铸钢的金相组织及检验
一、铸造碳钢的金相组织及检验
（一）铸造碳钢的显微组织
1．铸态组织 为铁素体＋珠光体＋魏氏组织。如图8-
1、图8-2。
图8-1 ZG230-450铸钢铸态组织 (100×) 图8-2 ZG310-570铸钢铸态组织 (100×)
铸态组织的形貌和组成相的含量与钢的碳含量有关。碳含量越低的铸钢，铁素体含量越多，魏氏组织的针状越明显、越发达，数量也多。随铸钢碳含量的增加，珠光体量增多，魏氏组织中的针状和三角形的铁素体量减少，针齿变短，量也减少，而块状和晶界上的网状铁素体粗化，含量也增多。若存在严重的魏氏组织，或存在大量低熔点非金属夹杂物沿晶界呈断续网状分布，将使铸钢的脆性显著增加。
2．退火组织 为铁素体＋珠光体。铁素体呈细等轴晶。珠光体分布形态随钢的碳含量增加而变化。随钢的碳含量增加，珠光体呈断续网状分布→网状分布→珠光体与铁素体均匀分布，其含量也不断增多。若退火组织中存在残留的铸态组织或组织粗化均属于不正常组织。
3．正火组织 为铁素体＋珠光体，分布较均匀，如图8-3。与退火组织相比较，正火组织的组成相更细、更均匀，珠光体含量稍多。若存在残留铸态组织或组织粗化均属不正常组织。
4．调质组织 ZG270-500以上牌号的铸造碳钢可进行调质处理，组织为回火索氏体，见图8-4。若出现未溶铁素体或粗大的回火索氏体属不正常组织。
图8-3 ZG230-450 铸钢正火组织 (100 ×) 图8-4 ZG35CrMo铸钢调质组织 (650×) 5．几种常用铸造碳钢的组织 见表8-1, 表8-1 常用铸造碳钢的组织
铸 造 碳 钢 ZG200-400 ZG230-450 ZG270-500 ZG310-570 ZG340-640 显 微 组
织 铸态 魏氏组织+块状铁素体+珠光体 珠光体+魏氏组织+铁素体 珠光体+铁素体 部分铁素体呈网状分布 铁素体呈网状分布 退火 铁素体+珠光体 珠光体+铁素体 珠光体呈断续网状分布 珠光体呈网状分布 正火 铁素体+珠光体 珠光体+铁素体 调质 回火索氏体
（二）铸造碳钢的质量检验
铸造碳钢多数用于一般工程，金相检验按照GB/T 8493-1987《一般工程用铸造碳钢金相》标准进行。主要是在金相显微镜下进行显微组织鉴别及晶粒度和非金属夹杂物级别的测定。标准规定金相试样从力学性能试块或试样上切取，特殊情况由供需双方协商决定。
1．显微组织检验 试样用2~4％硝酸酒精溶液侵蚀后，在显微镜下按大多数视场确定其组织。对铸态、退火、正火态组织放大100倍观察，对调质态组织在500倍下鉴别。
GB/T 8493-1987标准对ZG200-400、ZG230-450、ZG270-500, ZG310-57
7、ZG340-640五种铸钢分别按铸态、退火、正火及调质状态下的正常和非正常组织的特征列表作了文字说明，并列出了标准组织照片，供对照评定。
2．晶粒度测定 奥氏体晶粒度和铁素体晶粒度的测定方法，按 GB/T 8493-1987标准的规定执行。被测试样在放大100倍下与标准晶粒度图对照进行评级。若放大倍数为非100倍时，按YB/T 5148标准规定的方法评定。
3．非金属夹杂物的评级 GB/T 8493-1987标准将铸造碳钢中的非金属夹杂物分为五级，并列出了5张标准级别的照片，供对照评级用。
二、铸造低合金结构钢的金相组织
各种能进行压力加工（锻、轧）的低合金结构钢，基本上都可以作为铸钢，但为满足铸造性能的要求需适当调整化学成分。常用的铸造低合金钢有ZG22Mn、ZG40Mn、ZG40Mn
2、ZG40Cr、ZG35CrMo、ZG35SiMn、ZG20MnMo、ZG50B和ZG25MnVCu等。
铸造低合金结构钢可以进行退火、正火处理。由于它们的淬透性较好，可以用淬火-回火方法进行强化处理。为消除铸造应力、细化晶粒和防止开裂，淬火前一般要预先经退火或正火处理。这类钢还可以进行表面淬火或化学热处理。
几种常用铸造低合金钢的热处理组织如下： 1．铬钢、铬钼钢
