第8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,*,*,*,1,第,7,章 铸铁,铸铁具有,优良的工艺性能和使用性能,，,生产工艺,简单，成本低廉,，在机械制造、矿山、冶金、石油,化工、交通运输、建筑和国防等部门中广泛应用。,例如，按重量算，铸铁件在机床和重型机械中占,60%,90%,，农业机械中,40% 60%,，汽车、拖拉机中占,50%70%,。随着铸造技术的进步和新材料的开发，,各种高性能铸铁和特殊性能铸铁还可替代部分昂贵,的合金钢和有色金属材料。,与钢相比，强度和韧性较低,2,3,4,5,主要内容,概述,铸铁石墨化及其影响因素,石墨的形成及生长,灰铸铁,球墨铸铁,蠕墨铸铁,可锻铸铁,6,7.1,概述,铸铁指碳含量,2.11%,或组织中有,共晶,组织的,铁碳合金。实际上以,Fe-C-Si,为主的多元合金。,化学成分范围为：,2.4%4.0%C,、,0.6%3.0%Si,、,0.2%1.2%Mn,、,0.04%1.2%P,、,0.04%0.20%S,。,为提高铸铁性能（如耐热、耐磨、耐蚀等），,加入,Al,、,Cr,、,Mo,、,V,、,Cu,等,形成合金铸铁,7,铸铁中的,C,主要以三种形式存在：,以,间隙固溶体,的形式固溶于,Fe,，如,F,和,A,；,与铁形成渗碳体,Fe,3,C,等,K,；, 以游离,石墨,G,的形式析出。,8,根据,C,的存在形式及,G,形态，铸铁可分为,灰铸铁,HT,：,C,全部或大部分以,片状,G,析出，断口呈暗灰色。,球墨铸铁,QT,：,C,全部或大部分以,球状,G,形态存在。,蠕墨铸铁,RuT,：,C,全部或大部分以,蠕虫状,G,形态存在。,可锻铸铁,KT,：,C,全部或大部分以,游离团絮状,G,形态存在，比,HT,的韧塑性好，,实际上是不可锻造,；,白口铸铁,BT,：,C,全部或大部分以,Fe,3,C,形式存在。,9,代号：基本代号,+,特殊代号,化学成分：基本代号,+,特殊代号,+,元素,+,含量,力学性能：基本代号,+,b,min,(MPa)-,min,(%),见表,8.1,牌号表示法：,10,代号：基本代号,+,特殊代号,基本代号：“灰铸铁”,HT,；,“球墨铸铁”,QT,；“蠕墨铸铁”,RuT,；,“可锻铸铁”,KT,；“白口铸铁”,BT,；,特殊代号：代表铸铁组织特征或特殊性能的汉语拼,音字的第一个大写正体汉字，排列在基本代号的后,面，见表,8.1,牌号表示法：,11,化学成分：,合金元素用符号表示，名义含量,(,质量分数,),用数,字表示，两者排在铸铁代号后面；,常规的基本元素不标注，有特殊作用的才标注；,合金元素按含量减少依次排列，含量相等时按符,号的字母顺序排列。,牌号表示法：,12,力学性能：,牌号代号后面有一组数字时，表示,b,min,(MPa);,有两组数字时，第一组表示,b,min,(MPa),，第二组表,示,min,(%),，两组数字间用“,-,”隔开。,牌号表示法：,13,主要内容,概述,铸铁石墨化及其影响因素,石墨的形成及生长,灰铸铁,球墨铸铁,蠕墨铸铁,可锻铸铁,14,石墨,G,是铸铁的重要组成相。,G,的,形态,、,大小,、,数量,和,分布,对铸铁的性能有重要的影响。,铸铁的石墨形态和基体组织都与铸铁的石墨化过程有关,7.1,铸铁石墨化及影响因素,15,16,17,一、铸铁的,G,化过程,二、影响铸态组织的因素,化学成分,冷却速度,7.1,铸铁石墨化及影响因素,18,一、铸铁的,G,化过程,铸铁中石墨的形成过程称为石墨化过程。石墨既可从液体和奥氏体中析出，也可通过渗碳体分解获得,G,化是铸铁中,C,析出和形成,G,的过程。,HT,、,QT,和,RuT,中的,G,：,L,G,；,KT,中的,G,：,K(,高温分解,)G,。