机械工程材料第七章铸铁

第 七 章 铸 铁 引 言 从 铁 碳 相 图 知 道 ， 含 碳 量 大 于 2.11%的 铁 碳 合 金 称 为铸 铁 ， 工 业 上 常 用 的 铸 铁 的 成 分 范 围 是 ： 2.54.0%C，1.03.0%Si， ， 0.010.50%P， 0.020.20%S， 有 时 还含 有 一 些 合 金 元 素 ， 如 ： Cr、 Mo、 V、 Cu、 Al等 。 虽 然 铸 铁 的 机 械 性 （ 抗 拉 强 度 、 塑 性 、 韧 性 ） 较 低 ，但 是 由 于 其 生 产 成 本 低 廉 ， 具 有 优 良 的 铸 造 性 、 可 切削 加 工 性 、 减 震 性 及 耐 磨 性 ， 因 此 在 现 代 工 业 中 仍 得到 了 普 遍 的 应 用 ， 典 型 的 应 用 是 制 造 机 床 的 床 身 、 内燃 机 的 汽 缸 、 汽 缸 套 、 曲 轴 等 。 铸 铁 的 组 织 可 以 理 解 为 在 钢 的 组 织 基 体 上 分 布 有 不 同形 状 、 大 小 、 数 量 的 石 墨 。 铸 铁一 、 铸 铁 的 石 墨 化 过 程 二 、 影 响 铸 铁 石 墨 化 的 因 素 三 、 灰 铸 铁 的 组 织 分 类 及 性 能 特 点 四 、 各 类 灰 口 铸 铁 的 牌 号 及 用 途 五 、 铸 铁 的 热 处 理 及 合 金 铸 铁 一 、 铸 铁 的 石 墨 化 过 程石 墨 的 晶 体 结 构铸 铁 的 石 墨 化 过 程根 据 石 墨 化 程 度 不 同 铸 铁 的 分 类 石 墨 的 晶 体 结 构 石 墨 为 稳 定 相 ， 具 有 特 殊 的 简 单 六 方 晶 格 ， 其 底 面 原 子 呈 六 方 网 格 排列 ， 原 子 间 距 小 （ 1.4210-10m） ， 结 合 力 很 强 ； 而 底 面 之 间 的 间 距 较大 （ 3.0410-10m） ， 结 合 力 较 弱 。 所 以 石 墨 的 强 度 、 硬 度 和 塑 性 都 很差 。 下 页 Fe-G相 图 对 铁 碳 合 金 的 结 晶过 程 来 说 ， 实 际 上 存在 两 种 相 图 ， 即Fe3C-Fe和 Fe-G相 图 ，铁 碳 合 金 结 晶 条 件 不同 可 以 全 部 或 部 分 地按 照 其 中 的 一 种 或 另一 种 相 图 进 行 结 晶 1.06002004001400温 度 1000800120016000.77 +Fe3C（ 实 线 ） +Fe3C（ 虚 线 ）5.04.03.02.0C 6.696.0Fe3C +Fe3C（ 实 线 ） +Fe3C（ 虚 线 ）4.062.112.0830.68 114811544.3L 返 回 铸 铁 的 石 墨 化 过 程铸 铁 组 织 中 石 墨 的 形 成 叫 叫 “石 墨 化 ”过 程 。 第 一 阶 段共 晶 石 墨 第 二 阶 段二 次 石 墨 第 三 阶 段共 析 石 墨 返 回 根 据 石 墨 化 程 度 不 同 铸 铁 的 分 类 根 据 铸 铁 在 结 晶 过 程 中 的 石 墨 化 程 度 不 同 ， 铸 铁 可 分为 如 下 三 类 ： （ 1） 灰 口 铸 铁 第 一 和 第 二 阶 段 石 墨 化 过 程 进 行 充 分 ， 其 断 口 为 暗灰 色 ， 工 业 上 所 用 的 铸 铁 几 乎 全 部 属 于 这 一 类 。 