(1) 铬钢。如ZG40Cr，经常在调质状态下使用。组织为均匀的回火索氏体。
(2) 铬钼钢。如ZG35CrMo, 铸态组织为粗大的铁素体＋珠光体，略呈魏氏组织，并可见明显的枝 晶状组织。退火组织为铁素体十珠光体。其中珠光体含量的体积分数约占50％。正火组织为珠光体＋少量铁素体。细晶粒铁素体呈细网络状分布，其含量明显少于退火组织。珠光体分散度也更大，有时会出现贝氏体和铁素体组织（钼元素抑制珠光体析出的结果）。淬火组织为针状淬火马氏体。马氏体针中等粗细，分布较均匀（组织与35CrMo锻钢淬火相似）。调质组织为均匀的回火索氏体。 2．钼钢如ZG15Mo钢、ZG25Mo钢。
(1) ZG15Mo钢．退火组织为铁素体十少量珠光体。其中铁素体呈等轴晶，珠光体呈块状均匀分布。 正火组织为铁素体＋少量珠光体。调质组织为回火索氏体，有针状分布痕迹。
(2) ZG25Mo钢。退火及正火组织类似于ZG15Mo钢，仅其中珠光体含量较多，分布更均匀一些。对于大型铸件常采用正火＋高温回火处理，得到的组织与正火态相似。调质组织为回火索氏体。若铸件不先作预处理，铸件内存在枝晶偏析严重，直接淬火＋高温回火（调质）后的索氏体分布不均匀。 3．锰钢、硅锰钢
(1) ZG40Mn2钢的正火组织为珠光体＋铁素体。铁素体量少且呈较细网状分布。淬火组织为淬火马氏体。调质后得到均匀的回火索氏体。
(2)硅锰钢常使用调质态，组织与相应的锰钢相似。这两种钢都有过热敏感性和对回火脆性敏感的特点。 4．铬镍钢、铬镍钼钢及硼钢例ZG40CrNiMo或ZG50B钢，它们都使用调质态，组织均为均匀分布的回火索氏体。
三、铸造高锰钢的金相组织
（一）高锰钢的组织和性能特点
高锰钢是在过共析碳钢（ωc=1.0％~1.3％）中增加锰含量（ωMn = 11％一14％），使Mn/C之比接近10/1，再经过水淬后得到室温下单一奥氏体组织的钢。这类钢具有在承受冲击载荷和严重摩擦作用下使钢发生显著硬化的特性，而且载荷越大，其表面层的硬化程度越高，耐磨性就越好，是一种典型的耐磨钢。由于它的加工硬化能力很大，不利于压力加工和切削加工，宜采用铸造成型，一般仅在铸造状态下使用，故属铸钢范围。典型的高锰钢牌号为ZGMn13系列。
水韧处理： ZGMn13钢铸态组织中存在着碳化物，使铸件的性能既硬又脆。欲使高锰钢具有高的韧性和耐磨性，必须获得单一奥氏体组织。将ZGMn13铸件加热至高温（1000~1100℃）保温一段时间，使铸态组织中的碳化物全部溶人基体奥氏体中。然后迅速淬水快冷，使碳化物来不及从过饱和的奥氏体中析出，以获得均匀的单相奥氏体组织，这种热处理称为水韧处理。
高锰钢的高硬度获得： 经过水韧处理的ZGMn13钢的组织为单一的奥氏体，具有高的韧、塑性，硬度一般为180~220 HB范围。在受到剧烈的冲击载荷和严重摩擦力（压应力）作用下，使受力表层发生强烈的塑性变形，迅速造成加工硬化，使硬度高达50~55 HRC，有效地提高了耐磨性，而铸件内部仍保持着原有良好的韧塑性。
水韧处理的质量对铸造高锰钢的耐磨性起着十分关键的作用。若水韧处理后的ZGMn13钢的组织未达到单相奥氏体，表明水韧处理温度过低，使韧性较差。若出现单相奥氏体的晶粒粗大（晶粒度大于5级），则表明水韧处理温度过高，铸件的屈服强度显著下降。
水韧处理后的ZGMn13钢一般不作回火处理，也不适合在250℃以上工作温度下服役。
（二）铸造高锰钢的组织
1．铸态组织 铸造高锰钢平衡态凝固后的最终铸态组织应为：奥氏体基体＋少量珠光体型共析组织十大量分布在晶内和晶界上的碳化物, 如图8-5。
图8-5 ZGMn13铸钢铸态组织 (500X) 图8-6 ZGMn13铸钢水韧处理组织 (100X) 2．水韧处理后的组织 正常组织为过饱和的单相奥氏休，晶粒大小不匀，如图8-6。也允许有少量均匀分布的粒状碳化物存在。
3．铸造高锰钢的常见缺陷 主要是分散分布的或串连成断续网状分布的显微疏松、气孔、非金属夹杂物及沿晶裂纹等。