,19,一、铸铁的,G,化过程,20,一、铸铁的,G,化过程,生产实践指出，,含,C,和,Si,较高的铁水，在缓冷时，可从液态中直接结晶出,G,；,另一方面，已形成,K,的,BT,经高温长时间退火，,KG,。,因此，,K,是亚稳定相，,G,才是稳定相,。,21,一、铸铁的,G,化过程,热力学条件：,有利于,G,化的过程,(,图,8.2),22,一、铸铁的,G,化过程,动力学条件：主要有,成分起伏、结构起伏和能量起伏,。,有利于渗碳体,K,的形成,。,因此，为了使,G,化进行，可人为改变热力学和动力学条件。,23,成分起伏,L(4.3%C),K(6.69%C)+ A,G(100%C)+ A,结构起伏,L(,或,A),Fe,、,C,并存,(fcc),K (,复杂斜方,),G(,六角形层状,),较接近,浓度差小,浓度差大,差别较大,24,25,G,晶体结构,26,原子扩散,G,长大，既要求,C,扩散集中，也要求,Fe,从,G,前沿逆向扩散,。,K,长大只要,C,扩散，,Fe,局部移动即可,。,因此，,G,长大较难,。,有利于,K,长大,27,一、铸铁的,G,化过程,热力学条件：,有利于,G,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,K,的形成,。,因此，为了使,G,化进行，可人为改变热力学和动力学条件，如,L,不要过冷到临界温度,T,c,以下,。,28,二、影响铸态组织的因素,化学成分,(C,、,Si,、,P,、,Mn,、,S),冷却速度,29,C,、,Si,C,和,Si,是基本成分，,G,化,。,调整,C,、,Si,含,量是控制铸铁组织最基本的措施之一,。,G,来源于,C,。,C,、,G,化,。,Si,G,化的作用,1/3C,。,30,G,化，,1/3C,作用,；,0.2%P,后，出现,硬脆,Fe,3,P,共晶,，,共晶呈孤立、细小、均匀分布时，可,耐磨性,。,若粗大连续网状分布，,强度，脆性,。,除耐磨铸铁中可达,0.51.0%,外，,普通铸铁中作为杂质，,通常,HT,中,P,含量控制在,0.2%,。,P,31,白口,G,化,；,铁水流动性，恶化铸造性；,形成,FeS,，分布晶界，使铸铁变脆。,有害元素,，,含量应尽量低,，,一般限制在,0.15%,以下,S,32,G,化,；,与,S,结合生成,MnS,，,削弱,S,的害处,。,可,强化基体和细化,P,，,一般为,0.51.4%,，要获得,F,基体，应取下限。,Mn,33,促进,G,化元素,阻碍,G,化元素,(,强,) Al,、,C,、,Si,、,Ni,、,Cu (,弱,),(,弱,)W,、,Mn,、,Mo,、,S,、,Cr,、,Fe,、,Mg(,强,),34,二、影响铸态组织的因素,化学成分,(C,、,Si,、,P,、,Mn,、,S),冷却速度,35,(2),冷却速度,化学成分选定后，改变铸铁各阶段冷速,V,冷,，可在很大范围内改变,铸态组织,，如灰口,铸铁、白口铸铁。,V,冷,越缓慢，越有利,G,化过程的充分进行,。,36,生产中，铸件,V,冷,是一个综合因素，,与浇,注温度、铸型条件以及铸件壁厚有关,。,其他条件相同，铸件越厚，,V,冷,越小，越,易得到粗大,G,；反之，越易得到细小的,G,。,铸件壁厚敏感效应：,同一铸件不同壁厚处,具有不同组织和性能。,铸件壁厚是设计的，难以改变，对已知壁,厚铸件，可调整化学成分以保证所需组织。,(2),冷却速度,壁厚敏感效应,37,38,一、片状,G,的生长方式,(,内在和外在因素,),二、球状,G,的生长过程,7.2 G,的形成及生长,39,一、片状,G,的生长方式,(,内在和外在因素,),40,一、片状,G,的生长方式,(,内在和外在因素,),41,G,晶体结构,42,片状,G,生长示意图,立体花朵状,43,一、片状石墨的生长方式,G,的形核和长大会导致,其周围铁水内,贫,C,富,Si,，会促进,A,的形成，生成一层包围,G,片的,A,壳。