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1、第五章 铸铁,铸铁石墨化过程及影响因素；铸铁的分类、成分、组织、性能、用途,本章目的:,掌握铁碳双重相图 深入理解铸铁的石墨化过程与影响因素，石墨形态对铸铁性能的影响，铸铁的热处理特点，常用铸铁的牌号、组织和用途,本章重点：,第一节 概述第二节 常用铸铁第三节 特殊性能铸铁,本章的主要内容,第一节 概述,铸铁：含碳量大于2.11%的铁碳合金。实际应用的铸铁中还会含有较多的Si、Mn和其他一些杂质元素。为了提高铸铁的性能，还可以加入一定量的合金元素，组成合金铸铁。同钢相比，虽然强度、塑性和韧性较低，但是铸铁熔炼简便，成本低廉，具有优良的铸造性能、很高的耐磨性、良好的减振性和切削加工性能等一系列的
2、优点，因此而获得较为广泛的应用。,在汽车上，重量约为50%70%的金属材料为铸铁。如：汽缸体、变速箱体、后桥壳、曲轴等。随着科技的发展，新型铸铁的不断出现，为铸铁的广泛应用开辟更广泛的前景，目前有些零部件（曲轴、齿轮），形成了以铁代钢的趋势。,碳的存在形式：固溶于A和F中化合物渗碳体（Fe3C）游离态的石墨（G）,石墨特点：C%100%简单六方晶体结构强度、塑性和韧性极低松软相，相当于孔洞和裂缝,Fe3C3Fe+G,亚稳相 稳定相,graphite,一、铸铁组织的形成,碳存在的形式及断口的颜色,白口铸铁,灰铸铁,麻口铸铁,渗碳体,游离的石墨,渗碳体,游离的石墨,根据碳在铸铁中的存在形式，铸铁可
3、分为：,铁碳合金双重相图,Fe-Fe3C相图Fe-G相图,渗碳体是亚稳定相，而石墨才是稳定相。热力学条件：有利于石墨化的过程 动力学条件：主要有成分起伏、结构起伏和原子扩散。有利于渗碳体的形成为了使G化进行，可人为地改变热力学和动力学条件。,铸铁的石墨化过程,成分起伏,L4.3%C,Fe3C（6.69%C）+A,G（100%C）+A,结构起伏,L（或-Fe）Fe、C并存(面心),Fe3C（复杂斜方结构）,G（六角形层状结构）,比较接近,浓度差小,原子扩散,G长大，不但要C原子扩散集中，而且Fe原子要从G生长前沿逆向扩散。而Fe3C长大只要C扩散，Fe原子局部移动即可。G长大较难。,有利于Fe3
4、C长大,化学成分：C、Si 促进石墨化冷却速度：冷速慢有利碳原子的充分扩散，易于石墨化。受铸件厚度和铸型材料影响,影响石墨化的因素：,化学成分的影响,C Si,C和Si是基本成分，是G元素。石墨来源于C。Si含量一般在0.83.5%之间，Si的加入对Fe-G相图发生变化。,Si作用,共晶点和共析点碳量随硅含量的而；使共晶和共析转变在一温度范围内进行；共晶和共析温度。共析温度提高更多，大约每1 Si，可使共析温度28；Si促进铸铁石墨化的作用相当于1/3C。,G化，1/3C作用。0.2%后，出现硬脆Fe3P，呈孤立、细小、均匀分布时，可耐磨性。若粗大连续网状分布，将强度，铸件脆性。除在耐磨铸铁中