（三）铸造高锰钢的金相检验
应按GB/T 13925-1992《铸造高锰钢金相》标准，进行显微组织、晶粒度和非金属夹杂物级别的评定。 1．显微组织 高锰钢经水韧处理后的组织，应为奥氏体或奥氏体加碳化物。 2．碳化物评级按未溶、析出、过热碳化物分别评定。 3．晶粒度评级按YB/T 5148-1993标准评定。
4．非金属夹杂物(氧化物十硫化物)评级在100倍的Φ80 mm视场中选取最严重的视场评定。
铸铁的分类及金相检验
铸铁是一种含碳量的质量分数大于2.11％的铁碳合金。铸铁中的碳可以固溶、化合和游离三种状态存在。在铸铁的凝固、结晶和随后的热处理过程中，碳的存在状态还会发生变化，从而影响到铸铁的组织和性能。在工业铸铁中，除碳、硅以外，还含有锰、硫、磷等其他元素。特殊性能的合金铸铁分别含有铬、钼、铜、镍、钨、钛、钒等合金元素。铸铁的显微组织主要由石墨和金属基体组织所构成。铸铁金相检验主要检验：石墨的形态、大小和分布状况，以及金属基体中各种组织组成物的形态、分布和数量及其相互配置的情况等，并按相应的金相标准进行各项评级。
由于铸铁组织中的石墨比较柔软，有些石墨的颗粒尺寸较大，甚至结构较松散，应特别注意防止在铸铁试样制备过程中产生石墨剥落、石墨曳尾，或抛光不足等制样缺陷，以免有碍对铸铁石墨和组织的正常检验。 铸铁的分类方法有多种，一般按铸铁中碳的存在状态、石墨的形态特征及铸铁的性能特点可将铸铁分为五类：白口铸铁、灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁和蠕墨铸铁。
一、白口铸铁
（一）白口铸铁的分类及基本组织
按铸铁的化学成分，可将白口铸铁分为亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁和过共晶白口铸铁。
当共晶成分的铁水冷却时，先发生共晶转变，形成渗碳体和奥氏体的共晶体称莱氏体。当冷却至共析温度以下时，共晶体中的奥氏体转变成珠光体。因此，共晶白口铸铁的莱氏体组织在室温时由渗碳体（白色基体）与珠光体（黑色）组成，见图8-7。亚共晶白口铸铁的组织在室温时为莱氏体加珠光体，其中珠光体呈树枝状分布，见图8-8。而过共晶铸铁的组织为初生渗碳体加莱氏体，见图8-9。
图8-7 共晶白口铸铁组织 (100×) 图8-8 亚共晶白口铸铁组织 (100X) 图8-9 过共品自口铸铁组织 (100X) 由于渗碳体硬而脆．所以生产上使用的白口铸铁大多数采用共晶成分或亚共晶成分。
白口铸铁主要用于要求具有高硬度和高耐磨性的铸件，其应用较多的是激冷白口铸铁和高铬白口铸铁。
（二）激冷白口铸铁的金相检验
激冷白口铸铁（又称冷硬铸铁）是铁水在结晶时，通过对铁水的激冷作用而得到的白口铸铁。激冷白口铸铁一般选用高碳低硅铁水。高的含碳量有利于形成碳化物，低的含硅量可以避免白口区出现石墨。此外，为了获得必要的白口层深度，并细化晶粒．提高珠光体弥散度以提高白口层硬度，往往加人合金元素，如铬、钼、铜、镍等。
生产上，一般采用金属型浇注而获得。由于受金属型冷却能力所限，只能在距激冷面的一定深度内得到白口组织，其内层便出现麻口，并逐渐过渡至灰口。这样，便得到表面高硬度而心部具有一定韧性的激冷白口铸铁。
1．白口层深度 为了保证激冷铸铁的高硬度和高耐磨性，必须确保必要的白口层深度。检验时，应从激冷面开始沿着激冷方向制取金相磨面。
2．白口区的石墨 当铸铁的含硅量过高或浇注温度过低时，往往在白口区内析出石墨。这种石墨一般呈点状，故称点状石墨。点状石墨的存在，将降低白口层的硬度。为此，应对点状石墨的数量加以严格控制。点状石墨数量检验应在铸铁的激冷面上进行。
3．白口组织 共晶激冷铸铁的组织为莱氏体。莱氏体沿激冷方向呈树枝状分布。对于亚共晶激冷铸铁，尚存在呈枝晶分布的珠光体。
（三）高铬白口铸铁的金相检验
