# [工材]第十三週筆記

# 鑄鐵(cast iron)

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安安 這我寫的網站:

http://0xff07.github.io/PPPP

這學期我修了CS + X的通識(我就是在上面學寫網站的，讚嘆這門課老師！)

這門課這禮拜五下午會有個發表：

https://www.facebook.com/events/1852049421740303/

小弟我應該會簡短在上面介紹我寫的網站，希望大家可以多多來支持～

我的專案是個有點惡趣味的專案，簡單說就是「怎麼把網站上A片全部載下來」(然後我就用它載七百多G的片子)(然後宿網就被網管gank了)。有興趣的人也可以偷偷跟我說>/////<

然後祝期中考順利>/////<

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鑄鐵
* 鑄鐵的溶解法：Capula, 高週波熔煉
* 鑄鐵的組織：白鑄鐵($Fe_{3}C$)(化合碳)、班鑄鐵、灰鑄鐵(片狀石墨)(游離碳)
* $Fe-Fe_{3}C$
* $Fe-C$
* 鑄鐵的成分與組織之關係：Maurer的組織圖
* 鑄鐵的機械性質：
* 碳當量：$\%C + \frac {1}{3} (\%S + \%P)$
* C.E.與顯微組織的關係：
* 鑄鐵的基地：以pearlite為佳
* 游離石墨的大小：ASTM No.1~8，形狀及分佈(Type A ~ E)
* C.E.與抗拉強度、裂斷荷重、硬度之關係
* 鑄鐵之其他性質：耐蝕性、耐磨耗性、制震能、收縮、生長
* 鑄鐵的種類
* 鑄鐵的規格：以抗拉強度為主
* 普通的鑄鐵：FC100, FC150, FC200
* 高級鑄鐵：FC250, FC300, FC350
* 合金鑄鐵：
* 冷硬鑄鐵
* 展性鑄鐵
* 白心展性鑄鐵
* 黑心展性鑄鐵

鑄鐵就是相圖中，含碳量比沃斯田鐵更右邊的區域的鐵的統稱。

## 鑄鐵的溶解方法

* 熔鐵爐(Cupola)
目前來說，這個方法的成分比較難控制。所以要用下面的低週波感應電爐。
* 低週波感應電爐：可以比較精確調整碳、矽的成分，還可以添加合金。

## 鑄鐵的組織：契型模

契型模尖端凝固比較快，上方凝固比較慢。最下面是白鑄鐵，最上方是灰鑄鐵，而中間就介於兩者中間，叫班鑄鐵。

## 複平衡圖：

首先看看鐵碳平衡圖：


到目前為止，我們還沒有看過共析鋼往右邊的地方，現在終於第一次看到惹QQ。這裡裡要注意一個小細節：相圖上有實線跟虛線，他們分別是：

1. $Fe-Fe_{3}C$平衡圖(實線)
2. $Fe-C平衡圖(虛線)$

那這樣要用哪一條呢？很不幸這就跟伊布一樣，你不知道他會~~進化成什麼~~走哪一條(好啦～其實是跟冷卻速度有關)。當他走實線的時候，你會得到**白鑄鐵**;而當他走虛線時，他就會變成**灰鑄鐵**。但更多時候，兩個都會發生：一部分的鐵依照虛線相變，另外一部分依照實線相變。

這裡把兩種狀況分別討論一下：

* 白鑄鐵：原則就是遵守相圖上的實線區域，$Fe-Fe_{3}C$平衡。

分析：$C = 4.3\%$：是個共晶點，所以叫「共晶白鑄鐵」。
* 當在1174C：

$$Liq(C=4.3\%)\Rightarrow(共晶) \gamma-Fe(C = 2.14\%) + Fe_{3}C(C = 6.67\%)$$
* 當溫度由1177冷到723(A1變態)：
$$\gamma-Fe(2.14\%)\rightarrow\gamma-Fe(C = 0.8\%) + 二次晶Fe_{3}C$$
* 在723：
$$\gamma-Fe(C = 0.8\%) \rightarrow(共析) \alpha-Fe + Fe_{3}C(兩個混起來就是波來鐵)$$
* 由723到常溫：
$$Pearlite + Fe_{3}C(共晶+二次晶的)$$
這個東西有個名字，叫「++粒滴斑鐵++」

有了共晶點的反應，就可以推出兩邊的狀況：往左會出析出沃斯田鐵，往右會出析出雪明碳鐵，所以組織以$C = 4.3\%$為界，結構看起來像這樣：


但是，不管是那種構造，最後都是變成$Perlite + Fe_{3}C$的混合(只是初析與共析時機不同有不同的混合方式)，而且++有大量的$Fe_{3}C$作為基地++，所以++非常硬且脆++，所以不是很容易加工，以不常用。

