第六章 铸 铁

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第六章 铸 铁,知识目标：,1,、铸铁的石墨化过程,;,2,、铸铁的分类及影响石墨化程度的因素,;,3,、灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、蠕墨铸铁的牌号、,组织性能特点及应用。,重点：,1,、铸铁的分类,2,、灰铸铁、球墨铸铁牌号组织性能特点及应用。,第六章 铸 铁,引言,:,1,、何为铸铁？,铸铁是碳质量分数大于,2.11%,、,并常含有较多的,硅、锰、硫、磷,等元素的铁碳合金。,用于制造机床的床身、床头箱,发动机的汽缸体、机器的底座等，是工程上最常用的金属材料之一。,箱体,启动阀,根据,碳,在铸铁中存在形式不同，可分三大类：,1,、白口铸铁,2,、灰口铸铁,3,、麻口铸铁,C,的存在形式：,渗碳体,(Fe3C),，,断口为白色,。,性能硬而脆，难以切削加工。主要用作炼钢原料，高耐磨零件（如轧辊、犁铧等）。,C,的存在形式：,石墨,，断口为灰黑色。,C,的存在形式：,石墨,+,渗碳体,，断口为黑白色。,灰铸铁是铸造性能最好，应用最广泛的铸铁材料。,性能：脆性大，很少使用,。,第六章 铸 铁,第一节,概 述,一、铸铁分类,普通灰铸铁：石墨呈,片状,，见图,6-1a,可锻铸铁：石墨呈,团絮状,，见图,6-1c,蠕墨铸铁：石墨呈,蠕虫状,，见图,6-1d,球墨铸铁：石墨呈,球状,，见图,6-1b,工业上最常用的是,灰口铸铁,，根据其,石墨存在（,G,）形式,不同，,灰口铸铁,的种类分为四种：,第六章 铸 铁,二、石墨在铸铁中的作用,第六章 铸 铁,同钢一样，铸铁也是,以,Fe,、,C,元素为主的铁基材料,，其含碳量,Wc,2.11%,。铸铁成形只能用铸造方法，不能用锻或轧制方法。与钢相比，铸铁的强度低、塑性、韧性差，但具有优良的铸造和切削加工性能。,按碳元素在铸铁中存在的方式不同，可将铸铁分为两大类：,白口铸铁,和,灰口铸铁,。,在白口铸铁中，碳以,渗碳体的形式,存在；而灰口铸铁中，渗以游离,石墨形式,存在。白口铸铁硬且脆，很少用来制造机械零件，主要用作炼钢的原料，故通常称它为生铁。,三、铸铁的石墨化以及影响因素,第六章 铸 铁,1,、 石墨化过程,铸铁组织中石墨的形成叫做“,石墨化,”过程。,在铁碳合金中，碳可能以两种形式存在，即化合状态的,渗碳体,和游离状态的,石墨。,石墨的,晶格,形式为简单六方，因其面,间距较大，结合力弱，故其结晶形态,易发展成片状，且强度、塑性和韧性,极低，接近于零。,铁碳合金中，渗碳体并是一种,不稳定的相,，而石墨是一种,稳定的相,。,在铁碳合金结晶的过程中，因为渗碳体的含碳量较石墨的含碳量更接近合金成分的含碳量，故易形成渗碳体晶核。但在极其,缓慢冷却,条件下，或在合金中含有,促进石墨化的元素,时，在铁碳合金的结晶过程中，便会,直接自液体或奥氏体中析出石墨相,。,因此，对铁碳合金的结晶过程来说，实际存在两种相图，即,亚稳定,的,Fe-Fe,3,C,相图,和,稳定,的,Fe-G,相图,(,如图,6-2),。,第六章 铸 铁,三、铸铁的石墨化以及影响因素,1,、 石墨化过程,第六章 铸 铁,Fe-G,相图,铁碳合金按照,Fe-G,相图进行结晶，则铸铁的石墨化过程可分为如下三个阶段：,第一阶段：,即在,1153,时通过共晶反应而形成石墨,第二阶段：,即在范围内冷却过程中自奥氏体中不断析出二次石墨。