铸铁基础知识ppt课件

焊工技师、高级技师培训,8-1 铸铁基础知识（一）,1,铸铁基础知识,铸铁是含碳量大于2.11%的铁碳合金,除碳外,铸铁还含有较多的Si、Mn和其它一些杂质元素。与钢相比，铸铁熔炼简便、成本低廉。虽然强度、塑性和韧性较低，但具有优良的铸造性能，很高的耐磨性，良好的消震性和切削加工性。,塑性变形的定义是物质-包括流体及固体在一定的条件下， 在外力的作用下产形变，当施加的外力撤除或消失后该物体 不能恢复原状的一种物理现象。,塑性：是指金属材料在载荷作用下产生最大塑性变形而不破坏的能力,铸铁基础知识,各种铸铁及其应用,根据碳在铸铁中存在的形态不同，通常可将铸铁分为白口铸铁、灰口铸铁及麻口铸铁。而灰铸铁中又可根据石墨形态的不同而分为普通灰铸铁，蠕虫状石墨铸铁，球墨铸铁以及可锻铸铁。,铸铁：含碳量2.11%的铁碳合金,铸铁基础知识,其中灰口铸铁又以“G”形态的不同，分为：,铸铁基础知识,一、白口铸铁,碳除少量溶于铁素体外，绝大部分以碳化物的形式存在于铸铁中，断口呈银白色。 白口铸铁的特点是硬而脆，很难加工。所以一般都不希望出现白口。 但有时可以利用白口铸铁硬度高、抗磨损性能好的优点，制造一些高耐磨的零件和工具。例如。农具（犁铧），球磨机的内衬及磨球，喷丸机的叶片以及电厂的叶片以及灰渣泵及磨煤机的磨损件等。,铸铁基础知识,二、灰铸铁,灰铸铁的碳主要结晶成石墨，并呈片状形式存在于铸铁中，断口为暗灰色。常见的铸铁件多数是灰铸铁。化学成分一般为： C 2.63.6%; Si 1.23.0%; Mn 0.41.2%；P0.3%; S 0.15%.,石墨和碳是同素异构体,铸铁基础知识,三、麻口铸铁,麻口铸铁具有灰口铸铁和白口铸铁的混合组织，断口呈灰白色交错。在珠光体的基体上既分布着渗碳体又分布着石墨。 由于这种铸铁不利于加工，一般不使用。,铸铁基础知识,四、可锻铸铁,可锻铸铁因有较高的塑性和韧性而得名，其实是不可锻的。 其生产过程是：先铸成一定成分的白口铸铁，而后经过适当的热处理（石墨化退火处理），使其中的渗碳体分解而形成团絮状石墨。,铸铁基础知识,五、球墨铸铁,铁水在浇注前，经球化和孕育处理，碳主要以球状石墨的状态存在于铸铁中。 与其它铸造合金相比，球墨铸铁亦有类似于灰口铸铁的优点（如耐磨、减震、优良的切削加工和铸造工艺性能等），还具有比普通灰铸铁高得多的强度、塑性和韧性。,石墨球：300个/mm2,铸铁基础知识,元素在铸铁中的作用,碳,碳是铸铁的基本组元，在铸铁中的存在形式主要有两种 ，一种是 以游离碳石墨的形式存在，另一种是以化合碳渗碳体的形式存在。碳是强烈促进石墨化的元素，增加碳量会增加石墨的数量，但会使石墨粗大。,铸铁基础知识,在灰铸铁中，碳的质量分数控制在2.73.8%的范围内，碳主要以片状石墨形式存在，高碳灰铸铁的金相组织为铁素体和粗大的片状石墨，机械强度和硬度较低，但挠度较好。低碳灰铸铁的金相组织为珠光体和细小的片状石墨，有较高的机械强度和硬度，但挠度较差。 在球墨铸铁中，碳的质量分数控制在3.53.9%范围内，经球化处理后碳通常会减少0.10.3%，碳主要以球状石墨形式存在。为了改善铸造性能，碳总是维持在较高限，并且利用石墨化膨胀的作用，以补偿收缩，增加铸铁的致密性，保证铸件的有较高的力学性能。,挠度：变形量,铸铁基础知识,硅,硅是铸铁中常存五元素之一，能减少碳在液态和固态中的溶解度，促进石墨的析出，因此是促进石墨化的元素，其作用是碳的1/3左右，故增加硅量会增加石墨的数量，也会使石墨粗大。 在灰铸铁中硅的质量分数控制在1.12.7%的范围内，一般碳硅量低可获得较高的机械强度和硬度，但流动性稍差；当薄壁铸件出现白口时可提高碳硅含量使之变灰；当壁厚铸件出现粗大石墨时，应适当降低碳硅含量，达到提高机械强度和硬度的目的。 