根 据 第 三 阶 段 进 行 情 况 的 不 同 有 铁 素 体 ， 铁 素 体 +珠 光 体 及珠 光 体 灰 口 铸 铁 。 （ 2） 白 口 铸 铁 ： 没 有 石 墨 化 ， 完 全 按 Fe-Fe 3C相 图 进 行 结 晶 而得 到 的 铸 铁 （ F+Fe3C） Fe3CI+Ld、 Ld、 P+ Fe3C + Ld。 （ 3） 麻 口 铸 铁 ： 第 一 阶 段 石 墨 化 未 充 分 进 行 ， 其 组 织 Ld+P+G，含 有 Ld工 业 上 应 用 较 少 （ 脆 、 硬 ） 返 回 二 、 影 响 石 墨 化 的 主 要 因 素 化 学 成 分冷 却 速 度 化 学 成 分 的 影 响 C促 进 石 墨 化 进 行 ， 含 碳 量 愈 高 愈 易 石 墨 化 ， 但 不 能 太 高 ， 使 石 墨数 量 增 多 ， 粗 化 、 性 能 变 差 ， 太 低 易 出 白 口 ， 故 2.54.0%C。 合 金 元 素 ： 促 进 石 墨 化 ， Si、 P等 ， 铸 铁 中 每 增 加 1%的 Si共 晶 点 的含 碳 量 相 应 降 低 1/3， 保 证 2.54.0%C的 铸 铁 具 有 好 的 铸 造 性 能 。 P含 量 大 于 0.3%后 出 现 Fe3P， 硬 而 脆 ， 细 小 均 匀 分 布 时 ， 提 高 铸 铁的 耐 磨 性 ， 反 之 连 成 网 ， 降 低 铸 铁 的 强 度 ， 除 耐 磨 铸 铁 外 ，（ 0.51.0%P） 通 常 铸 铁 P含 量 0.3%。 阻 碍 石 墨 化 Mn、 S等 。 S不 仅 阻 碍 石 墨 化 ， 还 会 降 低 铸 铁 的 强 度 和 流 动 性 ， 故 其 含 量 应 尽量 低 ， 一 般 在 0.15%以 下 ， 而 錳 因 为 可 与 硫 形 成 MnS， 减 弱 硫 的 有害 作 用 ， 同 时 可 促 进 珠 光 体 基 体 的 形 成 ， 从 而 提 高 铸 铁 的 强 度 ，故 可 充 许 其 含 量 在 0.51.4% 返 回 冷 却 速 度 的 影 响 冷 却 速 度 愈 慢 ， 即 过 冷 度 愈 小 ， 愈 有 利 于 按 照 Fe-G相 图进 行 结 晶 ， 对 石 墨 化 愈 有 利 ， 反 之 冷 却 速 度 愈 快 ， 过 冷度 增 大 ， 不 利 于 铁 和 碳 原 子 的 长 距 离 扩 散 ， 愈 有 利 于 按Fe-Fe3C相 图 进 行 结 晶 ， 不 利 于 石 墨 化 的 进 行 。 生 产 中 铸 铁 冷 却 速 度 可 由 铸 件 的 壁 厚 来 调 态 ， 综 合 了 铸铁 化 学 成 分 和 冷 却 速 度 对 铸 铁 组 织 的 影 响 ， 可 见 ， 碳 硅含 量 增 加 ， 壁 厚 增 加 易 得 到 灰 口 组 织 ， 石 墨 化 愈 完 全 ；反 之 ， 碳 硅 含 量 减 少 ， 壁 厚 愈 小 ， 愈 易 得 到 白 口 组 织 ，石 墨 化 过 程 越 不 易 进 行 。 返 回 三 、 灰 口 铸 铁 的 组 织 分 类 及 性 能 特 点灰 口 铸 铁 的 基 体 组 织按 照 石 墨 的 形 状 不 同 ， 灰 铸 铁 的 分 类灰 口 铸 铁 的 性 能 特 点 提 高 灰 口 铸 铁 的 机 械 性 能 的 途 径 灰 口 铸 铁 的 基 体 组 织1 、 灰 口 铸 铁 的 基 体 组 织 ， F、 F+P、 P。 灰 铸 铁 组 织 可 简 单 看 成 “钢 基体 ”和 “石 墨 夹 杂 ”共 同 构 成 。