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1、第六章 铸铁,一 铸铁及其分类 概念：铸铁是碳含量大于2.11 的铁碳合金，并且还含有较多量的硅锰硫 磷元素铸铁的生产设备和工艺简单，价格便宜，并具有许多优良的使用性能和工艺性能，所以应用非常广泛，是工程上最常用的金属材料之一。用于制造各种机器零件，如机床的床身、床头箱；发动机的汽缸体、缸套、活塞环、曲轴、凸轮轴；轧机的轧辊及机器的底座等。,箱体,启动阀,在铁碳合金中，碳可以以三种形式存在：固溶在F、A中 化合物态的渗碳体(Fe3C)，游离态石墨（G）分类：根据碳在铸铁中的存在形式（G or Cem）分为 白口铸铁-碳主要以游离碳化物的形式析出，断口呈银白色 灰口铸铁-碳大部分或全部以石墨的形
2、式析出，断口呈暗灰色 麻口铸铁-碳部分以游离碳化物形式析出，部分以石墨形式析出，断口灰、白色相间,二 复线铁碳相图 在铁碳相图中，碳可以化合态的渗碳体的形式和游离态的石墨(G)的形式存在。渗碳体具有复杂的斜方结构。石墨具有特殊的简单六方晶格，其底面碳原子呈六方网络排列，原子间为共价键结合，间距小（1.42）结合力很强；底面层之间为分子键，面间距离大（3.04），结合力弱，所以石墨的强度和硬度不高，韧性很低。石墨的晶体结构如图,渗碳体为亚稳定相，在一定条件下能分解为铁和石墨（Fe3C3Fe+G）;石墨为稳定相。所以在不同情况下，铁碳合金可以有亚稳定平衡的Fe-Fe3C相图，以及稳定平衡的铁石墨相
3、图。即铁碳合金相图应该是复合相图，见图。其中，实线表示Fe-Fe3C相图，虚线表示铁碳合金.究竟按哪种相图变化，决定于其加热或冷却条件或获得的平衡的性质（亚稳定平衡还是稳定平衡）。虚线相图的分析方法，与前面讨论过的实线相图完全相同。,三铸铁的石墨化过程 石墨化-铸铁中碳原子析出并形成石墨的过程。石墨既可以直接从液体和奥氏体中析出，也可以通过渗碳体分解来获得。灰口铸铁和球墨铸铁中的石墨主要从液体中析出；可锻铸铁中的石墨则完全由白口铸铁经长时间高温退火，由渗碳体的高温分解来获得。,按照铁石墨相图，可将铸铁的石墨形成过程（石墨化）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
4、 1154(ECF线)通过共晶反应形成共晶石墨，其反应式为：LcAE+G（共晶）第二阶段石墨化 在1154 738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）通过共析反应析出石墨，其反应方程式为：AsFp+G(共析)含3的亚共晶铸铁石墨相图进行转变的过程如图所示,四影响石墨化的主要因素(一)温度及冷却速度 铸铁的结晶，在高温慢冷的条件下，由于碳原子能充分扩散，通常按铁石墨相图进行。碳以石墨的形式析出。当冷速较快时，由液体析出的是渗碳体而不是石墨，因为渗碳体的含碳量（669）比石墨（100）更接近于合金的含碳量（2540），析出渗碳体所需的碳原子扩散量较少。在低温（共
5、晶反应温度）条件下，碳原子扩散能力较差，铸铁的石墨化过程往往难以进行。铸铁加热时，到550以上，共析渗碳体开始分解为石墨和铁素体。加热温度越高，保温时间越长，分解越强烈。在共析温度以下，二次渗碳体共晶渗碳体和一次渗碳体先后分解成奥氏体和石墨。因此，在实际生产中，铸铁的缓慢冷却，或在高温下长时间保温，都有利于石墨化进程。,（二）合金元素 按对石墨化的作用，合金元素可分为两大类：促进石墨化的元素-CSiAlCuNiCo等。阻碍石墨化的元素-CrWMoVMn 等，以及杂质元素S。一般来说，非碳化物形成元素阻碍石墨化。在促进石墨化的元素中，C和Si最强烈。生产中，调整碳硅含量，是控制铸铁组织与性能的基
