)铸铁
铸铁
铸铁(cast iron)
碳含量大于2．o％的铁碳合金。其成分除碳外还含有一定数量的硅、锰、硫、磷等化学元素和一些杂质。有时还加一些其他化学元素。铸铁又名生铁，是冶金厂的重要初级产品，大部分用于炼钢，另一部分供给机器制造厂生产铸铁件，作为二次重熔的主要炉料。铸铁成本低廉，铸造性能和使用性能良好，故铸铁是现代机器制造业的重要和常用的结构材料。其重量一般占机器总重量的60％～70％。
筒史 铸铁是块炼铁和液态炼铁发展过程中的产物。块炼铁最早出现在西南亚地区，公元前1200～前1000年，其使用已达到一定规模。公元前8O0年冶炼方法传到欧洲；公元前500年传到英国。块炼铁是一种最原始的炼铁方法。其炼铁炉用石头或粘土砌成，炉身甚矮，侧开小孔，插入陶土制的风管，用皮囊送风；使用富铁矿石，以木炭或木柴为燃料。约在1000℃温度下进行固体还原，炼成的铁沉落于炉底，待炉冷后取块。每炼一炉必须重新升火，炉温上不去。此种铁结构疏松、氧化夹杂多，几乎不含碳、硅、锰等元素，所以铁块柔软，可在一定温度下锻打，排除夹杂并成型，称为镖铁、锻铁或海绵铁。
中国在公元前6世纪就进行了液态炼铁，比西方约早干余年。块炼铁炉温较低，化学反应慢，故产量低，夹杂又多，在炼铜竖炉大风机的启发下，创造出液态炼铁。炉子加高，炉内煤气流与矿石接触时间长，矿石预热效果提高，鼓风增强，燃烧旺盛，炉子可长时间保持较高温度状态(>1200℃)，木炭的增碳作用也相应增强，因而获得液态铸铁。铸zhu中国是世界上生产铸铁件最早的国家之一，根据《左传》记载，昭公29年(公元前513年)晋国铸出铸铁刑鼎，重达270kg，鼎上铸出刑律全文，这是中国铸造大件的最早记载。隋唐以后，大型铸件的生产愈来愈多，公元953年即中国五代周广顺三年，铸造出沧州大铁狮。中国宋代铸造技术已发展较高水平，公元1061年即宋代嘉佑六年，在湖北当阳玉泉寺建成铁塔。中华人民共和国成立后，考古出土的铁器甚多，如湖南长沙龙洞坡楚墓出土的铁削7件，铁岙2件；江苏六合程桥东周墓出土的铁丸(白口铁)和铁条(图1)。
春秋中晚期石器
铁条金相组织示于图2。
东周块铁铁条
战国时期铁器出土分布图中国在春秋末战国初期铁业生产发展迅速，当时铸铁农具的生产尤为突出，如1955年河北石家庄赵国遗址出土的铸铁农具几乎占全部工具(包括骨、石材料)的65％，河北兴隆出土的大批铁范(金属型)，用于铸造农具的约占60％左右。这说明中国于战国中期已迈入铁器时代。根据解放后的考证，北起辽宁，南到两广，西到四川，东至山东，西北到甘肃，以黄河南北中原为中心，是中国古代铸铁冶炼和生产铁器的重要地区(图3)。中国古代冶金比欧洲先进，尤其是掌握铸造技术比欧洲约早千余年在汉代铁的经营管理已经提到议事日程，《盐铁论》一书就是证明。公元1637年明末宋应星所著《天工开物》，此书详细记载了中国当时的冶金、铸造技术。铸铁虽然历史悠久，但发展缓慢，从清代以来，铸造技术长期停滞不前，直到1949年后才逐步得到发展，全国已形成教育、科研和生产系统。分类 可按金相组织、化学成分和使用性能进行分类。
按金相组织可以分为：(1)灰口铸铁。铸铁中的碳全部或大部以片状石墨的形式存在，其断口为灰黑色。(2)球墨铸铁。铸铁中的碳全部或大部以球状石墨存在。(3)蠕墨铸铁。铸铁中的碳全部或大部分以蠕虫状石墨的形式存在。(4)可锻铸铁。铸铁中的碳全部或大部分以团絮状石墨的形式存在。(5)白口铸铁。碳除少量溶于铁素体外，绝大部分以渗碳体形式存在，其断口呈银白色。(见灰口铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁、可锻铸铁和白口铸铁)按化学成分可以分为：(1)普通铸铁。一般指含碳、硅、锰、磷、硫五元素的铸铁。(2)合金铸铁。指含钼、钛、钒、镍、铬、铜、铝等元素的铸铁，合金含量低于O．5％者称低合金铸铁；合金含量在5％～10％者称中合金铸铁；合金含量高于10％者称为高合金铸铁。
