球墨铸铁的金相组织、性能及典型缺陷_检测资讯

球墨铸铁的金相组织、性能及典型缺陷

嘉峪检测网 2023-06-20 08:45

球墨铸铁的概述

球墨铸铁是指铁液在凝固过程中碳以球型石墨析出的铸铁。与灰铸铁相比，其金相组织的最大不同是石墨形状的改变，避免了灰铸铁中尖锐石墨的存在，使得石墨对金属基体的切口作用大为减少，基本消除了片状石墨引起的应力集中现象，使得金属基体的强度利用率达到70-90％，从而使金属基体的性能得到很大程度的发挥。

球墨铸铁可以像钢一样，通过热处理和合金化等措施来进一步提高其使用性能。比如，处理过的球墨铸铁可以取得很好的韧性，延伸率高达24％；抗拉强度可以高达1400MPa，基本接近钢材。

与钢材相比，球墨铸铁还有很多优点。比如铸造性能好，成本相对较低。由于球墨铸铁产量的不断增加，性能不断开发，现已成功部分取代了锻钢和铸钢，成为前景广阔的金属结构材料。

球墨铸铁的金相组织与力学性能

力学性能与金属的金相组织密切相关，什么样的金相结构决定了什么样的力学性能。球墨铸铁也不例外，只有石墨球化，才能发挥金属基体的作用，使铸铁的力学性能大幅度提高。也只有石墨球化，进一步改变基体的性能才更有意义。因此，对球墨铸铁的金相研究，是我们了解球墨铸铁，使用球墨铸铁的前提条件。

1、球墨铸铁的形成

球状石墨的形成经历了形核与生长两个阶段。其中的形核是石墨的首要过程，铁液在熔炼及随后的球化、孕育处理中产生大量的非金属夹杂物，初生的夹杂物非常小，在随后浇铸、充型、凝固过程相互碰撞、聚合变大，上浮或下沉，成为石墨析出的核心。

所以，石墨生长过程的控制是获得球状石墨的关键。

石墨形核的条件：

石墨的形核分均质形核和异质形核。

均质形核：C的微观原子团

（C6）n ——晶胚

铁液过冷度达200－300℃

异质形核：形核基底的外来质点

符合晶格匹配关系（失配度δ<12%)

界面能要求——外来质点被石墨润湿

形核物质：

1、石墨：未溶石墨、添加晶体石墨、非平衡石墨

2、岩状结构碳化物基底

3、氧化物

4、硫化物/氧化物

5、铋及铋的化合物

球墨铸铁的孕育：

提高孕育效果的措施

a.选择强效孕育剂

b.必要的S的含量

c.改善处理方法

d.提高铸件冷却速度

球状石墨的生长：

a、极低的硫、氧含量

b、限制反球化元素

c、保证必要的冷却速度

d、添加的球化元素

2、金相组织

球状石墨外貌接近球形，内部呈放射状，有明显的偏光效应。

石墨是由很多角锥体枝晶组成的多晶体，各枝晶的基面垂直于球径，C轴呈辐射状指向球心。

球化分级：

石墨大小：

GB9441－1998球墨铸铁金相检验标准将石墨大小分成六级。

球墨铸铁石墨球的大小对力学性能的影响很大，减小石墨球径，增加石墨球在单位面积的个数可以明显地提高球墨铸铁的强度、塑性和韧性。石墨球径的减小，使单位面积上球墨铸铁数量增多，可使抗疲劳强度提高，因此，细化石墨也是提高抗疲劳强度的一个要求。

石墨球大小分级（GB9441-1988）

3、各种基体与力学性能的关系

(1)铁素体

根据GB9441-1988球墨铸铁金相检验评定铁素体数量。其百分比，按大多数视场对照图片评定。一般不检查牛眼铁素体数量，仅检查与其共存的珠光体数量。

(2)珠光体

在球墨铸铁中，珠光体的形态一般分三级：粗状珠光体、片状珠光体、细片状珠光体。随着珠光体的细化，球墨铸铁的强度和硬度有所提高。若基体为粒状珠光体，则球墨铸铁在保持一定强度的同时，具有更高的塑性。

(3)奥氏体、贝氏体、马氏体

由奥氏体、上贝氏体或下贝氏体通过等温淬火，加入适当元素获得。

(4)渗碳体

渗碳体多呈针状、条状，在球墨铸铁中易使基体变脆，故应避免其出现。

(5)磷共晶体

磷共晶体在球墨铸铁中对性能的危害比在灰铸铁中大得多。沿晶界分布的二元或三元磷共晶体，强烈降低球墨铸铁的韧性、塑性和强度，受冲击时，裂痕总是沿磷共晶体边缘开始开裂。

