《金属材料第六讲-难熔金属与合金-铸铁》由会员分享，可在线阅读，更多相关《金属材料第六讲-难熔金属与合金-铸铁（49页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、铸铁 大作业 选择一种你感兴趣的金属机械零件进行选材 分析其服役环境 性能要求 合金化特征及热处理工艺 不少于1000字 不要介绍课堂中讲过的内容 铸铁有优良的使用性能和工艺性能 在机械 冶金 矿山 石油化工 交通运输 建筑等领域被广泛应用 使用量仅次于钢 铸铁件占机械总质量的45 90 1 1 成分特征 含碳量大于2 14 或组织有共晶组织的铁碳合金 以Fe C Si元素为主 含有其它元素 质量分数 2 4 4 0 C 0 6 3 0 Si 0 2 1 2 Mn 0 04 1 2 P及0 04 0 2 S 有时加入Al Cr Mn Cu等满足特殊性能 1 2 C在铸铁中的存在形式 间隙固溶
2、铁素体 奥氏体 渗碳体Fe3C 石墨 在大部分的机械制造工业用铸铁 碳主要以游离的石墨形式存在 1 白口铸铁 C以渗碳体形式存在 断口为白亮色 因渗碳体存在 硬而脆 不易切削加工 一般不用来制造机械零件 主要作为炼钢原料使用 1 3 铸铁的分类 按照C析出状态或铸铁特性 2 灰口铸铁 C全部或大部分以片状石墨析出 断口为灰暗色 机械性能和加工性能良好 是主要的材料 按石墨或基体组织又可分成 可锻铸铁 团絮状石墨 与灰口铁相比 塑韧性好 实际上不可锻 2 1 铁 石墨状态图 图中虚线为Fe G状态图 也称Fe C稳定相图 实线部分为Fe Fe3C状态图 Fe C不稳定相图 重合部分都用实线表示
3、由于虚线位于实线的左上方 表明Fe G比Fe Fe3C更稳定 前者共晶 共析点均高于后者 溶解度线温度高于后者 前者析出石墨 后者析出Fe3CII 2 2 石墨化过程 铸铁中碳以石墨形式析出的过程叫石墨化 高温铁水凝固时C可以以石墨或Fe3C形式析出 厚壁件冷速小 以石墨形式析出 薄壁件冷速大 以Fe3C形式析出 取决于自由能随温度变化 从自由能曲线上看 形成A G最有利 1153 以下A G自由能最低 有利于石墨化过程 实际生产冷速较大时 合金过冷到Tc以下 常常结晶形成莱氏体共晶组织 而非A G 由于形成G和Fe3C的动力学条件不同 原因 新相产生条件是成分起伏 结构起伏和能量起伏 成分起
4、伏 形成G所需成分起伏大 C由共晶的4 3 100 Fe3C所需成分起伏小 4 3 6 67 结构起伏 Fe3C长大 C只是在Fe原子间隙存在 Fe不需要反向长程扩散 从动力学看有利于Fe3C形成 要获得G 就使液体不要过冷到Tc A Fe3C共晶温度 以下 C和Fe才能充分扩散 达到成分起伏 使动力学条件较差的A G共晶转变得以实现 冷速要慢 厚壁 砂型模具 2 3 影响铸态组织的因素 铸铁的组织取决于石墨化程度 关键在于控制石墨化进程与石墨尺寸的大小 受化学成分 冷却速度 过热和高温静置以及孕育处理等因素影响 A 化学成分 C和Si 是铸铁中的基本成分 强烈促进石墨化元素 促进第一和第二阶
5、段石墨化 C量提高 促进石墨化 I Si含量提高 使共晶和共析点含碳量左移 减小 相当于含C量增加 促进石墨化 含2 08 Si时 共晶和共析含C量分别由4 26 降低3 65 0 69 到0 65 II Si使共晶和共析转变在一个温度区间进行 有三相区共存 共晶转变区 液态 A G 共析转变区 A F G 随Si含量提高 三相区域增大 有利于G形成 III Si提高共析和共晶转变温度 利于原子长程扩散 促进石墨化 综合考虑C和Si的影响 使用碳当量 CE 和共晶度 SC 描述石墨化倾向 CE是把Si和P都折合成C含量 SC是铸铁实际含C量与共晶含C量之比 CE大等于4 26 为过共晶 小于4