按使用性能可以分为：(1)结构铸铁。主要用作机器零件。(2)特种性能铸铁。包括耐磨铸铁、耐热铸铁、冷硬铸铁、耐蚀铸铁。(见耐磨铸铁、耐热铸铁、冷硬铸铁和耐蚀铸铁)熔炼方法铸铁一般采用冲天炉熔炼，有的采用双联法熔炼。(见铸铁冲天炉熔炼和铸铁双联法熔炼)参考书目凌业勤等．中国古代传统铸造技术．北京：科技文献出版社，1987赵健康．铸造合金及熔炼．
②白口铸铁。碳、硅含量较低，碳主要以渗碳
铸铁产品③可锻铸铁。由白口铸铁退火处理后获得，石墨呈团絮状分布，简称韧铁。其组织性能均匀，耐磨损，有良好的塑性和韧性。用于制造形状复杂、能承受强动载荷的零件。
④球墨铸铁。将灰口铸铁铁水经球化处理后获得，析出的石墨呈球状，简称球铁。比普通灰口铸铁有较高强度、较好韧性和塑性。用于制造内燃机、汽车零部件及农机具等。
⑤蠕墨铸铁。将灰口铸铁铁水经蠕化处理后获得，析出的石墨呈蠕虫状。力学性能与球墨铸铁相近，铸造性能介于灰口铸铁与球墨铸铁之间。用于制造汽车的零部件。
⑥合金铸铁。普通铸铁加入适量合金元素（如硅、锰、磷、镍、铬、钼、铜、铝、硼、钒、锡等）获得。合金元素使铸铁的基体组织发生变化，从而具有相应的耐热、耐磨、耐蚀、耐低温或无磁等特性。用于制造矿山、化工机械和仪器、仪表等的零部件。
灰铸铁抗拉强度及硬度的变化是由于机体组织及石墨大小、数量不同的结果。
纯铁素体为基体的灰铸铁：强度、硬度最低，纯珠光体为基体的灰铸铁：强度、硬度较高，改变基体中铁素体及珠光体相对含量，可得不同的抗拉强度及硬度的HT，石墨呈粗片状的灰铸铁，抗拉强度较低，石墨呈细片状的灰铸铁其抗拉强度较高。
灰铸铁中碳的存在状态及其基体组织决定于铸件冷却速度 ：
铸铁雕塑①铁水以很快速度冷却时，第一阶段石墨化过程（共析温度以上）及第二阶段石墨化过程（共析温度下）完全被抑止将得到共晶渗碳体+二次渗碳体+珠光体组织，即白口铸铁组织。[铁碳相图：铁水当温度冷却到液相时，开始从液相析出（γ）。1147共析温度。L→γ+Fe3C（共晶渗碳体） 温度下降，A的饱和固溶碳量随温度下降而降低，因而析出二次渗碳体，此反应持续到共析温度。在共析反应中，A转变为珠光体。冷却到室温后，组织由共晶渗碳体+二次渗碳体+珠光体组成]。
②铁水以很慢的速度冷却时由于渗C体是不稳定相，而石墨是稳定相。第一阶段和第二阶段石墨化过程都进行得很充分，最后得纯铁素体的灰铸铁组织。
③若石墨化的第一阶段进行很完全，第二阶段石墨化过程进行得不完全，则得珠光体+铁素体、灰铸铁。
不同元素对铸铁石墨化及白口化的影响。
铸铁在制造和使用中容易出现各种缺陷和损坏。铸铁补焊是对有缺陷铸铁件进行修复的重要手段，在实际生产中具有很大的经济意义。
（一）铸铁的焊接性
铸铁的含碳量高，脆性大，焊接性很差，在焊
铸铁样品接过程中易产生白口组织和裂纹。
白口组织是由于在铸铁补焊时，碳、硅等促进石墨化元素大量烧损，且补焊区冷速快，在焊缝区石墨化过程来不及进行而产生的。白口铸铁硬而脆，切削加工性能很差。采用含碳、硅量高的铸铁焊接材料或镍基合金、铜镍合金、高钒钢等非铸铁焊接材料，或补焊时进行预热缓冷使石墨充分析出，或采用钎焊，可避免出现白口组织，。