石 墨 可 以 有 不 同 的 形 态 ： 自 然 情 况 下 从 液 态 析 出 的 石 墨 均 呈 片 状 ， 因 为石 墨 呈 六 方 结 构 ， 底 面 上 原 子 排 列 密 度 大 ， 原 子 间 键 力 已 达 到 饱 和 ，而 侧 面 上 的 原 子 键 未 达 到 饱 和 ， 易 于 吸 收 碳 原 子 ， 故 沿 侧 面 长 大 速 度快 ， 其 结 果 使 其 呈 片 状 。2、 当 在 浇 注 前 向 铁 水 中 加 入 球 化 剂 或 蠕 化 剂 时 ， 石 墨 可 呈 球 状 或 蠕 虫 状 。 3、 此 外 由 Fe3C在 适 当 高 温 下 （ 9001000 ） 下 分 解 产 生 的 石 墨 还 可 呈团 絮 状 。 返 回 灰 铸 铁 的 分 类 按 照 石 墨 的 形 状 不 同 ， 可 将 灰 铸 铁 分 为 四 类 ： 即 灰 铸 铁 、 球 墨 铸 铁 、 蠕 墨 铸 铁 和 可 锻 铸 铁 。 灰 铸 铁 ： 基 体 组 织 （ F、 F+P、 P） +片 状 G 球 墨 铸 铁 ： 基 体 组 织 （ F、 F+P、 P） +球 状 G 蠕 墨 铸 铁 ： 基 体 组 织 （ F、 F+P、 P） +蠕 状 G 可 锻 铸 铁 ： 基 体 组 织 （ F、 F+P、 P） +团 絮 状 G 返 回 灰 铸 铁 的 性 能 特 点 1） 优 良 的 铸 造 性 能2） 良 好 的 切 削 加 性3） 优 良 的 耐 磨 性 与 减 震 性4） 较 低 的 机 械 性5） 缺 口 敏 感 性 较 低 1） 优 良 的 铸 造 性 能含 碳 量 高 ， （ 2.54.0%C） ， 成 分 接 近 共 晶 点 ，熔 点 比 钢 低 得 多 ， 流 动 性 好 ， 分 散 缩 孔 少 ， 偏析 程 度 小 。 且 在 凝 固 过 程 中 会 析 出 比 容 较 大 的石 墨 ， 所 以 收 缩 率 也 小 ， 凡 无 法 用 锻 造 成 型 的形 状 复 杂 的 零 件 ， 汽 缸 体 ， 变 速 箱 外 壳 等 均 可用 灰 口 铸 铁 铸 造 而 成 。 返 回 2） 良 好 的 切 削 加 性石 墨 使 切 削 容 易 脆 断 ， 同 时 石 墨 本 身 润 滑 作 用减 轻 刀 具 的 磨 损 。 返 回 3） 优 良 的 耐 磨 性 与 减 震 性石 墨 有 利 于 滑 润 和 贮 油 ， 磷 含 量 的 增 加 还 可 形成 硬 而 脆 的 磷 共 晶 等 使 铸 铁 有 好 的 耐 磨 性 。 铸铁 中 的 石 墨 能 将 震 动 能 转 变 为 热 能 ， 从 而 消 震 。 返 回 4） 较 低 的 机 械 性 灰 口 铸 铁 的 抗 拉 强 度 、 塑 性 、 韧 性 和 疲 劳 强 度 都 比 钢 低得 多 ， 因 为 石 墨 的 强 度 、 塑 性 几 乎 为 零 ， 石 墨 的 存 在 减小 了 基 体 的 有 效 面 积 ， 且 石 墨 本 身 可 以 看 成 是 一 个 个 孔洞 和 裂 纹 ， 破 坏 了 基 体 的 连 续 性 ， 所 以 可 把 灰 口 铸 铁 看成 是 布 满 孔 洞 和 裂 纹 的 钢 。 铸 铁 的 硬 度 和 抗 压 强 度 主 要 取 决 于 基 体 组 织 ， 而 与 石 墨无 关 ， 抗 压 强 度 大 大 超 过 抗 拉 强 度 （ 2.54倍 ） ， 在 压 力负 荷 下 石 墨 不 起 裂 纹 作 用 。 