6、 26 为亚共晶 CE和SC越高 铸铁石墨化能力越强 石墨数量多且粗大 F含量多 力学性能下降 P的影响 促进石墨化元素 不如C强烈 3份P相当1份C P 0 2 时形成Fe3P相 硬而脆 细小 均匀 弥散分布时对耐磨性有益 若形成网状 降低铸铁强度 增加脆性 耐磨铸铁含量为0 5 1 普通铸铁都作为杂质 限制在0 2 以下 Mn的影响 阻碍石墨化元素 溶于F或渗碳体内增加C和Fe的结合力 降低共析共晶温度 阻碍石墨化 Mn能与S结合形成MnS 削弱S的有害作用 强化基体 促进珠光体形成 含量0 5 1 4 若要获得F基体 Mn含量取下限 S的影响 促进白口元素 共晶白口铁 降低流动性 使铸铁
7、内产生气泡 是有害元素 所有的合金元素均可分为促进石墨化和阻碍石墨化元素 B 冷却速度 铸铁化学成分确定后 改变冷却速度 可在很大范围改变铸铁组织 可以是灰口铁 也可是白口铁 冷却速度越慢 过冷度小时 越利于Fe G状态图进行结晶和相变 有利于石墨化 反之温度越低 冷却速度增大 原子扩散能力减弱 共析阶段石墨化难以完成 实际铸造过程 铸件冷却速度是综合因素 与浇注温度 铸型条件和铸件壁厚有关 铸件越厚 冷速越小 越容易得到粗大石墨 反之得到细小石墨 壁厚效应很敏感 不同铸型材料有不同的导热系数 干砂型导热慢 湿砂型快 金属型更快 可调整不同砂型 利用不同导热能力获得不同冷却速度 获得所需组织
8、C 铸铁过热和高温静置的影响 在一定温度范围内 提高铁水过热温度 延长高温静置时间 都会导致铸铁中的石墨基体组织细化 强度提高 进一步提高过热温度 铸铁成核能力下降 石墨形态变差 甚至出现自由渗碳体 强度下降 存在临界温度 一般灰口铁的临界温度为1500 1550 化学成分是最基本的因素 石墨形状为片状 基体组织为F P 或F P 断口为灰色的铸铁叫灰口铁 牌号 HTxxx抗拉强度P基体的抗拉强度高于F基体 孕育铸铁 在铸铁液中加如硅铁或硅钙做孕育剂 提供非均匀形核的核心SiO2 细化石墨 叫孕育铸铁 一般低C 2 8 3 3 低Si 1 0 1 4 铁水温度高 1420 1440 孕育剂占铁
9、水总量的0 3 0 5 3 1 灰口铁中片状石墨的生长方式 六方晶格结构 每层为正六边形 相邻两层原子间距大 0 339nm 六角环形面为基面 0001 垂直于基面的叫柱面 结合能为4 19 12 56J mol 基面原子间距为0 142nm 结合能强 419 502J mol 1 从晶体学和生长方式看 形成新的一层时 由于层间结合力弱 有可能重新溶入铁液中 所以垂直层面方向石墨生长速度慢 2 相反每一层最边缘的原子总有一个共价键没有结合 只有铁液中有一个原子进入到合适位置 会很牢固的粘上 而不易重新溶入铁液中 沿片方向生长速度快 3 从石墨生长动力学看 其生长会导致周围贫C富Si 促进包围石
10、墨片的A形成 但A并不能完全包围石墨片 仍与铁水接触 进一步长大 但沿层厚方向长大 C和Fe均要扩散 较困难 生长慢 所以沿层片方向生长快 形成片状石墨 片状石墨生长示意图 3 2 灰口铁的组织特点 1 灰口铁的基体同碳钢基本相似 但由于含Si Mn量高 基体强度比碳钢高 碳钢F的硬度HBS80 抗拉强度300MPa 而灰口铁的HBS100 抗拉强度400MPa 2 C以游离态石墨存在 软而脆 强度极低 抗拉强度小于20MPa 延伸率为0 密度低 体积分数大 使金属强度得不到发挥 石墨相当于微小裂纹或空洞 3 片状石墨对铸铁的性能影响大 孕育处理促进石墨化 减少白口倾向 控制石墨形态 细小 头
11、部钝 较厚 均匀 对基体割裂作用小 促进细片珠光体 索氏体 形成 改善铸铁组织性能 3 2 灰口铁的组织特点 4 存在非金属夹杂物 硫化夹杂和磷共晶体 FeS降低铸铁强度 形成MnS可消除对Fe强度的影响 磷共晶常沿着共晶团晶界呈网状分布 硬而脆 降低韧性 限制含磷量 3 3 灰口铁的性能和热处理 灰口铁性能有两个决定因素 金属基体和石墨 石墨是主要因素 有双重作用 1 力学性能下降 2 改善其他性能 3 3 灰口铁的性能和热处理 1 抗拉强度低 塑韧性差 虽然基体的性能与钢相当 但有石墨存在 整体性能下降 石墨减少有效受载面积 缩减作用 基体强度利用率只有30 50 强度下降 同时石墨的尖角