5、可达0.51.0%外，在普通铸铁中都作为杂质，通常灰铁中P含量控制在0.2%。,G化；Mn能与S结合生成MnS，削弱硫的有害作用。铸铁中含锰量一般在0.51.4%范围内，如要获得铁素体基体，含锰量应取下限。,P,Mn,白口；铁水流动性，恶化铸造性；形成FeS，分布晶界，使铸铁变脆。S是有害元素，其含量应尽量低，一般将S限制在0.15%以下,S,促进石墨化元素,阻碍石墨化元素,+Al、C、Si、Ni、Cu,W、Mn、Mo、S、Cr、Fe、Mg,冷却速度的影响,化学成分选定后，改变铸铁各阶段冷却速度，可以在很大范围内改变铸态组织。V冷越缓慢，越有利于按Fe-C状态图进行结晶和转变。尤其是共析阶段G
6、化，通常情况下，共析阶段的G化难以完全进行,在生产中，铸件冷却速度是一个综合因素，它与浇注温度、铸型条件以及铸件壁厚均有关系。同一铸件不同壁厚处具有不同组织和性能，称之为铸件壁厚敏感效应。铸件壁厚是设计的，难以改变，对已知壁厚铸件，可调整化学成分来保证获得所需组织.,石墨形成的两个阶段：,G,共晶石墨,G,共析石墨,第二阶段：低温石墨化阶段 共析石墨,第一阶段：高温石墨化阶段 一次石墨（G）、共晶石墨、二次石墨（G）,铸铁的组织和分类,二、石墨与基体对铸铁性能的影响,铸铁的机械性能主要取决于铸铁基体组织以及石墨的数量、形状、大小及分布特点。石墨机械性能很低，硬度仅为3HB5HB，抗拉强度为20
7、MPa，延伸率接近零。石墨与基体相比，其强度和塑性都要小得多。,铸铁性能,石墨造成脆性切削，铸铁的切削加工性能优异。铸铁的铸造性能良好，铸件凝固时形成石墨产生的膨胀，减少铸件体积的收缩，降低铸件中的内应力。石墨有良好的润滑作用，并能储存润滑油，使铸件有很好的耐磨性能。石墨对振动的传递起削弱作用，使铸铁有很好的抗振性能 大量石墨的割裂作用，使铸铁对缺口不敏感。,虽然铸铁的机械性能不如钢，但由于石墨的存在，却赋予铸铁许多为钢所不及的特殊性能：,第二节 常用铸铁,铸铁中的石墨形态、尺寸以及分布状况对性能影响很大。铸铁中石墨状况主要受铸铁的化学成分及工艺过程的影响。通常铸铁中石墨形态(片状或球状)在铸
8、造后即形成，也可将白口铸铁通过退火，让其中部分或全部的碳化物转化为团絮状形态的石墨。,灰铸铁是指石墨呈片状分布的灰口铸铁。其产量约占铸铁总产量的80%以上。,一、灰铸铁,命名,HT+三位数字，表示最低的抗拉强度。如：HT100，HT150、HT200、HT250、HT300、HT350。,组织,石墨片的三维形貌,铁素体灰铸铁（F+G）,珠光体灰铸铁（P+G）,铁素体加珠光体灰铸铁(F+P+G),牌号,抗拉强度值，MPa,耐磨性好 石墨有利于润滑、储油。抗压强度高抗拉强度、塑韧性比钢低。消震性好（是钢的十倍）G 组织松软铸造性好 接近共晶成分、熔点低、流动性好、凝固收缩小。切削加工性好 G 使切
9、屑易断，还可润滑刀具抗拉强度低、塑韧性很差基体强度不能充分发挥，其强度利用率仅3050%，表现为b很低，塑性和韧性几乎为零,性能,热处理只改变基体组织，不改变石墨形态，灰铸铁强度只有碳钢的30-50%，所以灰铸铁热处理不能显著改善其力学性能，主要为消除铸件内应力，稳定尺寸，改善切削加工性能和提高表面耐磨性。灰铸铁常用的热处理有：消除内应力退火(又称人工时效)消除白口组织退火或正火 表面淬火,灰铸铁的热处理,制造承受压力和震动的零件,如机床床身、各种箱体、壳体、泵体、缸体。,应用,石墨呈团絮状的灰口铸铁，是由白口铸铁经石墨化退火获得的。石墨呈团絮状，对基体破坏作用较小，所以比灰铸铁具有较高的强度