6、本措施。碳不仅促进石墨化，而且还影响石墨的数量大小和分布。S强烈促进石墨的白口化，并使机械性能和铸造性能恶化，因此一般控制在015以下。生产中，调整碳、硅含量，是控制铸铁组织和性能的基本措施。,CE来评价铸铁成份的石墨化能力：CE=Wc+1/2W(Si+P)同时用共晶度（表示铸铁的碳含量接近共晶点浓度的程度，Sc=1共晶铸铁；Sc1过共晶铸铁。Sc CE-石墨化能力),五.铸铁的组织特征和分类 石墨化程度不同，所得到的铸铁类型和组织也不同,铸铁经不同程度石墨化后所得的组织,组织构成：常用各类铸铁的组织是两部分组成的，一部分是石墨，另一部分是基体。基体可以是铁素体、珠光体或铁素体加珠光体，相当于
7、铁或钢的组织。所以，铸铁的组织可以看成是铁或钢的基体上分布着石墨夹杂。石墨形态：不同类型铸铁组织中的石墨形态是不同的 灰铸铁和变质铸铁中的石墨呈片状；可锻铸铁中石墨呈团絮状；球墨铸铁中的石墨呈球状；蠕墨铸铁中的石墨呈蠕虫状。,六.铸铁的性能特点 灰铸铁的抗拉强度和塑性都很低，石墨对基体严重割裂。石墨强度、韧性极低，相当于裂纹或空洞，它减小基体的有效截面，并引起应力集中。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。变质处理可细化石墨片，提高铸铁的强度，但塑性无明显改善。石墨的存在使铸铁具备下列特殊性能：（1）石墨造成脆性切削，铸铁的切削加工性能优异。（2）铸铁的铸造性能良好，铸件凝
8、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。（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）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）大量石墨的割裂作用，使铸铁对缺口不敏感。各种铸铁的机械性能,第二节 灰口铸铁,灰口铸铁是价格便宜应用最广泛的铸铁材料。在各类铸铁的总产量中，灰口铸铁占80以上。一铸铁的牌号 我国灰口铸铁的牌号见表。“HT”表示“灰铁”，后面的数字表示最低抗拉强度。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%Si。二、灰铸铁的组织 灰口铸铁有铁素体基体珠光体基体和铁素体加珠光体基体三
9、种铸铁，其组织见图。,三 灰口铸铁的性能 1、优良的铸造性能 由于灰铸铁的化学成分接近共晶点，所以铁水流动性好，可以铸造非常复杂的零件；另外由于石墨比容较大，使铸件凝固时的收缩量减少可简化工艺，减轻铸件的应力，并可得到致密的组织。2、优良的耐磨性 石墨本身具有润滑作用，石墨掉落后的空洞能吸附和储存润滑油，使铸件有良好的耐磨性；此外由于铸件中带有硬度很高的磷共晶：又能使抗磨能力进一步 提高，这对于制备活塞环气缸套等受摩擦零件具有重要意义，3、消震性好 石墨可以阻止震动的传播灰铸铁的消震能力是钢的10倍，常用来制作承受振动的机床底座。,4、较低的缺口敏感姓和良好的切削加工性能 灰铸铁中由于石墨的存
10、在，相当于存在很多小的缺口对表面的缺陷、缺口等几乎没有敏感性因此，表面的缺陷对铸铁的疲劳强度影响较小，但其疲劳强度比钢要低；由于灰铸铁中的石墨可以起断屑作用相对刀具的润滑起减摩作用、所以其切削加工性是良好的5、灰铸铁的抗拉强度、塑性、韧性及弹性模量都低于碳素铸钢 灰铸铁的抗压强度和硬度主要取决于基体组织；灰铸铁的抗压强度一般比抗拉强度高出3-4倍，这是灰铸铁的一种特性，因此与其把灰铸铁用作抗拉零件还不如做耐压零件更适合：这就是广泛用作机床床身和支柱受耐压零件的原因，灰铸铁的硬度与同样基体的正火钢相近,四.影响灰铸铁组织和性能的因素 1.成分对铸铁的影响锰是阻碍石墨化的元素，能溶于铁素体和渗碳体
11、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）。硫是有害元素，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