高铬白口铸铁的含铬量的质量分数一般为12~34％。高的含铬量不仅可以形成高硬度的合金碳化物，而且可以改变基体组织。当含铬量的质量分数达10时，铸铁中会出现呈菊花状分布的(Cr, Fe)7C3碳化物，其硬度为1200~1600 HV。随着含铬量的不同，可获得三种不同基体的高铬白口铸铁：①含质量分数12 ~28铬的马氏体铸铁；②含质量分数30％~34铬的铁素体铸铁；③含质量分数13％~30％铬和10％~15％镍的奥氏体铸铁。
为了获得马氏体基体组织，高铬白口铸铁必须进行淬火、回火处理。 高铬白口铸铁的金相检验主要是对碳化物和基体的检验。
1．碳化物 高铬白口铸铁中的碳化物，主要作用是提高铸铁的硬度和耐磨性。碳化物应是呈菊花状均匀分布的共晶碳化物。
2．基体组织 对于含铬量较高的铸态型高铬白口铸铁，其铸态基体组织为奥氏体。对于含铬量较低的高铬白口铸铁，其铸态基体为奥氏体和少量马氏体和珠光体。
（四）白口铸铁的热处理
白口铸铁热处理的目的是消除内应力，提高耐磨性或冲击韧性，以适应在冲击载荷下工作，扩大应用范围。常用的热处理有：消除内应力退头、淬火和回火及等温淬火等。
1．消除内应力退火 它大多应用于高合金白口铸铁，将铸铁加热到800~900℃保温一定时问后随炉冷却以消除铸件的内应力。
2．白口铸铁的淬火与回火 它主要应用于Mn-Mo、Mn-Si、Mn-Cr、Cr-Mo、Ni-Cr-Mo等合金白口铸铁，在吹风冷却，甚至在空气冷却时就可以获得马氏体加渗碳体加残留奥氏体，或获得贝氏体加渗碳体加残留奥氏体的基体组织，再通过低温回火得以提高综合力学性能。
3．白口铸铁的等温淬火 白口铸铁通过等温淬火则可获得下贝氏体加渗碳体加残留奥氏体的组织，这种组织具有较好的综合力学性能，特别是耐冲击性。
二、灰铸铁
灰铸铁是指金相组织中石墨呈片状的铸铁。由于这种铸铁具有生产简便、成本低和足够高的使用性能等特点，所以它是工业上应用最广泛的一种铸铁材料。按照灰铸铁的化学成分和性能特点，将其分为普通灰铸铁、合金灰铸铁和特殊性能灰铸铁。生产上，通过孕育处理而获得的高强度铸铁又称孕育铸铁。
（一）灰铸铁的牌号及基本组织
国家标准GB/T 9439-1988《灰铸铁件》，根据Φ30 mm的单铸试棒的抗拉强度分级，规定了HT100、HT150、HT200、HT250、HT300、HT350六级灰铸铁的牌号。各牌号中的数字为其单铸试棒具有的抗拉强度Rm (MPa)。 不论灰铸铁的成分如何，其平衡冷却的室温组织均为石墨和铁素体。受到某些因素的影响（如化学成分和冷却速度等），则可能出现碳化物和磷共晶。因此，铸铁结晶后的组织可能是珠光体和铁素体，或全部珠光体。也有可能存在共晶碳化物或二次碳化物，甚至初生碳化物。可能还存在磷共晶。为了确保灰铸铁强度，一般需要获得珠光体基体。
灰铸铁中的片状石墨在空间的分布实际上并非是孤立的片状，而是以一个个石墨核心出发，形成一簇簇不同位向的石墨分枝，以构成一个个空间立体结构。同一簇石墨与其间的共晶奥氏体构成一个共晶团。铸铁凝固之后，便由这种相互毗邻的共晶团所组成。
（二）灰铸铁的金相检验
灰铸铁金相检验必须按照国家标准GB/T 7216-1987《灰铸铁金相》的规定方法和内容进行。
灰铸铁的金相试块应取自抗拉试棒距断口10 mm处，或从试棒的底部切除10 mm后再取金相检验试块。试块尺寸应包括试棒半径的一半。由于特殊需要，从铸件上取样时，应在报告中注明取样部位和壁厚等情况，但不允许直接从浇口和冒口上切取金相试块。 1.灰铸铁石墨的检验
(1) 石墨分布。标准规定灰铸铁石墨检验应在未侵蚀的试样上进行，观察放大倍数为100倍。将 石墨分布分为A型、B型、C型、D型、E型和F型。如图8-10所示。 1) 片状(A型)石墨：特征是片状石墨均匀分布。
2) 菊花状(B型）石墨：特征是片状与点状石墨聚集成菊花状。其心部为少量点状石墨，外围为卷曲片状石墨。这种石墨一般铁水经孕育处理后在较大的过冷度下形成。
