常用铸铁材料教学课件

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,Page,49,/907,Fundamentals of Materials Science, 20,12,Yang Li,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,Page,1,/907, 20,12 Yang Li,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,Page,45,/907,Fundamentals of Materials Science, 20,12 Yang Li,第五章 铸铁,铸铁石墨化过程及影响因素；,铸铁的分类、成分、组织、性能、用途,本章目的,:,掌握铁碳双重相图,深入理解铸铁的石墨化过程与影响因素，石墨形态对铸铁性能的影响，铸铁的热处理特点，常用铸铁的牌号、组织和用途,本章重点：,第一节 概述,第二节 常用铸铁,第三节 特殊性能铸铁,本章的主要内容,第一节 概述,铸铁：,含碳量大于,2.11%,的铁碳合金,。实际应用的铸铁中还会含有较多的,Si,、,Mn,和其他一些杂质元素。为了提高铸铁的性能，还可以加入一定量的合金元素，组成,合金铸铁,。,同钢相比，虽然强度、塑性和韧性较低，但是,铸铁熔炼简便,，,成本低廉,，具有优良的,铸造性能,、很高的,耐磨性,、良好的,减振性,和,切削加工性能,等一系列的优点，因此而获得较为广泛的应用。,在汽车上，重量约为,50%70%,的金属材料为铸铁。如：,汽缸体、变速箱体、后桥壳、曲轴,等。随着科技的发展，新型铸铁的不断出现，为铸铁的广泛应用开辟更广泛的前景，目前有些零部件（曲轴、齿轮），形成了,以铁代钢,的趋势。,碳的存在形式：,固溶于,A,和,F,中,化合物渗碳体（,Fe,3,C,）,游离态的石墨（,G,）,石墨特点：,C%,100%,简单六方晶体结构,强度、塑性和韧性极低,松软相，相当于孔洞和裂缝,Fe,3,C3Fe+G,亚稳相 稳定相,graphite,一、铸铁组织的形成,碳存在的形式,及断口的颜色,白口铸铁,灰铸铁,麻口铸铁,渗碳体,游离的石墨,渗碳体,游离的石墨,根据碳在铸铁中的存在形式，铸铁可分为：,铁碳合金双重相图,Fe-Fe,3,C,相图,Fe-G,相图,渗碳体是亚稳定相，而石墨才是稳定相。,热力学条件：,有利于石墨化的过程,动力学条件：,主要有,成分起伏、结构起伏和原子扩散,。有利于渗碳体的形成,为了使,G,化进行，可人为地改变热力学和动力学条件。,铸铁的石墨化过程,成分起伏,L,4.3%C,Fe,3,C,（,6.69%C,）,+ A,G,（,100%C,）,+ A,结构起伏,L,（或,-Fe,）,Fe,、,C,并存,(,面心,),Fe,3,C,（复杂斜方结构）,G,（六角形层状结构）,比较接近,浓度差小,原子扩散,G,长大，不但要,C,原子扩散集中，而且,Fe,原子要从,G,生长前沿逆向扩散。,而,Fe,3,C,长大只要,C,扩散，,Fe,原子局部移动即可。,G,长大较难。,有利于,Fe,3,C,长大,化学成分,：,C,、,Si,促进石墨化,冷却速度,：冷速慢有利碳原子的充分扩散，易于石墨化。受铸件厚度和铸型材料影响,影响石墨化的因素：,化学成分的影响,C Si,C,和,Si,是基本成分，是,G,元素。石墨来源于,C,。,Si,含量一般在,0.83.5%,之间，,Si,的加入对,Fe-G,相图发生变化。,Si,作用, 共晶点和共析点碳量随硅含量的而；, 使共晶和共析转变在一温度范围内进行；, 共晶和共析温度。共析温度提高更多，大约每,1,Si,，可使共析温度,28,；,Si,促进铸铁石墨化的作用相当于,1/3C,。,G,化，,1/3C,作用。,0.2%,后，出现硬脆,Fe,3,P,，呈孤立、细小、均匀分布时，可耐磨性。若粗大连续网状分布，将强度，铸件脆性。,除在耐磨铸铁中可达,0.51.0%,外，在普通铸铁中都作为杂质，通常灰铁中,P,含量控制在,0.2%,。,G,化；,Mn,能与,S,结合生成,MnS,，削弱硫的有害作用。铸铁中含锰量一般在,0.51.4%,范围内，如要获得铁素体基体，含锰量应取下限。,P,Mn,白口；铁水流动性，恶化铸造性；形成,FeS,，分布晶界，使铸铁变脆。