球墨铸铁的化学成分

选择适当的化学成分是保证球墨铸铁获得良好的金相组织和高性能的基本条件，化学成分的选择既要利于石墨的球化和获得满意的基体，以期获得满意的性能，又要使球墨铸铁具有良好的铸造性能。

1、五大元素

碳和硅：

由于石墨球对基体的削弱作用很小，所以碳含量在3.2-3.8%时，对力学性能无明显影响。确定球墨铸铁的碳硅含量时，主要从保证铸造性能考虑，将碳当量选择在共晶成分左右。

当碳含量过低时，铸件易产生缩松和裂纹；碳当量过高时，易产生石墨漂浮现象，结果使夹杂物增多。硅可以提高石墨球的圆整度，细化石墨，还可以减小结晶过冷和白口倾向。一般认为硅含量大于2.8％时，可能降低韧性，使韧性－脆性转变温度升高。

因此，选择碳硅含量时，应按照高碳低硅的原则，铸件在寒冷地区使用，则含硅量应适当降低。

铁素体C：3.6-4.0% Si：2.4-2.8%

珠光体C：3.4-3.8% Si：2.2-2.4%

锰：

球墨铸铁中，由于球化元素具有很强的脱硫能力，不需要锰承担这种功能。锰有严重的正偏析倾向，往往有可能富集于共晶团界处，严重时会促使形成晶间碳化物，显著降低球墨铸铁的韧性。

铸态铁素体Mn：0.3-0.4%

珠光体球铁Mn：0.4-0.8%

磷：

磷在球墨铸铁中有很强的偏析倾向，具有增大球铁的缩松倾向，易在晶界处形成磷共晶，严重降低球铁的韧性。对于寒冷地区使用的铸件，易采用磷的下限含量。

磷的含量控制在0.04-0.06%以下。

硫：

球墨铸铁中硫与球化元素的化合能力很强，生成硫化物或硫氧化物，不仅消耗球化剂，造成球化不稳定，衰退速度加快，而且还使夹杂物数量增多，导致铸件产生缺陷。

国外一般要求铁液含硫量低于0.02%，我国目前由于焦炭含量较高等熔炼条件的限制，往往达不到这一标准，应进一步改善熔炼条件，有条件可进行炉外脱硫。

2、合金元素

球墨铸铁的合金元素主要有钼、铜、镍、铬、锑、钒、铋等金属。

这些元素的主要是起提高铸铁的强度，稳定基体组织的作用。

球墨铸铁的典型缺陷

1、球化不良和球化退化

特征：断口银灰色，分布芝麻状黑斑点。金相组织分布大量厚片石墨。

原因：原铁液含硫高，过量反球化元素。建议选用低硫焦炭，脱硫处理，必要时增加球化剂稀土量，控制冲天炉鼓风强度和料位。

2、缩孔和缩松

特征：缩孔发生于第一次收缩阶段。表面凹陷及局部热节凹陷，含气孔的暗缩孔，内壁粗糙。缩松发生于第二次收缩阶段。被树枝晶分割的溶池处成为真空，凝固后的孔壁粗糙、排满树枝晶的疏松孔为缩松。