10、强度为碳钢的0-0%，接近于铸钢、塑性和冲击韧度，但不能锻造。,二、可锻铸铁,命名,KT+种类+三位数字-两位数字，种类：H：黑心铸铁，Z珠光体铸铁，三位数字：最低抗拉强度，两位数字：最低的伸长率。如KTH300-06，KTZ450-06,强度为碳钢的4070%，接近于铸钢。名为可锻，实不可锻,可锻铸铁的石墨化退火,性能,黑心可锻铸铁（FG）,珠光体可锻铸铁（PG）,可锻铸铁石墨化退火工艺曲线,组织,基体(F、P)团絮状G,牌号,用于制造形状复杂且承受振动载荷的薄壁小型件，如汽车、拖拉机的前后轮壳、管接头、低压 阀门等。,生产周期长，工艺复杂，成本较高，已部分地被球墨铸铁所代替。,典型用途,石
11、墨呈球形的灰口铸铁。球状石墨是液态铁水经球化处理得到的。球化剂为镁、稀土和稀土镁。,硅铁,硅钙,稀土镁,为避免白口，并使石墨细小均匀，在球化处理同时还进行孕育处理。常用孕育剂为硅铁和硅钙合金。,三、球墨铸铁,牌号意义,例如QT400-15，QT为球铁代号，400表示抗拉强度不低于400MPa，15表示伸长率不低于15%。,铁素体球墨铸铁(F+G),珠光体球墨铸铁(P+G),铁素体加珠光体球墨铸铁(F+P+G),组织,球状G+金属基体（F，F+P，P，S回，B下等）。球状G孤立分布，理想的是“小、匀、圆、适量”。,强度是碳钢的7090%。具有灰铸铁的优点：良好的铸造性、耐磨性、可切削加工性及低的
12、缺口敏感性等，又具有与中碳钢相媲美的力学性能。,球状石墨对基体的割裂作用小！,性能,球墨铸铁的热处理特点,共析转变不是在恒定的温度下进行，而是在一个较宽的温度范围内进行,改变热处理T和t,不同比例的F和P基体组织,较大幅度地调整铸铁的力学性能,奥氏体含C量可在较宽范围内变化,石墨是C的“仓库”，既可在高温时输出给奥氏体，也可在冷却时容纳奥氏体中析出的C,G参与相变，但一般不能改变G形状与分布,一般热处理工艺方法基本上可采用,（1）消除内应力退火（2）高温石墨化退火 消除游离渗碳体（3）低温石墨化退火 消除共析渗碳体（4）正火处理和调质处理 获得珠光体的组织和提高珠光体的分散度（5）等温淬火处理
13、 得到B体或AB体基体组织。提高综合机械性能（6）表面淬火（7）化学热处理 氮化、渗硼和渗硫等,典型用途,铸铁曲轴,连杆,替代部分铸钢、锻钢件,承受震动、载荷大的零件，如曲轴、传动齿轮等。,四、蠕墨铸铁,蠕墨铸铁是20世纪60年代发展起来的一种新型铸铁。蠕墨铸铁是液态铁水经蠕化处理和孕育处理得到的。,蠕化剂为稀土硅铁镁合金。稀土硅铁合金、稀土硅铁钙合金等。,蠕墨铸铁的组织：基体（F、F+P、P）+蠕虫状G,蠕墨铸铁中的石墨,珠光体基体,铁素体基体,蠕墨铸铁的组织,蠕墨铸铁的力学性能介于灰铸铁与球墨铸铁之间。并且具有优良的抗热疲劳性能。它的铸造性能和减振性能都比球铁为优。,蠕墨铸铁的性能,常用于
