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1、第五章 铸铁,一、铸铁的石墨化,1，铸铁的成分、组织和性能特点,成分：C：2.54.0%；Si：1.03.0%；S：0.020.20%；P：0.010.5%；特点：与钢比较1)C、Si、S、P含量高；2)强度、塑性、韧性低，减磨性好；3)价格低廉，QT：“以铁代钢”；4)铸造性能好,2，铸铁的石墨化过程,石墨的晶体结构,(1)石墨化过程分为三个阶段,第一阶段石墨化 铸铁液体结晶出一次石墨（过共晶铸铁）和在1154（ECF线）通过共晶反应形成共晶石墨。LC AE+G(共晶）第二阶段石墨化 在1154738温度范围内奥氏体沿ES线析出二次石墨。第三阶段石墨化 在738（PSK线）通过共析反应析出共
2、析石墨。AEFP+G(共析）,(1)温度和冷却速度 在生产过程中，铸铁的缓慢冷却，或在高温下长时间保温，均有利于石墨化。(2)合金元素 按对石墨化的作用，可分为促进石墨化的元素（C、Si、Al、Cu、Ni、Co等）和阻碍石墨化的元素（Cr、W、Mo、V、Mn、S等）两大类。一般来说，碳化物形成元素阻碍石墨化，非碳化物形成元素促进石墨化，其中以碳和硅最强烈。生产中，调整碳、硅含量，是控制铸铁组织和性能的基本措施。,(2)影响石墨化的主要因素,3，铸铁的组织特征,铸铁的组织可以看成是铁或钢的基体上分布着石墨夹杂,4，铸铁的性能特点,缺点,二、铸铁种类和牌号,灰口铁：断口呈灰色，故名灰口铁 灰口铸铁
3、 球墨铸铁蠕墨铸铁可锻铸铁白口铁：断口呈白亮色，故名白口铁；完全按FeFe3C相图结晶；,1，灰铸铁,（1）灰铸铁的牌号：HT150、HT250、HT400“HT”表示“灰铁”，后面的数字表示最低抗拉强度。灰铸铁有铁素体、珠光体和铁素体加珠光体三种基体。,F+G片 F+P+G片 P+G片,（2）影响灰铸铁组织和性能的因素,1）成分对铸铁的影响,锰：阻碍石墨化的元素，能溶于铁素体和渗碳体中，增强铁、碳原子间的结合力，扩大奥氏体区，阻止共析转变时的石墨化，促进珠光体基体的形成。锰还能与硫生成MnS，减少硫的有害作用。锰质量分数一般为0.5%1.4%。磷：是促进石墨化的元素。铸铁中磷含量增加时，液相
4、线降低，从而提高了铁水的流动性。在铸铁中，磷质量分数大于0.3%时，常常形成二元或三元磷共晶体，其性能硬而脆，降低铸铁的强度，但提高其耐磨性。所以，要求铸铁有较高强度时，要限制磷含量（一般在0.12%以下），而耐磨铸铁则要求有一定的磷含量（可达0.3%以上）。,硫：有害元素，它强烈促进白口化，并使铸铁的铸造性能和机械性能恶化。少量硫即可生成FeS(或MnS)。FeS与铁形成低熔点(约980)共晶体，沿晶界分布。因此限定硫的质量分数在0.15%以下。,2）冷却速度的影响,在一定的铸造工艺（如浇注温度、铸型温度、造型材料种类等）条件下，铸件的冷却速度对石墨化程度影响很大,不同C+Si含量，不同壁厚
5、（冷却速度）铸件的组织,3）孕育处理,在浇铸前在铸铁液中加入少量孕育剂（硅铁合金或硅铁钙合金），铁水内同时生成大量均匀分布的非自发核心，以获得细小均匀的石墨片，并细化基体组织，提高铸铁强度；避免铸件边缘及薄断面处出现白口组织，提高断面组织的均匀性。孕育铸铁具有较高的强度和硬度，可用来制造机械性能要求较高的铸件，如汽缸、曲轴、凸轮、机床床身等，尤其是截面尺寸变化较大的铸件,2，球墨铸铁,球墨铸铁的石墨呈球状，使其具有很高的强度，又有良好的塑性和韧性。其综合机械性能接近于钢，因其铸造性能好，成本低廉，生产方便，在工业中得到了广泛的应用,球墨铸铁的成分要求比较严格，一般范围是：3.6%3.9%C,2
6、.2%2.8%Si,0.6%0.8%Mn,0.07%S,0.1%P。球墨铸铁的的球化处理必须伴随着孕育处理，通常是在铁水中同时加入一定量的球化剂和孕育剂。我国普遍使用稀土镁球化剂。镁是强烈阻碍石墨化的元素，为了避免白口，并使石墨球细小、均匀分布、一定要加入孕育剂。常用的孕育剂为硅铁和硅钙合金等。,(1)球墨铸铁的成分和球化处理,(2)球墨铸铁的牌号、组织和性能,QT420-10、QT600-2、QT800-2 球墨铸铁牌号用“QT”标明，其后两组数值表示最低抗拉强度极限和延伸率不同基体的球墨铸铁，性能差别很大。珠光体球墨铸铁的抗拉强度比铁素体基体高50%以上，而铁素体球墨铸铁的延伸率为珠光体基