原因：碳当量低，磷含量高，增加缩孔缩松倾向。

措施：提高铸型刚度，如使用树脂砂，提高铁液碳当量。

3、石墨漂浮

特征：冷却过程中的过共晶铁液首先析出石墨球，上浮聚集成石墨漂浮，分布于铸件最后部位的上部的冒口处。微观观察石墨球串接呈开花状。

原因：碳当量和稀土残留量高，炉料原始尺寸大、数量多，都可能增加石墨漂浮。

措施：建议C<4%，控制稀土含量，注意原生铁与其他炉料的搭配。

4、反白口

特征：宏观断面为界限清晰的白亮块，呈方向性白亮针，出现于热节中心。金相观察为过冷密集细针状渗碳体。

原因：凝固热节中心偏析富镁、稀土、锰等白口化元素，孕育不足或大件冷却速度快等。

措施：保证球化前提下减少残留稀土镁，防止炉料内的强烈白口化元素，强化孕育，提高小件铸件温度。

5、夹渣

特征：浇铸位置上表面或死角处，断面呈暗黑无光泽、深浅不一的夹杂物，金相为可见、块状夹杂物。

原因：形成一次夹渣的重要原因是原铁液含硫量高、氧化严重；二次夹渣主要原因是镁残留量过高，提高了氧化膜形成温度。

措施：降低原铁液硫、氧含量，保证球化时降低镁残留量，加入适量稀土降低形膜温度。浇铸系统应使充型平稳，夹渣部位设集渣冒口。

6、应力变形和裂纹

特征：收缩应力、相变应力之和超过断面金属抗断裂后形成裂纹，热裂呈暗褐色不平整端口，冷裂形成浅褐色光滑平直断口。

原因：碳含量低，碳化物形成元素增加，孕育不足，冷却过快等。

措施：适当提高碳当量，降低含磷量，加强孕育等措施。

7、碎块状石墨

特征：出现在Ce等活性元素富集在共晶团边界，促使该区域过饱和析出而形成蠕虫状石墨，其断面形态为碎块状。

原因：冷却缓慢，共晶凝固时间过长引起的成分偏析和孕育衰退。

措施：选用纯净炉料并限制Ce等元素的含量，控制较低的碳当量，加入Sb、Y、Bi等微量元素。

球墨铸铁的力学性能

球墨铸铁的力学性能以抗拉强度和延伸率两个指标作为验收依据。在生产工艺稳定的条件下，也可根据硬度值进行验收。因硬度与强度的对应关系建立在球化合格，化学成分、孕育稳定，铸造工艺合理的基础上，为保证性能，规定按硬度验收时，必须检验金相组织，其球化率不得低于4级。即使硬度和球化合格，由于基体其中存在渗碳体、磷共晶、高硅固溶强化等，可能使强度和韧性达不到要求。所以不具备生产工艺稳定的条件下，不能根据硬度值验收。

GB规定的球墨铸铁牌号

1、净荷载性能

（1）硬度

　　球墨铸铁的硬度主要取决于基体组织，而且与抗拉强度、延伸率等净荷载性能有相应的关系。

（2）强度和塑性

　　球墨铸铁的强度和塑性主要取决于基体组织，下贝氏体或回火马氏体强度最高，其次是上贝氏体、索氏体、珠光体。随着铁素体增多，强度下降，延伸率增加。奥氏体或铁素体强度较低，塑性较好。

2、动荷载性能

（1）冲击韧度

　　铁素体球墨铸铁由于含硅量变化，贝氏体球墨铸铁由于上、下贝氏体及奥氏体数量变化，冲击韧度的变化范围较大。

（2）疲劳强度

某些球墨铸铁具有很高的疲劳强度，相当于45号正火钢，如珠光体球铁。

各种基体组织球墨铸铁的弯曲疲劳强度

3、高温性能

(1)硬度

　　各种球墨铸铁低温下有很好的硬度，但在540℃时开始粒状化，高于650℃ 开始分解，硬度开始下降并逐渐接近铁素体球墨铸铁的硬度。

(2)高温短时力学性能

图片图中表明球墨铸铁抗拉强度随温度升高而降低。延伸率中，铁素体先显著降低再急剧升高，珠光体缓慢下降，然后显著增加。

(3)高温蠕变和持久强度

(4)抗疲劳强度

4、低温性能

随温度降低，球墨铸铁逐渐发生由韧性向脆性的转变，尤其在脆性转变温度以下，冲击值急剧下降。同时，屈服强度提高，延伸率下降，对应力集中的敏感性明显增加，表现为屈服以后变形量较小即断裂。对于常温下塑韧性较好的铁素体球墨铸铁，低温下抗拉强度提高。

铁素体和珠光体的低温拉伸性能

Si：2.1% ；P：0.09%

球墨铸铁的物理性能

1、密度

①球墨铸铁的常温密度

②熔融状态镁球墨铸铁的密度

备注：

（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、线膨胀系数

随着温度升高，线膨胀系数缓慢增加，600℃以后显著增加。

3、热导率

热导率取决于成分、组织、石墨形态和温度。石墨比基体组织的导热性好，石墨沿基面又比沿C轴的导热性好。含碳量越高，导热性越好；球化率越低，导热性越好；温度越低，导热性越好。球墨铸铁热导性高于钢，但低于灰铸铁。

球磨铸铁的其他性能

1、减震性

球墨铸铁的减震性优于钢，劣于灰铸铁。球化率越高，减震性越差。温度上升，灰铸铁的减震性下降，但是对球墨铸铁的影响很小。球墨铸铁的弹性模量高于灰铸铁，因此其声波传播速度，固有频率都高于灰铸铁。利用声学的差别，可检验球化率等级。

