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1、第六章铸铁 第六章铸铁 1 铸铁的石墨化过程 2 铸铁的分类与组织 3 常用铸铁的编号 性能 热处理工艺与应用 主要学习内容 第六章铸铁 教学目的 要求1 掌握铸铁的编号 性能 热处理工艺与应用 2 熟悉石墨的形态与铸铁性能的关系 3 了解铸铁的石墨化过程 第六章铸铁 第一节概述 铸铁 是碳含量大于2 11 的铁碳合金 并且还含有较多量的硅 锰 硫 磷等元素 铸铁成分 C 2 5 4 0 Si 1 0 3 0 Mn 0 5 1 4 P 0 01 0 5 S 0 02 0 20 等 还可以加入一定量的合金元素以改善和提高铸铁的力学及物理化学性能 第一节概述 应用 1 农业机械中铸铁件占40 60
2、 2 汽车拖拉机中约占50 70 3 机床制造中约占60 90 铸铁特点 1 生产设备和工艺简单 价格便宜 2 有良好的铸造性 切削加工性及减震性等优良的使用性能和工艺性能 第一节概述 一 石墨化1 定义 就是铸铁中碳原子析出和形成石墨的过程 Fe3C 亚稳定相 3Fe C 稳定相 2 石墨化条件 冷却速度极缓慢 铸铁的石墨化过程可分为三个阶段 第一阶段 即液相亚共晶结晶阶段 包括从过共晶成分的液相中直接结晶出一次石墨和共晶成分的液相结晶出奥氏体加石墨 由一次渗碳体和共晶渗碳体在高温退火时分解形成的石墨 第二阶段 即共晶转变亚共折转变之间阶段 包括从奥氏体中直接析出二次石墨和二次渗碳体在此温度
3、区间分解形成的石墨 第三阶段 即共折转变阶段 包括共折转变时 形成的共析石墨和共析渗碳体退火时分解形成的石墨 第一节概述 铸铁的石墨化过程可分为三个阶段 第一阶段 即液相亚共晶结晶阶段 包括从过共晶成分的液相中直接结晶出一次石墨和共晶成分的液相结晶出奥氏体加石墨 由一次渗碳体和共晶渗碳体在高温退火时分解形成的石墨 第二阶段 即共晶转变亚共折转变之间阶段 包括从奥氏体中直接析出二次石墨和二次渗碳体在此温度区间分解形成的石墨 第三阶段 即共折转变阶段 包括共折转变时 形成的共析石墨和共析渗碳体退火时分解形成的石墨 第一节概述 2 铸铁的石墨化及影响因素从各种铸铁的组织可见 铸铁中的碳可能以化合状态
4、 Fe3C 或自由状态 石墨 两种形态存在 铸铁在结晶过程中 碳以石墨形态析出的现象称为石墨化 铸铁中石墨化程度直接决定了铸铁的组织和性能 第一节概述 铸铁石墨化的影响因素 1 化学成分 碳和硅 碳和硅是强烈促进石墨化的元素 铸铁中C Si越高 石墨化越容易进行 越容易得到灰口组织 但过高 石墨多而粗大 组织中铁素体量增多 珠光体量减少 力学性能降低 灰口铸铁中C一般在 2 5 4 0 Si在 1 0 3 0 硫 硫是强烈阻碍石墨化的元素 硫阻碍碳原子的扩散 还能增强铁 碳原子的结合力 强烈的阻碍石墨化 硫能使铁水的流动性降低 收缩量增大 使铸铁有较大的热裂倾向 因此铸铁中硫含量越低越好 一般
5、要控制在0 15 以下 锰 锰本身是阻碍石墨化的元素 但它能与硫结合 形成MnS浮集到渣中 从而削弱了S阻碍石墨化作用 一般锰含量为 0 5 1 4 磷 磷对石墨化稍起促进作用 改善铸造性能 但具有冷脆性 是有害元素 要控制使用 第一节概述 铸铁石墨化的影响因素 2 冷却速度冷却速度对铸铁石墨化的影响很大 冷却越慢 原子扩散越充分 越有利于石墨化进行 而快冷阻止石墨化越容易得到白口组织 冷却速度的大小主要取决于浇注温度 铸件壁厚和铸型导热能力等多种因素 浇注温度愈高 使得铁水凝固前铸型吸收的热量愈多 铸件冷却就愈慢 各种造型材料的导热性不同 铸件在金属型中的冷却比在砂型中快 同是砂型 湿型的冷