,但实际上,A,很难把,G,片全部包围,，,G,片端部总是和铁水直接接触,。,44,一、片状石墨的生长方式,若,G,片向两侧增厚，需要,C,从铁水中先扩散到,A,层，然后扩散到,G,周围，再结合到,G,两侧面上；同时,Fe,反向扩散，而这些扩散过程都是较困难的，故,G,片侧向增厚速度较慢,。,相反，,G,片的端部与铁水直接接触，,C,的扩散和,Fe,的逆向扩散较易进行，故,G,片端部生长速度较快,。,45,G,片的生长过程呈方向性,：,向厚度方向生长慢，,沿平面方向生长快，,最后生长为片状。,片状,G,生长机理,46,球状,G,内部的年轮状结构,球状,G,的结构示意图,二、球状,G,的形成过程,G,呈多边形轮廓，内部,呈放射状。中心是,G,核,心。球面是单晶体锥形,G(0001),底面,. P176,47,球状,G,的形成条件：孕育处理和球化处理,孕育处理,P.172,:,在铁液中加入高硅铁等孕育剂：促进,G,非自发形核；有利于,G,化、减少白口倾向；控制,G,形态； 促进细片,P,的形成。,孕育处理能改善铸铁的强度，壁厚敏感性和改善致密性、耐磨性、切削性等。,实际生产中，大部分铸铁都经过孕育处理。,48,球化处理,(P.175):,浇注前加入一定量球化剂，,如,Mg,、,La,、,Ce,、,Ca,、稀土镁合金等，铁液中,的,S,和,O,，共晶凝固时形成球状,G,。,球状,G,都是从铁水中直接析出的。,以硫化物及氧化物夹杂微粒作为结晶核心,。,49,球状,G,晶体生长示意图,a)0001,方向生长；,b),长成球状多面体,螺旋位错理论,50,7.3,灰铸铁,一、,HT,的组织特点,二、,HT,性能及热处理,51,7.3,灰铸铁,有,HT100,、,HT150,、,HT200,、,HT250,、,HT300,、,HT350,六个,GB,牌号。,“,HT”,表示“灰铁” ，,“数字”表示,b,min,(MPa),52,组织：,片状,G+,金属基体,(F,，,F+P,，,P),。,HT,中金属基体与碳钢基本相似，但,HT,内,Si,、,Mn,较高，能溶于,F,并强化,F,。故,HT,金属基体的强,度比碳钢的高。,如,HT,中,F,的硬度和,b,为,100HBS,和,400MPa,，而碳钢中的为,80HBS,和,300MPa,。,1,、灰铸铁组织特点,53,HT,中的,G,软而脆，强度极低,(,b,20MPa,，,0),，,密度低,、约,2.25g/cm,3,，在铸铁中形成,较大体积份额,(,约,3%,质量的,G,占,10%,体积,),。,因此，常把,G,看成微小裂纹或孔洞，,影响了基体性能的发挥。,54,2,、,HT,性能及热处理,金属基体与,G,是决定,HT,性能的两个主要因,素，而,G,是主要方面,：,一方面,使,HT,力学性能,降低，,一方面,又使,HT,具有其他一些优良性能。,55,(1),b,低、塑韧性很差,(G,软而脆、强度极低、较大体积份额,),缩减作用：,G,相当于空洞，基体,负荷的有效截面积,切割作用,(,缺口作用,),：,G,片端部类似裂口，,负荷时造成应力集中,普通,HT,的基体强度不,能充分发挥，,利用率仅,3050%,b,很低,；,缺口造成,应力集中，塑,性和韧性几乎为零,。,HT,可看做脆性材料。,56,思考题：,HT,的基体组织基本上与碳钢的相似，且基体强硬度高于碳钢的，但,HT,的强度却远低于碳钢。为什么？,57,(2),缺口敏感性小，可切削性好,大量,G,相当于已经存在了许多缺口，工件的人,为缺口就不太敏感了。,G,在机加工时可以起到断屑,和对刀具润滑作,用，,HT,的可切削性优良。