,第三阶段：,即在时通过共析反应而形成石墨,第六章 铸 铁,特点：,一般，铸铁在高温冷却过程中，由于具有较高的原子扩散能力，故其,第一和第二阶段的石墨化是较容易进行,的，而在较低温度下的第三阶段的石墨化，则常因铸铁的成分及冷却速度等条件的不同，遭遇被部分或全部抑制，从而得到三种不同的组织，即：,F+G,，,F+P+G,，,P+G,铸铁组织与石墨化进行程度之间的关系见下表,第六章 铸 铁,2,、影响石墨化过程的因素,第六章 铸 铁,（,1,） 化学成分的影响,铸铁中的碳、硅、锰、硫、磷等元素对石墨化有不同影响,其中,碳、硅、磷,是促进石墨化的元素，,锰和硫,是阻碍石墨化的元素,在一般铸造条件下，铸铁中较高的含碳量是石墨化的,必要条件,，而一定的含硅量是石墨化的,充分条件,，碳与硅含量越高越易石墨化；若碳、硅含量过低则易出现白口；如果碳、硅含量过高，将导致石墨数量多且粗大，基体内铁素体量多，铸铁的力学性能下降,（,2,）温度及冷却速度的影响,铸件的冷却速度对石墨化的影响也很大，即,冷却愈慢，愈有利于扩散，对石墨化便愈有利,，而快冷则阻止石墨化,在铸造时，除了造型材料和铸造工艺影响冷却速度以外，铸件的,壁厚不同也会具有不同的冷却速度,，也会得到不同的组织。如图所示,第六章 铸 铁,2,、影响石墨化过程的因素,在生产中，为使,铸铁浇注,后得到灰口，且不至含有过多和粗大的片状石墨，通常把铸铁的成分控制在：,w,C,=2.5%4.0%,，,w,Si,=1.0%3.0%,，,w,Mn,=0.25%1.0%,，,w,S,=0.02%0.2%,，,w,P,=0.05%0.5%,。,具有上述成分范围的铁液在进行,缓慢冷却,凝固时，将发生石墨化，析出,片状石墨,。其,断口呈黑灰色,。,若铁水中的碳、硅含量低，铸件容易出现,白口组织,，白口组织往往出现在铸件的表面层和薄壁处。,普通灰口铸铁的组织是由片状石墨和钢的基体两部分组成的。根据不同阶段石墨化程度的不同，,灰口铸铁有三种不同的基体组织,，如图所示,第二节,普通灰铸铁,一、灰铸铁的成分、组织、性能,第六章 铸 铁,一、灰铸铁的成分、组织、性能,灰铸铁有铁素体、珠光体、,(,铁素体,+,珠光体,),+,石墨三种基本组织,。,F+,片状石墨,（,F+P,）,+,片状石墨,P+,片状石墨,第六章 铸 铁,二、灰铸铁的孕育处理,第六章 铸 铁,铸铁变质剂或孕育剂,:,一般为硅铁合金或硅钙合金小颗粒或粉，加入量为铁水总量的,0.4%,，当变质剂加入铸铁液内后立即形成,SiO,2,的固体小质点，铸铁中的碳以这些小质点为核心形成细小的片状石墨。,孕育处理,:,在铸造之前向铁液中加入了孕育剂（或称变质剂），因此结晶时石墨晶核数目增多，石墨片尺寸变小，均匀地分布在基体中。其,显微组织,是在细珠光体基体上分布着细小片状石墨。,性能特点：,铸铁经孕育处理后不仅强度有较大提高，而且塑性和韧性,也有所改善。,同时，由于孕育剂的加入，还可使铸铁对冷却速度的敏感,性显著减少，使各部位都能得到均匀一致的组织。,因而孕育铸铁常用来制造力学性能要求较高、截面尺寸变,化较大的铸件,举例：,HT250,、,HT300,、,HT350,属于较高强度的,孕育铸铁,（也称变质铸铁），这是普通铸铁通过孕育处理而得到的。,第六章 铸 铁,三、灰铸铁的牌号和应用,第六章 铸 铁,HT,+,三位数字,，,数字表示最低抗拉强度,。,如：,HT150,，,HT200,，,HT250,从表,6-1,可以看出，在同一牌号中，随铸件壁厚的增加，其抗拉强度降低。