球墨鑄鐵是指鐵液在凝固過(guò)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(duì)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(yīng)力集中現(xiàn)象，使得金屬基體的強(qiáng)度利用率達(dá)到70-90％，從而使金屬基體的性能得到很大程度的發(fā)揮。
球墨鑄鐵可以像鋼一樣，通過(guò)熱處理和合金化等措施來(lái)進(jìn)一步提高其使用性能。比如，處理過(guò)的球墨鑄鐵可以取得很好的韌性，延伸率高達(dá)24％；抗拉強(qiáng)度可以高達(dá)1400MPa，基本接近鋼材。
與鋼材相比，球墨鑄鐵還有很多優(yōu)點(diǎn)。比如鑄造性能好，成本相對(duì)較低。由于球墨鑄鐵產(chǎn)量的不斷增加，性能不斷開發(fā)，現(xiàn)已成功部分取代了鍛鋼和鑄鋼，成為前景廣闊的金屬結(jié)構(gòu)材料。
球墨鑄鐵的金相組織與力學(xué)性能
力學(xué)性能與金屬的金相組織密切相關(guān)，什么樣的金相結(jié)構(gòu)決定了什么樣的力學(xué)性能。球墨鑄鐵也不例外，只有石墨球化，才能發(fā)揮金屬基體的作用，使鑄鐵的力學(xué)性能大幅度提高。也只有石墨球化，進(jìn)一步改變基體的性能才更有意義。因此，對(duì)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(jīng)歷了形核與生長(zhǎng)兩個(gè)階段。其中的形核是石墨的首要過(guò)程，鐵液在熔煉及隨后的球化、孕育處理中產(chǎn)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(guò)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(zhǎng)過(guò)程的控制是獲得球狀石墨的關(guān)鍵。
石墨形核的條件：
石墨的形核分均質(zhì)形核和異質(zhì)形核。
均質(zhì)形核：C的微觀原子團(tuán)
（C6）n ——晶胚
鐵液過(guò)冷度達(dá)200－300℃
異質(zhì)形核：形核基底的外來(lái)質(zhì)點(diǎn)
符合晶格匹配關(guān)系（失配度δ<12%)
界面能要求——外來(lái)質(zhì)點(diǎn)被石墨潤(rùn)濕
形核物質(zhì)：
1、石墨：未溶石墨、添加晶體石墨、非平衡石墨
2、巖狀結(jié)構(gòu)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(qiáng)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(zhǎng)：
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(nèi)部呈放射狀，有明顯的偏光效應(yīng)。
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(jí)：
石墨大?。?/span>
GB9441－1998球墨鑄鐵金相檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)將石墨大小分成六級(jí)。
球墨鑄鐵石墨球的大小對(duì)力學(xué)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(gè)數(shù)可以明顯地提高球墨鑄鐵的強(qiáng)度、塑性和韌性。石墨球徑的減小，使單位面積上球墨鑄鐵數(shù)量增多，可使抗疲勞強(qiáng)度提高，因此，細(xì)化石墨也是提高抗疲勞強(qiáng)度的一個(gè)要求。
石墨球大小分級(jí)（GB9441-1988）
3、各種基體與力學(xué)性能的關(guān)系
(1)鐵素體
根據(jù)GB9441-1988球墨鑄鐵金相檢驗(yàn)評(píng)定鐵素體數(shù)量。其百分比，按大多數(shù)視場(chǎng)對(duì)照?qǐng)D片評(píng)定。一般不檢查牛眼鐵素體數(shù)量，僅檢查與其共存的珠光體數(shù)量。
(2)珠光體
在球墨鑄鐵中，珠光體的形態(tài)一般分三級(jí)：粗狀珠光體、片狀珠光體、細(xì)片狀珠光體。隨著珠光體的細(xì)化，球墨鑄鐵的強(qiáng)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(qiáng)度的同時(shí)，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(guò)等溫淬火，加入適當(dāng)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(yīng)避免其出現(xiàn)。
(5)磷共晶體
磷共晶體在球墨鑄鐵中對(duì)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(qiáng)烈降低球墨鑄鐵的韌性、塑性和強(qiáng)度，受沖擊時(shí)，裂痕總是沿磷共晶體邊緣開始開裂。
球墨鑄鐵的化學(xué)成分
選擇適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)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(xué)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?qū)w的削弱作用很小，所以碳含量在3.2-3.8%時(shí)，對(duì)力學(xué)性能無(wú)明顯影響。確定球墨鑄鐵的碳硅含量時(shí)，主要從保證鑄造性能考慮，將碳當(dāng)量選擇在共晶成分左右。
當(dāng)碳含量過(guò)低時(shí)，鑄件易產(chǎn)生縮松和裂紋；碳當(dāng)量過(guò)高時(shí)，易產(chǎn)生石墨漂浮現(xiàn)象，結(jié)果使夾雜物增多。硅可以提高石墨球的圓整度，細(xì)化石墨，還可以減小結(jié)晶過(guò)冷和白口傾向。一般認(rèn)為硅含量大于2.8％時(shí)，可能降低韌性，使韌性－脆性轉(zhuǎn)變溫度升高。