14、制造承受热循环载荷的零件和结构复杂、强度要求高的铸件。如钢锭模、玻璃模具、柴油机汽缸、汽缸盖、排气阀、液压阀的阀体、耐压泵的泵体等。,玻璃模具,制动鼓,蠕墨铸铁用途,各种铸铁的化学成分/%,工业上除了要求铸铁有一定的力学性能外，有时还要求它具有较高的耐磨性以及耐热性、耐蚀性。为此，在普通铸铁的基础上加入一定量的合金元素，制成特殊性能铸铁，主要包括：耐磨铸铁、耐热铸铁和耐蚀铸铁。,第三节 特殊性能铸铁,根据工作条件的不同，耐磨铸铁可以分为减摩铸铁和抗磨铸铁两类。减磨铸铁用于制造在有润滑条件时工作的零件，如机床床身、导轨和汽缸套等，这些零件要求较小的摩擦系数。常用的减磨铸铁主要有磷铸铁、硼铸铁、钒
15、钛铸铁和铬钼铜铸铁。抗磨铸铁用来制造在干摩擦条件下工作的零件，如轧辊、球磨机磨球等。常用的抗磨铸铁有珠光体白口铸铁、马氏体白口铸铁和中锰球墨铸铁。,耐磨铸铁,普通灰口铸铁的耐热性较差，只能在小于400的温度下工作，在高温下工作的炉底板、换热器、坩埚、热处理炉内的运输链条等，必须使用耐热铸铁。耐热铸铁是指在高温下具有良好的抗氧化和抗生长能力的铸铁。氧化是指铸铁在高温下受氧化性气氛的侵蚀，在铸件表面发生的化学腐蚀的现象。由于表面形成氧化皮，减少了铸件的有效断面，因而降低了铸件的承载能力。生长是指铸铁在高温下反复加热冷却时发生的体积长大，造成零件尺寸增大，并使力学性能降低。铸件在高温和有负荷作用下，
16、由于氧化和生长最终导致零件变形、翘曲、产生裂纹，甚至破裂。,耐热铸铁,在铸铁中加入Al、Si、Cr等元素，一方面在铸件表面形成致密的SiO2、Al2O3、Cr2O3等氧化膜，阻碍继续氧化；另一方面提高铸铁的临界温度，使基体变为单相铁素体，不发生石墨化过程，从而改善铸铁的耐热性。耐热铸铁按其成分可分为硅系、铝系、硅铝系及铬系等。其中铝系耐热铸铁脆性较大，而铬系耐热铸铁的价格较贵，所以我国多采用硅系和硅铝系耐热铸铁。,普通铸铁的耐蚀性很差，这是因为铸铁本身是一种多相合金，在电解质中各相具有不同的电极电位，其中以石墨的电极电位最高，渗碳体次之，铁素体最低。电位高的相是阴极，电位低的相是阳极，这样就形
17、成了一个微电池，于是作阳极的铁素体不断被消耗掉，一直深入到铸铁内部。提高铸铁耐蚀性的主要途径是合金化。在铸铁中加入Si、Cr、Al、Mo、Cu、Ni等合金元素形成保护膜，或使基体电极电位升高，可以提高铸铁的耐蚀性能。另外，通过合金化，还可获得单相金属基体组织，减少铸铁中的微电池，从而提高其抗蚀性。目前应用较多的耐蚀铸铁有高硅铸铁、高硅钼铸铁、铝铸铁、铬铸铁等。,耐蚀铸铁,复习思考题,铸铁的石墨形态有几种？试述石墨形态对铸铁性能的影响。铸铁的石墨化过程是如何进行的？影响石墨化的主要因素有哪些？试述灰铸铁片状石墨的形成机理及其热处理特点。试述球墨铸铁的组织及热处理特点。试述蠕墨铸铁显微组织和性能特点。可锻铸铁是如何获得的？为什么它只宜制作薄壁小铸件？比较灰口铸铁与碳钢在化学成分、组织和性能上的主要差别。,