因此，根据零件的性能要求选择铸铁牌号时，必须同时注意到零件的壁厚尺寸。,灰口铸铁的性能与碳钢相比，具有如下特点：,（,1,）力学性能低,其抗拉强度和塑性、韧性都远远低于钢,。这是由于灰口铸铁中片状石墨的存在，不仅在其尖端处引起应力集中，而且破坏了基体的连续性。石墨片的量愈多，尺寸愈大其影响也愈大。但是，石墨的存在对抗压强度影响不大，其,抗压强度是抗拉强度的,2.54,倍,。所以常用灰口铸铁制造机床床身、底座等耐压零部件。,第六章 铸 铁,三、灰铸铁的牌号和应用,（,2,）耐磨性与减振性好,由于铸铁中石墨有利于润滑及贮油，所以耐磨性好。同样，由于石墨的存在，灰铸铁的减振性优于钢。,（,3,）工艺性能好,由于灰铸铁含碳量高，,接近于共晶成分，故熔点比较低,，,流动性良好，收缩率小,，,因此适宜于铸造结构复杂或薄壁铸件。另外，由于石墨使切削加工时易断屑。所以灰铸铁的可,切削加工性优于钢,。,第六章 铸 铁,三、灰铸铁的牌号和应用,热处理,只能改变基体组织，不能改变石墨的形态和分布,，对提高性能效果不大。通常对其进行热处理的方法和平共处,目的,是：,1,、消除内应力退火：,2,、高温退火：消除白口组织,3,、表面淬火：提高表面硬度、耐磨性和疲劳强度。,四、灰铸铁的热处理,第六章 铸 铁,灰铸铁的常用热处理是,消除内应力退火,。,四、灰铸铁的热处理,第六章 铸 铁,灰铸铁的常用热处理是,消除内应力退火,。,原因：,铸件在冷却过程中会产生铸造内应力，导致铸件在加工和使用过程中产生变形。因此，有些形状复杂的铸件需进行消除内应力退火。,退火工艺为,：,加热温度,500,550,，保温后缓冷至,200,出炉。这种退火又称为,人工时效,。,对于一些不急用的铸铁件，可在露天放置数月乃至更长时间，使内应力随气温的反复变化而逐渐消除，称为,自然时效,。,球墨铸铁的大致化学,成分范围,是：,w,C,=3.6%3.9%,，,w,Si,=2.0%3.0%,，,w,Mn,=0.3%0.8%,，,w,P,0.1%,，,w,S,0.07%,，,w,Mg,=0.03%0.08%,球墨铸铁的,成分特点,是：,碳当量较高（一般在,4.34.6%,），含硫量较低。,高碳当量,是为了使它得到共晶左右的成分，具有良好的流动性；,低硫,则是因为硫与球化剂（,Mg,及,RE,）具有很强的亲和力，会消耗球化剂，从而造成球化不良。由于球化剂的加入将阻碍石墨化，并使共晶点右移造成流动性下降，所以必须严格控制其含量。,第三节,球墨铸铁,第六章 铸 铁,一、球墨铸铁的成分、组织、性能,生产方法：,在浇注前向铁水中加入一定量的,球化剂,而直接获得球状石墨,得到球墨铸铁,.,一、球墨铸铁的成分、组织、性能,第六章 铸 铁,球墨铸铁的,显微组织,由,球形石墨,和,金属基体,两部分组成。随着成分和冷却速度的不同球墨铸铁在铸态下的,金属基体,可分为,铁素体、铁素体,+,珠光体、珠光体,三种，见下图：,二、球墨铸铁的牌号和应用,第六章 铸 铁,用,“,QT,”,标明，其后两组数值表示最低抗拉强度和延伸率。,QT420-10,、,QT600-2,、,QT800-2,，见表,6-2,如:,在球墨铸铁中，由于球形石墨对金属基截面削弱作用较小，使得基体比较连续。而且，在拉伸时，应力集中明显减弱，从而使基体强度利用率可达,7090%,，而在灰口铸铁中基本的强度利用率仅为,3050%,，故,球墨铸铁的强度、塑性和韧性都超过灰口铸铁，球铁的刚性也比灰口铸铁好,。