6、却速度大于干型和预热的铸型 铸件壁厚是影响冷却速度的一个重要因素 铸件壁越厚 则冷却速度越小 石墨化就越完全 第一节概述 3 铸铁的分类 1 白口铸铁简称为白口铁 碳全部以渗碳体 Fe3C 形式存在 断口呈银白色 主要用于炼钢原料或制造可锻铸铁的毛坯 2 灰口铸铁碳主要结晶成游离状态的石墨 其中碳大部分或全部以片状石墨形状存在 断口为暗灰色 常见的铸铁件多数是灰口铸铁 3 可锻铸铁由一定成分的白口铸铁经石墨化退火处理而获得 其中碳大部分或全部以团状石墨形式存在 具有较灰口铸铁高得多的塑性和韧性 4 球墨铸铁铁水在浇注前经球化处理 其中碳大部分或全部以球状石墨形式存在 机械性能高 生产工艺比可锻
7、铸铁简单 近年来日益得到广泛的应用 5 蠕墨铸铁碳以蠕虫状石墨形式存在 介于片状和球状石墨之间 是近十几年发展起来的新型铸铁 第一节概述 1 灰口铸铁的组织与性能 第二节灰口铸铁 1 灰口铸铁的性能 1 优良的铸造性能 2 优良的耐磨性和吸震性 3 较低的缺口敏感性和良好的切削加工性能 4 灰铸铁的机械性能 5 较好的经济性 第二节灰口铸铁 2 灰口铸铁的孕育处理 孕育铸铁普通灰口铸铁的主要缺点是因为石墨片较为粗大 致使机械性能较低 不超250MPa 所以要改善灰口铸铁的性能 应改变其石墨片的大小和数目 为了获得细小的石墨片 在出炉的铁水中加入少量的孕育剂 变质剂 进行孕育处理 或变质处理 使
8、铸铁在凝固过程中产生大量的人工晶核 以促进石墨的形核和结晶 得到在珠光体基体上分布均匀的细小片状石墨的灰口铸铁 这种铸铁称为 孕育铸铁 第二节灰口铸铁 3 灰口铸铁的牌号和应用 第二节灰口铸铁 4 灰口铸铁的热处理灰口铸铁的热处理只能改变铸铁的基体组织 而不能改变其石墨的形状和分布 利用热处理来提高灰口铸铁机械性能的效果不大 通常仅应用热处理来消除内应力 消除铸件白口和提高铸件表面硬度和耐磨性 常见的灰铁的热处理的方法如下 1 消除内应力退火 人工时效 为消除内应力引起的变形或开裂 将铸件缓慢加热 60 100 h 至500 550 保温一点时间 每10mm保温2h 然后随炉缓冷 20 40
9、h 至150 200 出炉空冷 2 高温石墨化退火为消除表面或薄壁处的白口组织 降低硬度 改善切削加工性 将铸件加热至850 950 保温1 4h A G 使部分渗碳体分解为G 然后随炉缓冷至400 500 以下出炉空冷 高温退火得到F或F P基灰口铸铁 第二节灰口铸铁 4 灰口铸铁的热处理 3 正火为消除白口和提高强度 硬度及耐磨性 将铸件加热至850 950 保温1 3h 然后出炉空冷 最后得到P基灰口铸铁 4 表面淬火为提高表面强度 硬度 耐磨性及疲劳强度 通过表面淬火使铸件表层得到细M和石墨的硬化层 一般选用孕育铸铁 基体最好为P组织 第二节灰口铸铁 1 球墨铸铁的成分和球化处理 第三
10、节球墨铸铁 2 球墨铸铁的牌号和性能 第三节球墨铸铁 2 球墨铸铁的牌号和性能 第三节球墨铸铁 3 球墨铸铁的热处理 第三节球墨铸铁 1 退火退火的目的是为了获得铁素体球墨铸铁 球墨铸铁在浇铸后 其铸态组织中常出现铁素体 珠光体 自由渗碳体 球状石墨这样的混合的基体组织 不仅机械性能低 且难以切削加工 为了获得高塑性的铁素体组织 改善切削加工性 消除铸造反力 必须进行退火 使其中的渗碳体和珠光体能够分解 根据球墨铸铁的铸态组织不同 退火工艺有下列两种 高温退火 当铸态组织为铁素体 珠光休 自由渗碳体 石墨时 应进行高温退火 工艺过程 将铸件加热到900 950 保温2 5h 使渗碳体分解 然后
11、随炉缓冷至600 左右 再出炉空冷 低温退火 当铸态组织为铁素体 珠光体 石墨而没有自由渗碳体时 则采用低温退火 使珠光体中的渗碳体分解 而获得铁素体 球状石墨的组织 工艺过程为将铸件加热到720 760 保温3 6h 随炉缓冷至600 出炉空冷 3 球墨铸铁的热处理 第三节球墨铸铁 2 正火正火的目的是为了增加球墨铸铁基体组织中的珠光体量 珠光体虽占75 以上 并细化组织以获得很高强度和耐磨性 正火工艺根据加热温度 可分为高温正火 又完全奥氏体化正火 和低温正火 又称不完全奥氏体化正火 高温正火 为了获得高强度的珠光体球墨铸铁 铸件应进行高温正火 其工艺为将铸件加热到880 920 保温1
