工程材料第八章.ppt

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1、第八章 铸铁,铸铁概念 铸铁是碳质量分数大于2.11%、含有较多的硅、锰、硫、磷等元素的铁碳合金。,特点：生产设备和工艺简单，价格便宜;具有许多优良的使用性能和工艺性能，应用广泛。,一、铸铁的石墨化过程和特点 1.铸铁的石墨化过程 在铁碳合金中，碳能以三种形式存在：固溶在F、A中，化合物态渗碳体(Fe3C)，游离态石墨（G）（晶体）。,在啥条件下，铁、碳合金中析出石墨？渗碳体是一种亚稳定状态，在一定条件下能分解为铁和石墨。铁、碳合金在其其缓慢冷却（C扩散时间足够），或含有可促进石墨（G）形成元素（如Si）时，就可直接自液体或A中析出（G)。注意：在此条件下，铁、碳合金相图 Fe-G相图,铁碳合

2、金双重相图 Fe-Fe3C相图和Fe-G相图。,按Fe-G相图结晶，含（2.54.0%C）的铁碳合金的石墨化的过程可分为三个阶段：(1)从液体中析出。(2)奥氏体中分解出。共析反应析出。,石墨的晶体结构,石墨(G)稳定相，简单六方晶格。底面上原子呈六方网格排列，原子间距小（1.4210-10 m），结合力很强；两底面间的间距较大（3.0410-10 m），结合力较弱。石墨的强度、硬度和塑性很差。,石墨的作用：（1）石墨提高铸铁的切削加工性能。,（2）铸件凝固时石墨膨胀，减少铸件体积收缩，降低内应力。铸铁铸造性能良好。,（3）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。,（4）

3、石墨对振动的传递起削弱作用，使铸铁有很好的抗振性能。,（5）石墨强度、韧性极低，相当于裂纹或空洞。石墨越多，越大，对基体的割裂作用越严重，铸铁抗拉强度越低。,铁碳合金双重相图 Fe-Fe3C相图和Fe-G相图。,铸铁的石墨化过程：第一阶段石墨化 形成一次石墨和共晶石墨。L LC+G(一次）LC AE+G(共晶）,第二阶段石墨化 A析出二次石墨A G(二次）1154738,第三阶段石墨化 共析反应AsFP+G(共析）738一下 F G(三次）,影响石墨化的主要因素：(1)温度和冷却速度 在生产过程中，铸铁在高温下长时间保温，或缓慢冷却，有利于石墨化。,老师提示:生产中，调整碳、硅含量，是控制铸铁

4、组织和性能的基本措施。,(2)合金元素 C、Si、Al、Cu、Ni、Co等非碳化物形成元素促进石墨化，碳和硅最强烈。Cr、W、Mo、V、Mn、S等碳化物形成元素阻碍石墨化。,铸铁分类,2.灰口铸铁的组织特征和分类 铸铁组织：由基体和石墨组成。基体：铁素体、珠光体或铁素体加珠光体 石墨：片状、球状、蠕虫状、团絮状,灰口铸铁的分类,二、常用铸铁 1.灰铸铁 价格便宜、应用最广。（1）灰铸铁的牌号 HT150、HT250、HT400“HT”表示“灰铁”，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。灰铸铁中的碳、硅质量分数一般控制在以下范围：2.5%4.0%C;1.0%2.0

5、%Si。,灰铸铁的显微组织,F+G片 F+P+G片 P+G片,（2）影响灰铸铁组织和性能的因素 成分的影响 锰：阻碍石墨化，促进珠光体基体形成。提高铸铁强度。与硫生成MnS，减少硫有害作用。锰质量分数一般为0.5%1.4%。,硫：有害元素，强烈促进白口化，使铸造性能和机械性能恶化。硫的质量分数在0.15%以下。,磷：促进石墨化。提高铁水流动性。量大时形成磷共晶体，硬而脆，降低铸铁强度，但提高耐磨性。要求铸铁有较高强度时，磷质量分数0.3%。,冷却速度的影响 铸件的冷却速度对石墨化程度影响很大。随着铸件壁厚增加，冷却速度减慢，依次出现珠光体灰口铁、珠光体加铁素体灰口铁和铁素体灰口铁。,不同C+S