,球墨铸铁不仅具有远远超过灰口铸铁的机械性能，而且同样,也具有灰口铸铁的一系列优点,，如良好的铸造性，减摩性，切削加工性及低的缺口敏感性等；,甚至在某些性能方面可,与锻钢相媲美,，如疲劳强度大致与中碳钢相近，耐磨性优于表面淬火钢等。但球铁的减振能力比灰铸铁低很多。,第六章 铸 铁,二、球墨铸铁的牌号和,应用,三、球墨铸铁的热处理,第六章 铸 铁,常用热处理,：球墨铸铁常用的热处理有退火、正火、调质、,等温淬火。力学性能见下表：,由于球铁中,金属基体是决定球铁力学性能的主要因素,，所以球铁可通过合金化和热处理强化的方法进一步提高它的力学性能。因此，球铁可以在一定条件下代替铸钢、锻钢等，用以制造受力复杂、负荷较大和要求耐磨的铸件,机械性能,热处理工艺,显微组织,b,MPa,5,%,a,k,kJ/m,2,HB,调质,: 980,退火后,900,油淬,+ 580,回火,回火索氏体,+,石墨,800,1000,1.7,2.7,260,320,240,340,正火,: 980,退火后,900,正火,+ 580,去应力退火,珠光体,+,5%,铁素体,+,石墨,700,2.5,100,317,321,球墨铸铁,调质和正火,后的组织性能,第六章 铸 铁,第四节 可锻铸铁,一、生产方法：,先将铸铁浇注成白口铸铁,然后进行,高温石墨化退火,使渗碳体分解得到,团絮状石墨,。,二、可锻铸铁的成分、组织、性能,可锻铸铁有,铁素体,和,珠光体,两种基体。,第六章 铸 铁,三、可锻铸铁的牌号,四、可锻铸铁的性能及应用,可锻铸铁,较高的强度、塑性和冲击韧性，可以部分代替碳钢。,可锻铸铁不可锻。,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。,如：,KT350-10,、,KTZ600-3,6-2,可锻铸铁,可锻铸铁的牌号和机械性能,6-2,可锻铸铁,第五节,蠕墨铸铁,一、生产方法：,在一定成分的铁水中加入适量的,蠕化剂,而炼成的，其方法与程序与球墨铸铁基本相同。,二、,蠕墨,铸铁的组织,蠕墨铸铁的石墨具有介于片状和球状之间的中间形态，其石墨片的长厚比较小，端部较钝。呈,蠕虫状。,第六章 铸 铁,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,。,三、蠕墨铸铁的牌号、性能和应用,蠕墨铸铁以,“,RuT,”,表示，其后的数字表示最低抗拉强度,如：,RuT300,、,RuT420,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。,牌号,：,性能,：,应用,：,排气管,进气管,6-4,蠕墨铸铁,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性能的合金铸铁。,1,、耐磨铸铁（加铬）,2,、,耐热铸铁,（加,Al,、,Si,、,Cr,）,扇形扩散器,托架,衬板,弯管,第六章 铸 铁,3,耐蚀铸铁（加,Si,AL ,Cr ,Mo ,Cu ,Ni,）,1,耐磨铸铁,有些零件如机床的导轨、托板，发动机的缸套，球磨机的衬板、磨球等，要求更高的耐磨性，一般铸铁满足不了工作条件的要求，应当选用耐磨铸铁。,耐磨铸铁根据,组织,可分为下面几类：,第六章 铸 铁,应 用：,分 类：,灰铸铁中加入少量合金元素（如铬、磷、钒、钼、锑、稀土）,使金属基体中珠光体细化，同时也细化了石墨。,铸铁的强度和硬度升高，显微组织得到改善，使得这种灰铸铁,具有良好的润滑性和抗咬合、抗擦伤的能力。