2、切削性能

球墨铸铁含有较多的石墨，起到切削润滑作用。因此球墨铸铁的切削阻力小于钢，切削速度较高。珠光体增多使球墨铸铁的切削性能下降，贝氏体球墨铸铁切削性能较差。所以，阀门中使用球墨铸铁时，都是采用铁素体＋珠光体的基体类型。

3、焊补性

球墨铸铁不能焊接，只能焊补。当球墨铸铁中稀土镁合金含量较高时，在焊缝和近焊缝区易产生白口或马氏体组织，形成内应力和裂纹。

4、耐热性

球墨铸铁中的石墨彼此分离，与灰铸铁相比，可阻碍高温下氧的扩散。因此球墨铸铁的抗氧化性和抗生长性均优于灰铸铁，也优于可锻铸铁。铁素体球墨铸铁的高温抗生长性优于珠光体球墨铸铁。提高硅含量或铝含量可改善球墨铸铁的抗氧化性及耐热性。

5、耐腐蚀性

在大气中球墨铸铁耐蚀性优于钢，与灰铸铁、可锻铸铁相近。球墨铸铁在土壤的耐蚀性优于钢，与灰铸铁相近。

球墨铸铁抗点蚀能力略强，但球墨铸铁管经腐蚀后的强度损失则小于灰铸铁管。球墨铸铁在室温，0.5%的硫酸溶液的耐蚀性与灰铸铁大体相同，开始阶段球墨铸铁的腐蚀率低于灰铸铁，但在灰铸铁表面形成石墨化层后腐蚀速度下降，球墨铸铁则无下降倾向，而在后期高于灰铸铁。球墨铸铁和灰铸铁在碱溶液中的耐蚀性良好，与钢相近。球墨铸铁对有机物、硫化物、熔融金属（低熔点）的耐蚀性与灰铸铁相近。

6、耐磨性

球墨铸铁是良好的耐磨和减磨材料，耐磨性优于同样基体的灰铸铁、碳钢以致低合金钢。

（1）润滑耐磨

球墨铸铁的耐磨性优于灰铸铁。

（2）磨料磨损

球墨铸铁在磨料磨损条件下也有一定应用。但与白口铸铁、低合金钢相比，普通球墨铸铁的耐磨性并不太好，只有合金球墨铸铁或合金贝氏球墨铸铁有良好的耐磨性。

球磨铸铁的应用

球墨铸铁中外牌号对照
1	中国	QT400-18	QT450-10	QT500-7	QT600-3	QT700-2	QT800-2	QT900-2
2	日本	FCD400	FCD450	FCD500	FCD600	FCD700	FCD800	—
3	美国	60-40-18	65-45-12	70-50-05	80-60-03	100-70-03	120-90-02	—
4	前苏联	BЧ40	BЧ45	BЧ50	BЧ60	BЧ70	BЧ80	BЧ100
5	德国	GGG40	—	GGG50	GGG60	GGG70	GGG80	—
6	意大利	GS370-17	GS400-12	GS500-7	GS600-2	GS700-2	GS800-2	—
7	法国	FGS370-17	FGS400-12	FGS500-7	FGS600-2	FGS700-2	FGS800-2	—
8	英国	400/17	420/12	500/7	600/7	700/2	800/2	900/2
9	波兰	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	罗马尼亚	—	—	—	—	FGN70-3	—	—
12	西班牙	FGE38-17	FGE42-12	FGE50-7	FGE60-2	FGE70-2	FGE80-2	—
13	比利时	FNG38-17	FNG42-12	FNG50-7	FNG60-2	FNG70-2	FNG80-2	—
14	澳大利亚	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	保加利亚	380-17	400-12	450-5 500-2	600-2	700-2	800-2	900-2
18	国际标准（ISO）	400-18	450-10	500-7	600-3	700-2	800-2	900-2
19	泛美标准（COPANT）	—	FMNP45007	FMNP55005	FMNP65003	FMNP70002	—	—
20	芬兰	GRP400	—	GRP500	GRP600	GRP700	GRP800	—
21	荷兰	GN38	GN42	GN50	GN60	GN70	—	—
22	卢森堡	FNG38-17	FNG42-12	FNG50-7	FNG60-2	FNG70-2	FNG80-2	—
23	奥地利	SG38	SG42	SG50	SG60	SG70	—	—

来源：材易通

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