3.2 球墨铸铁物理性质
本节介绍球墨铸铁主要物理性质。包括密度、热物理性质（热导率、比热容、熔化潜热、线膨胀系数）和磁、电性质。合金物理性质对于铸件的工作性能常有非常重要的影响，是选择铸件材料和生产工艺的重要因素。
3.2.1 密度
球墨铸铁的密度取决于石墨体积分数、基体类型。表3-11中列出球墨铸铁中各种组织的密度。石墨密度为2.25g/cm3。因此石墨体积分数越大，球墨铸铁密度越小。提高碳、硅含量，可以增加球状石墨析出量，降低球墨铸铁密度。
表3-11 球墨铸铁中各种组织的密度
化学成分影响球墨铸铁密度。例如提高硅的质量分数，可使铁素体密度呈线性降低。铁素体含硅量由0提高到13.5%，铁素体密度由7.86g/cm3减少到7.23g/cm3。铸件密度随之下降。镁含量小于0.04%时，残余镁量对球墨铸铁密度没有明显影响。但是超过0.07%以后，由于基体中出现碳化物，减少球状石墨体积分数，球铁密度加大。表3-12列出几种球墨铸铁和铸铁的室温密度。
表3-12 几种铸铁和球墨铸铁的室温密度
经过炉前处理的球墨铸铁水密度约为7.05g/cm3。其密度随铁水温度的升高而降低。同时也稍受含碳量的影响，提高含碳量使铁水密度降低。
3.2.2 热导率
热导率也称导热系数，这一参数表示物质传热的能力。具体来说就是单位时间内维持单位温度梯度时流经单位面积的热量。有些铸件需要在工作中很快发散自身积蓄的热量，使铸件保持在较低的温度，要求铸件材料有较高热导率。尤其是高温使用的厚壁铸件、温度变化频繁的铸件（如钢锭模）、承受热冲击的铸件、要求快速达到温度均匀的铸件，材料的热导率对零件寿命有重要影响。
石墨的热导率大于基体金属，因此铸铁类合金热导率高于铸钢。
石墨形态影响铸铁热导率。灰铸铁中片状石墨交错相连，其100℃热导率约为50～53W/（m·℃）。球墨铸铁的热导率为30～38W/（m·℃），低于灰铸铁。提高球化率使热导率降低。白口铸铁热导率远低于灰铸铁。
表3-13列出球墨铸铁中几种基体组织在不同温度范围的热导率[W/（m·℃）]。铁素体的热导率最高，温度低于100℃时，约为渗碳体热导率的10倍[3]。
表3-13 几种基体组织在不同温度范围的热导率 单位:W/（m·℃）
三种基体球墨铸铁的热导率见表3-14。
表3-14 三种基体球墨铸铁的热导率
除去基体组织之外，影响球墨铸铁热导率的因素还有铸件温度和化学成分。球墨铸铁热导率随温度提高而下降（图3-32）。
图3-32 温度对热导率的影响
球墨铸铁热导率随含碳量增加而上升。硅、镍、铝、锰、磷、铜等元素降低热导率。硅和镍对热导率的影响比较显著（图3-33）。铜含量小于2%，降低热导率，超过此含量则稍提高热导率。铬、钼、钨、钒等元素促进碳化物形成，有降低热导率倾向，但作用较小。
图3-33 镍和硅含量对铁素体球墨铸铁热导率的影响试样含碳量2.52%～4.12%
3.2.3 线膨胀系数
金属温度上升，原子间距增大，宏观上表现为整个物体的体积膨胀。讨论材料热物理性质时，常以反映不同温度下长度相对变化的线膨胀量表示材料的热膨胀性质。为了对不同材料的热膨胀量进行比较，需测定物质在某一温度区间，温度每变化1K时物体单位长度相对变化的平均值，称为线膨胀系数。其单位为×10-6/℃。热膨胀系数并非恒量，它随温度的升降而有变化。
球墨铸铁的线膨胀系数主要取决于基体组织和温度。化学成分也有一些影响。在相同温度区间，铁素体球墨铸铁和马氏体球墨铸铁比珠光体球墨铸铁的线膨胀系数略大。奥氏体球墨铸铁线膨胀系数最大。表3-15列出各种基体组织的球墨铸铁在700℃以下各温度范围的热膨胀系数[4]。
表3-15 球墨铸铁热膨胀系数
有关文献公布的平均线膨胀系数不适用于相变产生的尺寸变化。
较小的热膨胀系数对于需在高温保持高尺寸精度的铸件是很重要的。在铸造和热处理过程中，材料线膨胀系数直接影响内部热应力的大小。对于可能发生约束热疲劳损伤的铸件，材料的热膨胀系数的大小更是十分重要。汽车发动机的排气歧管就是这类铸件。加入大量镍元素除了形成高镍奥氏体基体增强铸件高温性能外，更主要是降低材料的线膨胀系数。能够有效减少热疲劳造成的零件损伤。
3.2.4 比热容