3) 块片状(C型)石墨：特征是部分带尖角块状、粗大片状初生石墨及小片状石墨。 4) 枝晶点状(D型)石墨：特征是点状和片状枝晶间石墨呈无向分布。 5) 枝晶片状(E型)石墨：特征是短小片状枝晶间石墨呈有方向分布。
6) 星状（F型）石墨：特征是星状（或蜘蛛状）与短片状石墨混合均匀分布。
生产中，在同一铸件的同一部位上往往存在几种形状的石墨。从石墨分布形状对灰铸铁性能的影响看，一般以A型石墨和B型石墨为好。
片状（A型）石墨 菊花状（B型）石墨 块片状（C型）石墨
枝晶点状（D型）石墨 枝晶片状（E型）石墨 星状（F型）石墨 图8-10 灰铸铁石墨分布形态 100×
（2)石墨长度。在灰铸铁中，石墨长度也是影响铸铁力学性能的重要因素。抗拉强度随石墨长度的增加而降低。国家标准将石墨长度分为八级。
2．灰铸铁基体组织的检验 灰铸铁的基体组织一般为珠光体或珠光体加铁素体。在某些情况下，也可以得到贝氏体或马氏体组织。此外，由于受化学成分和冷却速度的影响，在铸铁结晶后，可能出现碳化物和磷共晶。
(1)珠光体粗细和珠光体数量。灰铸铁的珠光体一般呈片状，片状珠光体的粗细可以用渗碳体与铁素体的片间距来表示。珠光体的片间距愈小，铸铁的强度和硬度愈高。 珠光体数量是指珠光体和铁素体的相对量。在灰铸铁中，珠光体数量愈多，铸铁的强度、硬度和耐磨性愈高。
(2)碳化物的分布形态和数量。生产中的大多数普通灰铸铁件碳化物含量均较少，但在合金铸铁和耐磨铸铁中，会出现较多碳化物。根据碳化物的分布形态，可分为条状碳化物、块状碳化物、网状碳化物和莱氏体状碳化物。虽然碳化物具有很高的硬度，却降低铸铁的韧性，并恶化加工性能。国家标准将碳化物分为1--6级，级别的名称依次为：碳
1、碳
3、碳
5、碳
10、碳15,碳20。各级名称中的数字表示该级碳化物数量体积分数（％）。
（3）磷共晶类型分布形态和数量。根据磷共晶的形态特征，将磷共晶分为二元磷共晶、三元磷共晶、二元磷共晶-碳化物复合物和三元磷共晶-碳化物复合物四种类型。 在金相检验中，为了鉴别碳化物和磷共晶，也可以采用染色法。
一般来说，灰铸铁的磷共晶数量随铸铁含磷量的增加而增多。磷共晶硬而脆，显著降低铸铁的韧性。国家标准将磷共晶数量分为1~6级，级别名称依次为磷
1、磷
2、磷４、磷
6、磷8和磷10。各级名称中的数字表示该级磷共晶的近似含量。
(4)灰铸铁共晶团的检验。灰铸铁在共晶转变时，共晶成分的铁水形成由石墨和奥氏体所组成的共晶团。由于共晶团边界上常富集一些夹杂物和偏析物以及某些低熔点共晶体，所以可以利用适当的侵蚀剂将共晶团边界显示出来。
灰铸铁共晶团的大小反映铸铁机械性能的高低。在其他条件相同的情况下，共晶团愈细小，铸铁的强度愈高。
三、球墨铸铁
球墨铸铁的石墨呈球状，或接近球状，因此铸铁中因石墨引起的应力集中现象远比片状石墨的灰铸铁小。此外，球状石墨不像片状石墨那样对金属基体存在严重的割裂作用，这就为通过热处理以提高球墨铸铁基体组织性能，从而发掘其性能潜力提供了条件。为此，对球墨铸铁的石墨和基体组织的检验，是球墨铸铁生产的一个重要环节。
根据球墨铸铁的成分、力学性能和使用性能，一般将其分为普通球墨铸铁、高强度合金球墨铸铁和特殊性能球墨铸铁。
（一）球墨铸铁的牌号及基本组织
球墨铸铁的牌号是根据其所具有的力学性能指标而划分的。共分为8种牌号，即QT400-
18、QT400-
15、QT450-
10、QT500-
7、QT600-
3、QT700-
2、QT800-
2、QT900-2。牌号中短划线前面的数字为该牌号所具有的抗拉强度Rm (MPa)，后面的数字为延伸率Ａ（％）。各种牌号的球墨铸铁有其相应的金属基体组织：QT400-18 , QT400-
15、QT450-10主要为铁素体；QT500-7为铁素体＋珠光体；QT600-3为珠光体十铁素体；QT700-2为珠光体；QT800-2为珠光体或回火组织；QT900-2为贝氏体或回火组织。此外，还可能存在碳化物及磷共晶等组织。
（二）球墨铸铁的石墨及其检验