* 灰鑄鐵:是用虛線那個圖。

分析：$C = 4.26\%$：是個共晶點，所以叫「~~共晶灰鑄鐵~~」極軟鑄鐵。

* 當在1174C,

$$Liq(C=4.26\%)\rightarrow(共晶) \gamma-Fe(C = 2.11\%) + C(Graphite, 大的片狀石墨)$$
* 當溫度由1153冷到723(A1變態)：
$$\gamma-Fe(2.11\%)\rightarrow\gamma-Fe(C = 0.69\%) + 二次晶C(Graphite, 小的片狀石墨)$$
* 在723：
$$\gamma-Fe(C = 0.8\%) \rightarrow(共析) \alpha-Fe + C(Graphite, 片狀石墨)$$
* 由738度到常溫：
$Fe_{3}C + 片狀石墨(共晶+二次晶的+共析的)$
這個成分沒有特別的學術名詞。

整體來說，是一個++肥粒鐵基底 + 片狀石墨++(注意石墨片不會交叉，課本圖是錯的)。
因為是以肥粒鐵為基底，所以想當然他會很軟。but ! 人生就是這個but ! 因為裡面鑲嵌太多石墨片了，所以拉到石墨的時候就會立刻脆裂，所以延性其實很糟。

再來就是看看共晶點左右側。你可能以為他會是像共析鋼一樣用「亞」、「過」表示，但是他們的micro都是裡面卡一大坨graphite，所以其實不會這樣稱呼，一律都是叫++極軟鑄鐵++。

目前已經把兩種鑄鐵都討論完了。但實際上，工業上做出來的東西，既不完全是遵照$Fe-Fe_{3}C$，也不是完全遵照$Fe-C$平衡，而是**兩者的混合**，如下：


這個就叫做「++普通鑄鐵++」

因為波來鐵比較硬，所以最理想的目標，就是++希望鑄鐵裡面完全不要有肥粒鐵，只有$Pearlite + Graphite$++，像這樣：


這個就叫「++波來鐵灰鑄鐵++」，或是叫「++波來鐵鑄鐵++」。這是工業中最想得到的鑄鐵形式，而這裡面也是充滿各種專利。

整理下，目前已經介紹了這幾種鑄鐵：


那要怎麼樣得到波來鐵鑄鐵呢？答案是(在這裡已經看到不知道多少次的)加合金！不過這次是加矽～

## Maurer組織圖：

矽會壓縮相圖中的$\gamma$鐵區域。

有個叫Mauler的人做出了一個很漂亮的結果：


1. 基本款：實驗做出來，75mm時2%矽是一個界線，7%矽是一個界線，會得到兩個區域。把兩個點往上延伸到1.7%分界找出交點，再跟4.3%連起來，又會得到兩條線。這幾個區域由內到外分別剛好就是：


2. 如果鑄件變大，會不利白鑄鐵形成，所以範圍會變小。他發現曲線會順時鐘移動。
3. 如果鑄件變小，就對白鑄鐵變得有利，所以曲線就會沿逆時鐘旋轉。
4. 他從10mm做到90mm。這兩個大概就是鑄件的極大極小尺寸了，所以取兩者都可以得到波來鐵鑄鐵的交集，就會得到中間灰色的區域，這就是在一般常用的尺寸內，保證可以得到波來鐵鑄鐵的區域，只要加的成分落在這個區域，就可以保證得到波來鐵鑄鐵了～
5. 然後他還發現，含碳量高的地方要做一點修正，所以就把它熬過去一點點。最後就變成這樣：


## 鑄鐵的機械性質：

首先要有心理準備：因為他很脆，沒有什麼降伏點可言，所以只有**抗拉強度**、**硬度**、**抗彎強度**。然後也沒有什麼韌性可言，所以也不會側衝擊值。

>吳：他就是150度打下去～咻～然後上去還是150度

另外，鑄鐵裡面矽含量超多，而且他的影響力是碳的1/3，所以他的影響一定要考慮進去。於是就定義出了一個**碳當量**：


除了要盡量得到波來鐵基地以外，還要注意**石墨的分佈要細小均勻**。如果不均勻很大片很大片的話，因為石墨很脆，所以大片的石墨就容易變成鑄鐵的弱點。依照石墨分佈，ASTM把他分成幾種：


Type E有方向、Type C是有大小混在一起。Type A是最理想的，Type B玫瑰狀勉勉強強還可以。一樣是把試片磨平，放大一百倍，然後去量一平方英吋中，最長那條石墨的長度。然後去對尺寸：


碳當量小的時候，容易產生a, b, c，如果碳當量很多，容易產生d, e, f

再來看看不同碳當量鑄鐵跟機械性質的關係：


因為沒辦法做抗拉伸試驗，所以用「抗彎強度」取代，就是把鑄鐵像橋一樣放著，然後用試驗機從中央一下去，看他彎曲形變多少來作為延性的指標。關係大致上如下：



然後這裡有一個小八卦：鑄鐵的抗拉強度跟硬度大致上是線性的，像這樣：


所以你可以用秀爾硬度去換算HB，或是用HB測試。然後再推測抗拉強度。然後一定一定要以HB為主，因為鑄鐵很不均勻，所以需要把較深的壓痕材能取得具有代表性的硬度。

鑄鐵還有另外一些特別的性質：比如說**耐蝕性比鋼好**(因為裡面矽比較多，而且石墨也不會被腐蝕，還會像柵欄一樣把鐵鏽擋在金屬表面)(你看人孔蓋有在鏽到爛掉的嗎？)