7、的3-5倍,球墨铸铁的牌号和机械性能,球墨铸铁具有较好的疲劳强度。表中给出了球墨铸铁和45钢试验的对称弯曲疲劳强度。可以用球墨铸铁来代替钢制造某些重要零件，如曲轴、连杆、凸轮轴等。,球墨铸铁和45钢的疲劳强度,3.蠕墨铸铁,蠕墨铸铁以“RuT”表示，其后的数字表示最低抗拉强度。蠕墨铸铁是一种新型高强铸铁材料。它的强度接近于球墨铸铁，并且有一定的韧性、较高的耐磨性；同时又有和灰口铸铁一样的良好的铸造性能和导热性。蠕墨铸铁的石墨具有介于片状和球状之间的中间形态，在光学显微镜下为互不相连的短片，与灰口铸铁的片状石墨类似。所不同的是，其石墨片的长厚比较小，端部较钝,蠕墨铸铁是在一定成分的铁水中加入适量
8、的蠕化剂而炼成的，其方法与程序与球墨铸铁基本相同。蠕化剂目前主要采用镁钛合金、稀土镁钛合金或稀土镁钙合金等。蠕墨铸铁已成功地用于高层建筑中高压热交换器、内燃机汽缸和缸盖、汽缸套、钢锭模、液压阀等铸件,蠕墨铸铁的牌号和机械性能,4.可锻铸铁,可锻铸铁是由白口铸铁通过退火处理得到的一种高强铸铁。它有较高的强度、塑性和冲击韧性，可以部分代替碳钢。可锻铸铁依靠石墨化退火获得；,KTH黑心可锻铸铁，即F体基体的可锻铸铁；KTB白心可锻铸铁，即F+P基体的可锻铸铁KTZP基体的可锻铸铁 其后的两组数字表示最低抗拉强度和延伸率,(1)可锻铸铁的牌号,可锻铸铁常用来制造形状复杂、承受冲击和振动载荷的零件，如汽
9、车拖拉机的后桥外壳、管接头、低压阀门等。这些零件用铸钢生产时，因铸造性不好，工艺上困难较大；而用灰口铸铁时，又存在性能不能满足要求的问题。与球墨铸铁相比，可锻铸铁具有成本低、质量稳定、铁水处理简单、容易组织流水生产等优点。尤其对于薄壁件，若采用球墨铸铁易生成白口，需要进行高温退火，采用可锻铸铁更为适宜。,(2)可锻铸铁的用途,(3)可锻铸铁的生产和热处理,第一步，先铸造纯白口铸铁，不允许有石墨出现，否则在随后的退火中，碳在已有的石墨上沉淀，得不到团絮状石墨第二步，进行长时间的石墨化退火处理,将白口铸铁加热到900 960，长时间保温，使共晶渗碳体分解为团絮状石墨，完成第一阶段的石墨化过程。随后
10、以较快的速度（100/h）冷却通过共析转变温度区，得到珠光体基体的可锻铸铁。若第一阶段石墨化保温后慢冷，使奥氏体中的碳充分析出，完成第二阶段石墨化，并在冷至720 760 后继续保温，使共析渗碳体充分分解，完成第三阶段石墨化，在650 700 出炉冷却至室温，可以得到铁素体基体的可锻铸铁,石墨化过程,F+G,时间/S,P+G,PF+G,900980保温15h：Fe3CF+G770炉冷：A+GF+G；770空冷：A+GP+G,可锻化退火时间常常要几十小时，为了缩短时间，并细化组织，提高机械性能，可在铸造时采取孕育处理。孕育剂能强烈阻碍凝固时形成石墨和退火时促进石墨化。采用0.001%硼、0.00
11、6%铋和0.008%铝的孕育剂，可将退火时间由70多小时缩短至30小时。,缩短石墨化过程,5.合金铸铁,在铸铁中加入某些合金元素，得到一些具有各种特殊性能的合金铸铁,耐磨铸铁(2)耐热铸铁,为了进一步改善珠光体灰口铸铁的耐磨性，常将铸铁的磷的质量分数提高到0.4%0.6%(高磷铸铁），生成磷共晶（F+Fe3P,P+Fe3P或F+P+Fe3P），呈断续网状的形态分布在珠光体基体上，磷共晶硬度高，有利于耐磨。加入Cr、Mo、W、Cu等合金元素，改善组织，提高基体强度和韧性，从而使铸铁的耐磨性能等得到更大的提高，如高铬耐磨铸铁、奥贝球墨铸铁等都是近十几年来发展起来的新型合金铸铁。,（1）耐磨铸铁,在
12、高温下工作的铸铁，如炉底板、换热器、坩埚、热处理炉内的运输链条等，必须使用耐热铸铁。加入Al、Si、Cr等元素，一方面在铸件表面形成致密的氧化膜，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。球墨铸铁中，石墨为孤立分布，互不相连，不形成气体渗入通道，故其耐热性更好。,(2)耐热铸铁,耐蚀铸铁主要用于化工部件，如阀门、管道、泵、容器等。普通铸铁的耐蚀性差，因为组织中的石墨和渗碳体促进铁素体腐蚀。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。常用耐蚀铸铁有高硅、高硅钼、高铝、高铬等耐蚀铸铁。,(3)耐蚀铸铁,