因此，選擇碳硅含量時(shí)，應(yīng)按照高碳低硅的原則，鑄件在寒冷地區(qū)使用，則含硅量應(yīng)適當(dāng)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(qiáng)的脫硫能力，不需要錳承擔(dān)這種功能。錳有嚴(yán)重的正偏析傾向，往往有可能富集于共晶團(tuán)界處，嚴(yán)重時(shí)會(huì)促使形成晶間碳化物，顯著降低球墨鑄鐵的韌性。
鑄態(tài)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(qiáng)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(yán)重降低球鐵的韌性。對(duì)于寒冷地區(qū)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(qiáng)，生成硫化物或硫氧化物，不僅消耗球化劑，造成球化不穩(wěn)定，衰退速度加快，而且還使夾雜物數(shù)量增多，導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生缺陷。
國(guó)外一般要求鐵液含硫量低于0.02%，我國(guó)目前由于焦炭含量較高等熔煉條件的限制，往往達(dá)不到這一標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)進(jìn)一步改善熔煉條件，有條件可進(jìn)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(qiáng)度，穩(wěn)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(diǎn)。 金相組織分布大量厚片石墨。
原因：原鐵液含硫高，過(guò)量反球化元素。建議選用低硫焦炭，脫硫處理，必要時(shí)增加球化劑稀土量，控制沖天爐鼓風(fēng)強(qiáng)度和料位。
2、縮孔和縮松
特征：縮孔發(fā)生于第一次收縮階段。表面凹陷及局部熱節(jié)凹陷，含氣孔的暗縮孔，內(nèi)壁粗糙?？s松發(fā)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(dāng)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(dāng)量。
3、石墨漂浮
特征：冷卻過(guò)程中的過(guò)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(dāng)量和稀土殘留量高，爐料原始尺寸大、數(shù)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(xiàn)于熱節(jié)中心。金相觀察為過(guò)冷密集細(xì)針狀滲碳體。
原因：凝固熱節(jié)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?fàn)t料內(nèi)的強(qiáng)烈白口化元素，強(qiáng)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(wú)光澤、深淺不一的夾雜物，金相為可見(jiàn)、塊狀?yuàn)A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(yán)重；二次夾渣主要原因是鎂殘留量過(guò)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(shí)降低鎂殘留量，加入適量稀土降低形膜溫度。澆鑄系統(tǒng)應(yīng)使充型平穩(wěn)，夾渣部位設(shè)集渣冒口。
6、應(yīng)力變形和裂紋
特征：收縮應(yīng)力、相變應(yīng)力之和超過(guò)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(guò)快等。
措施：適當(dāng)提高碳當(dāng)量，降低含磷量，加強(qiáng)孕育等措施。
7、碎塊狀石墨
特征：出現(xiàn)在Ce等活性元素富集在共晶團(tuán)邊界，促使該區(qū)域過(guò)飽和析出而形成蠕蟲狀石墨，其斷面形態(tài)為碎塊狀。
原因：冷卻緩慢，共晶凝固時(shí)間過(guò)長(zhǎng)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(dāng)量，加入Sb、Y、Bi等微量元素。
球墨鑄鐵的力學(xué)性能
球墨鑄鐵的力學(xué)性能以抗拉強(qiáng)度和延伸率兩個(gè)指標(biāo)作為驗(yàn)收依據(jù)。在生產(chǎn)工藝穩(wěn)定的條件下，也可根據(jù)硬度值進(jìn)行驗(yàn)收。因硬度與強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系建立在球化合格，化學(xué)成分、孕育穩(wěn)定，鑄造工藝合理的基礎(chǔ)上，為保證性能，規(guī)定按硬度驗(yàn)收時(shí)，必須檢驗(yàn)金相組織，其球化率不得低于4級(jí)。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(qiáng)化等，可能使強(qiáng)度和韌性達(dá)不到要求。所以不具備生產(chǎn)工藝穩(wěn)定的條件下，不能根據(jù)硬度值驗(yàn)收。
GB規(guī)定的球墨鑄鐵牌號(hào)
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(qiáng)度、延伸率等凈荷載性能有相應(yīng)的關(guān)系。
（2）強(qiáng)度和塑性
球墨鑄鐵的強(qiáng)度和塑性主要取決于基體組織，下貝氏體或回火馬氏體強(qiáng)度最高，其次是上貝氏體、索氏體、珠光體。隨著鐵素體增多，強(qiáng)度下降，延伸率增加。奧氏體或鐵素體強(qiáng)度較低，塑性較好。