## 鑄鐵的其他性質


++耐磨耗性很好++，是因為石墨的細粉可以當潤滑，而且石墨的小凹陷可以附著少量潤滑劑，也會對耐磨性有幫助。然後會產生史帝田鐵，就又變得更猛惹～。

然後++可以吸震++，這個有專門的術語叫「++制震能很高++」。因為石墨的縫隙會阻止震動傳遞。不過，石墨片越多，雖然吸震能力很好，但是機械性質就越差，算是一種trade off。像工廠機具那些工具的基座，因為會常常震動，所以就很適合用鑄鐵做。

灰鑄鐵收縮比較小(因為得到是石墨)，白鑄鐵收縮比教多(因為是鐵在收縮)。所以要多留一些空間給他。不過，所有金屬鑄都會收縮，所以不管怎樣都是鑄造時要考慮的。


鑄鐵在六百度左右會發生生長，會一邊用一邊變大。主要原因是因為
1. $Si\rightarrow SiO_{2}$
2. $Fe_{3}C\rightarrow石墨化$

所以普通的鑄鐵不能用在太高溫上。

> 以下為上堂複習

## 鑄鐵的種類

鑄鐵本來就是便宜的東西，都是一堆廢鋼下去喇一喇。所以使用的原則跟碳鋼不一樣。

### 鑄鐵的規格(Specification)：
以抗拉強度為主

### 普通的鑄鐵：FC100, FC150, FC200

> F是Foundary的意思
> FC100是不在意強度的用途用，比如說鐵鍋
> FC150的強度可以做一些零件，但是如果要強度更高就要往上用

### 高級鑄鐵

組織有比較多的波來鐵，石墨組織更小，形狀盡量是Type A，FC250, FC300, FC350。要凝固過程變慢、並且要讓含碳含矽量變少

* Laniz的鑄鐵：盡量降低矽量，先把著模預熱，是冷卻速度減慢
* Emmel的鑄鐵：加入50%~100%的廢鋼
* Piwowarsky：把熔鐵過熱到1450~1550，這樣鐵水進入前會先把模加熱。跟上面預熱的原理差不多
* Meehanite的鑄鐵：熔鐵中加入$Si$與矽化鈣，反而會讓裡面析出的碳化物變的更細小，可以做到比上述方法更好的碳分佈。

### 合金鑄鐵

因為鑄鐵已經是很便宜的東西了，所以加合金就有一種很雞肋的感覺。但是到更高級的應用時，就會加入一些合金。

關鍵是促成石墨化，使$Fe_{3}C$變成片狀石墨

#### 高強度合金鑄鐵
加入$Ni$, $Cr$, $Mo$等等

#### 高合金鑄鐵
* 耐熱鑄鐵(需耐氧化、生長現象又少的鑄鐵)(加磷、加矽。雖然在合金鋼是禁忌，但鑄鐵根本不在意延展性。鑄鐵本來就沒有延展性)

可以發現硬度跟肥粒鐵係不鏽鋼差不多了，但是可以耐更高溫。

* 耐蝕鑄鐵
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不過因為還不常用，所以CNS還沒有規格

### 冷硬鑄鐵(chilled cast iron)


一般來說，含碳量比含矽量多。

(那張上下是砂模、左右是金屬模的圖)

這樣左右因為冷卻比較快，所以就會得到白鑄鐵，而上下會得到灰鑄鐵。也就是灰鑄鐵會被一層比較硬的白鑄鐵包住的構造。因為有一層比較硬的白鑄鐵包住，所以就讓表面硬度變的比較好，但是又保持一定吸震能力。

### 展性鑄鐵

主要成分是白鑄鐵。把白鑄鐵加高溫，這樣會讓$Fe$被還原出來。下面有反應。

* 白心展性鑄鐵
這反應裡面會讓鑄鐵形成一層脫碳層(因為C被還原光光)，還有回火碳(左邊那張圖)。

因為斷面都是還原的$Fe$，所以是白色的。但是現在很少用。要很久的原因跟不純物有關。

有趣的地方是，上面那層是鐵，沒有很多石墨，所以可以銲接。如果是一般的鑄鐵，石墨的熔點就有3700度，所以怎麼焊都會很脆弱。但是白心展性鑄鐵就可以用上面那一層鐵去焊接。

* 黑心展性鑄鐵
主要是熱處理後顏色不一樣來分。

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我家妹紙真可愛 <3

哦哦哦我是故意不把他註解掉的 <3




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然後妹紙表示：




(後記：害我現在一直在總圖地下室對螢幕傻笑～)