12、效应 视为缺口 应力集中 一般产生脆性断裂 2 存在壁厚敏感效应 凝固速度对石墨的尺寸 形状 分布有关 进而影响铸铁性能 壁厚处冷速慢 石墨大 强度低 同一铸件壁厚处强度比壁薄处低 称为铸件壁厚敏感性 可通过孕育处理改善之 3 3 灰口铁的性能和热处理 3 硬度和强度 抗压强度与钢接近 是抗拉强度的3 5倍 拉力下缺口敏感 硬度一般在HB130 270 4 良好的减震和减摩性 这是铸铁最大的优点 减震是指材料吸收震动能力的能力 片状石墨降低了基体的连续性 阻止振动的传播 转变成热能发散 软石墨是润滑剂 被磨掉的地方存储润滑油 减摩 5 良好的铸造 切削性 铸铁化学成分接近共晶 流动性好 不易形
13、成缩孔和缩松 可铸造形状很复杂的零件 发动机气缸 石墨润滑作用使切削容易 3 3 灰口铁的性能和热处理 6 热处理 1 500 550 低温退火 消除铸件内应力 减少变形 开裂等 2 石墨化退火 当有白口组织时或自由碳化物较多 通过高温900 950 石墨化退火 降低硬度改善切削加工性能 铁水经过球化处理 把片状石墨变成球状的叫球墨铸铁 采用纯镁 近年用稀土镁做球化剂 用量仅次于灰口铁 牌号为QTXXX XX 前面XXX代表抗拉强度 后一个XX代表延伸率 球状石墨对基体割裂程度小 性能主要取决于基体组织性能 4 1 球状石墨的形成过程 一定成分的铁液 加入球化剂 镁 铈 钙 稀土镁等 后 硫和
14、氧含量下降 石墨就会以球状析出 球化元素在铁液中有一定的残留量 在共晶凝固过程中形成球状石墨 1 球状石墨的结构 低倍呈球形 高倍呈多边形轮廓 内部成放射状 内部呈年轮状结构 有一个核心 从核心向外 碳原子形成年轮状堆积 这个核心就是球状石墨形成和长大的策源地 每一个多边形就是一个 0001 为底面的年轮 从内部向外部形成一个锥形单晶体 球状石墨的多边外形就是由不同取向的 0001 面所构成 除球状 还有其他形态的变态石墨 2 球状石墨的形成条件 铁液凝固时要有a 较大的过冷度 b 较大的铁液与石墨间的界面张力 第一个条件 任何球化剂 Mg Ce Y La等 均使铁液的过冷度加大 为球状石墨的
15、形成提供第一条件 第二个条件 球化剂与表面活性物质S O反应 使其含量降低 提高铁液表面张力和铁液 石墨界面张力 提供第二条件 3 球状石墨的形核机理 无论亚 共和过共晶成分 石墨都是从铁水中直接析出 并长大到一定尺寸 球状石墨中心有直径约1mm的杂质微粒 是球状石墨的晶核 有双层结构 晶核最中心由Mg和Ca的硫化物组成 尺寸为0 05mm 外层则由Mg Al Si Ti的氧化物组成 Mg Ca除去了铁液中活性的S O 形成非自发形核核心 分别构成了核的内外层 4 球状石墨的生长机理 经Mg或Ce处理的铸铁熔体 熔体和石墨棱面间的界面能大于熔体与石墨晶体基面的界面能 为石墨沿 0001 基面的
16、生长奠定基础 而含硫较多的灰口铁 相反 球墨生长时有大量缺陷 螺位错起主导作用 碳原子优先在螺位错的螺旋出口处作为生长的最有利位置 沿 0001 方向螺旋上升发展 见图7 5 若各个晶体按同样速度长大 晶体形成近似球面的多面体 若某些活性元素 S O 吸附在螺旋台阶的螺旋出口处 降低铁液 石墨的界面张力 抑制该处螺旋生长 而其他处的螺旋晶体依然保持一定速度生长 使等轴方式遭到破坏 球墨形状发生异变 消除活性元素对球墨的干扰 4 2 球墨铸铁的组织与性能 球墨铸铁的组织是细小圆整的石墨 金属基体 按分布和形态变化石墨化程度共分为6级 石墨化程度越好 越细小 对基体的缩减和切割作用越小 球铁的综合性能越好 基体利用率可达70 90 铸态条件下金属通常是F P的混合组织 F通常位于球墨的周围 形成 牛眼 状组织 通过适当的热处理 可得到F P S B等组织 获得不同性能 1 铁素体球铁的基体是以铁素体为主 QT400 18 QT400 15 QT450 10 强度较低 塑韧性较好 制造承受冲击 振动的件 如汽车和拖拉机底盘等 2 珠光体球铁的基体是以珠光体为主 QT700 2 QT800 2
