一、灰铸铁
灰铸铁是铸造生产中最常见的一种铸造合金。由于它具有一系列优点，所以在工业中得到广泛的应用。
1.灰铸铁的组织及性能特点
灰铸铁中的碳可以以渗碳体或自由状态的石墨存在。根据石墨化程度的不同，可以获得不同的铸铁组织。
灰铸铁的组织是由金属基体和片状石墨组成的。灰铸铁按结构分为以下三种：
（1）铁素体灰铸铁 其组织是在铁素体金属基体上分布着粗大的片状石墨，如图6-8a所示。此种铸铁的强度、硬度都较低。
（2）铁素体-珠光体灰铸铁 其组织是在铁素体和珠光体的金属基体上分布着细小的片状石墨，如图6-8b所示。其强度和硬度都比铁素体灰铸铁的高。
（3）珠光体灰铸铁 其组织是在珠光体的金属基体上分布着片状石墨，如图6-8c所示。此种铸铁具有较高的硬度，在灰铸铁中其强度最高。
图6-8 灰铸铁的组织
a）铁素体灰铸铁 b）铁素体-珠光体灰铸铁 c）珠光体灰铸铁
由于石墨的强度很低，基体中的石墨像切口一样，一方面减少了金属基体承受载荷的有效截面积，使实际应力大大增加，另一方面石墨片边缘的尖角处造成了应力集中。因此，即使灰铸铁承受较小的拉应力，在其内部也能产生很大的实际应力，促使材料由局部损坏而迅速扩展，形成脆性断裂。这就是灰铸铁抗拉强度较差、塑性较低的内在原因。但石墨对基体的割裂作用和造成的应力集中，对压应力的有害影响就比较小，所以灰铸铁的抗压强度就比较高。通常是石墨的数量越多，石墨片越粗大，分布越不均匀，对金属基体的割裂作用就越严重，灰铸铁的强度和塑性也就越低。
石墨在铸铁中形成大量的小切口，从而减小铸铁对外来切口的敏感性，这就使得灰铸铁的缺口敏感性较小。
灰铸铁中的石墨对振动起缓冲作用，阻止晶粒间振动能的传递，并将振动能转变为热能。所以，灰铸铁具有良好的减振性。石墨本身也是一种良好的固体润滑剂，剥落在摩擦表面上的石墨起润滑作用。所以，灰铸铁有良好的耐磨性。
石墨对铸铁性能还有其他方面的影响，如使铸铁有较小的收缩性、良好的可加工性能等。
2.影响灰铸铁组织的因素
影响灰铸铁组织的因素主要是铸铁的化学成分和冷却速度。
（1）化学成分对灰铸铁组织的影响 灰铸铁中，除含有碳、硅、锰、磷、硫外，还含有少量其他元素。各元素对铸铁组织有不同的影响。
铸铁的组织取决于石墨化的程度。研究化学元素对灰铸铁组织的影响，主要是研究化学元素对石墨化的影响。
铸铁中的元素按其对石墨化影响的不同，可分为促进石墨化元素和阻碍石墨化元素两大类：
左面的元素促进石墨化，右面的元素阻碍石墨化，并且距铌越远作用越强烈。由此可知，铸铁中含量较多的碳、硅、锰、磷、硫都会影响石墨化的进行。
1）碳和硅。碳和硅是普通铸铁中的主要化学成分，它们都是强烈促进石墨化的元素，对铸铁组织和性能起着决定性的影响。生产中经常通过调整碳和硅的含量来控制灰铸铁的组织和性能。
碳之所以促进石墨化，是因为其本身就是构成石墨的元素。随着碳含量的增加，铁液中碳的含量升高，从而使铁液中非自发成核率增加，促进石墨化的进行。
硅促进石墨化表现在随着碳含量的提高，铁碳合金的共晶点和共析点向上、向左移动，从而降低碳在固相和液相中的溶解度，提高转变温度，从而有利于石墨的析出。当硅含量很低时，即使碳含量很高，铸铁也要产生白口组织。当硅的质量分数在1.0%～2.0%范围内增加时，促进石墨化的作用特别强烈。当硅质量分数超过3.5%时，产生石墨漂浮，铸铁中的总碳含量小，石墨数量也随之减少，如图6-9所示。