,S,是有害元素，其含量应尽量低，一般将,S,限制在,0.15%,以下,S,促进石墨化元素,阻碍石墨化元素,+ Al,、,C,、,Si,、,Ni,、,Cu,W,、,Mn,、,Mo,、,S,、,Cr,、,Fe,、,Mg,冷却速度的影响,化学成分选定后，改变铸铁各阶段冷却速度，可以在很大范围内改变铸态组织。,V,冷,越缓慢，越有利于按,Fe-C,状态图进行结晶和转变。尤其是共析阶段,G,化，通常情况下，共析阶段的,G,化难以完全进行,在生产中，铸件冷却速度是一个综合因素，它与浇注温度、铸型条件以及铸件壁厚均有关系。同一铸件不同壁厚处具有不同组织和性能，称之为铸件壁厚敏感效应。铸件壁厚是设计的，难以改变，对已知壁厚铸件，可调整化学成分来保证获得所需组织,.,石墨形成的两个阶段：,G,共晶石墨,G,共析石墨,第二阶段：低温石墨化阶段,共析石墨,第一阶段：高温石墨化阶段,一次石墨（,G,）、共晶石墨、二次石墨（,G,）,石墨化进行程度,铸铁的显微组织,铸铁类型,性能特点,第一阶段石墨化,第二阶段石墨化,完全进行,完全进行,F+G,灰口铸铁,Grey cast iron,断口为暗灰色,部分进行,F+P+G,未进行,P+G,部分进行,未进行,Le+P+G,麻口铸铁,Mottle cast iron,具有较大的硬度和脆性,未进行,未进行,(CFe,3,C),Le,白口铸铁,White cast iron,断口白亮,硬而脆,用作炼钢原料,铸铁的组织和分类,分类,灰铸铁,Grey cast iron,球墨铸铁,Spheroidal graphite cast iron,可锻铸铁,Malleable cast iron,石墨,形态,片状,flake,球状,spherical,团絮状,flocculent,基体,组织,基体（,F,、,F + P,、,P,）,二、石墨与基体对铸铁性能的影响,铸铁的机械性能主要取决于铸铁基体组织以及石墨的数量、形状、大小及分布特点。,石墨机械性能很低，硬度仅为,3HB,5HB,，抗拉强度为,20MPa,，延伸率接近零。,石墨与基体相比，其强度和塑性都要小得多。,铸铁性能,石墨的形态,抗拉强度,（,MPa,）,伸长率,（,%,）,无缺口试样冲击韧度,(J/cm,2),粗片状,100-200,0-0.3%,0-3,细片状,200-400,0.2-0.5%,3-8,团絮状,450-700,2.5-5%,5-15,球状,600-800,2.0-4.0,15-30,石墨造成脆性切削，铸铁的切削加工性能优异。,铸铁的铸造性能良好，铸件凝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。,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。,石墨对振动的传递起削弱作用，使铸铁有很好的抗振性能,大量石墨的割裂作用，使铸铁对缺口不敏感。,虽然铸铁的机械性能不如钢，但由于石墨的存在，却赋予铸铁许多为钢所不及的特殊性能：,第二节 常用铸铁,铸铁中的石墨形态、尺寸以及分布状况对性能影响很大。铸铁中石墨状况主要受铸铁的化学成分及工艺过程的影响。通常铸铁中石墨形态,(,片状或球状,),在铸造后即形成，也可将白口铸铁通过退火，让其中部分或全部的碳化物转化为团絮状形态的石墨。,灰铸铁是指,石墨呈片状分布,的灰口铸铁。其产量约占铸铁总产量的,80%,以上。,一、灰铸铁,命名,HT+,三位数字，表示最低的抗拉强度。,如：,HT100,，,HT150,、,HT200,、,HT250,、,HT300,、,HT350,。,组织,石墨片的三维形貌,铁素体灰铸铁（,F+G,）,珠光体灰铸铁（,P+G,）,铁素体加珠光体灰铸铁,(F+P+G),分类,牌号,显微组织,基体,G,普通,灰铸铁,HT100,F,粗片,HT150,F,+,P,较粗片,HT200,P,中等片,孕育铸铁,HT250,P,较细片,HT300,细,P,细片,HT350,S,或,T,牌号,抗拉强度值，,MPa,耐磨性好,石墨有利于润滑、储油。,抗压强度高,抗拉强度、塑韧性比钢低。,消震性好,（是钢的十倍）, G,组织松软,铸造性好,接近共晶成分、熔点低、流动性好、凝固收缩小。