6、i含量，不同壁厚（冷却速度）铸件的组织,（3）灰铸铁的热处理及应用 热处理不能改变石墨的形态和分布。消除内应力退火 形状复杂和尺寸稳定性要求较高的铸件（机床床身、柴油机汽缸），为防止变形和开裂，须进行500 550 消除内应力退火。,消除铸件白口、降低硬度的退火 灰铸铁件表层和薄壁处产生白口组织难以切削加工，需要退火(850 900 保温25 h)，使渗碳体分解成石墨，降低硬度。,表面淬火 机床导轨、缸体内壁等，需要提高硬度和耐磨性，进行表面淬火。淬火后表面硬度可达50 HRC55 HRC。,灰铸铁的应用,叶轮 发动机飞轮,箱体 启动阀,灰铸铁铸造性能优良、价格便宜，但强度较低、韧性差。制造机

7、床床身、床头箱、阀体、叶轮、飞轮等。,注意：,灰铸铁获得方法 液态金属石墨化+孕育处理,原因：C、Si促进石墨化,但C、Si 石墨片多、粗大,灰铸铁的孕育处理,通常在碳、硅含量较低的灰铸铁液中加入孕育剂进行孕育处理，经过孕育处理的灰铸铁叫孕育铸铁或变质铸铁。细化灰铸铁组织，提高铸铁的力学性能；孕育剂（变质剂）硅铁和硅钙合金，加入重量为铁水总重量的0.40%.,孕育铸铁的金相组织：细密的珠光体基体上，均匀分布细小的石墨片。故其强度高于普通的灰铸铁。,应用：孕育铸铁用来制造力学性能要求高，截面尺寸变化较大的大型铸件，如:箱体,重型机床的床身、液压件、齿轮和导轨,缸体等。,原理：大量人工晶核结晶均匀

8、截面上组织均匀性能均匀断面敏感性小,2.球墨铸铁 球墨铸铁的石墨呈球状。具有很高的强度，良好的塑性和韧性。综合机械性能接近于钢，铸造性能好，成本较低，生产方便，得到广泛应用。,F+G球 F+P+G球 P+G球,(1)球墨铸铁的成分和球化处理 成分：要求比较严格。3.6%3.9%C,2.2%2.8%Si,0.6%0.8%Mn,0.07%S,0.1%P。,获得方法 液态金属石墨化+球化处理+孕育处理 在铁水中加入一定量的稀土镁球化剂和孕育剂，获得细小、均匀分布的球状石墨。,镁强烈阻碍石墨化。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。,(2)球墨铸铁的

9、牌号、组织和性能 QT400-15、QT600-3、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。铁素体球墨铸铁的延伸率为珠光体基的3 5倍。,(3)球墨铸铁的热处理 退火 900 950、2 h5 h。当铸件薄壁处出现渗碳体和珠光体时，退火可获得塑性好的铁素体基体，改善切削性能，消除铸造应力。,正火 880 920，空冷。得到珠光体基体（占基体75%以上），并细化组织，提高强度和耐磨性。,调质 加热到850 900，使基体转变为奥氏体，在油中淬火得到马氏体，然后经550

10、600 回火，空冷。组织：回火索氏体+球状石墨,调质后强度高，塑性、韧性好。用于要求综合机械性能较高的球墨铸铁零件，如连杆、曲轴等，表面要求耐磨的零件可以再进行表面淬火及低温回火。,等温淬火 加热到奥氏体区（840 900 左右），保温后在300 左右的等温盐浴中冷却并保温，使基体在此温度转变为下贝氏体。组织：下贝氏体+球状石墨。,性能：获得高的强度，具有良好的塑性和韧性。强度1200 MPa1450 MPa,冲击韧性300 kJ/m2360 kJ/m2,硬度38HRC51HRC。等温盐浴的冷却能力有限，一般只能用于截面不大的零件，例如受力复杂的齿轮、曲轴、凸轮轴等。,球墨铸铁的应用：用球墨铸

11、铁来代替钢制造某些重要零件。如曲轴、连杆、凸轮轴等。,曲轴 管道接口,3.蠕墨铸铁 RuT300、RuT420 蠕墨铸铁以“RuT”表示，数字表示最低抗拉强度。,蠕墨铸铁组织,蠕墨铸铁是新型高强铸铁。强度接近于球墨铸铁，有一定的韧性、较高的耐磨性；又有和灰铸铁一样良好的铸造性能和导热性。,蠕墨铸铁的石墨在光学显微镜下为蠕虫状，长厚比小，端部较钝。,蠕墨铸铁的生产：在一定成分的铁水中加入适量的蠕化剂形成。蠕化剂主要采用镁钛合金、稀土镁钛合金或稀土镁钙合金等。,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。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

