第十一章铸铁课件.ppt

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1、第十一章 铸铁,本章重点： （1）铸铁石墨化过程及影响因素； （2）铸铁的分类、成分、组织、性能、用途,要弄清楚些什么呢? 1. 铸铁是什么?（如何形成的） 2. 有何特性? 3. 有哪些铸铁? 各有何特点?,11.1 铸铁概论,1、铸铁 铸铁是以Fe、C、Si为主要成分，并有共晶转变的工业铸造合金。,Fe-Fe3C及Fe-G相图,铸铁与钢总体比较：A. 成分 C、Si含量高，S、P含量高 2.5-4.0C, 1.0-3.0 Si, 0.5-1.4 Mn, 0.01-0.5 P, 0.02-0.2 S B. 组织 钢的基体 +（不同形状）石墨C. 热处理 不同形式的热处理D. 性能 取决于基体

2、组织及G数量、形状、大小及分布. G：HB3-5， 屈强20MPa, 延伸率近为0; G对基体有割裂（削弱）作用，对钢强度（抗拉强度）、塑性、韧性均有害，其性能比钢要低，特别塑、韧性; 但：具有优良的减震性、减摩性以及切削加工性能、优良的铸造性能、低的缺口敏感性。 E. 生产 铸铁熔化设备简单，工艺操作简便，生产成本低廉。,2. 铸铁分类 根据C在铸铁中存在的形态和石墨形状的不同:存在的形态白口铸铁麻口铸铁灰口铸铁 石墨形状灰铸铁 球墨铸铁 可锻铸铁蠕墨铸铁 合金铸铁,白口铸铁、灰口铸铁区别,区别：C 的存在形式,硬度高、抗磨损性能好，做耐磨零件和工具。例如犁铧、球磨机的内衬及磨球、喷丸机的叶

3、片等等。“冷硬铸铁”件：如轧辊及矿车车轮等。炼钢原料。,既不利于机械加工，又无特殊优异的使用性能，故一般应用得较少。,片状G,球状G,团絮状G,蠕虫状G,灰铸铁（HT）,球墨铸铁（QT）,可锻铸铁（KT）,蠕墨铸铁（RuT）,11.2 石墨化过程及影响因素,热力学上：Fe+Fe3C 亚稳态,Fe+C(G) 稳态,1、Fe-C相图 的二重性,三个阶段 ：LCAE+G ：从A中不断析出G 、 阶段温度高，易进行， 也必须进行； ： AS FP+G, 阶段难进行 决定铸铁基体类型： 完全进行： F ； 完全不进行：P； 不完全进行：F+P,2、石墨化过程,G化过程可分为两个阶段：发生在PSK线以上的

4、G化为第一阶段；发生在PSK线以下的G化为第二阶段，实际是以共析线为界。第一阶段G化决定G形态,第二阶段G化决定基体组织. 石墨化阶段与组织 第一阶段 第二阶段 组织 铸铁名称 完全进行 完全进行 F+G 不同基体的灰铁、 部分进行 F+P+G 球铁、蠕铁、可铁 未进行 P+G 部分进行 未进行 Ld+P+G 麻口铸铁 未进行 未进行 Ld 白口铸铁,（1）冷却速度（2）成分与合金化 促进石墨化元素： C、Si、Al、Ti 、 Ni、 Cu、P ； C、Si为主要的石墨化元素 灰口铁：2.54.0%C, 12.5%Si 阻碍石墨化元素： Mn、Mo、Cr、V、B、S； Mn调节组织： 利于珠光

5、体基体形成； 消除S影响。,3、石墨化过程影响因素,碳当量: 一般以各元素对共晶点实际含碳量的影响, 将这些元素的量折算成C%的增减, 这样算得的碳量称为碳当量（C.E） C.E = C + 0.3（Si+P）+ 0.4 S - 0.03 Mn 由于S, P%低, Mn的作用又较小 C.E = C + 0.3 Si 共晶度 铸铁含C量与共晶点实际含C量之比 , 表示铸铁含C量接近共晶点C%的程度。共晶点实际C量 = 4.3 - 0.3Si Sc=C% / （4.3-0.3 Si ）% Sc1, 过共晶铸铁；Sc=1, 共晶铸铁；Sc1, 亚共晶铸铁。,?均是G化铸铁（HTKTRuTQT），性能