,切削加工性好, G,使切屑易断，还可润滑刀具,抗拉强度低、塑韧性很差,基体强度不能充分发挥，其强度利用率仅,3050%,，表现为,b,很低，塑性和韧性几乎为零,性能,热处理只改变基体组织，不改变石墨形态，灰铸铁强度只有碳钢的,30-50%,，所以灰铸铁热处理不能显著改善其力学性能，主要为消除铸件内应力，稳定尺寸，改善切削加工性能和提高表面耐磨性。,灰铸铁常用的热处理有：,消除内应力退火,(,又称人工时效,),消除白口组织退火或正火,表面淬火,灰铸铁的热处理,制造,承受压力和震动的零件,如机床床身、各种箱体、壳体、泵体、缸体。,大型船用柴油机汽缸体,(HT300),重型机床床身,(HT250),变速箱体,应用,石墨呈,团絮状,的灰口铸铁，是,由白口铸铁经石墨化退火获得,的。石墨呈团絮状，对基体破坏作用较小，所以比灰铸铁具有较高的强度强度为碳钢的,0-,0%,，接近于铸钢、塑性和冲击韧度，但不能锻造。,二、可锻铸铁,命名,KT+,种类,+,三位数字,-,两位数字，种类：,H,：黑心铸铁，,Z,珠光体铸铁，三位数字：最低抗拉强度，两位数字：最低的伸长率。如,KTH300-06,，,KTZ450-06,强度为碳钢的,4070%,，接近于铸钢。,名为可锻，实不可锻,可锻铸铁的石墨化退火,性能,黑心可锻铸铁（,F,G,）,珠光体可锻铸铁,（,P,G,）,可锻铸铁石墨化退火工艺曲线,组织,基体,(F,、,P),团絮状,G,种类,牌号,力学性能,b,MPa,s,MPa,%,硬度,HBS,不小于,黑心可锻,铸铁,KTH300-06,300,6,150,KTH330-08,330,8,KTH350-10,350,200,10,KTH370-12,370,12,珠光体,可锻铸铁,KTZ450-06,450,270,6,150200,KTZ550-04,550,340,4,180230,KTZ650-02,650,430,2,210260,KTZ700-02,700,530,2,240290,牌号,用于制造形状复杂且承受振动载荷的薄壁小型件，如汽车、拖拉机的前后轮壳、管接头、低压 阀门等。,可锻铸铁管件,生产周期长，工艺复杂，成本较高，已部分地被球墨铸铁所代替。,典型用途,石墨呈球形,的灰口铸铁。,球状石墨是液态铁水经,球化处理,得到的。,球化剂为镁、稀土和稀土镁。,硅铁,硅钙,稀土镁,为避免白口，并使石墨细小均匀，在球化处理同时还进行,孕育处理,。,常用孕育剂为硅铁和硅钙合金。,三、球墨铸铁,牌号意义,例如,QT400-15,，,QT,为球铁代号，,400,表示抗拉强度不低于,400MPa,，,15,表示伸长率不低于,15%,。,牌号,基体组织,力学性能,b,（,MPa,）,s,（,MPa,）,（,%,）,硬度,HBS,不小于,QT400-18,F,400,250,18,130180,QT400-15,F,400,250,15,130180,QT450-10,F,450,310,10,160210,QT500-7,F+P,500,320,7,170230,QT600-3,P+F,600,370,3,190270,QT700-2,P,700,420,2,225305,QT800-2,P,或回,火组织,800,480,2,245335,QT900-2,B,或回,火马氏体,900,600,2,280360,铁素体球墨铸铁,(F+ G),珠光体球墨铸铁,(P+ G),铁素体加珠光体球墨铸铁,(F+P+ G),组织,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”。,强度是碳钢的,7090%,。具有灰铸铁的优点：,良好的铸造性、耐磨性、可切削加工性及低的缺口敏感性,等，又具有与中碳钢相媲美的力学性能。,球状石墨对基体的割裂作用小！,性能,球墨铸铁的热处理特点,共析转变不是在恒定的温度下进行，而是在一个较宽的温度范围内进行,改变热处理,T,和,t,不同比例的,F,和,P,基体组织,较大幅度地调整铸铁的力学性能,奥氏体含,C,量可在较宽范围内变化,石墨是,C,的“仓库”，既可在高温时输出给奥氏体，也可在冷却时容纳奥氏体中析出的,C,G,参与相变，但一般不能改变,G,形状与分布,一般热处理工艺方法基本上可采用,（,1,）消除内应力退火,（,2,）高温石墨化退火 消除游离渗碳体,（,3,）低温石墨化退火 消除共析渗碳体,（,4,）正火处理和调质处理 获得珠光体的组织和提高珠光体的分散度,（,5,）等温淬火处理 得到,B,体或,AB,体基体组织。