1．石墨形态 所谓石墨形态，是指单颗石墨的形状。实际上，球墨铸铁中的石墨并不全是理想的球状。由于不同形态的石墨对金属基体连续性的割裂程度不同，因此石墨形态是影响球墨铸铁力学性能和使用性能的重要因素。
GB/T 9441-1988《球墨铸铁金相检验》根据石墨面积率(单颗石墨的实际面积与其最小外接圆面积的比率)值将球墨铸铁的石墨形态分为球状、团状、团絮状、蠕虫状和片状。
2．石墨球化率及其确定 在金相检验中，通常所见到的是几种形态的石墨共存。在这种情况下，评定石墨的球化质量须用球化率来解决。所谓球化率，是指在规定的视场内，所有石墨球化程度的综合指标。它反映该视场内所有石墨接近球状的程度。
国家标准根据石墨形态及其分布和球化率，将球墨铸铁石墨球化分为1-6级。标准还列出了各球化级别的标准等级图片，在使用时，可对照标准等级图片进行评级。
球墨铸铁的力学性能在很大程度上决定于球化率。一般来说，在其他条件相同的情况下，球化率愈高，力学性能也高。
3．石墨大小 石墨大小也会影响球墨铸铁的力学性能。石墨球细小可减小由石墨引起的应力集中现象。而且，细小的石墨球往往具有高的球化率。因此，均匀、圆整、细小的石墨可以使球墨铸铁具有高的强度、塑性、韧性和疲劳强度。国家标准参照国际标准中关于石墨大小的分级方法，将石墨大小分为六级。
（三）球墨铸铁的基体组织及其检验
球墨铸铁铸态下的基体组织为铁素休和珠光体。大多数球墨铸铁有必要进行热处理改善其基体组织，从而达到所需要的性能。球墨铸铁的正火处理，可以消除铸造应力，细化晶粒，而且可以获得全部珠光体或以珠光体为主的基体组织。铁素体基体组织往往是通过退火来达到的。此外，由于受到化学成分和冷却速度的影响，在基体组织中，可能出现碳化物和磷共晶。在某些高合金含量的特殊性能球墨铸铁的基体中，还会出现马氏体和奥氏体。在有些情况下，一些合金球墨铸铁（如铜钼合金球墨铸铁）经正火处理后，会在晶界处出现马氏体或贝氏体组织，这将增加球墨铸铁的脆性。
在基体组织中，各种相（或组织）的形态、分布和相对量对铸铁性能的影响起着决定性的作用。这正是金相检验所要解决的问题。
GB/T 9441-1988《球墨铸铁金相检验》对于球墨铸铁铸态和正火、退火态的基体组织的检验作了明确规定。 1． 珠光体粗细和珠光体数量 在一般情况下，球墨铸铁的珠光体呈片状。按照珠光体的片间距， 将其分为粗片状珠光体、片状珠光体和细片状珠光体。珠光体的粗细虽对球铁性能有影响，但其影响的程度远较珠光体数量和球化率对性能的影响来得小。珠光体数量是指珠光体与铁素体的相对量。对于高
(a)铁素体基体 (b)铁素体+珠光体基体 (c)珠光体基体 图8-11 不同基体的球墨铸铁
强度球铁，应确保高的珠光体数量；而对于高韧性球铁，则应确保高的铁素体数量。
在铸态或完全奥氏体化正火后，球墨铸铁的铁素体呈牛眼状(图8-11)。它在球墨铸铁中很常见。 国家标准将珠光体数量分为珠95~珠5共十二级。
2． 分散分布的铁素体数量 如果采用直接加热至三相区进行部分奥氏体化正火工艺，则铁素体呈 分散分布的块状，如图8-12所示。当采用完全奥氏体化后炉冷至三相区保温，进行二阶段正火工艺时，
图8-12 块状铁素体 （100×） 图8-13 网状铁素体 （100×）
铁素体呈分散分布的网状，如图8-13 所示。国家标准按块状和网状两个系列，各分为六级，依次为铁
5、铁
10、铁
15、铁20、铁25和铁30。各级别名称中的数字表示该级分散分布铁素体数量的体积分数（％）的近似值。
3．磷共晶数量 在铸铁中，磷共晶作为一种低熔点组织，总是分布在晶界处和铸件最后凝固的热节部位。球墨铸铁中的磷共晶，多为由奥氏体、磷化铁和渗碳体所组成的三元磷共晶。由于磷共晶显著降低冲击韧性，一般情况下，球墨铸铁的磷共晶含量的体积分数应控制在2％以下。
在球墨铸铁中，磷共晶数量对性能的影响比磷共晶形态对性能的影响要显著。国家标准中的磷共晶数量分为五级，依次为磷0.5、磷
1、磷1.5、磷