在球墨铸铁中，球化前硅的质量分数控制在1.02.0%的范围内，这主要考虑在球化时球化孕育剂还要带入一部分硅量。通常球化后硅的质量分数最终控制在1.83.3%，在此范围内，随着硅量的提高，铁素体量增加并能细化石墨，提高球状石墨的圆整度。,对于珠光体球铁，硅控制在1.82.5%， 以不出现自由渗碳体为原则。,对于铁素体球铁，硅含量最终控制 在2.63.3%，以不显著降低韧性为原则。,铸铁基础知识,锰,1.在铁水结晶过程中，锰促进碳化物的形成，具有稳定珠光体的作用。 2.在一定条件下，当锰含量小于1.3%时，随含锰量的增加，铸铁的强度、硬度增加，而塑性和韧性降低；当含锰量增加到1.3%以上，铸铁组织中出现自由渗碳体，此时只有硬度提高，其它性能均降低。,中和硫的有害作用,稳定和细化珠光体,铸铁基础知识,磷,磷对石墨化影响不显著，磷含量大于0.3%时会形成硬而脆的磷共晶，能提高铸铁的耐磨性，但又会形成冷脆性，对于灰铸铁含磷量应限制在0.15%以下。,铸铁基础知识,硫,硫是强烈阻碍石墨化的元素，能促进铸铁白口化，形成热脆性，并降低流动性，增大收缩，产生热裂。 有害元素，应严格限制其含量在0.1%以下。 增硫防止石墨长成粗大片状。虽然硫是阻碍石墨化的元素，但是灰铸铁中硫含量过低是非常有害的，因为低硫的铁液中的碳原子更容易往粗大的片状石墨上富集，使大量的石墨晶核无法长成片状石墨，使凝固后期的铁液得不到有效的石墨化而产生严重收缩。硫本身在铁液中的溶解度很低，碳、硅量越高，溶解能力越差。在铁液的成核能力很好，孕育也做得很好的情况下，适量增硫，利用硫阻碍石墨长成粗大片状的作用，可以给其它石墨核心长成片状石墨的机会，达到使石墨细化，数量增多，分布均匀的目的。必须认识到的是，硫毕竟是阻碍石墨化的元素，硫量过高，会增加白口。灰铸铁最佳的w.(S)范围应控制在0.080.12。,铸铁基础知识,铜,铜的石墨化能力约为硅的1/5，因此能降低铸铁的白口倾向，是促进石墨化元素。由于铜能增加珠光体的含量，同时能细化 珠光体及强化珠光体中的铁素体，因而能增加铸铁的硬度及强度。,铸铁基础知识,铬,在普通灰铁中加入0.5%左右的铬，能细化石墨，增加珠光体数量，提高强度和硬度。铬是强烈稳定碳化物阻碍石墨化的元素。,铸铁基础知识,锡,锡：稳定碳化物，阻碍石墨化的元素。 为了增加珠光体数量，提高机械性能，加入0.1%以下的锡，在普通灰铸铁中加入0.050.10%，可将灰铸铁强度提高一级，而且石墨呈中等片状分布。珠光体可达90%以上。 对于球墨铸铁来说，加入0.050.10%，可以稳定珠光体而又不形成游离渗碳体。因而能提高球墨铸铁的强度、硬度和耐磨性。,铸铁基础知识,镍,镍是促进石墨化的元素，能减少白口形成倾向。镍不但有细化珠光体的作用而且有增加珠光体数量的作用。所以在一般合金铸铁中加入镍的目的往往是从稳定并细化珠光体出发。,铸铁基础知识,钼,钼是典型的碳化物形成元素，在小于0.6%时， 钼的作用十分温和，这时铸铁的基本成分无需由于 钼的加入而作改变。 钼是很强的珠光体稳定元素，如加到0.5%时，铸铁中铁素体消失。 钼能细化石墨，仅有轻度的白口倾向，在小于0.8%时能细化珠光体，增加珠光体含量。 以 钼为合金元素时，磷必须低于0.2%，这是由于要形成复杂的四元共晶之故（共晶中含磷4.4%，钼5.6%），因此要消耗掉部分 钼。,铸铁基础知识,铸铁的石墨,铸铁基础知识,A型石墨,A型石墨是在石墨的成核能力较强，冷却速度较慢，共晶转化在很小的过冷度下进行时形成的。由于晶核的数目较多，又在很小的过冷度下结晶，线生长速度低，所以石墨分枝不很发达，故形成较为均匀分布的片状石墨，这是灰铸铁中最经常出现的一种石墨分布状态。