裂纹通常发生在焊缝和热影响区，产生的原因是铸铁的抗拉强度低，塑性很差（400℃以下基本无塑性），而焊接应力较大，且接头存在白口组织时，由于白口组织的收缩率更大，裂纹倾向更加严重，甚至可使整条焊缝沿熔合线从母材上剥离下来。防止裂纹的主要措施有：采用纯镍或铜镍焊条、焊丝，以增加焊缝金属的塑性；加热减应区以减小焊缝上的拉应力；采取预热、缓冷、小电流、分散焊等措施减小焊件的温度差。
（二）手工电弧焊补焊的方法：
铸铁板
（1）热焊及半热焊 焊前将焊件预热到一定温度（400℃以上），采用同质焊条，选择大电流连续补焊，焊后缓冷。其特点是焊接质量好，生产率低，成本高，劳动条件差。
（2）冷焊 采用非铸铁型焊条，焊前不预热，焊接时采用小电流、分散焊，减小焊件应力。焊缝的强度、颜色与母材不同，加工性能较差，但焊后变形小，劳动条件好，成本低。
灰铸铁焊接性分析
灰铸铁在化学成分上的特点是碳高及S、P杂质高，这就增大了焊接接头对冷却速度变化的敏感性及冷热裂纹的敏感性。在力学性能上的特点是强度低，基本无塑性。焊接过程具有冷速快及焊件受热不均匀而形成焊接应力较大的特殊性。这些因素导致焊接性不良。主要问题两方面：一方面是焊接接头易出现白口及淬硬组织。 另一方面焊接接头易出现裂纹。
一、焊接接头易出现白口及淬硬组织
以含碳为3%，含硅2.5%的常用灰铸铁，分析电弧焊焊后在焊接接头上组织变化的规律。
1、焊缝区
当焊缝成分与灰铸铁铸件成分相同时，则在一般电弧焊情况下，由于焊缝冷却速度远远大于铸件在砂型中的冷却速度，焊缝主要为共晶渗碳体+二次渗碳铁+珠光体，即焊缝基本为白口铸铁组织。
防止措施：焊缝为铸铁 ①采用适当的工艺措施来减慢焊逢的冷却速度。如：增大线能量。②调整焊缝化学成分来增强焊缝的石墨化能力。
异质焊缝：若采用低碳钢焊条进行焊接，常用铸铁含碳为3%左右，就是采用较小焊接电流，母材在第一层焊缝中所占百分比也将为1／3～1／4，其焊缝平均含碳量将为0.7%～1.0%,属于高碳钢（C＞0.6%）。这种高碳钢焊缝在快冷却后将出现很多脆硬的马氏体。
采用异质金属材料焊接时，必须要设法防止或减弱母材过渡到焊缝中的碳产生高硬度组织的有害作用。改变C的存在状态，使焊缝不出现淬硬组织并具有一定的塑性，例如使焊缝分别成为奥氏体，铁素体及有色金属是一些有效的途径。
铸铁产品2、半熔化区
特点：该区被加热到液相线与共晶转变下限温度之间，温度范围1150～1250℃。该区处于液固状态，一部分铸铁已熔化成为液体，其它未熔部分在高温作用下已转变为奥氏体。
1）、冷却速度对半熔化区白口铸铁的影响
V冷很快，液态铸铁在共晶转变温度区间转变成莱氏体，即共晶渗碳体加奥氏体。继续冷却则为C所饱和的奥氏体析出二次渗碳体。在共析转变温度区间，奥氏体转变为珠光体。由于该区冷速很快，在共析转变温度区间，可出现奥氏体→马氏体的过程，并产生少量残余奥氏体。
其左侧为亚共晶白口铸铁，其中白色条状物为渗碳体，黑色点、条状物及较大的黑色物为奥氏体转变后形成的珠光体。右侧为奥氏体快冷转变成的竹叶状高碳马氏体，白色为残余奥氏体。还可看到一些未熔化的片状石墨。
当半熔化区的液态金属以很慢的冷却速度冷却时，其共晶转变按稳定相图转变。最后其室温组织由石墨+铁素体组织组成。
当该区液态铸铁的冷却速度介于以上两种冷却速度之间时，随着冷却速度由快到慢，或为麻口铸铁，或为珠光体铸铁，或为珠光体加铁素体铸铁。影响半熔化区冷却速度的因素有：焊接方法、预热温度、焊接热输入、铸件厚度等因素。研究灰铸铁试板焊件、热输入相同时，随板厚的增加，半熔化区冷却速度加快。白口淬硬倾向增大。
2）化学成分对半熔化区白口铸铁的影响