12、得。可锻铸铁有铁素体和珠光体两种基体。,铁素体可锻铸铁 珠光体可锻铸铁,(1)可锻铸铁的牌号 KT350-10、KTZ600-3 铁素体可锻铸铁以“KT”表示。珠光体可锻铸铁以“KTZ”表示。两组数字表示最低抗拉强度和延伸率。,(2)可锻铸铁的生产和热处理 第一步 先铸造成白口铸铁。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 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。若第一阶段石墨化后慢冷，完成第二阶段、第三阶段石墨化，在650 700 出炉冷却至室温，得到铁素体基体可锻铸铁。

13、若第一阶段石墨化后以较快的速度（100/h）冷却通过共析转变温度区，得到珠光体基体可锻铸铁。,可锻化退火时间要几十小时，为缩短时间，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，退火时促进石墨化。,可锻铸铁应用：制造形状复杂、承受冲击和振动载荷的零件，如汽车拖拉机的后桥外壳、管接头、低压阀门等。,与球墨铸铁比，可锻铸铁成本低、质量稳定、铁水处理简单、容易组织流水生产。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。,5.特殊性能铸铁 铸铁中加入合金元素，得到具有特殊性能的合金铸铁。(1)耐磨铸铁 激冷铸铁 白口铸铁耐磨。采用

14、激冷的办法使铸件表面获得白口铸铁。用金属型铸造铸件的耐磨表面，其它部位采用砂型。调整铁水化学成分（高碳、低硅），保证白口层的深度。表面为白口铸铁，心部为灰口铸铁组织，有一定的强度。应用：制造轧辊、车轮等。,高磷铸铁 磷的质量分数提高到0.4%0.6%，生成磷共晶，呈断续网状形态分布在珠光体基体上。磷共晶硬度高，改善珠光体灰口铸铁的耐磨性。,(2)耐热铸铁 制造高温下工作的炉底板、换热器、坩埚、热处理炉内的运输链条。加入Al、Si、Cr，铸件表面形成致密的氧化膜，阻碍继续氧化改善铸铁的耐热性。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，耐热性更好。,扇形扩散器 托架,(3)耐蚀铸铁

15、 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。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。,本节小结常用铸铁 HT150、HT250 数字表示最低抗拉强度。QT420-10、QT800-2 后两组数值表示最低抗拉强度和延伸率。KT350-10、KT450-5 两组数字表示最低抗拉强度和延伸率,灰铸铁 获得方法 液态金属石墨化+孕育处理,原因：C、Si促进石墨化,但C、Si 石墨片多、粗大,灰铸铁的孕育处理,通常在碳、硅含量较低的灰铸铁液中加入孕育剂进行孕育

16、处理，经过孕育处理的灰铸铁叫孕育铸铁或变质铸铁。细化灰铸铁组织，提高铸铁的力学性能；孕育剂（变质剂）硅铁和硅钙合金，加入重量为铁水总重量的0.40%.,孕育铸铁的金相组织：细密的珠光体基体上，均匀分布细小的石墨片。故其强度高于普通的灰铸铁。,应用：孕育铸铁用来制造力学性能要求高，截面尺寸变化较大的大型铸件，如:箱体,重型机床的床身、液压件、齿轮和导轨,缸体等。,原理：大量人工晶核结晶均匀截面上组织均匀性能均匀断面敏感性小,组织 基体(F、P、F+P)+片状石墨热处理 去应力，消除白口，表面淬火用途 机床床身,球墨铸铁 成分：要求比较严格。3.6%3.9%C,2.2%2.8%Si,0.6%0.8

17、%Mn,0.07%S,0.1%P。,获得方法 液态金属石墨化+球化处理+孕育处理 在铁水中加入一定量的稀土镁球化剂和孕育剂，获得细小、均匀分布的球状石墨。,镁强烈阻碍石墨化。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。,球墨铸铁组织和性能 基体(F、P、F+P)+球状石墨,热处理 可进行各种热处理用途 柴油机曲轴，缸体等注意：不同基体的球墨铸铁，性能差别很大。P球墨铸铁的抗拉强度比F基体高50%以上。F球墨铸铁的延伸率为P基的3 5倍。,可锻铸铁 获得方法 先得白口铁（可采取孕育处理）+石墨化退火,组织 基体(F、P)+团絮状石墨,热处理 石墨化退火用途：车轮壳，管接头注意：与球铁比，成本低、质量稳定、铁水处理简单、容易组织流水生产。,