12、)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。随着铸件壁厚增加，冷却速度减慢，依次出现珠光体、珠光体加铁素体和铁素体灰口铸铁组织。不同C+Si含量，不同壁厚（冷却速度）铸件的组织,五孕育处理孕育处理：就是变质处理，孕育处理后的灰口铸铁叫做孕育铸铁。常用的孕育剂有两种。一种为硅类合金，例如最常用的含75硅的硅铁合金含6065硅和2535钙的硅钙合金等，后者石墨化能力比前者高1.53倍，但价格较贵。另一类是碳类，例如石墨粉电极粒等。孕育处理的目的是：1 使铁水内同
13、时生成大量均匀的非自发形核，以获得细小均匀的石墨片，并细化基体组织，提高铸铁的强度；2 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。应用：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，如气缸曲轴凸轮机床床身等，尤其是截面尺寸变化较大的铸件。,六灰口铸铁的热处理 热处理不能改变石墨的形状和分布，对提高灰口铸铁机械性能作用不大，因此生产中主要用来消除内应力、改善切削加工性能和提高表面耐磨性等。1.消除内应力退火（又称人工时效）一些形状复杂和尺寸稳定性要求较高的重要铸件，如机床床身柴油机气缸等，为了防变形和开裂，需进行消除内应力退火。工艺规定是：加热温度500550，
14、加热速度为60120/h。温度不宜过高，以免发生共析渗碳体的球化和石墨化。保温时间则取决于加热温度和铸件壁厚，一般是：壁厚20mm时，保温时间为2h，壁厚每增加25mm，保温时间增长1h。冷却速度为2050/h，到150220后出炉空冷。,2.消除铸件白口降低硬度的退火 灰口铸铁件表面和薄壁处产生的白口组织难以切削加工，需要退火降低硬度。退火在共析温度以上进行，使渗碳体分解成石墨，所以又称高温退火。工艺是：加热到850900，保温25h，然后随炉冷却，至250400后出炉空冷。退火铸件的硬度可下降HB2040。3.表面淬火 有些铸件如机床导轨缸体内壁等，因需要提高硬度和耐磨性，可进行表面淬火处
15、理，如高频表面淬火火焰表面淬火等。淬火后表面硬度可达HRC50。,第三节 球墨铸铁,球墨铸铁是本世纪50年代发展起来的一种高强度材料，其综合机械性能接近于钢，因铸造性能很好，成本很低，生产方便，在工业生产中得到了广泛的应用。一球墨铸铁的成分和球化处理 球墨铸铁的成分：要求比较严格，一般范围是：3.63.9%C,2.02.8%Si,0.60.8%Mn,0.07%S,0.1%P。与灰口铸铁相比，它的碳当量较高，一般为过共晶成分，通常在4.54.7%范围内变动，以利于石墨球化。,球墨铸铁的球化处理：必须伴随以孕育处理，通常是在铁水中加入一定量的球化剂和孕育剂。国外使用球化剂主要是金属镁，实践证明，铁
16、水中含0.040.08镁时，石墨就能完全球化。我国普遍使用稀土镁球化剂。镁是强烈的反石墨化元素，为了避免白口，并使石墨球细小均匀分布光园，一定要加入孕育剂。常用的孕育剂为75硅铁和硅钙合金等。,二、球墨铸铁的牌号、组织和性能 1.牌号 我国球墨铸铁牌号用“QT”标明，其后两组数字表示最低抗拉强度极限和延伸率，见表 由表中数据可知，球墨铸铁的抗拉强度远远超过灰口铸铁，而与钢相当。其突出特点是屈强比（0.2/b）高，约为0.70.8，而钢一般只有0.30.5。在一般的机械设计中，材料的许用应力根据0.2确定，因此对于承受静载的零件，使用球墨铸铁比铸钢还节省材料，重量更轻。,2.组织 不同的基体的球
17、墨铸铁见图，性能差别很大。珠光体球墨铸铁的抗拉强度比铁素体基体的高50以上，而铁素体基的球墨铸铁的延伸率为珠光体基的35倍。3.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。可见带孔和带台肩的试样疲劳强度大致相同。试验还表明，球墨铸铁的扭转疲劳强度甚至超过45钢。在实际应用中，大多数承受动载的零件是带孔或是带台肩的，因此完全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。,三、球墨铸铁的热处理热处理特点：球墨铸铁的热处理原理与钢大致相同，但由于 它含有较高的硅、碳、锰等，具有一些特点1.共析转变温度较高 其奥氏体的加热温国度高于碳钢2.C曲