2、動(dòng)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(shù)量變化，沖擊韌度的變化范圍較大。
（2）疲勞強(qiáng)度
某些球墨鑄鐵具有很高的疲勞強(qiáng)度，相當(dāng)于45號(hào)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(qiáng)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(shí)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(shí)力學(xué)性能
圖片圖中表明球墨鑄鐵抗拉強(qiáng)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(qiáng)度
(4)抗疲勞強(qiáng)度
4、低溫性能
隨溫度降低，球墨鑄鐵逐漸發(fā)生由韌性向脆性的轉(zhuǎn)變，尤其在脆性轉(zhuǎn)變溫度以下，沖擊值急劇下降。同時(shí)，屈服強(qiáng)度提高，延伸率下降，對(duì)應(yīng)力集中的敏感性明顯增加，表現(xiàn)為屈服以后變形量較小即斷裂。對(duì)于常溫下塑韌性較好的鐵素體球墨鑄鐵，低溫下抗拉強(qiáng)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(tài)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(shù)
隨著溫度升高，線膨脹系數(shù)緩慢增加，600℃以后顯著增加。
3、熱導(dǎo)率
熱導(dǎo)率取決于成分、組織、石墨形態(tài)和溫度。石墨比基體組織的導(dǎo)熱性好，石墨沿基面又比沿C軸的導(dǎo)熱性好。含碳量越高，導(dǎo)熱性越好；球化率越低，導(dǎo)熱性越好；溫度越低，導(dǎo)熱性越好。球墨鑄鐵熱導(dǎo)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(yōu)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(duì)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(xué)的差別，可檢驗(yàn)球化率等級(jí)。
2、切削性能
球墨鑄鐵含有較多的石墨，起到切削潤(rùn)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(shí)，都是采用鐵素體＋珠光體的基體類型。
3、焊補(bǔ)性
球墨鑄鐵不能焊接，只能焊補(bǔ)。當(dāng)球墨鑄鐵中稀土鎂合金含量較高時(shí)，在焊縫和近焊縫區(qū)易產(chǎn)生白口或馬氏體組織，形成內(nèi)應(yīng)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(kuò)散。因此球墨鑄鐵的抗氧化性和抗生長(zhǎng)性均優(yōu)于灰鑄鐵，也優(yōu)于可鍛鑄鐵。鐵素體球墨鑄鐵的高溫抗生長(zhǎng)性優(yōu)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(yōu)于鋼，與灰鑄鐵、可鍛鑄鐵相近。球墨鑄鐵在土壤的耐蝕性優(yōu)于鋼，與灰鑄鐵相近。
球墨鑄鐵抗點(diǎn)蝕能力略強(qiáng)，但球墨鑄鐵管經(jīng)腐蝕后的強(qiáng)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(wú)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(duì)有機(jī)物、硫化物、熔融金屬（低熔點(diǎn)）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(yōu)于同樣基體的灰鑄鐵、碳鋼以致低合金鋼。
（1）潤(rùn)滑耐磨
球墨鑄鐵的耐磨性優(yōu)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(yīng)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(yīng)用
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球墨鑄鐵中外牌號(hào)對(duì)照
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1
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中國(guó)
|
QT400-18
|
QT450-10
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QT500-7
|
QT600-3
|
QT700-2
|
QT800-2
|
QT900-2
|
|
2
|
日本
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FCD400
|
FCD450
|
FCD500
|
FCD600
|
FCD700
|
FCD800
|
—
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3
|
美國(guó)
|
60-40-18
|
65-45-12
|
70-50-05
|
80-60-03
|
100-70-03
|
120-90-02
|
—
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4
|
前蘇聯(lián)
|
BЧ40
|
BЧ45
|
BЧ50
|
BЧ60
|
BЧ70
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BЧ80
|
BЧ100