,(3),良好的铸造性,HT,成分接近共晶点，铁水流动性好，可铸造,出形状复杂的零件；且不易形成缩孔，能获得,较致密的铸件。,58,（,4,）良好的减震性和减摩性,HT,内部存在大量片状,G,，割裂基体，破坏基体,连续性，阻止振动传播，并能转化为热能而发散，,具有很好的减振性。常用于机床底座,，效果很好。,G,本身是良好的润滑剂；,G,被磨掉处形成大量的,显微“口袋”，可存储润滑油和收集磨粒，,具有,良好的减摩性。如机床导轨,59,(5),存在壁厚敏感效应，,可通过孕育处理来减轻。,(6),硬度常用,HB,法，抗压强度常用压缩试验法。,60,(5),存在壁厚敏感效应，可通过孕育处理减轻,(6),硬度常用,HB,法，抗压强度常用压缩试验法,2,、灰铸铁性能特点,(4),良好的减震性和减摩性,(2),缺口敏感性小，可切削性好,(3),良好的铸造性,(1),b,低、塑韧性很差,61,热处理可以改变,HT,的基体组织，但不能改变片状,G,的形态和分布。,但,HT,因,G,的缩减作用和切割作用，基体利用率仅为,30%50%,。故,HT,不能像钢一样用热处理强化。,HT,常用热处理有,低温退火和,G,化退火,。,低温退火：,消除内应力，变形、开裂等；,G,化退火：,当铸铁内有白口组织或,Fe,3,C,较多时，通过高温,G,化退火，铸件硬度以改善加工性能。,62,7.4,球墨铸铁 （,QT,）,QT,是将铁水经,球化处理,，使,片状,G ,球状,G,，,而获得一种铸铁。,QT400-15,：,400,表示,b,min,为,400MPa,，,15,表示,b,min,为,15%,。,63,组织：,细小圆整的球状,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”。,1,、,QT,组织与性能,64,球状,G,对基体的缩减作用,切割作用,QT,基体的利用率可达,7090,。故,QT,的力性,主要取决于基体的性能。,HT,的主要矛盾是片状,G,，改变基体组织无明,显作用，故,不能热处理强化,；,当,G,变为球状时，主要矛盾是基体组织，改,变基体组织可使基体性能得到较大的发挥；故,可通过热处理改变基体组织而进行强化。,65,铸态,QT,组织,(,“,牛眼”状,),P,F,G,球,66,铸态下，金属基体通常是,F,和,P,的混合组织。,F,通常位于,G,球的周围，形成“牛眼”状组织，,通过相应的热处理,，可得到,F,、,P,、,B,、,S,等，,以获得不同的性能，满足各种服役条件的要,求。,67,退火,QT,组织,F +,球状,G,铸态,QT,组织,(,“,牛眼”状,),P+F+,球状,G,P,F,G,球,68,三、,QT,的热处理,(1),消除内应力退火：,QT,的,E,很高，铸造后产生残余内应力的倾,向很大，故,QT,铸件特别是形状复杂、壁厚,不均的铸件，即使无需其他热处理，也应当,进行消除内应力退火。,此过程一般不发生组,织转变。,69,三、,QT,的热处理,(2),高温,G,化退火：,消除铸态中的游离,K,并获得,F,基,QT,。,QT,的白口倾向大，铸件中常会出现游离,K,，,使得铸件的脆性,，硬度偏高，导致切削加,工困难。,70,三、,QT,的热处理,(3),低温,G,化退火,：,生成高韧度特别是低温韧度的,F,基,QT,时，,要求获得单相,F,。,尽管基体中没有游离,K,，,只要少量的共析,K,也会降低低温韧度，故,需,用低温,G,化退火来消除,P,组织,。,71,(4),正火处理和调质处理：,正火处理获得,P,组织和,提高,P,的分散度，以提高铸件力学性能。,正火有时也是为表面淬火作组织准备。,调质处理得到,S,回,，,以获得更好的综合力学性,能，挖掘,QT,的内在潜力。