕育不足或大件冷卻速度快等。

措施：保證球化前提下減少殘留稀土鎂，防止爐料內的強烈白口化元素，強化孕育，提高小件鑄件溫度。

5、夾渣

特征：澆鑄位置上表面或死角處，斷面呈暗黑無光澤、深淺不一的夾雜物，金相為可見、塊狀夾雜物。

原因：形成一次夾渣的重要原因是原鐵液含硫量高、氧化嚴重；二次夾渣主要原因是鎂殘留量過高，提高了氧化膜形成溫度。

措施：降低原鐵液硫、氧含量，保證球化時降低鎂殘留量，加入適量稀土降低形膜溫度。澆鑄系統應使充型平穩，夾渣部位設集渣冒口。

6、應力變形和裂紋

特征：收縮應力、相變應力之和超過斷面金屬抗斷裂后形成裂紋，熱裂呈暗褐色不平整端口，冷裂形成淺褐色光滑平直斷口。

原因：碳含量低，碳化物形成元素增加，孕育不足，冷卻過快等。

措施：適當提高碳當量，降低含磷量，加強孕育等措施。

7、碎塊狀石墨

特征：出現在Ce等活性元素富集在共晶團邊界，促使該區域過飽和析出而形成蠕蟲狀石墨，其斷面形態為碎塊狀。

原因：冷卻緩慢，共晶凝固時間過長引起的成分偏析和孕育衰退。

措施：選用純凈爐料并限制Ce等元素的含量，控制較低的碳當量，加入Sb、Y、Bi等微量元素。

球墨鑄鐵的力學性能

球墨鑄鐵的力學性能以抗拉強度和延伸率兩個指標作為驗收依據。在生產工藝穩定的條件下，也可根據硬度值進行驗收。因硬度與強度的對應關系建立在球化合格，化學成分、孕育穩定，鑄造工藝合理的基礎上，為保證性能，規定按硬度驗收時，必須檢驗金相組織，其球化率不得低于4級。即使硬度和球化合格，由于基體其中存在滲碳體、磷共晶、高硅固溶強化等，可能使強度和韌性達不到要求。所以不具備生產工藝穩定的條件下，不能根據硬度值驗收。

GB規定的球墨鑄鐵牌號

1、凈荷載性能

（1）硬度

　　球墨鑄鐵的硬度主要取決于基體組織，而且與抗拉強度、延伸率等凈荷載性能有相應的關系。

（2）強度和塑性

　　球墨鑄鐵的強度和塑性主要取決于基體組織，下貝氏體或回火馬氏體強度最高，其次是上貝氏體、索氏體、珠光體。隨著鐵素體增多，強度下降，延伸率增加。奧氏體或鐵素體強度較低，塑性較好。

2、動荷載性能

（1）沖擊韌度

　　鐵素體球墨鑄鐵由于含硅量變化，貝氏體球墨鑄鐵由于上、下貝氏體及奧氏體數量變化，沖擊韌度的變化范圍較大。

（2）疲勞強度

某些球墨鑄鐵具有很高的疲勞強度，相當于45號正火鋼，如珠光體球鐵。

各種基體組織球墨鑄鐵的彎曲疲勞強度

3、高溫性能

(1)硬度

　　各種球墨鑄鐵低溫下有很好的硬度，但在540℃時開始粒狀化，高于650℃ 開始分解，硬度開始下降并逐漸接近鐵素體球墨鑄鐵的硬度。

(2)高溫短時力學性能

圖片圖中表明球墨鑄鐵抗拉強度隨溫度升高而降低。延伸率中，鐵素體先顯著降低再急劇升高，珠光體緩慢下降，然后顯著增加。

(3)高溫蠕變和持久強度

(4)抗疲勞強度

4、低溫性能

隨溫度降低，球墨鑄鐵逐漸發生由韌性向脆性的轉變，尤其在脆性轉變溫度以下，沖擊值急劇下降。同時，屈服強度提高，延伸率下降，對應力集中的敏感性明顯增加，表現為屈服以后變形量較小即斷裂。對于常溫下塑韌性較好的鐵素體球墨鑄鐵，低溫下抗拉強度提高。

鐵素體和珠光體的低溫拉伸性能

Si：2.1% ；P：0.09%

球墨鑄鐵的物理性能

1、密度

①球墨鑄鐵的常溫密度

②熔融狀態鎂球墨鑄鐵的密度

備注：

（1）C:3.44%，Si:2.56%，Mn:0.22%，P:0.11%

（2） C:3.3－3.6%，Si:1.6-2.6%，Mn:0.4-0.5%，

2、線膨脹系數

隨著溫度升高，線膨脹系數緩慢增加，600℃以后顯著增加。

3、熱導率

熱導率取決于成分、組織、石墨形態和溫度。石墨比基體組織的導熱性好，石墨沿基面又比沿C軸的導熱性好。含碳量越高，導熱性越好；球化率越低，導熱性越好；溫度越低，導熱性越好。球墨鑄鐵熱導性高于鋼，但低于灰鑄鐵。

球磨鑄鐵的其他性能

1、減震性

球墨鑄鐵的減震性優于鋼，劣于灰鑄鐵。球化率越高，減震性越差。溫度上升，灰鑄鐵的減震性下降，但是對球墨鑄鐵的影響很小。球墨鑄鐵的彈性模量高于灰鑄鐵，因此其聲波傳播速度，固有頻率都高于灰鑄鐵。利用聲學的差別，可檢驗球化率等級。