|
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5
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德國(guó)
|
GGG40
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—
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GGG50
|
GGG60
|
GGG70
|
GGG80
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—
|
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6
|
意大利
|
GS370-17
|
GS400-12
|
GS500-7
|
GS600-2
|
GS700-2
|
GS800-2
|
—
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7
|
法國(guó)
|
FGS370-17
|
FGS400-12
|
FGS500-7
|
FGS600-2
|
FGS700-2
|
FGS800-2
|
—
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8
|
英國(guó)
|
400/17
|
420/12
|
500/7
|
600/7
|
700/2
|
800/2
|
900/2
|
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9
|
波蘭
|
ZS3817
|
ZS4012
|
ZS(4505)
5002
|
ZS6002
|
ZS7002
|
ZS8002
|
ZS9002
|
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10
|
印度
|
SG370/17
|
SG400/12
|
SG500/7
|
SG600/3
|
SG700/2
|
SG800/2
|
—
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11
|
羅馬尼亞
|
—
|
—
|
—
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—
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FGN70-3
|
—
|
—
|
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12
|
西班牙
|
FGE38-17
|
FGE42-12
|
FGE50-7
|
FGE60-2
|
FGE70-2
|
FGE80-2
|
—
|
|
13
|
比利時(shí)
|
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
|
—
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|
15
|
瑞典
|
0717-02
|
—
|
0727-02
|
0732-03
|
0737-01
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0864-03
|
—
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16
|
匈牙利
|
GǒV38
|
GǒV40
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GǒV50
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GǒV60
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GǒV70
|
—
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—
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17
|
保加利亞
|
380-17
|
400-12
|
450-5
500-2
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600-2
|
700-2
|
800-2
|
900-2
|
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18
|
國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)
（ISO）
|
400-18
|
450-10
|
500-7
|
600-3
|
700-2
|
800-2
|
900-2
|
|
19
|
泛美標(biāo)準(zhǔn)
（COPANT）
|
—
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FMNP45007
|
FMNP55005
|
FMNP65003
|
FMNP70002
|
—
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—
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|
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
|
—
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23
|
奧地利
|
SG38
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SG42
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京公網(wǎng)安備11010802046783號(hào)