返 回 5） 缺 口 敏 感 性 较 低由 于 石 墨 可 以 看 成 是 孔 洞 和 裂 纹 ， 故 灰 口 铸 铁对 零 件 表 面 缺 陷 和 缺 口 不 敏 感 ， 即 缺 口 敏 感 度小 。 返 回 提 高 灰 口 铸 铁 的 机 械 性 能 的 途 径若 提 高 灰 口 铸 铁 的 机 械 性 能 必 须 从 两 方 面 着 手 ：一 是 在 铸 造 时 通 过 孕 育 处 理 （ 或 变 质 处 理 ） 、球 化 处 理 、 蠕 化 处 理 等 方 法 ， 改 变 石 墨 的 形 态 、大 小 、 数 量 及 分 布 状 况 ； 二 是 通 过 合 金 化 的 热处 理 改 变 基 体 组 织 。 返 回 四 、 各 类 灰 口 铸 铁 的 牌 号 及 用 途 1 灰 铸 铁 2 可 锻 铸 铁 3 球 墨 铸 铁4.蠕 墨 铸 铁 1 灰 铸 铁 灰 铸 铁 由 铁 水 直 接 浇 注 而 得 ， 组 织 （ F、 F+P、 P+G片 ） ，可 见 ， 生 产 过 程 最 简 单 ， 且 成 本 低 故 应 用 广 泛 ， 典 型 的应 用 如 汽 缸 和 汽 缸 套 ， 机 床 床 身 、 卡 盘 等 。 由 于 石 墨 呈 片 状 ， 对 基 体 的 割 裂 作 用 最 大 ， 其 强 度 、 塑性 、 韧 性 远 比 基 体 钢 低 ， 而 且 粗 大 的 石 墨 的 割 裂 作 用 更大 ， 通 常 对 灰 铸 铁 采 取 变 质 处 理 （ 孕 衣 处 理 ） ： 在 浇 注前 加 少 量 的 孕 育 剂 （ 硅 铁 或 硅 码 合 金 ） ， 使 铁 水 中 形 成大 量 的 人 工 石 墨 晶 粒 ， 细 化 石 墨 片 ， 减 小 对 基 体 的 割 裂作 用 ， 使 其 强 度 可 有 所 提 高 。 下 页 1 灰 铸 铁其 牌 号 用 HT+抗 拉 强 度 （ 最 小 ） 汉 语 拼 音“灰 铁 ”如 HT100表 示 最 小 抗 拉 强 度 为 100Mpa的 灰 铸 铁 灰 铸 铁 的 组 织 示 意 图 返 回 (a)F+G 片 (b)F+P+G片 (c)P+G片 2 可 锻 铸 铁它 是 将 铁 水 先 浇 注 成 白 口 铸 铁 件 ， 然 后 经 石 墨化 退 火 而 得 到 石 墨 呈 团 絮 状 形 态 的 一 种 铸 铁 ，其 强 度 较 灰 铸 铁 高 ， 塑 性 比 灰 铸 铁 好 ， 且 有 一定 的 塑 性 变 形 能 力 ， 因 此 又 被 称 为 展 性 铸 铁 韧性 铸 铁 ， 其 可 锻 铸 铁 也 是 由 此 而 得 名 ， 实 际 上也 是 不 能 经 过 锻 造 加 工 的 ， 只 是 因 为 其 较 灰 铸铁 有 一 定 的 韧 性 ， 才 称 为 可 锻 铸 铁 。 可 锻 铸 铁 的 组 织 示 意 图 下 页 可 锻 铸 铁 的 性 能 特 点 较 高 的 强 度 、 塑 性 和 冲 击 韧 性 ， 可 以 部 分 代 替 碳 钢 。 比 灰 口 铸 铁 性 能 优 越 ； 与 球 墨 铸 铁 相 比 ， 可 锻 铸 铁 质 量稳 定 、 薄 壁 件 不 易 生 成 白 口 。 铁 素 体 可 锻 铸 铁 常 作 汽 车 、 拖 拉 机 的 前 后 轮 壳 、 减 速 器 、中 低 压 阀 门 、 管 接 头 及 农 具 等 。 