18、线右移，并形成两个“鼻尖”淬透性比碳钢好，因此中、小铸件可采用油淬，并较容易实现等温淬火工艺，获得下贝氏体基体,3.可利用淬火加热温度和保温时间的控制来调整奥氏体中的碳含量:高的加热温度和长的保温时间，使以石墨形式保存在的碳较多地溶入奥氏体中，因而淬火后得到较粗大的马氏体和数量较多的残余奥氏体。对铸件综合性能要球较高时，应在保证完全奥氏体化的条件下，尽量采用较低的加热温度，以获得碳含量较低的马氏体基体组织。,热处理工艺,主要有退火、正火、调质、等温淬火等。1.退火 退火目的：在于获得铁素体基体。球化剂增大铸件的白口化倾向，当铸件薄壁处现自由渗碳体和珠光体时，为了获得塑性好的铁素体基体，并改善切
19、削性能，消除铸造应力，根据铸铁的铸造组织，可采用两种退火工艺：a高温退火-存在自由渗碳体时，进行高温退火：加热到990950，保温25h。随炉冷却，至600左右出炉空冷。b低温退火-铸态组织为铁素体加珠光体加石墨而没有自由渗碳体时，采用低温退火：加热720760，保温36h，随炉冷却至600后出炉空冷。,2.正火 正火的目的：在于得到珠光体基体（占基体75以上），并细化组织，提高强度和耐磨性。根据加热温度，分高温正火（完全奥氏体化正火）和低温正火（不完全奥氏体化正火）两种：a高温正火-加热到880920，保温3h,然后空冷，为了提高基体中珠光体的含量，还常采用风冷，喷雾冷等加快冷却速度的方法（
20、保证铸铁的强度)。b低温正火-加热到820860，保温一定时间，使基体部分转变为奥氏体，部分保留为铁素体，空冷后得到珠光体和少量破碎铁素体的基体，提高铸铁的强度，保证其较好的塑性。,3.调质要求综合机械性能较高的球墨铸铁零件，如连杆、曲轴等，可采用调质处理。其工艺为：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550 600 回火，空冷，获得回火索氏体+球状石墨。回火索氏体基体不仅强度高，而且塑性、韧性比正火得到的珠光体基体好。表面要求耐磨的零件可以再进行表面淬火及低温回火。,球墨铸铁调质和正火后的组织性能,4.等温淬火球墨铸铁经等温淬火后可获得高的强度，同时具有良好
21、的塑性和韧性。等温淬火工艺为：加热到奥氏体区（840 900 左右），保温后在300 左右的等温盐溶中冷却并保温，使基体在此温度下转变为下贝氏体+球状石墨。等温处理后，球墨铸铁的强度可达1200 MPa1450 MPa,冲击韧性为300 kJ/m2360 kJ/m2,硬度为38 HRC51 HRC。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。,第四节 蠕墨铸铁,蠕墨铸铁是近几十年来发展起来的一种新型高强铸铁材料。它的强度接近于球墨铸铁，并具有一定的韧性，较高的耐磨性；同时又有灰口铸铁良好的铸造性能和导热性。RuT300、RuT420蠕墨铸铁以“RuT
22、”表示，其后的数字表示最低抗拉强度。蠕墨铸铁的牌号和机械性能见表 蠕墨铸铁是一种新型高强铸铁材料。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。石墨片的长厚比小，端部较钝。,蠕墨铸铁,蠕墨铸铁是在一定成分的铁水中加入适量的蠕化剂而炼成的，其方法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。,第五节 可锻铸铁,可锻铸铁是由白口
