第一讲黑色金属

在介绍钢的分类之前先简单介绍一下黑色金属的基本概念。

黑色金属：如生铁、铁合金、铸铁、钢、合金钢等。钢和生铁都是以铁为基础，以碳为主要添加元素的合金，统称为铁碳合金。

习惯上把碳含量＞2.11%的归类于铁，碳含量＜2.11%的归类于钢。

当铁中含C在0.03%~1.2%范围时则为钢，含C1.2%~2.5%的铁缺乏实用性，一般不进行工业生产。

第一节铁及其分类

生铁是指把铁矿石4放到高炉中冶炼5而成的产品，也叫“铣铁”。

生铁是高炉产品，可分为6普通生铁和合金生铁，前者包括炼钢生铁和铸造生铁，后者主要是锰铁和硅铁。合金生铁作为炼钢的辅助材料，在炼钢时做钢的脱氧剂和合金元素添加剂用。

生铁是含碳量2.11%~6.67%并含有非铁杂质较多的铁碳合金。生铁的杂质元素主要是硅、硫、锰、磷等。

生铁质硬而脆，缺乏韧性，几乎没有塑性变形能力，因此不能通过锻造、轧制、拉拔等方法加工成形。但含硅高的生铁（灰口铁）的铸造及切削性能良好。

4铁的主要矿石有：赤铁矿Fe2O3，含铁量在50%~60%之间；磁铁矿Fe3O4，含铁量60%以上有磁性，还有褐铁矿2Fe2O3-·3H2O、菱铁矿FeCO3和黄铁矿FeS2，它们的含铁量低一些，但比较容易冶炼。中国的铁矿资源非常丰富，著名的产地有湖北大冶、东北鞍山等。

5单质铁的制备一般采用冶炼法。以赤铁矿Fe2O3和磁铁矿Fe3O4为原料，与焦炭和助溶剂在熔矿炉内反应，焦炭燃烧产生CO2气，CO2气与过量的焦炭接触就生成CO气，CO气和氧化铁作用就生成金属铁。

C+O2=CO2CO2+C=2CO

Fe3O4+CO=3Fe+CO2Fe2O3+CO=2Fe+CO2FeO+CO=FeO+CO2

6另一种理解是：生铁、铁合金属于炉料，即治炼用原料。铸铁是用生铁（主要是铸造生铁）治炼后的产品。

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1.生铁

生铁是含碳量大于2％（2.11%）的铁碳合金，工业生铁含碳量一般在2.5%~4.0%，并含Si、Mn、S、P等元素，是用铁矿石经高炉冶炼的产品。

生铁生铁按含硅（Si）量划分铁号，按含锰（Mn）量分组，按含磷（P）量分级，按含硫（S）量分类。

1）炼钢生铁

炼钢生铁含硅量不大于1.7%，碳以Fe3C状存在。故硬而脆，断口呈白色。主要用作炼钢原料和可锻铸铁原料，炼钢生铁见下表所示。

炼钢用生铁（根据GB-82）铁号代号L04L08L10

2）铸造用生铁

铸造生铁硅含量为1.25~3.6%。碳多以石墨状态存在。断口呈灰色。软、易切削加工。主要用来生产各种铸铁件原料如床身、箱体等。铸造生铁见下表所示：

铸造用生铁（根据YB/T14–91）牌号铸34铸30铸26铸22铸18铸14

铁号代号Z34Z30Z26Z22Z18Z14

3）球墨铸造用生铁

球墨铸造用生铁也是一种铸造生铁，只是低硫低磷。低硫使碳充分在铁中石墨化。低磷提高生铁的机械性能；主要用于生产性能（机械性能）较好的球墨铸铁件。球墨生铁见下表所示：球墨铸铁用生铁（根据GB-85）牌号Q10Q12Q16

此外现在应用的还有含钒生铁、铸造用磷铜钛低合金耐磨生铁，见下面两个表：

含钒生铁（根据GB-85）牌号钒02钒03钒04钒05铁号

代号F02F03F04F05铸造用磷铜钛低合金耐磨生铁（根据GB-88）

铁号NMZ34NMZ30NMZ26NMZ22NMZ18NMZ14

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2.铸铁

铸铁是含碳大于2.11%的铁碳合金，它是将铸造生铁（部分炼钢生铁）在炉中重新熔化，并加进铁合金、废钢、回炉铁调整成分而得到。与生铁区别是铸铁是二次加工，大都加工成铸铁件。铸铁件具有优良的铸造性可制成复杂零件，一般有良好的切削加工性。另外具有耐磨性和消震性良好，价格低等特点。

7根据碳在铸铁中存在的形态不同，通常可将铸铁分为白口铸铁、灰口铸铁及麻口铸铁。见下表：

4）可锻铸铁

可锻铸铁是用碳、硅含量较低的铁碳合金铸成白口铸铁坯件，再经过长时间高温退火处理，使渗碳体分解出团絮状石墨而成，即可锻铁是一种经过石墨化处理的白口铸铁。

可锻铸铁按热处理后显微组织不同分两类；一类是黑心可锻铸铁和珠光可锻铸铁。黑心可锻铸铁组织主要是铁素体（F）基本+团絮状石墨；珠光体可锻铸铁组织主要是珠光体（P）基体+团絮状石墨。另一类是白心可锻铸铁，白心可锻铸铁组织决定于断面尺寸，小断面的以铁素体为基体，大断面的表面区域为铁素体、心部为珠光体和退火碳。可锻铸铁牌号、性能（根据GB-88）见下

两表：

黑心可锻铸铁和珠光体可锻铸铁类别AB

牌号KTH-06-KTH-08

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KTH-10-KTH-12

KTZ-06-

KTZ-04-

KTZ-02-

KTZ-02-

注：①试样直径12mm只适于铸铁主要壁厚小于10mm的铸铁。②牌号KTH06适于气密性零件。③牌号B系列为过渡牌号。

白心可锻铸铁牌号KTB-04KTB-12KTB-05KTB-07

黑心可锻铸铁主要用于制造汽车、拖拉机零件及机床附件、如轮壳、弹簧支座、阀门等。珠光体可锻铸铁则用于制造曲轴、连杆、轮轴、活塞环等。

5）球墨铸铁

在铁水（球墨生铁）浇注前加一定量的球化剂（常用的有硅铁、镁等）使铸铁中石墨球化。由于碳（石墨）以球状存在于铸铁基体中，改善其对基体的割裂作用，球墨铸铁的抗拉强度、屈服强度、塑性、冲击韧性大大提高。并具有耐磨、减震、工艺性能好、成本低等优点，现已广泛替代可锻铸铁及部分铸钢、锻钢件、如曲轴、连杆、轧辊、汽车后桥等。根据GB-88球墨铸铁牌号分为单铸和附铸试块两类；单铸试块分八个牌号见下表：

单铸试块牌号QT-18QT-15QT-10QT-7

主要金相组织铁素体铁素体铁素体铁素体+珠光体

牌号QT-3QT-2QT-2QT-2

主要金相组织珠光体+铁素体珠光体珠光体或回火组织贝氏体或回火马氏体

附铸试块分为五个牌号见下表：

附铸试块牌号QT-18AQT-15AQT-7AQT-3AQT-2A

主要金相组织铁素体铁素体铁素体+珠光体珠光体+铁素体珠光体

注：牌号后面的字母A系表示该牌号在附铸试块上测定的机械性能，以区别上表的单试块测定的性能。

除上述介绍几种常用铸铁外，还有抗磨白口铸铁、冷硬铸铁，耐热铸铁等。