2、磷3。各级别名称中的数字表示该级磷共晶数量的体积分数（％）的近似值。
4．渗碳体数量 在球墨铸铁结晶后，往往在组织中出现一定数量的渗碳体。严重时，出现莱氏体。渗碳体显著降低球墨铸铁的塑性和韧性，并恶化加工性能。在球墨铸铁的生产中，若渗碳体作为硬化相单独存在时，其含量的体积分数一般应小于5％作为控制界限。对于某些高韧性球墨铸铁，应作更严格的控制。 国家标准将渗碳体数量分为五级，依次为渗
1、渗
2、渗
3、渗5和渗10。各级别名称中的数字表示该级渗碳体数量的体积分数（％）的近似值。
（四）球墨铸铁等温淬火的组织及检验
1．等温淬火的组织 当等温温度比较低时，获得针状贝氏体，也称下贝氏体。针状贝氏体经侵蚀后在显微镜下呈针状。针状贝氏体具有高的强度和硬度，但塑性和韧性较低。当等温温度比较高时，获得羽毛状贝氏体也称上贝氏体。这种组织总伴有较多的高碳残留奥氏体，羽毛状贝氏体具有较高的综合力学性能。当等温温度在Ms附近时，获得针状贝氏体与马氏体的混合组织，在部分奥氏体化等温淬火的条件下，获得贝氏体与铁素体的混合组织，前者强度、硬度高，脆性大，而后者虽然强度稍低，但塑性和韧性较高。 检验球墨铸铁等温淬火组织，可按JB/T 3021-1981《稀土镁球墨铸铁等温淬火金相标准》进行。 2．贝氏体长度 奥氏体化温度愈高，则转变成贝氏体的尺寸愈长。在贝氏体形态及其他条件相同的情况下，贝氏体尺寸愈长，力学性能愈低。JB/T 3021-1981标准将贝氏体的长度分为五级。
3．白区数量 所谓白区，是指球墨铸铁经等温淬火后，集中分布在共晶团边界上尚未转变的残留奥氏体和淬火马氏体。试样经侵蚀后呈白色断续网络状。试验表明，奥氏体化温度愈高，等温转变愈不充分，铸铁中稳定奥氏体的合金元素含量愈高，则白区数量愈多。
白区增加球墨铸铁的脆性，为此，应控制白区的数量。标准将白区数量分为四级。
4．铁素体数量 球墨铸铁等温淬火后的铁素体一般出现于部分奥氏体化的淬火状态下，其数量决定于三相区内未溶铁素体的多寡。一般来说，少量铁素体的存在，虽使强度和硬度有所降低，但使塑性、韧性和疲劳强度有所提高。标准中将铁素体数量分为四级。
（五）球墨铸铁几种常见的铸造缺陷
1．球化不良和球化衰退 球化不良和球化衰退的显微组织特征是除球状石墨外，出现较多蠕虫状石墨。球化不良和球化衰退的球墨铸铁铸件只能报废。
2．石墨飘浮 石墨飘浮的金相组织特征是石墨大量聚集，往往出现开花状。在壁厚较大的铸件上容易出现。石墨飘浮降低铸件的力学性能。
3．夹渣 球墨铸铁的夹渣一般是指呈聚集分布的硫化物和氧化物。在显微镜下，为黑色不规则形状的块状物或条带状物，常见于铸件的上表面或泥芯的下表面。具有夹渣的铸件，力学性能低。严重时，使铸件渗漏。
4.缩松 缩松是指在显微镜下所见到的微观缩孔。缩松分布在共晶团的边界上，呈向内凹陷的黑洞。缩松破坏了金属的连续性，降低力学性能，严重时引起铸件渗漏。
5．反白口 反白口的组织特征是在共晶团的边界上出现许多呈一定方向排列的针状渗碳体。一般位于铸件的热节部位。在反白口区域内，往往都存在较多的显微缩松。
四、可锻铸铁
可锻铸铁是将铸态白口铸铁毛坯经过石墨化或脱碳处理而获得的铸铁。可锻铸铁具有较高的强度及良好的塑性和韧性，故也称延展性铸铁。
按照可锻铸铁的化学成分、热处理工艺及由此而导致的组织和性能之别，将其分为黑心可锻铸铁和白心可锻铸铁。黑心可锻铸铁是由白口铸铁毛坯经石墨化退火后获得团絮状石墨。白心可锻铸铁是由白口铸铁毛坯经高温氧化脱碳后获得全部铁素体或铁素体加珠光体组织（心部可能尚有渗碳体或石墨）。在黑心可锻铸铁中，又分为黑心铁素体可锻铸铁和黑心珠光体可锻铸铁。我国应用最多的是黑心铁素体可锻铸铁。其组织是团絮状石墨和铁素体。由于团絮状石墨对金属基体的割裂作用远比片状石墨小，因此可锻铸铁的性能比灰铸铁高。然而，不如球墨铸铁。
黑心可锻铸铁主要用于承受冲击、震动及扭转载荷下的零件，如汽车后桥、轮壳，低压阀门、水暖零件和机床附件等。