图6-9 硅对石墨数量的影响
为了综合考虑碳和硅的影响，通常将铸铁中硅、磷等元素的含量折算成碳量，以估计铸铁成分对共晶成分接近的指标，这个指标称为碳当量。在共晶成分附近，硅和磷促进石墨化的能力与碳比较为碳的1/3，因此，碳当量为
CE=1w（C）+w（Si）/3+w（P）/3
式中 CE——碳当量；
w（C）、w（Si）、w（P）——分别为碳、硅、磷的质量分数。
例如，铸铁的平均化学成分为w（C）=3.8%、w（Si）=2.7%、w（Mn）=0.75%、w（P）=0.55%、w（S）＜0.06%，则碳当量为
CE=3.8%+（2.7+0.55）/3%≈4.88%(https://www.daowen.com)
在砂型铸造时，碳和硅含量与铸铁组织的关系如图6-10所示。碳、硅含量高的铸铁，石墨数量多，石墨片粗大，基体中铁素体增多，力学性能下降。随着碳、硅含量的降低，石墨变细小，基体主要为珠光体。碳、硅含量过低时，出现麻口或白口组织。因此，灰铸铁中碳、硅的质量分数应控制在下列范围：w（C）=2.5%～3.6%、w（Si）=1.1%～2.5%。厚壁铸件取下限，薄壁铸件取上限。
图6-10 碳和硅含量与铸铁组织的关系
2）锰。锰能溶于铁素体和渗碳体中，增强铁、碳原子的结合力，提高渗碳体的稳定性，扩大奥氏体固溶区并降低共析转变温度。因此，锰是阻碍石墨化的元素。但它能与硫结合生成硫化锰并上浮到渣中，从而削弱硫的有害作用。所以，锰也是调节控制铸铁组织与性能的重要元素之一。在灰铸铁中锰的质量分数一般为0.6%～1.2%。
3）硫。硫是强烈阻碍石墨化的元素。硫与铁形成低熔点共晶体，分布在晶界上，阻碍碳原子的扩散，强烈促进铸铁白口化。硫使铁液的流动性降低，收缩量增大，使铸件有较大的热裂倾向。因此，灰铸铁中的硫含量越低越好，故硫的质量分数一般控制在0.15%以下。
4）磷。当磷的质量分数大于0.3%时，生成硬而脆且熔点低的磷共晶，常以网状分布在晶界上，使铸铁脆性增加。磷对石墨化稍起促进作用。磷能降低铸铁的熔点和共晶温度，提高铁液的流动性，改善铸造性能。磷共晶还能提高铸件的耐磨性。所以，铸铁中的磷含量应根据对铸铁的使用要求来确定。熔制一般铸铁时，磷的质量分数不应超过0.3%，在高强度灰铸铁中磷的质量分数应限制在0.12%以下，高磷耐磨铸铁中磷的质量分数可达0.7%～0.8%。
我国一些工厂常用的灰铸铁化学成分见表6-1。
表6-1 我国一些工厂常用的灰铸铁化学成分
注：表中灰铸铁的牌号引自GB/T 9439—2010下同。
（2）冷却速度对灰铸铁组织的影响 在生产中可以看到，同一铸件壁厚不同的部分，其组织往往不同，厚壁处为灰口组织，而薄壁处常出现白口组织。这表明在化学成分不变的条件下，通过改变冷却速度，可以改变石墨化程度而得到不同的组织。当快速冷却时，铸铁中的碳部分或全部呈化合状态存在，而形成麻口组织或白口组织。缓慢冷却时，石墨能顺利析出，并不断长大，得到粗大片状石墨而形成灰口组织。铸件壁厚（冷速）和化学成分对铸铁组织的影响如图6-11所示。
图6-11 铸件壁厚（冷速）和化学成分对铸铁组织的影响
Ⅰ—白口铸铁区 Ⅱ—麻口铸铁区 Ⅲ—珠光体灰铸铁区 Ⅳ—珠光体+铁素体灰铸铁区 Ⅴ—铁素体灰铸铁区