铸铁焊接半熔化区的化学成分对其白口组织的形成同样有重大影响。该区的化学成分不仅取决于铸铁本身的化学成分，而且焊逢的化学成分对该区也有重大影响。这是因为焊逢区与半熔化区紧密相连，且同时处于熔融的高温状态，为该两区之间进行元素扩散提供了非常有利的条件。某元素在两区之间向哪个方向扩散首先决定于该元素在两区之间的含量梯度（含量变化）。元素总是从高含量区域向低含量区域扩散，其含量梯度越大，越有利于扩散的进行。
提高熔池金属中促进石墨化元素（C、Si、Ni等）的含量对消除或减弱半熔化区白口的形成是有利的。
用低碳钢焊条焊铸铁时，半熔化区的白口带往往较宽。这是因为半熔化区含C、Si量高于熔池，故半熔化区的C、Si反而向熔池扩散，使半熔化区C、Si有所下降，增大了该区形成较宽白口的倾向。
3、奥氏体区
该区被加热到共晶转变下限温度与共析转变上限温度之间。该区温度范围约为820～1150℃，此区无液相出现该区在共析温度区间以上，其基体已奥氏体化，加热温度较高的部分（靠近半熔化区），由于石墨片中的碳较多地向周围奥氏体扩散，奥氏体中含碳量较高；加热较低的部分，由于石墨片中的碳较少向周围奥氏体扩散，奥氏体中含碳量较低，随后冷却时，如果冷速较快，会从奥氏体中析出一些二次渗碳体，其析出量的多少与奥氏体中含碳量成直线关系。在共析转变快时，奥氏体转变为珠光体类型组织。冷却更快时，会产生马氏体，与残余奥氏体。该区硬度比母材有一定提高。熔焊时，采用适当工艺使该区缓冷，可使A直接析出石墨而避免二次渗碳体析出，同时防止马氏体形成。
4、重结晶区
很窄，加热温度范围780～820℃。由于电弧焊时该区加热速度很快，只有母材中的部分原始组织可转变为奥氏体。在随后冷却过程中，奥氏体转变为珠光体类组织。冷却很快时也可能出现一些马氏体。
二、裂纹是易出现的缺陷
1.冷裂纹可发生在烛焊缝或热影响区上，
1）焊缝处冷裂纹
产生部位：铸铁型焊缝，当采用异质焊接材料焊接，使焊逢成为奥氏体、铁素体，铜基焊缝时，由于焊缝金属具有较好的塑性，焊接金属不易出现冷裂纹。
启裂温度：一般在400℃以下。原因：一方面是铸铁在400℃以上时有一定塑性；另一方面焊缝所承受的拉应力是随其温度下降而增大。在400℃以上时焊缝所承受的拉应力较小。
产生原因：焊接过程中由于工件局部不均匀受热，焊缝在冷却过程中会产生很大的拉应力，这种拉应力随焊缝温度的下降而增大。当焊缝全为灰铸铁时，石墨呈片状存在。当片状石墨方向与外加应力方向基本垂直，且两个片状石墨的尖端又靠得很近，在外加应力增加时，石墨尖端形成较大的应力集中。铸铁强度低，400℃以下基本无塑性。当应力超过此时铸铁的强度极限时，即发生焊缝裂纹。
铸铁浴缸当焊缝中存在白口铸铁时，由于白口铸铁的收缩率比灰铸铁收缩率大，加以其中渗碳体性能更脆，故焊缝更易出现裂纹。影响因素：
①、与焊缝基体组织有关，焊缝中渗碳体越多，焊缝中出现裂纹数量越多。当焊缝基体全为珠光体与铁素体组成，而石墨化过程又进行得较充分时，由于石墨化过程伴随有体积膨胀过程，可以松弛部分焊接应力，有利于改善焊缝的抗裂性。
②、与焊缝石墨形状有关，粗而长的片状石墨容易引起应力集中，会减小抗裂性。石墨以细片状存在时，可改善抗裂性。石墨以团絮状存在时，焊缝具有较好的抗裂性能。
③、与焊补处刚度与焊补体积的大小及焊缝长短有关，焊补处刚度大，焊补体积大，焊缝越长都将增大应力状态，促使裂纹产生。
1、http://www.weldr.net/simple/skill/html/content_1346.htm
2、http://www.weldr.net/simple/skill/html/content_1345.htm