珠 光 体 可 锻 铸 铁 常 用 作 曲 轴 、 连 杆 、 齿 轮 等 下 页 可 锻 铸 铁 的 退 火 工 艺 当 白 口 铸 铁 加 热 到 高 温 （ 9001000 ） ， 并 长 时 间 的1530h保 温 ， 渗 碳 体 分 解 为 A+团 絮 状 石 墨 ， 缓 慢 冷 却 时 A中 不 断 析出 二 次 石 墨 ， 使 团 絮 状 石 墨 不 断 长 大 ， 直 到 冷 却 到 共 析 转 变 温 度 时 ，A分 解 为 F+G， 得 到 铁 素 体 基 体 的 可 锻 铸 铁 ， 组 织 F+G团 絮 ， 固 其 断口 心 部 存 在 大 量 的 石 墨 而 呈 灰 黑 色 ， 表 层 因 退 火 脱 碳 呈 白 色 ， 故 称黑 心 可 锻 铸 铁 ， 若 通 过 共 析 转 变 区 时 的 冷 却 速 度 较 快 ， 则 A P， 而得 到 珠 光 体 基 体 的 可 锻 铸 铁 ， 显 微 组 织 ， P+G团 絮 状 ， 称 珠 光 体 可锻 铸 铁 。 此 外 ， 如 果 将 白 口 铸 铁 件 在 氧 化 性 介 质 中 退 火 ， 使 表 面 层完 全 脱 碳 得 到 F组 织 ， 心 部 仍 为 珠 光 体 组 织 加 上 团 絮 状 石 墨 ， 其 断口 心 部 呈 白 亮 色 ， 表 面 呈 暗 灰 色 称 白 心 可 锻 铸 铁 ， 白 心 可 锻 铸铁 工 艺 复 杂 ， 性 能 与 黑 心 差 不 多 ， 故 应 用 较 少 。 所 有 的 可 锻 铸 铁 生 产 周 期 长 ， 工 艺 复 杂 ， 成 本 高 ， 所 以 目 前 不 少 可锻 铸 铁 件 渐 渐 被 球 块 所 代 替 。 返 回 3.球 墨 铸 铁 球 墨 铸 铁 是 在 浇 注 前 往 铁 水 中 加 入 一 定 量 的 球 化 剂 （ Mg、 Ce及 其 他烯 土 ） 进 行 球 化 处 理 ， 并 加 入 少 量 的 孕 育 剂 （ 硅 铁 或 硅 钙 合 金 ） 以促 进 石 墨 化 ， 浇 注 后 得 到 球 状 石 墨 的 铸 铁 。 组 织 （ F、 F+P、 P） +G球 状 。 由 于 石 墨 呈 球 状 ， 对 基 体 的 割 裂 作 用 最 小 ， 应 力 集 中 小 ， 其 基 体 的强 度 能 够 得 到 充 分 的 发 挥 ， 因 此 球 墨 铸 铁 既 具 有 灰 铸 铁 的 优 点 如 良好 的 铸 造 性 、 耐 磨 性 、 可 切 削 加 工 性 及 低 的 缺 口 敏 感 性 ， 又 有 可 与钢 化 的 机 械 性 能 ， 即 有 较 高 的 抗 拉 强 度 及 良 好 的 塑 性 与 韧 性 ， 还 可通 过 合 金 化 和 热 处 理 来 进 一 步 提 高 它 的 性 能 ， 在 所 有 的 铸 铁 中 机 械性 能 最 好 ， 但 其 韧 性 仍 比 钢 差 ， 可 部 分 替 代 钢 ， 某 些 合 金 钢 。 和 可锻 铸 铁 ， 用 于 制 造 载 荷 较 大 ， 受 力 复 杂 的 重 要 零 件 ， 如 ： 汽 车 、 拖拉 机 、 或 煤 油 机 乃 至 火 车 的 曲 轴 凸 轮 轴 、 机 床 中 的 主 轴 ， 轧 钢 机 的轧 辊 等 。 返 回 4.蠕 墨 铸 铁蠕 墨 铸 铁 是 一 种 新 型 高 强 铸 铁 材 料 。 强 度 接 近于 球 墨 铸 铁 ， 并 有 一 定 的 韧 性 、 较 高 的 耐 磨 性 、良 好 铸 造 性 和 导 热 性 。 用 于 高 压 热 交 换 器 、 内燃 机 、 液 压 阀 等 铸 件 。 