,一厂生产铸件石墨,铸铁基础知识,B型石墨,B型石墨呈花朵状，其实质上是中心部分由D型石墨组成，花朵的外围则为A型石墨，其形成的过程是这样的：它的成核条件要较形成A型石墨差些，故其共晶转变时过冷度也比出现A 型石墨时要大一些，由于成核条件较差，因此常常在共晶团的中心部分形成过冷（D型）石墨，当共晶结晶开始后，由于放出结晶潜热，能够把未结晶的铁水加热，使其温度有所上升，因而其外围部分在稍高的温度下结晶，当然石墨的分枝较少，石墨也显得粗大些，最后形成花朵状分布,一厂生产铸件 石墨,铸铁基础知识,C型石墨,C型石墨是在碳当量很高（过共晶），冷却速度很慢的情况下出现的，过共晶灰铸铁中的石墨常呈这种形态。在对铁水进行石墨化孕育处理时，由于孕育剂加入过大，造成局部区域硅元素富集，使局部出现过共晶区域，也会出现这种石墨。当过共晶铁水冷却时，遇到液相线，在一定的过冷下即析出初析石墨晶核，在液体铁中逐渐长大，由于结晶时的温度较高，而且成长的时间较长，故长成分枝少的粗大片状，当达到共晶结晶温度时，便按照正常的共晶过程进行，此时大都形成A型石墨。,一厂生产铸件石墨,铸铁基础知识,D型石墨,D型石墨是在石墨的成核条件较差（如碳当量低），冷却速度较大，造成较大的过冷度情况下形成的。由于稳定系与介稳定系共晶温度之间的间隙较大（硅量并不很低时），因此所造成的过冷尚不足以遏制石墨析出。在这种结晶温度下，当熔体的温度刚下降至稳定系共晶平衡温度以下时，石墨晶核还不能大量生成，而奥氏体则在初生奥氏体枝晶的基础上或通过形成新的晶核仍不断析出，直到出现较大的过冷时，奥氏体枝晶之间残留熔体中才形成大量石墨晶核。因这时石墨是在较大的过冷度下成长，分枝很为发达，故最后在奥氏体枝晶间形成许多细小的无一定排列方向的石墨。这种石墨常在牌号较高（碳量较低），壁薄（冷却较快）的灰铸铁中出现，D型石墨又称为“过冷石墨”。,一厂生产铸件石墨,铸铁基础知识,E型石墨,E型石墨则是在亚共晶程度较大的铸铁在慢冷的条件下形成的。初生的奥氏体树枝数量较多。至共晶结晶时过冷度不太大，形成的石墨核心不太多（共晶团较大），石墨的分枝不多，所以最后石墨片不象D型那样细小而是比较粗一些，因为共晶结晶时液体的数量已很少，仅仅占据初生树枝体间的间隙位置，所以形成的比较粗的石墨片则是顺着树枝体的枝杆方向生长，显出一定的方向性。这种铸铁如果在快速冷却下结晶凝固，往往会形成D型石墨，所以经常在高强度的薄壁铸件中，会同时出现D型、E型石墨的分布特征。,一厂生产铸件石墨,铸铁基础知识,F型石墨,F型石墨是我国标准中所特有的，其特点是在大块石墨（有的单位叫星型石墨）上分布着许多小的石墨片（这些小石墨片呈A型分布），F型石墨实质上亦是过共晶石墨，是高碳铁水在较大过冷条件下生长的。大块石墨可以认为是相当于C型中的初生石墨，小片状石墨在其上生长。 这种石墨在生产活塞环时经常出现，为了防止活塞环组织出现白口，常采用高碳（如C3.8%）铁水，由于壁薄，必须加强孕育过程，因此促进了了F型石墨的生长。,铸铁基础知识,灰铸铁石墨级别、长度,铸铁基础知识,铸铁基础知识,球墨铸铁,铸铁基础知识,孕育铸铁,把某些物质少量地加入到铁水中,通过影响其生核过程以改变凝固特性的处理工艺成为孕育,加入的物质称为孕育剂.孕育的目的:1.促进石墨化,抑制白口;2增加共晶团数;3.减小断面敏感性;4.改善石墨形态,提高机械性能. HT250以上的牌号均为高强度铸铁,也称孕育铸铁.因为单依靠对铁水合金化及降低碳当量等措施远远不能达到所需要的机械性能和铸造性能的要求,所以必须对铁水进行孕育处理,因此称为孕育铸铁. 孕育铸铁发展: 德国二战期间,发展1947年美国。 孕育铸铁的化学成分:组织中出现少量自由渗碳体情况下进行孕育才能得到预期效果.