6、为何相差很大呢？ 化学成分、冷却速度、炉前处理、热处理 基体组织，G形态不同（片状，球状，团絮状，蠕虫状）性能差异,11.3 石墨的形成及生长,一、片状石墨的生长方式,内在因素,G为六方点阵层状结构。层面原子间距小，较强共价键结合，层间C原子间距较大，原子作用力弱。层面方向生长速度就大，石墨是在与铁水相接触的条件下以片状方式生长的。,外在因素,G形成会导致周围铁水C浓度,凝固点生成包围G片的A体壳。但G片端生长速度超过A结晶速度, G片端总是和铁水直接接触。,石墨晶体结构,片状石墨生长机理,如G片向两侧加厚生长，须依靠C从铁水中先扩散到A层再扩散到G；而Fe还必须向A层外作反方向扩散，显然是较

7、难的G片增厚是较慢的.最后形成了立体花朵状。,（a）A型石墨,(b)B型石墨,(c) C型石墨,(d)D型石墨,(e) D型石墨,(f) F型石墨,图 片状石墨的分布类型,球状石墨内部的年轮状结构,球状石墨的结构示意图,二、球状G的形成过程1、球状石墨的结构,G呈多边形轮廓，内部呈放射状。中心是G核心。球面是单晶体锥形G（0001）底面.,2、 球状G的形成条件,球化剂Mg/Ce/Y/La等,铁液的过冷度,球化剂与铁液中氧、硫发生反应，含氧、硫量，铁液表面张力， 铁液/石墨间的界面张力,球化处理: 浇注前加入一定量球化剂,如稀土-硅铁-镁系等孕育处理: 加入高硅铁，获得很多的非自发晶核，细化G

8、,3、球状石墨的形核机理,G都是从铁水中直接析出的。球状G的形核以硫化物及氧化物夹杂微粒作为结晶中心。,螺旋位错理论:由于螺旋位错存在，碳原子优先在晶体表面造成的螺旋台阶旋出口作为开始生长的最有利位置。理想情况下晶体将长成一个近似球状的多面体，形成年轮状结构。 生长机理,有许多学说,难以完美解释.,4、球状石墨的生长机理,图 球状石墨晶体生长示意图 a)0001方向生长；b)长成球状多面体,11.4 常用铸铁,一. 灰铸铁1. 成分：C 2.5-3.6 Si 1-2.52. 组织：F，F+P，P + 片状G（A型， , F型）3. 牌号：HT100，150，200，250，HT300，350

9、一般铸铁 F F+P P P或S （孕育铸铁）4. 生产：一般铸铁的主要缺点： 1）G呈粗大片状， 性能较低； 2）壁厚敏感性高5. 热处理：去应力退火，G化退火，正火，表淬6. 性能：强度较低，塑韧性低，硬度HB130-270，耐磨性好，减振性好，缺口敏感性小等7. 用途：可用作耐压减震件，如机床底座、支柱等,一般铸铁(调整成分)-孕育处理-孕育铸铁 1）孕育处理：在浇铸前往铁水中加入孕育剂进行处理，以改变合金的凝固过程与组织，提高性能； （机理：外来核心学说；温度浓度起伏学说） 2）孕育剂: 硅铁（SiFe）或硅钙(SiCa)合金； 还有许多复合长效孕育剂（防止孕育衰退） 3）孕育剂作用：

10、促进非自发形核，细化组织与G片； 4）成分要求：原铁水中，C 2.8-3.2%, C.E 3.0-3.5%； 5）性能：壁厚敏感性较小；性能提高（与一般片铸铁相比） 6）用途：气缸、齿轮、机床铸件等动载荷较小但静载要求较高的重要灰铸铁零件。,二. 球墨铸铁,概念：通过在浇铸前向铁水中加入一定量的球化剂进行球化处理，再加入少量孕育剂进行孕育处理，以促进石墨化，在浇铸后可直接获得具有球状G结晶的铸铁，称为球墨铸铁。成分： C.E较高 (4.3-4.6);低S量,较低Mn量 P-QT：C 3.6-3.8%, Si 2.0-2.5, Mn0.6-0.8 , P 0.1, S0.06%, 残留Mg 0.