12、3h 然后空冷 为了减少铁素体含量 提高基体中珠光体含量 正火时常采取加快冷却速度的方法 由于冷却速度加大 常在铸件中引起内应力 因此 正火后常进行一次去除应力退火 退火温度一般采用550 600 保温1 2h 然后空冷 低温正火 将铸件加热到820 860 保温一定时间 使基体组织一部分转变为奥氏体 另一部分铁素体未转变 正火后得到的组织为珠光体 少量破碎铁素体 球状石墨 这种组织既有较高的强度又具有较好的塑性 3 球墨铸铁的热处理 第三节球墨铸铁 3 调质处理对于一些受力比较复杂 要求综合机械性能较高的零件 如连杆 曲柄等 如果采用正火 其强度和韧性的配合不够理想 常采用调质处理 其工艺是
13、 将铸件加热到850 900 使球墨铸铁中的铁素体转变为奥氏体淬油淬火得到马氏体 然后经过550 600 回火2 4h 空冷后获得回火索氏体 球状石墨组织 回火索氏体基体不仅强度高 而且塑性和韧性比正火的珠光体基体好 3 球墨铸铁的热处理 第三节球墨铸铁 4 等温淬火对于要求既具有高的强度 硬度和耐磨性 又具有较好的塑性和韧性 外形复杂 热处理易变形或开裂的零件 如传动齿轮 凸轮轴等 可采用等温淬火 等温淬火的工艺为 加热温度为860 900 保温一段时间 然后迅速冷至250 300 的等温盐浴中 进行30 90min等温处理 一般不再进行回火 等温淬火后的组织为下贝氏体 石墨 等温淬火后球墨
14、铸铁件抗拉强度可达1200 1500MPa 硬度为HRC38 50 并具有良好的耐磨性 1 可锻铸铁的成分和石墨化处理 第四节可锻铸铁 2 可锻铸铁的牌号和性能 第四节可锻铸铁 1 蠕墨铸铁蠕墨铸铁铁液成分与球墨铸铁相似 采取冲入法向铁液中加蠕化剂 当成分一定时 其强度及韧性高于灰铸铁 但塑性 韧性低于球铁 蠕墨铸铁铸造性能及减震性能优于球铁 蠕墨铸铁是通过铁液的蠕化处理获得的 浇注前向铁液中加入蠕化剂 促使石墨呈蠕虫状析出 就得到了蠕墨铸铁 这种处理方法称为蠕化处理 第五节蠕墨铸铁及合金铸铁简介 第五节蠕墨铸铁及合金铸铁简介 2 合金铸铁随着工业的发展 对铸铁不仅要求有更高的机械性能 而且有
15、时还要求具有某些特殊性能 如耐磨性 耐热性和耐蚀性等 为此 可向铸铁中加入一定量的合金元素制成合金铸铁 1 耐磨铸铁向铸铁中加入一定的P B V或Ti等元素 使铸铁组织中形成大量均布的高硬度显微夹杂物 大大提高了铸铁的耐磨性 向铸铁中加入Cr Mo和Cu等元素使基体组织细化和强化 也能提高耐磨性 高P Cu Ti合金铸铁是制造机床导轨的好材料 Cr Mo Cu合金铸铁主要用在汽车 拖拉机 精密机床方面以及要求较高的大型柴油机汽缸套及活塞环等零件 此外 还有中锰球墨铸铁用于农机上的耙片 犁铧 球磨机的衬板 磨球 拖拉机上的履带板等 第五节蠕墨铸铁及合金铸铁简介 2 合金铸铁 2 耐热铸铁耐热铸铁
16、是指在高温下具有较好的抗氧化和抗生长的能力 所谓 生长 是指由于氧化性气体沿着石墨片的边界和裂纹渗入铸铁内部所造成的氧化以及由于Fe3C分解而发生的石墨化引起铸铁件体积膨胀 向铸铁中加入一定量的Al Si或Cr等元素 一方面使铸铁表面形成致密的氧化膜 Al2O3 SiO2 Cr2O3 使这类铸铁在高温下具有抗氧化 不起皮的能力 另一方面 这些元素提高了铸铁组织的相变温度 阻止了Fe3C的分解 增强了铸铁在高温下的抗生长性 使铸件的性能与尺寸稳定 即提高了耐热性 耐热铸铁可用于制造炉门 炉栅等耐热件 3 耐蚀铸铁耐蚀铸铁是指在腐蚀性介质中工作时具有耐蚀能力的铸铁 它们主要应用于化工部门 如阀门 管道 泵 容器等 提高铸铁耐蚀性主要靠加入大量的Si Al Cr Ni Cu等合金元素 在铸件表面形成保护膜 可以提高铸铁的耐蚀性能 第五节蠕墨铸铁及合金铸铁简介 本章小结 铸铁因含碳量较高导致铸铁的塑性和韧性较差 但由于碳在铸铁中的形态不同而具有了良好的铸造性 减摩性 切削加工性 吸震性等钢所不具有的特点 在铸造时若加入一定的合金元素 铸铁的强度和硬度会有很大地提高 因此铸铁在工业上的应用较为广