,应用：,耐磨灰铸铁广泛用于制造机床导轨、气缸套、活塞环、凸轮轴等零件。,第六章 铸 铁,合金作用：,（,1,）耐磨灰铸铁,在,稀土,镁球铁中,加入质量分数为,5.0%9.5%,的,锰,，控制,硅,的质量分数在,3.3%5.0%,范围内，其组织为马氏体,+,奥氏体,+,渗碳体,+,贝氏体,+,球墨石墨。,具有较高的冲击韧度和强度，适用于同时承受冲击和磨损的条件下使用，可代替部分高锰钢和锻钢。,第六章 铸 铁,（,2,）中锰球墨铸铁,应用：,中锰球铁常用于农机具耙片、犁铧、球磨机磨球等零件。,合金作用：,2,耐热铸铁,普通灰铸铁,的耐热性较差，只能在低于,400,左右的温度下工作。,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。,所谓,热生长,是指氧化性气氛沿石墨片边界和裂纹渗入铸铁内部，形成内氧化以及因渗碳体分解成石墨而引起体积的不可逆膨胀。结果将使铸件失去精度和产生显微裂纹。,第六章 铸 铁,合金作用：,在铸铁中加入硅、铝、铬等合金元素，使之在高温下形成一层致密的,氧化膜,：,SiO,2,、,Al,2,O,3,、,Cr,2,O,3,等，使其内部不再继续氧化。,此外，这些元素还会,提高铸铁的临界点,，使其在所使用的温度范围内不发生固态相变，以减少由此造成的体积变化，防止显微裂纹的产生。,第六章 铸 铁,分类：,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 。,3,耐蚀铸铁,合金作用：,在铸铁中加入硅、铝、铬等合金元素，能在铸铁表面形成一层连续致密的,保护膜,，可有效地提高铸铁的耐蚀性。,在铸铁中加入铬、硅、钼、镍、磷等合金元素，可,提高铁素体电极电位，以提高耐蚀性,。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，从而提高其耐蚀性。,分类：,目前应用较多的耐蚀铸铁有高硅铸铁（,STSi15RE,）、高硅钼铸铁（,STSi15Mo3RE,）、铝铸铁（,STAl5,）、铬铸铁（,STCr28,）、抗碱球铁（,STQNiCrRE,）等,第六章 铸 铁,石 墨 形 式,石墨呈,片状,石墨形式,石墨呈,团絮状,石墨形式,石墨呈,球状,石墨形式,石墨呈,蠕虫状,石墨形式,何为,石墨？,石墨是游离状态的碳，其强度、硬度、塑性、韧性很低，硬度仅为,3,5HBS,，,伸长率近于零,。,铸铁的组织可以看成是在铁或钢的基体上夹杂着石墨，石墨对基体产生,割裂作用,。,因此，石墨的存在使铸铁的力学性能下降，其性能比钢低，不能锻造，且石墨的数量越多，越粗大，分布越不均匀，铸铁的力学性能越差。,但石墨的存在也赋予铸铁许多钢所不及的优良性能，如,铸造性能、减振性和减摩性,等。,石墨形式,铸铁的石墨化,铸铁,组织的类型取决于,石墨化,的程度。,（,1,）铸铁中,碳原子析出并形成石墨的过程,称为石墨化,。,石墨化若能充分或大部分进行，则能获得,灰口铸铁,，反之将得到,白口铸铁,。,石墨既可以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是从液体中析出；可锻铸铁中的石墨则完全由白口铸铁经长时间退火，由渗碳体分解而得到。,石墨形式,（,2,）,影响石墨化的因素,冷却速度,：,缓慢冷却有利于石墨化；,合金元素,：,C,和,Si,强烈促进，,S,强烈阻碍，,Mn,阻碍，,P,微弱促进。,石墨形式,