,72,(5),等温淬火：,期望获得由针状,F,和富碳,A,组成的,A-F,基体，以提高,QT,的综合机械性能。,(6),表面淬火：,提高表面硬度、耐磨性、,-1,，采用,高中频感应加热表面淬火。,(7),化学热处理,：对于要求表面耐磨、抗氧化、耐,磨蚀的铸件，可采用氮化、渗硼和渗硫等,，,73,7.5,蠕墨铸铁,(RuT),在铁水中加入,蠕化剂,(,如,Re-Mg-Si-Fe,、,Re-Mg-Ca-Ti-Al,等,),后，,G,就会以蠕虫状形态析出,。,蠕虫状,G,实际上是球化不充分的缺陷形式，介于片状,G,和球状,G,的中间状态类型。,74,蠕虫状,G,的生长模式,模式一：,“小球墨,-,畸变球墨,-,蠕虫状,G”,；,模式二：,小片状,在铁液,/G,的界面前沿，因蠕化元素的局部富集而逐渐使,G,变成蠕虫状,G,。,一般地，蠕化元素浓度大时，易按模式一生长；反之，则按模式二生长。,75,特征：, 具有共晶团内,G,互相连续的片状,G,的组织特征；,头部较圆钝,，结晶位相和球状,G,较相似。,76,RuT,的力性和物性取决于,G,的蠕化状态、形状和分布及基体组织。,基体组织有,F,、,P,、,F+P,。,其中,G,的蠕化状态影响最大，,表示蠕化程度用形状系数,K,来表示，,K=4A/L,2,。,K,0.15,时属于片状,G,；,K,0.8,时属于球状,G,。,77,78,对于同一基体的铸件：,RuT,的强度高于,HT,，但比,QT,的低；,RuT,的壁厚敏感性也较,HT,的低。,79,7.6,可锻铸铁,(KT),KT,是将一定成分的铁水浇注成,BT,铸件，经退火处理，使游离,K,分解为团絮状,G,，从而得到由,团絮状,G,和不同基体组织组成,的铸铁。,与,HT,相比，其缩减和切割效应,，故,KT,具有较高的强度、良好的韧塑性，但,实际上是不可锻造的。,80,本章小结,G,参与相变过程，但热处理不能改变,G,形态和分布。,G,形状、大小、数量、分布影,响铸铁基体性能的发挥程度，故基本上决定,了铸铁的宏观力学性能。,从片状,G,到球状,G,，,使铸铁中,G,和基体的组织配合发生质的变化。,不同类型,G,形成主要取决于,成分和冷却速度。,81,QT,基体的性能可得到较大的利用，钢,的各种热处理强化工艺大都可用在,QT,中,。,不同类型铸铁有不同用途，根据零部件,的工作条件和技术要求，可合理地选择铸,铁类型及其处理工艺。,通过成分组织和工,艺的特殊设计，可得到相应的耐热、耐磨、,耐蚀等特种铸铁。,82,铸铁中心问题：,G,形状、大小、数量、分布,石墨化过程,决定,G,形态,决定基体,热力学,自由焓,有利于石墨化,动力学,成分、结构、扩散有利于,Fe,3,C,析出,影响因素,化学成分,C,、,Si,促进石墨化；,Mn,、,S,阻止石墨化,冷却速度,薄壁表面易白口。壁厚敏感性，性能差异,牌号及数字意义,HT200,QT400-18,KTZ450-06,铸铁性能,强度、伸长率、冲击韧度比钢低；耐磨；切削性好；消振性好；缺口敏感性低；铸造性好,。,灰口铸铁：片,G,，性能特点与用途。孕育处理,可锻铸铁：团絮状,G,，由白口铁经石墨化得到，性能与用途,球墨铸铁：球状,G,，球化处理。热处理工艺：与灰铁不同，与钢区别。不同工艺得到不同基体组织。性能与用途,蠕铁,：,蠕虫状,G,特殊性能铸铁：耐蚀、耐磨、耐热,83,8-2,、,C,、,Si,、,Mn,、,P,、,S,对铸铁,G,化有什么影响？,8-3,、什么叫铸件壁厚敏感性？铸铁壁厚对,G,化有什么影响？,8-4,、,G,形态是铸铁性能特点的主要矛盾因素，试分别比较说明,G,形态对,HT,和,QT,力学性能及热处理的影响。,8-7,、,HT200,、,QT600-3,各是什么铸铁，数字代表什么意义？,G,各具什么形态？,思考题,84,