11、03-0.05; RE 0.02-0.04% F-QT: Si 3.3%, Mn0.3-0.6%组织：F，P+球状G;热处理：退火，正火，调质，等温淬火，表面淬火，化学热处理等牌号：QT400-18，400-15，450-10，500-7，600-3， 700-2，800-2，900-2性能：基体强度利用率高，可达70-90%；强度，塑性，韧性，疲劳强度明显提高.,生产： A. 化学成分要求比较严格；出水T1400度； B. 球化剂：镁及其合金，稀土，稀土镁合金 C. 孕育剂：Si-Fe 或其它长效孕育剂 目的：1）消除球化元素白口倾向； 2）细化； 3）减小偏析 D. 球化方法：冲入法；型内

12、球化法用途：可制造各种受力复杂、负荷较大和耐磨的重要铸件，如曲轴、连杆、齿轮等，在一定条件下可取代铸钢、锻钢、合金钢。,退火球铁组织 铁素体 + 球状石墨,铸态球铁组织(“牛眼”状) 珠光体+铁素体+球状石墨,三. 可锻铸铁,定义：由白口铸铁在固态下经长时间G退火，使渗碳体分解形成团絮状G的一种高强度铸铁成分：C 2.2, Si 1.2-2.0, Mn 0.4-1.2,P0.1, S0.2牌号：KT300-6，330-8，350-10，370-12（F-KT） KTZ450-5，500-4，600-3，700-2 （P-KT）性能：较高强度，良好塑性，有一定的塑变能力（展性铸铁，马铁），但并不

13、能锻造。 但生产周期长，工艺复杂，成本较高。 生产：分两步： 1）生产白口铸铁 2）高温G化退火用途：制造一些形状复杂而在工作中以经受震动的薄壁（25mm）小件。,7.3 合金铸铁 自学,合金铸铁是在剧烈摩擦磨损、腐蚀介质或高温条件下使用的特殊铸铁，一般含有较多的合金元素。分类： 耐磨合金铸铁 耐热合金铸铁 耐蚀合金铸铁,一. 耐磨合金铸铁铬系耐磨合金铸铁（白口铸铁）镍系耐磨合金铸铁（白口铸铁）锰系耐磨合金铸铁（白口铸铁）二. 耐热合金铸铁 铸铁中加入Cr、Al、Si，与它们在耐热钢和耐热合金中一样，可大大提高其抗氧化性.三. 耐蚀合金铸铁 常用耐蚀合金铸铁是高Si耐蚀铸铁和高Cr耐蚀铸铁.,

14、双金属套缸,外层：50钢,内层：高铬铸铁,高铬铸铁,中锰球铁,各类灰口铸铁的比较,第十章 工业用钢 作业题,1. 说明下列典型牌号钢的大致化学成分、合金元素的主要作用、最终热处理工艺及最终组织类型：（1）20CrMnTi （2）40CrNiMo （3）60Si2Mn （4）GCr15 2何谓红硬性？提高红硬性的主要元素有哪些？其机制是什么？ 3试说明高速工具钢的热处理工艺特点以及碳与主要合金元素的作用，并说明为什么？4高速钢在淬火前（球化退火后）、淬火后、三次回火后的组织组成是什么？1. 铸铁分几类？灰口铸铁和钢在成分、组织与性能上有何主要区别？2. 说明灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁在成分、组织、性能生产工艺上的主要差别。3 .下列铸铁的类别、用途及性能的主要指标： HT200 KT350-10 QT420-10 QT1200-1,第十一章 铸铁 作业题,1. 铸铁分几类？灰口铸铁和钢在成分、组织与性能上有何主要区别？2. 说明灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁在成分、组织、性能生产工艺上的主要差别。3 .下列铸铁的类别、用途及性能的主要指标： HT200 KT350-10 QT420-10 QT1200-1,