如果原铁水碳、硅较高，不经孕育就成为灰口组织，那么一经孕育石墨会粗大化，反而使强度降低。,石墨化：铸铁中碳原子析出并形成石墨的过程,铸铁基础知识,1. 灰铸铁 脆性材料,三种组织： （1） 珠光体灰铸铁 P +“G”片 HT200 （2） 珠光体-铁素体灰铸铁 P+F+“G”片 HT150（3） 铁素体灰铸铁 F +“G”片 HT100,灰铸铁的组织,显微组织：金属基体 + “G”片,铸铁基础知识, 耐磨性能好。由于石墨本身有润滑作用。 消振性能好。由于石墨可以吸收振动能量。 铸造性能好。由于铸铁硅含量高, 成分接近于共晶. 切削性能好。由于石墨使车屑容易脆断，不粘刀。,2、铸铁的性能特点 力学性能低。由于石墨相当于钢基体中的裂纹或空洞，破坏了基体的连续性，且易导致应力集中。,铸铁与铸钢的强度比较,铸铁基础知识,3、影响灰铸铁组织和性能的主要因素,分析三种灰铸铁：,C化合=0时,为F灰铸铁。 强度硬度最差，很少用。,C化合=0.8%时，为P灰铁，石墨片细小，分布均匀，强、硬度高，可制造床身、机体等重要件。,C化合 0.8%时,为（P+F）灰铸铁，石墨片较粗大，强度低，适于一般机件。其铸造性能和减振性均优于前者，应用最广。,结论：必须控制石墨化程度来控制铸铁的组织和性能。,铸铁的石墨化：在铸铁组织中形成石墨的过程。,C化合=0时,为F灰铸铁。,C化合=0.8%时，为P灰铁，石墨片细小，分布均匀，强、硬度高，可制造床身、机体等重要件。,铸铁基础知识,影响铸铁组织和性能的主要因素与影响铸铁石墨化的因素是一致的，即为化学成分和冷却速度。,（1）化学成分 C、Si、Mn、S、P,碳和硅 对铸铁的组织和性能起着决定性的影响,碳是形成石墨的元素，也是促进石墨化的元素。,硅是强烈促进石墨化的元素。含硅量过少，即使高含碳量石墨也不宜析出，容易形成白口组织。,灰铸铁中：2.5-4.0%C，1.0-3.0%Si。,铸铁基础知识,S：硫是强烈阻碍石墨化的元素，能促进铸铁白口化，形成热脆性，并降低流动性，增大收缩，产生热裂。 有害元素，应严格限制其含量在0.1%以下。,Mn: 锰与硫作用生成MnS，削弱硫的有害作用，提高铸铁的强度。锰是阻碍石墨化的元素，增加白口倾向。生产中常加入0.61.2%锰铁，控制铸铁组织。,P: 磷对石墨化影响不显著，磷含量大于0.3%时会形成硬而脆的磷共晶，能提高铸铁的耐磨性，但又会形成冷脆性，对于灰铸铁含磷量应限制在0.15%以下。,铸铁基础知识,冷却速度越慢，越有利于石墨化过程的进行。,（2）冷却速度,在高温缓慢冷却的条件下，由于原子具有较高的扩散能力，铸铁中的碳以游离态（石墨相）析出。,对于薄壁件容易得到白口组织，要获得灰口组织就应增加碳、硅含量；反之亦然。,冷却速度对铸铁组织的影响,冷却速度主要取决于铸型材料和铸件壁厚。,铸铁基础知识,铸件的机械性能,客户验收铸件的标准最终是以机械性能为依据的,它可以给供应商提供化学成分,但是范围特宽，不完全作为验收依据。 铸件的机械性能取决于石墨(它的形状、大小、分布和数量)和基体组织。 铸件的化学成分在很大程度上决定了铸件的金相组织，而铸件的金相组织在很大程度上决定了铸件的力学性能，并且铸件的化学成分、金相组织和力学性能这三者之间存在着十分紧密的内在联系。,铸铁基础知识,化学成分、冷却速度、铁水的过热温度和保温时间、孕育处理和炉料的特性等因素影响着铸铁的石墨化和基体的结晶。经过孕育的铁水能够得到具有中等大小、均匀分布的A型石墨，并且共晶团数增加，抑制了白口倾向，使断面敏感性减小。,材料的化学成分和组织结构是其力学性能的内部依据， 而力学性能则是具有一定化学成分和组织结构的外部表现。,Thank You,40,Thank You,41,