下 页 蠕 墨 铸 铁 的 组 织 示 意 图 返 回 四 、 各 类 灰 口 铸 铁 的 牌 号 及 用 途灰 铸 铁 的 牌 号 及 用 途球 墨 铸 铁 的 牌 号 及 用 途可 锻 铸 铁 的 牌 号 及 用 途 灰 铸 铁 的 牌 号 及 用 途HT表 示 “灰 铁 ”的 字 首 ,后 面 三 位 数 字 表 示 最 小抗 拉 强 度 值 ， 如 HT150典 型 的 应 用 如 汽 缸 和 汽 缸 套 ， 机 床 床 身 、 卡 盘等 球 墨 铸 铁 的 牌 号 及 用 途QT表 示 “球 铁 ”二 字 汉 语 音 的 字 首 ,第 一 组 数 字代 表 最 低 抗 拉 强 度 值 ,第 二 组 数 字 代 表 最 低 伸长 率 ， QT40-70用 于 制 造 载 荷 较 大 ， 受 力 复 杂 的 重 要 零 件 ， 如 ：汽 车 、 拖 拉 机 、 或 煤 油 机 乃 至 火 车 的 曲 轴 凸 轮轴 、 机 床 中 的 主 轴 ， 轧 钢 机 的 轧 辊 等 。 可 锻 铸 铁 的 牌 号 及 用 途 其 牌 号 “KT”“可 锻 铸 铁 ”、 “KTH”黑 心 可 锻 铸 铁 。 “KTB”白 心 可 锻 铸 铁 ， “KTZ”珠 光 体 可 锻 铸 铁 。 它 们 后 面 的 数 字 分 别 表 示 最 低 抗 拉 强 度 （ Mpa） 和 最 低 延 伸 率 。 如 ： KTH350-10表 示 最 小 抗 拉 强 度 为 350Mpa， 最 低 延 伸 率 为 10的 黑 心 可锻 铸 铁 。 KTB380-12 bmin=380 Mpa min=12白 心 可 锻 铸 铁 。 KTZ450-06 bmin=450 Mpa min=6的 珠 光 体 可 锻 铸 铁 。 通 常 用 在 形状 复 杂 ， 要 求 承 受 冲 击 裁 荷 的 薄 壁 零 件 ， 如 ： 汽 车 拖 拉 机 的 前 后 轮 壳 ，减 速 器 壳 等 五 、 铸 铁 的 热 处 理 及 合 金 铸 铁灰 铸 铁 的 热 处 理合 金 铸 铁 灰 铸 铁 的 热 处 理 灰 口 铸 铁 热 处 理 的 目 的 ： (1)消 除 铸 件 中 的 内 应 力 ； (2)减 少 铸 件 中 的 内 应 力 ； (3)提 高 铸 铁 的 强 度 、 硬 度 及 耐 磨 性 。 热 处 理 只 改 变 灰 口 铸 铁 的 基 体 组 织 ， 而 不 改 变 原 始 组 织中 的 石 墨 形 态 和 分 布 ， 对 于 灰 铸 铁 ， 由 于 片 状 石 墨 显 著降 低 机 械 性 能 ， 因 此 对 它 进 行 调 质 ， 等 温 淬 火 等 强 化 型热 处 理 ， 效 果 不 显 著 ， 故 灰 铸 铁 的 热 处 理 主 要 有 退 火 、正 火 和 表 面 热 处 理 返 回 合 金 铸 铁 随 着 铸 铁 在 现 代 工 业 中 的 广 泛 应 用 ， 对其 性 能 的 要 求 愈 来 愈 高 ， 不 仅 要 求 具 有 更 高 的机 械 性 能 ， 有 时 还 应 具 有 某 些 特 殊 的 性 能 如 耐热 性 、 耐 蚀 性 及 耐 磨 性 等 ， 为 使 其 具 有 这 些 特殊 性 能 ， 向 铸 铁 中 加 入 合 金 元 素 ， 这 种 加 入 了合 金 元 素 的 铸 铁 即 合 金 铸 铁 ， 如 ： 高 强 度 合 金铸 铁 ， 耐 热 合 金 铸 铁 、 耐 磨 合 金 铸 铁 、 耐 蚀 合金 铸 铁 等 。