23、铸铁通过退火处理得到的一种高强铸铁。它有较好的强度、塑性和冲击韧性，可以部分取代碳钢。按退火方法不同，这种铸铁有黑心和白心两种类型。黑心可锻铸铁依靠石黑化退火来获得；白心可锻铸铁利用氧化脱碳退火来获得。后者已很少生产，我国主要生产黑心可锻铸铁。一.可锻铸铁的牌号和用途 1.显微组织：可锻铸铁有铁素体和珠光体两种基体见图。,2 牌号：可锻铸铁的牌号和机械性能见表；可锻铸铁的化学成分见表 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。其后的两组数字表示最低抗拉强度和延伸率。3 应用：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，如汽车拖拉
24、机的后桥外壳、管接头、低压阀门等。这些零件用铸钢生产时，因铸造性能不好，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，容易统一组织流水生产线等有点。尤其对于薄壁件，球墨铸铁还容易生成白口，需要进行高温退火，这时采用可锻铸铁更为适宜。,二.可锻铸铁的生产和热处理可锻铸铁的生产分两个步骤：第一步：现铸造纯白口铸铁，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。
25、随后以较快的速度（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。可锻化退火时间要几十小时，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、0.006%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。,第六节合金铸铁,在铸铁中加入某些合金元素，得到一些具有各种特殊
26、性能的合金铸铁。(1)耐磨铸铁在磨粒磨损条件下工作的铸铁应具有高而均匀的硬度。白口铸铁就属这类耐磨铸铁。但白口铸铁脆性较大，不能承受冲击载荷，生产中采用激冷的办法来获得激冷铸铁。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。心部为灰口铸铁组织，有一定的强度。应用于轧辊和车轮等的铸造生产。改善珠光体灰口铸铁的耐磨性，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，提高基体强度和韧性，铸铁的耐磨性
27、能等得到更大提高，如高铬耐磨铸铁、奥贝球墨铸铁等新型合金铸铁。,衬板,弯管,(2)耐热铸铁 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，铸件表面形成致密的氧化膜，阻碍继续氧化；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，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。耐热铸铁的化学成分和机械性能,(3)耐蚀铸铁 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
28、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。,作业及思考题,名词：石墨化、白口铸铁、灰口铸铁、麻口铸铁根据Fe-G相图，分析灰口铸铁、麻口铸铁、白口铸铁是如何获得的？其获得的显微组织分别是什么？影响石墨化的主要因素是什么？如何影响？为什么在同一灰铸铁中，往往表层和薄壁部位易产生白口组织，用什么方法予以消除？铸铁的抗拉强度和硬度主要取决于什么？,返回,返回,返回,石墨的晶体结构,铁碳合金复线相图,返回,各种铸铁的机械性能,Fanhui,灰铸铁的牌号、组织及应用,返回,F+G片,F+P+G片,P+G片,灰口铸铁的显微组织,返回,球墨铸铁的牌号和机械性能,返回,球墨铸铁的显微组织,返回,球墨铸铁和45钢的疲劳强度,返回,蠕墨铸铁的牌号和机械性能,返回,可锻铸铁的牌号和机械性能,返回,可锻铸铁的化学成分(w/%),返回,可锻铸铁的显微组织,返回,耐热铸铁的化学成分和机械性能,返回,