提高综合机械性能,（,6,）表面淬火,（,7,）化学热处理 氮化、渗硼和渗硫等,典型用途,铸铁曲轴,连杆,替代部分铸钢、锻钢件,承受震动、载荷大的零件，如曲轴、传动齿轮等。,四、蠕墨铸铁,蠕墨铸铁,是,20,世纪,60,年代发展起来的一种新型铸铁。,蠕墨铸铁,是液态铁水经蠕化处理和孕育处理得到的。,蠕化剂,为稀土硅铁镁合金。,稀土硅铁合金、稀土硅铁钙合金等。,蠕墨铸铁的组织：,基体（,F,、,F+P,、,P,）,+,蠕虫状,G,蠕墨铸铁中的石墨,珠光体基体,铁素体基体,蠕墨铸铁的组织,蠕墨铸铁的力学性能介于灰铸铁与球墨铸铁之间。并且具有优良的抗热疲劳性能。,它的铸造性能和减振性能都比球铁为优。,灰铸铁,灰铸铁,蠕墨铸铁,蠕墨铸铁,球墨铸铁,球墨铸铁,蠕墨铸铁的性能,常用于制造承受热循环载荷的零件和结构复杂、强度要求高的铸件。如钢锭模、玻璃模具、柴油机汽缸、汽缸盖、排气阀、液压阀的阀体、耐压泵的泵体等。,玻璃模具,制动鼓,蠕墨铸铁用途,化学成分,/%,铸铁类型,C,Si,Mn,P,S,灰铸铁,2.7-3.9,1.1-2.4,0.5-1.4,0.3,0.1,可锻铸铁,2.4-2.8,0.8-1.4,0.3-0.6,0.2,0.18,球墨铸铁,3.5-3.9,2.0-2.1,0.3-0.8, 0.1, 0.03,蠕墨铸铁,3.5-3.9,2.1-2.8,0.4-0.8, 0.1, 0.1,各种铸铁的,化学成分,/%,工业上除了要求铸铁有一定的力学性能外，有时还要求它具有较高的耐磨性以及耐热性、耐蚀性。为此，在普通铸铁的基础上加入一定量的合金元素，制成特殊性能铸铁，主要包括：,耐磨铸铁,、,耐热铸铁,和,耐蚀铸铁。,第三节 特殊性能,铸铁,根据工作条件的不同，耐磨铸铁可以分为,减摩铸铁和抗磨铸铁,两类。减磨铸铁用于制造在有润滑条件时工作的零件，如机床床身、导轨和汽缸套等，这些零件要求较小的摩擦系数。常用的减磨铸铁主要有,磷铸铁,、,硼铸铁,、,钒钛铸铁,和,铬钼铜铸铁,。抗磨铸铁用来制造在干摩擦条件下工作的零件，如轧辊、球磨机磨球等。常用的抗磨铸铁有珠光体白口铸铁、马氏体白口铸铁和中锰球墨铸铁。,耐磨铸铁,普通灰口铸铁的耐热性较差，只能在小于,400,的温度下工作，在高温下工作的炉底板、换热器、坩埚、热处理炉内的运输链条等，必须使用耐热铸铁。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。氧化是指铸铁在高温下受氧化性气氛的侵蚀，在铸件表面发生的化学腐蚀的现象。由于表面形成氧化皮，减少了铸件的有效断面，因而降低了铸件的承载能力。生长是指铸铁在高温下反复加热冷却时发生的体积长大，造成零件尺寸增大，并使力学性能降低。铸件在高温和有负荷作用下，由于氧化和生长最终导致零件变形、翘曲、产生裂纹，甚至破裂。,耐热铸铁,在铸铁中加入,Al,、,Si,、,Cr,等元素，一方面在铸件表面形成致密的,SiO,2,、,Al,2,O,3,、,Cr,2,O,3,等氧化膜，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。,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。,普通铸铁的耐蚀性很差，这是因为铸铁本身是一种多相合金，在电解质中各相具有不同的电极电位，其中以石墨的电极电位最高，渗碳体次之，铁素体最低。电位高的相是阴极，电位低的相是阳极，这样就形成了一个微电池，于是作阳极的铁素体不断被消耗掉，一直深入到铸铁内部。,提高铸铁耐蚀性的主要途径是合金化。在铸铁中加入,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。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，从而提高其抗蚀性。目前应用较多的耐蚀铸铁有高硅铸铁、高硅钼铸铁、铝铸铁、铬铸铁等。,耐蚀铸铁,复习思考题,铸铁的石墨形态有几种？试述石墨形态对铸铁性能的影响。,铸铁的石墨化过程是如何进行的？影响石墨化的主要因素有哪些？,试述灰铸铁片状石墨的形成机理及其热处理特点。,试述球墨铸铁的组织及热处理特点。,试述蠕墨铸铁显微组织和性能特点。,可锻铸铁是如何获得的？为什么它只宜制作薄壁小铸件？,比较灰口铸铁与碳钢在化学成分、组织和性能上的主要差别。,