2、切削性能

球墨鑄鐵含有較多的石墨，起到切削潤滑作用。因此球墨鑄鐵的切削阻力小于鋼，切削速度較高。珠光體增多使球墨鑄鐵的切削性能下降，貝氏體球墨鑄鐵切削性能較差。所以，閥門中使用球墨鑄鐵時，都是采用鐵素體＋珠光體的基體類型。

3、焊補性

球墨鑄鐵不能焊接，只能焊補。當球墨鑄鐵中稀土鎂合金含量較高時，在焊縫和近焊縫區易產生白口或馬氏體組織，形成內應力和裂紋。

4、耐熱性

球墨鑄鐵中的石墨彼此分離，與灰鑄鐵相比，可阻礙高溫下氧的擴散。因此球墨鑄鐵的抗氧化性和抗生長性均優于灰鑄鐵，也優于可鍛鑄鐵。鐵素體球墨鑄鐵的高溫抗生長性優于珠光體球墨鑄鐵。提高硅含量或鋁含量可改善球墨鑄鐵的抗氧化性及耐熱性。

5、耐腐蝕性

在大氣中球墨鑄鐵耐蝕性優于鋼，與灰鑄鐵、可鍛鑄鐵相近。球墨鑄鐵在土壤的耐蝕性優于鋼，與灰鑄鐵相近。

球墨鑄鐵抗點蝕能力略強，但球墨鑄鐵管經腐蝕后的強度損失則小于灰鑄鐵管。球墨鑄鐵在室溫，0.5%的硫酸溶液的耐蝕性與灰鑄鐵大體相同，開始階段球墨鑄鐵的腐蝕率低于灰鑄鐵，但在灰鑄鐵表面形成石墨化層后腐蝕速度下降，球墨鑄鐵則無下降傾向，而在后期高于灰鑄鐵。球墨鑄鐵和灰鑄鐵在堿溶液中的耐蝕性良好，與鋼相近。球墨鑄鐵對有機物、硫化物、熔融金屬（低熔點）的耐蝕性與灰鑄鐵相近。

6、耐磨性

球墨鑄鐵是良好的耐磨和減磨材料，耐磨性優于同樣基體的灰鑄鐵、碳鋼以致低合金鋼。

（1）潤滑耐磨

球墨鑄鐵的耐磨性優于灰鑄鐵。

（2）磨料磨損

球墨鑄鐵在磨料磨損條件下也有一定應用。但與白口鑄鐵、低合金鋼相比，普通球墨鑄鐵的耐磨性并不太好，只有合金球墨鑄鐵或合金貝氏球墨鑄鐵有良好的耐磨性。

球磨鑄鐵的應用

球墨鑄鐵中外牌號對照
1	中國	QT400-18	QT450-10	QT500-7	QT600-3	QT700-2	QT800-2	QT900-2
2	日本	FCD400	FCD450	FCD500	FCD600	FCD700	FCD800	—
3	美國	60-40-18	65-45-12	70-50-05	80-60-03	100-70-03	120-90-02	—
4	前蘇聯	BЧ40	BЧ45	BЧ50	BЧ60	BЧ70	BЧ80	BЧ100
5	德國	GGG40	—	GGG50	GGG60	GGG70	GGG80	—
6	意大利	GS370-17	GS400-12	GS500-7	GS600-2	GS700-2	GS800-2	—
7	法國	FGS370-17	FGS400-12	FGS500-7	FGS600-2	FGS700-2	FGS800-2	—
8	英國	400/17	420/12	500/7	600/7	700/2	800/2	900/2
9	波蘭	ZS3817	ZS4012	ZS(4505) 5002	ZS6002	ZS7002	ZS8002	ZS9002
10	印度	SG370/17	SG400/12	SG500/7	SG600/3	SG700/2	SG800/2	—
11	羅馬尼亞	—	—	—	—	FGN70-3	—	—
12	西班牙	FGE38-17	FGE42-12	FGE50-7	FGE60-2	FGE70-2	FGE80-2	—
13	比利時	FNG38-17	FNG42-12	FNG50-7	FNG60-2	FNG70-2	FNG80-2	—
14	澳大利亞	300-17	400-12	500-7	600-3	700-2	800-2	—
15	瑞典	0717-02	—	0727-02	0732-03	0737-01	0864-03	—
16	匈牙利	GǒV38	GǒV40	GǒV50	GǒV60	GǒV70	—	—
17	保加利亞	380-17	400-12	450-5 500-2	600-2	700-2	800-2	900-2
18	國際標準（ISO）	400-18	450-10	500-7	600-3	700-2	800-2	900-2
19	泛美標準（COPANT）	—	FMNP45007	FMNP55005	FMNP65003	FMNP70002	—	—
20	芬蘭	GRP400	—	GRP500	GRP600	GRP700	GRP800	—
21	荷蘭	GN38	GN42	GN50	GN60	GN70	—	—
22	盧森堡	FNG38-17	FNG42-12	FNG50-7	FNG60-2	FNG70-2	FNG80-2	—
23	奧地利	SG38	SG42	SG50	SG60	SG70	—	—

來源：材易通

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球墨鑄鐵的金相組織、性能及典型缺陷

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