铸型材料是影响冷却速度的因素之一。因为金属型的热导率大于砂型，所以铸件在金属型中的冷却速度要比在砂型中的快。同是砂型，湿型冷却速度大于干型和预热铸型的冷却速度。因此，借助于调节铸型的冷却速度也可以控制铸件组织。
3.孕育铸铁
为了提高普通灰铸铁的强度，必须减少石墨数量，细化石墨和基体组织。在生产上常往碳含量较低的过热铁液中加入孕育剂，对铁液进行孕育处理，使铸铁中的石墨呈细小片状，均匀地分布在金属基体中，从而改善灰铸铁的力学性能。这种铁液经孕育处理后获得的亚共晶灰铸铁称为孕育铸铁，又称为变质铸铁。
孕育铸铁的生产，要掌握好原铁液的化学成分、孕育剂和孕育处理及炉前控制等。
（1）原铁液的化学成分 孕育铸铁的碳、硅含量应低于亚共晶普通灰铸铁，其化学成分应具有生成麻口组织、白口组织的强烈倾向。只有这种铁液经孕育处理后，才能得到珠光体基体的高强度孕育铸铁。但碳、硅的含量也不能过低，否则将增加熔炼难度，降低铸造性能并使孕育剂消耗量增多。一般原铁液中碳的质量分数为3.0%～3.3%，硅的质量分数为1.0%～1.6%。薄壁小件取上限，厚壁大件取下限。
锰含量比一般低牌号灰铸铁高，其目的是增加基体中珠光体含量。薄壁铸件中锰的质量分数为0.6%～0.8%，厚壁铸件为1.0%～1.3%。为保证铸铁强度，磷、硫质量分数应加以限制，通常硫的质量分数限制在0.12%以下，磷的质量分数限制在0.2%～0.3%以下。
（2）孕育剂 孕育剂（又称为变质剂）都是强烈促进石墨化的物质。最常用的孕育剂是硅的质量分数为75%的硅铁（硅75）。这种孕育剂成本较低，孕育效果好。另一种孕育剂是钙的质量分数为30%～33%，硅的质量分数为60%～65%的硅钙合金。硅钙合金孕育效果最好，且钙能对铁液脱硫除气，是良好的孕育剂。但其因价格较贵，应用较少。
孕育剂的加入量应严格控制。孕育剂的加入量与铁液的成分、铸件壁厚、孕育剂种类和孕育方法有关。在一般情况下，用硅75作孕育剂时，其加入量为铁液质量的0.3%～0.8%。
（3）孕育处理 孕育处理（或变质处理）是指将充分预热、块度为5～10mm的硅铁均匀地加在出铁槽的铁液流中，使其随铁液冲入浇包内。孕育剂的加入时间应占出铁时间的60%以上，以保证孕育剂与铁液均匀地混合。硅铁加入后应适当搅拌。孕育处理后的铁液应立即浇注，以防孕育衰退，降低孕育效果。
（4）孕育处理的炉前控制 在孕育铸铁的熔制过程中，通常采用三角试块进行炉前鉴别。三角试块的形状和尺寸如图6-12所示。试块最好采用干型立浇。浇注后的试块冷至暗红色后放入水中激冷，然后敲断观察断口处的颜色、晶粒大小，并测量白口组织宽度。
图6-12 三角试块的形状和尺寸
各种牌号的孕育铸铁，孕育前后的白口组织宽度见表6-2。工厂中根据铸铁牌号和铸件尺寸要求，规定了每种铸件适宜的三角试块白口组织宽度范围，如果浇出的三角试块符合要求，就可进行浇注。
表6-2 孕育前后的试块白口组织宽度 （单位：mm）
如果浇注的三角试块白口组织宽度过大，则应补加孕育剂；如果白口组织宽度过小，则可补加铁液调整。补加铁液有困难时，只能降级使用。
（5）孕育铸铁的组织和性能 孕育铸铁的组织，是在致密的珠光体基体上，均匀地分布着细小的片状石墨，所以孕育铸铁的强度、耐磨性等均比普通灰铸铁高。其另一特点是断面敏感性小，但减振性、缺口敏感性略低于普通灰铸铁。由于碳、硅含量低，所以其铁液流动性差，收缩较大。因此，在浇注形状复杂的大型薄壁铸件时，应有足够的收缩量，并采取必要的工艺措施，防止产生铸件缺陷。