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1、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 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 Fe3C 游离态的石墨 G 石墨特点 C 100 简单六方晶体结构强度
2、塑性和韧性极低松软相 相当于孔洞和裂缝 Fe3C 3Fe 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 Fe3C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 L4 3 C Fe3C 6 69 C A G 100 C A 结构起伏 L 或 Fe Fe C并
3、存 面心 Fe3C 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Fe3C长大只要C扩散 Fe原子局部移动即可 G长大较难 有利于Fe3C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 CSi 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 8 3 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
4、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Fe3P 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 5 1 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 5 1 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
5、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
6、石墨 G 共晶石墨 二次石墨 G 铸铁的组织和分类 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
7、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 牌号 抗拉
8、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30 50 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
9、 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 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40 70 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
10、 P 团絮状G 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 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 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
11、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70 90 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
12、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A B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
13、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 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 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
14、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
15、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SiO2 Al2O3 Cr2O3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
16、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