（一）黑心可锻铸铁的牌号及基木性能
我国的黑心可锻铸铁的牌号是按其力学性能指标划分的，共分为八级，即KTH300-0
6、KTH300-0
8、KTH350-
10、KTH370-
12、KTH450-0
6、KTH550-0
4、KTH650-0
2、KTH700-02。牌号中前面的数字表示其具有的抗拉强度Rm (MPa)，后面的数字为其伸长率A（％）值。
（二）黑心可锻铸铁的退火
(a) 铁素体基体可锻铸铁 (b)珠光体基体可锻铸铁 图8-14 不同基体的可锻铸铁
黑心可锻铸铁的石墨化退火需要很长的时间。铸铁化学成分、退火设备和退火工艺都是影响退火效率的重要因素。一般情况下，可选用较高的退火温度，但退火温度过高，会使石墨形状恶化。
1．对铸态白口铸铁的要求 在化学成分的选择上，一般选用低碳和低硅的成分，以利于铸态下能获得无铸造缺陷的白口铸铁毛坯，又利于在热处理时，在保证充分石墨化的前提下尽量缩短退火时间以及达到预定的力学性能。
2．退火工艺 生产中常见的黑心可锻铸铁的退火工艺分为五个阶段。
(1)升温阶段。从室温加热至950℃左右。在这一阶段中，白口铸铁组织中的珠光体转变成奥氏体。 (2)第一阶段石墨化。在950℃左右保温，使渗碳体分解，析出石墨。第一阶段石墨化完成之后，铸铁在高温时的组织是石墨和奥氏体。
(3)中间降温阶段。从高温（约950℃左右）冷却至稍低于共析温度的过程中，碳从奥氏体中析出，并依附在原有的团絮状石墨上，最后，奥氏体转变成珠光体。在这一阶段内，冷速太快，会出现二次渗碳体。冷速太慢，会延长退火时间。
(4)第二阶段石墨化。在710~730℃保温，主要是共析渗碳体的分解。所析出的碳扩散至原有石墨表面上。在随后的冷却过程中，奥氏体转变成铁素体。
这一阶段也可以从高温炉冷至780℃左右，以缓慢的冷却速度通过共析区，使奥氏体直接转变成铁素体和石墨。
(5)冷却阶段。第二阶段石墨化后，炉冷至650℃左右后，出炉空冷。空冷的目的是防止回火脆性。如果铸件在450~550℃不快速冷却，将在铁素体晶界上析出三次渗碳体，使铸件产生白脆性。
3．加速石墨化退火的工艺措施 可锻铸铁的退火时间长，能耗大。缩短退火周期，提高退火质量对可锻铸铁的生产具有重要意义。对铁水进行孕育处理，通过孕育剂的作用，既能保证铁水在凝固时得到全部白口组织，又能使白口毛坯在退火时容易石墨化。
（三）黑心可锻铸铁的石墨及检验
白口铸铁在退火过程中，退火石墨也要经过石墨形核和石墨长大两个阶段。在正常的退火温度下，使退火石墨呈团絮状。如果退火温度过高，或含硅量过高，使退火石墨的紧密度降低，而出现絮状或聚虫状石墨。 1．石墨形状 在黑心可锻铸铁中，常见的石墨有：团球状、团絮状、絮状、聚虫状、枝晶状。 JB/T2122-1977《铁素体可锻铸铁金相标准》根据视场中各种形状石墨的数量，将石墨形状分为五级。 2．石墨分布及石墨颗数 标准将石墨分布和石墨颗数分别分为三级和五级。
（四）黑心可锻铸铁的基体组织及检验
为了保证可锻铸铁高的塑性和韧性，其基体组织应为铁素体。在生产过程中由于某些工艺因素的影响，可能会出现其他组织。
对黑心可锻铸铁基体组织的检验，主要是对珠光体和渗碳体的残余量及表皮层厚度的检验。
1．珠光体残余量 珠光体残余是由于第二阶段石墨化退火不充分所致。标准将珠光体残余量分为五级。 2．渗碳体残余量 渗碳体残余是由于第一阶段石墨化退火不充分所致。此外，在中间降温阶段冷却太快，会出现二次渗碳体。将渗碳体残余量体积分数分为小于或等于2％和大于2％两个级别。
3．表皮层厚度 黑心可锻铸铁的表皮层是指出现在铸件外缘的珠光体层或铸件外缘的无石墨铁素体层。表皮层的形成是铸件在第一阶段石墨化退火温度过高，使铸件表皮奥氏体强烈脱碳所引起的。将表皮层厚度分为四级。
在对黑心可锻铸铁的石墨及基体组织进行金相检验时，可按照JB/T 2122-1977标准中对各检验项目所规定的检验方法及组织特征的文字说明及其相应的标准图片对照比较进行级别评定。