单位质量物体温度上升一度所需热量称为比热容。球墨铸铁比热容是石墨和基体金属各种组分比热容的平均值。与大多数金属材料一样，球墨铸铁比热容随温度上升而提高。球墨铸铁中石墨比热容小于铁的比热容，含石墨较多的球墨铸铁比热容较低。
球墨铸铁在室温下的比热容为420J/（kg·K）左右，不同温度的比热容列于表3-16。
表3-16 不同温度的比热容
3.2.5 熔化潜热
使单位质量固体熔化所需的热量称为该物质的熔化潜热。综合一些文献上公布的数据，普通球墨铸铁和低合金球墨铸铁熔化潜热与灰铸铁的熔化潜热相差不多，约为210～230J/g。化学成分对普通球墨铸铁熔化潜热影响不大。
3.2.6 铁水表面张力
铁水的表面张力对材料的铸造性能有实际意义，因为它们直接影响铁水流动性和填充铸型能力。
在较高的温度下，铁水表面张力明显降低。球墨铸铁水的表面张力高于灰铸铁水。1400℃的灰铸铁水表面张力为（6.6～9.2）×10-1J/m2，球墨铸铁水则为（8.2～12.2）×10-1J/m2。球墨铸铁水的表面张力受其化学成分的影响。硫、钛、磷降低铁水表面张力。但磷的影响比较轻微。脱氧元素（镁、铝、稀土元素）则提高铁水表面张力。
3.2.7 铁水黏度
温度和成分对铁水黏度的影响与对表面张力的影响相似。
1500℃灰铸铁水的黏度范围为0.0045～0.0052Pa·s。球墨铸铁在该温度的黏度约为0.005～0.0055Pa·s。略高于灰铸铁。
3.2.8 电阻率
球墨铸铁电阻率受石墨体积分数、基体组织类型、化学成分和温度的影响而有变化。
石墨本身电阻率较高，约为铁素体的14倍。所以球状石墨体积分数较大时，球墨铸铁电阻率较高。每增加1%石墨，电导率约降低10%～20%。在碳当量相同的条件下，铸件的石墨球少、直径较小，铸件电阻率低。球墨铸铁电阻率低于灰铸铁。
珠光体或渗碳体均比铁素体的电阻率高。ω（C）=3.6%、ω（Si）=2.4%珠光体球墨铸铁电阻率为59μΩ·cm，铁素体球墨铸铁为55μΩ·cm。珠光体的层间距小，则电阻率降低。铸态组织中有珠光体或渗碳体的球墨铸铁，经过完全退火，珠光体或渗碳体分解后，导电能力显著增强。
化学成分对球墨铸铁电阻率有显著影响。碳和硅含量增加时，石墨含量多，电阻率上升。基体组织和硅含量对球墨铸铁室温电阻率的影响见图3-34[4]。
图3-34 基体组织和硅含量对球墨铸铁室温电阻率的影响
能溶入铁素体或能改变显微组织的合金元素，都可能对球墨铸铁的电阻率产生影响。铝、锰、镍的含量在0.5%～1.0%时，降低电阻率。含量高于此范围则提高电阻率。铜（少于1%）和磷（超过正常含量）稍提高球墨铸铁电阻率。高铝耐热球墨铸铁电阻率高达200～240μΩ·cm，可用于生产电加热器的电阻片。
温度对球墨铸铁电阻率有显著影响。提高温度使电阻加大。球墨铸铁与灰铸铁有近似的电阻温度系数。基体组织对电阻温度系数的影响很小。珠光体与铁素体球墨铸铁的室温电阻系数约为0.00106/℃，奥氏体球墨铸铁为0.00025/℃。
3.2.9 磁性质
铸铁合金可作为软磁性材料应用于电机制造工业。虽然它的磁性质逊于永磁钢和硅钢，但是因为它易于铸成形状复杂的铸件，磁性质受机械应力的影响较小，磁性损失对温度不敏感，它在工业上仍有一些用途。
图3-35显示球墨铸铁与灰铸铁的磁化曲线。可以看出，在相同的磁场强度下，球墨铸铁比灰铸铁磁感强度高。铁素体球墨铸铁的磁感强度值大于珠光体球墨铸铁和马氏体球墨铸铁。渗碳体使球墨铸铁磁感强度降低。
图3-35 球墨铸铁与灰铸铁的磁化曲线
球墨铸铁与灰铸铁磁导率的比较见图3-35[4]。
石墨形态对于球墨铸铁矫顽磁力的影响非常微小，几乎可以忽略。
含磷较低的铁素体球墨铸铁的磁滞损耗、剩余磁感和矫顽磁力都很低。锰和铬降低磁感应强度、磁导率、剩余磁感，使磁滞损失增加。硅对珠光体组织的磁性质影响很小，仅稍能增加最大磁导率。硅减少铁素体球墨铸铁的磁滞损失。
大多数铸铁类合金的居里点在770℃左右。在居里点以下，磁导率随温度的上升而加大。超过居里点转变为顺磁性材料。硅使球墨铸铁的居里点稍有降低。
非磁性奥氏体球墨铸铁都含有大量合金元素。在高镍奥氏体球墨铸铁中的含锰较高的牌号多为非磁性材料。可用来制造要求磁滞损耗很小、电阻率高、磁导率低的铸件。例如：ω（Ni）=12%～14%、ω（Mn）=6%～7%、ω（Si）=2%～3%就是良好的非磁性球墨铸铁。